虚拟仿真技术在高等教育课程中的应用实践与思考

摘 要：随着科技的飞速发展，虚拟仿真技术已经成为高等教育中越来越重要的教学工具，该文对虚拟仿真技术在高等教育课程中的应用进行实践和思考。首先，介绍虚拟仿真技术的概念、特点以及在高等教育中的应用现状，总结该技术的优点和挑战。其次，以智慧园艺课程中应用虚拟仿真技术的教学实践为例，分析虚拟仿真技术在高等教育课程中进行应用存在的问题，并提出建议。最后，对虚拟仿真技术在高等教育课程中应用的未来发展趋势进行分析思考，旨在促进教学质量提升、创新人才的培养和高校的高质量发展。

关键词：虚拟仿真；高等教育；智慧园艺；应用实践；提升对策

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2024）23-0114-04

Abstract： With the rapid development of science and technology， virtual simulation technology has become an increasingly important teaching tool in higher education. Virtual simulation technology can simulate various scenes and environments in the real world， provide students with real and comprehensive practical experience， and play an important role in improving students' practical ability and improving teaching quality. In this paper， the application of virtual simulation technology in higher education courses is practiced and thought. We introduced the concept， characteristics and application status of virtual simulation technology in higher education， summarized the advantages and challenges of this technology. Taking the teaching practice of applying virtual simulation technology in the course of Intelligent Horticulture as an example， we analyzed the problems existing in the application of virtual simulation technology in higher education courses， and put forward some suggestions for improvement in this paper. Finally， this paper put forward some thoughts on the application of virtual simulation technology in higher education and analyzes the future development trend， aiming at promoting the improvement of teaching quality， the training of innovative talents and the high-quality development of schools.

Keywords： virtual simulation; higher education; Intelligent Horticulture; application practice; promotion countermeasure

随着科技的飞速发展，虚拟仿真技术已经成为了高等教育中越来越重要的教学工具。虚拟仿真技术能够模拟真实世界中的各种场景和环境，提供给学生真实而全面的实践经验，对于提高学生的实践能力和提升教学质量有着重要的作用。本文将探讨虚拟仿真技术在高等教育中的应用及其未来的发展趋势。

一 虚拟仿真技术的定义与特点

虚拟仿真技术是一种通过计算机技术创造出来的虚拟环境，这个环境可以模拟真实世界中的物理现象、环境条件、物体状态等，也可以构建出虚构的、超越现实的环境。它结合了计算机图形学、人机交互、物理模拟等多个领域的技术，能够提供沉浸式的体验，让用户如同身临其境。

虚拟仿真技术具有以下特点[1]。

高度逼真：虚拟仿真技术可以创建出非常逼真的虚拟环境，能够模拟出实际场景中的各种细节和特征，使得师生能够身临其境地感受虚拟环境。

交互性强：虚拟仿真技术可以实现用户与虚拟环境的交互，师生可以通过各种方式与虚拟对象进行交互，如触摸、移动、旋转等，从而增强师生的参与感和沉浸感。

高度灵活：虚拟仿真技术可以随时随地地进行模拟和实验，师生可以在任何时间、任何地点进行操作和体验，同时还可以随时更改虚拟环境和实验条件，从而获得更加灵活和多样化的实验结果[2]。

高度可靠：虚拟仿真技术可以避免传统实验中可能出现的风险和危险，例如在模拟实验中不会造成任何物理伤害或财产损失，同时还可以通过数据分析和模拟预测来提高实验的可靠性和准确性。

高度经济：虚拟仿真技术可以节省大量的实验成本和时间成本，尤其是在需要进行大量实验或复杂实验的情况下，可以减少实验所需的人力、物力和财力投入，同时还可以通过模拟预测来优化实验方案和减少不必要的实验次数。

二 当前虚拟仿真技术在高等教育中的应用

自2018年教育部公布首批国家虚拟仿真实验教学项目至今，教育部已认定了1 200门虚拟仿真实验教学国家级一流本科课程，利用虚拟仿真技术作为新的教学手段成为了教育领域的新亮点[3]。对不同高校的一流本科虚拟仿真课程数量统计发现，山东大学和天津大学各有16门课程，数量位居榜首，拥有10门及以上国家级一流本科虚拟仿真课程的高校有20所（图1）。对课程的学科类型进行统计发现，经济管理类的国家级虚拟仿真课程最多，有80门，机械类（71门）和临床医学类（68门）紧随其后，分列第二和第三（图2）。

目前的虚拟仿真技术在高等教育课程中主要有以下几类应用场景。

实验模拟：在科学、工程、医学等领域，实验是提高学生实践能力和创新意识的重要手段。然而，由于设备昂贵、操作危险等原因，很多实验无法在课堂上进行。虚拟仿真技术可以模拟实验环境，让学生通过计算机进行实验操作，提高实验的安全性和效率[4]。例如，中山大学建设的活髓切断术虚拟仿真实验课程，将活髓切断这一不可逆的治疗过程可视化、虚拟化，使学生在无创性、无风险、低成本和可重复的前提下，熟练掌握活髓切断术的检查、诊断、治疗计划的制定以及操作技术，高效地得到该技能的全面训练[5]。

技能训练：在职业教育和技能培训中，虚拟仿真技术可以模拟实际工作环境，帮助学生掌握实际操作技能。例如，南京特殊教育师范学院建设的《特殊儿童教育与康复虚拟仿真实验》将有助于特教教师形成特殊儿童教育与康复的职业素养，通过在线虚拟仿真教学，快速掌握孤独症等特殊儿童教育与康复综合实践的知识要领，从而具备为特殊儿童教育与康复提供高质量的专业服务技能[6]。

远程教育：虚拟仿真技术可以用于远程教育，让学生在家中或其他地方通过互联网进行学习。例如，华南农业大学建设的鱼菜共生智能农业经营虚拟仿真实验课程，通过虚拟教室，校内外的学生可以在线听老师讲解知识，远程学习智能农业经营模式[7]。

科学研究：在科学研究中，虚拟仿真技术可以模拟自然现象、社会现象等，为科学研究提供数据和支持。例如，湖北大学建设的隐域性植被——亚热带山地泥炭藓沼泽湿地植被调查与观测虚拟仿真实验课程，利用无人机航拍、全景摄影等技术，将泥炭藓的形态构造、生态功能、群落物种组成等核心要素虚拟仿真。学生不仅可熟悉泥炭藓湿地植被的生态功能及主要植物种类，掌握其含水量、地下水位、泥炭沉积测年等调查测量方法，还能归纳隐域性植被地理分布与演化规律，探讨保护策略[8]。

三 案例分析与实践

为了更好地说明虚拟仿真技术在高等教育课程中的应用效果和价值，以下以智慧园艺课程为例进行案例分析。在乡村振兴战略背景下，包括智慧园艺在内的智慧农业是未来农业发展的主要方向。发展智慧农业不仅是国家战略，也是涉农高校建设的焦点[9]。在这个背景下，越来越多的高校开设了智慧园艺课程。该课程是以智能控制、机器学习、大数据分析为中心，以农业设施设计与建造、园艺植物生物信息学、智慧园艺植物育种、智慧园艺植物生产技术和农产品物流管理为主体，将农科与理工学科交叉融合的特色课程。

笔者在讲授智慧园艺课程中的“基因编辑育种”内容时采用了虚拟仿真技术进行实验教学。该实验教学内容主要利用南昌大学建设的国家级一流虚拟仿真课程资源《基因编辑对拟南芥花药发育及结构的影响》（https：//www.ilab-x.com/details/page？id=3423），同时建议学生在课后自学《杨树良种组培再生虚拟仿真实验》（http：//lxxnfz.njfu.edu.cn/xnfzzy/index.html）课程补充和熟悉组培知识。

在传统的实验教学中，学生需要通过实际操作各种实验设备和仪器来了解掌握基因编辑育种获得植物新种质的流程。然而，由于真实的园艺植物基因编辑育种流程复杂、操作时间冗长等原因，使得实验教学的难度和成本较高。通过采用虚拟仿真技术，学生可以在计算机上学习基因编辑原理、基因编辑靶点的设计过程，模拟载体构建、转基因实验操作，不仅降低了实验成本和风险，还提高了实验的可靠性和便捷性。

在具体的实施中，教师首先通过讲解和演示虚拟仿真实验系统的使用方法和注意事项，指导学生注册并熟悉国家虚拟仿真实验平台的使用方法。先利用练习模式对实验原理和过程进行学习（图3），之后再进入考核模式进行自主设计和完成实验（图4）。

学生在虚拟环境中可以自由选择基因编辑靶点（图5），进行转基因实验，以及分析是否获得目标性状的基因编辑材料（图6和图7）。同时，系统还会自动记录学生的操作过程和实验数据，方便学生进行结果分析和讨论。通过这种方式，学生可以在更加自由和开放的环境中发挥自己的想象力和创造力，提高实验课程的学习效果和质量。

四 虚拟仿真技术在高等教育中的挑战与对策

虽然虚拟仿真技术在高等教育中具有重要的应用价值，广泛的应用前景和一定的应用基础，但也面临着一些挑战[10]。以下是几个主要的挑战。

技术成本：虚拟仿真技术的开发和应用需要大量的资金投入。一方面，高校需要购买和维护虚拟仿真技术的设备和软件，大部分项目采购达到百万级别，甚至千万级别；另一方面，高校需要投入人力物力进行教师培训和技术支持。对于一些经济条件有限的高校，这是一项巨大的挑战。

技术难度：虚拟仿真技术的使用需要一定的技术能力和经验。教师需要掌握相关的技术和工具，能够设计和开发符合教学需求的虚拟仿真实验和培训项目。同时，学生也需要具备一定的计算机操作能力和学习主动性，能够自主使用虚拟仿真技术进行学习和实践。

教育适用性：虽然虚拟仿真技术具有很多优点，但并不是所有的教学内容都适合使用虚拟仿真技术。有些实验和技能操作需要真实的设备和环境才能达到最好的教学效果[11]。因此，高校需要选择合适的教学内容和使用方式，充分发挥虚拟仿真技术的优势[12]。

平台开放性：目前不少高校已经建立了虚拟仿真实验教学平台或中心，但是存在开放度不高、注册流程复杂、校外使用卡顿和需要额外下载软件等问题。目前国家虚拟仿真实验平台（https：//www.ilabx.com）中只收录了297门虚拟仿真实验教学课程，其中一流课程30门，只占已认定一流虚拟课程的2.5%。大部分课程只能通过在课程建设高校的平台进行注册获得资源，这就导致需要进行多次注册。

针对以上挑战，高校及相关教育管理机构可以采取以下对策。

增加虚拟仿真技术的投入。为了满足高等教育日益增长的需求，我们需要加大对虚拟仿真技术的投入。这包括提供更多的硬件设备、软件开发和维护以及人员培训等方面的投入。只有通过持续的投入，我们才能确保虚拟仿真技术在高等教育中得到广泛的应用和推广。

强化教师培训。教师是虚拟仿真技术应用的关键因素。因此，我们需要加强对教师的培训，提高他们对虚拟仿真技术的认识和应用能力。通过培训，教师可以更好地理解和掌握虚拟仿真技术，从而更好地将其应用于教学和科研中。

提高学生参与度。学生是虚拟仿真技术的直接受益者。为了充分发挥虚拟仿真技术的作用，我们需要提高学生参与度。这可以通过增加学生对虚拟仿真技术的了解、提高学生对虚拟仿真技术的兴趣以及提供更多的虚拟仿真技术课程等方式实现。

加强软件开发和应用研究。虚拟仿真技术的优势在于其可以根据不同学科的需求进行定制和优化。因此，我们需要加强软件开发和应用研究，以满足不同学科的需求。通过与学科专业的紧密结合，我们可以开发出更加符合实际需求的虚拟仿真软件，从而更好地辅助教学和科研工作。

提高高校虚拟仿真课程和实验教学平台的开放度。加强资源共享，通过建立共享平台，将各个专业的虚拟仿真课程和实验教学资源进行整合，方便不同专业的学生和教师共享使用。提高教师素质，教师是虚拟仿真课程和实验教学平台的主要使用者之一，因此提高教师的素质对于提高平台的开放度至关重要。加强学生参与，高校应该鼓励学生积极参与虚拟仿真课程和实验教学平台的使用，提高学生的实践能力和创新能力。推广宣传，高校应该加强对虚拟仿真课程和实验教学平台的推广宣传工作。通过校园网站、微信公众号、宣传册等方式，向师生介绍虚拟仿真课程和实验教学平台的特点和使用方法[13]。

五 虚拟仿真技术的未来发展趋势

随着科技的不断发展，虚拟仿真技术在高校教育中的应用将更加广泛。未来，我们可以预见以下几个发展趋势。（一） 虚实结合，形成更加真实的模拟环境

未来的虚拟仿真技术将更加注重真实感的模拟，包括动植物的生长过程、气候变化、土壤质量等。通过更加精细的建模和仿真技术，可以为学生提供一个更加真实的实践环境，使他们在实践中更好地理解和掌握知识[14]。

（二） 智能化辅助教学

虚拟仿真技术将结合人工智能、大数据等技术，实现智能化辅助教学。通过对学生的学习行为进行分析，可以为每个学生提供个性化的学习建议和指导，提高学生的学习效果。

（三） 虚拟实践与真实实践的结合

虚拟仿真技术将与真实实践相结合，形成虚实互补的教学模式。学生可以通过虚拟仿真技术进行模拟实践，然后在真实环境中进行实践操作，使理论与实践更好地结合[15]。

（四） 全球范围内的资源共享

虚拟仿真技术可以打破时间和空间的限制，实现全球范围内的资源共享。未来，我们可以看到更多的国际合作项目，通过虚拟仿真技术实现跨文化、跨地域的教育交流。

六 结束语

虚拟仿真技术在高等教育中具有广泛的应用前景和重要的价值。通过模拟真实世界的各种场景和现象，虚拟仿真技术不仅可以提高实验教学的效果和质量，还可以降低真实实验的成本和风险[16]。同时，虚拟仿真技术还可以为科研提供重要的辅助作用，促进学科的发展和创新。未来，随着技术的不断进步和应用领域的不断拓展，虚拟仿真技术将在高等教育课程中发挥越来越重要的作用，成为推动高等教育发展的重要力量。

参考文献：

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基金项目：2020年教育部新农科研究与改革实践项目“新农科都市型园艺人才培养模式创新实践”（无编号）；2021年北京高等教育本科教学改革创新项目“新农科背景下都市型智慧园艺课程体系创新实践”（无编号）

作者简介：黄芸（1989-），女，汉族，江西抚州人，博士，副教授，硕士研究生导师。研究方向为园艺学。