高校教育结合虚拟仿真技术的探索与创新应用

摘要：目的：高校教育的信息化程度与科学技术的发展水平息息相关。文章以艺术学与生物学两个代表性学科为例，探讨虚拟仿真技术在高校教育中的创新潜力与应用前景。方法：首先，对虚拟仿真技术的起源、类型、特征以及在我国的发展现状进行概述。然后，分别对艺术学、生物学与虚拟仿真技术融合的优势与不足进行深入探讨，并提出相应的教学改革建议。结果：虚拟仿真技术作为一种新型教学辅助工具，在高校的应用日益广泛，逐渐融入艺术学、生物学、医学、农学、经济学、管理学等多个学科领域。特别是在艺术学与生物学领域，虚拟仿真技术不仅能提供生动、丰富的交互性学习体验，而且能突破传统教学对材料和空间的限制，实现教学方式创新。但虚拟仿真技术仍面临着操作真实感有待增强、个性化学习欠缺等挑战。构建资源共享平台，培养高校教师队伍，增强学生的实践能力，促进学科之间交叉协作与建立学生反馈机制，有助于艺术学、生物学等学科与虚拟仿真技术深度融合，建设一个更加智能、全面的虚拟仿真教学平台。结论：虚拟仿真技术为激发学生的学习兴趣、提升教师的教学质量和培养交叉学科人才提供了支持。教育科研人员、技术开发人员与政策制定者需要共同探索，更好地发挥虚拟仿真技术的优势，因材施教。

关键词：高校教育；虚拟仿真技术；艺术学；生物学；创新

中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1004-9436（2024）15-00-03

0 引言

在全球科技水平不断提高的背景下，现代教育对新型信息技术有着迫切的需求。虚拟仿真技术作为其中的一个重要分支，已逐步渗透到高校教育的各个学科。该技术打破了传统教学所受的材料和空间限制，以高度的仿真环境和丰富的互动体验，给学生带来更直观、生动的学习感受。将抽象的理论知识转化为可视化、可操作的仿真内容，便于学生在虚拟环境中亲身实践，更好地掌握知识。尤其是在艺术学和生物学教学中，虚拟仿真技术的应用潜力愈发凸显。在艺术学科教学中，借助虚拟仿真技术构造三维立体的艺术作品，能让学生从不同的角度欣赏，甚至参与到创作过程中［1］；在生物学科教学中，学生可以模拟实验操作，观察生物微观结构，从而深化认知［2］。艺术学的实践教学通常依赖实物材料，生物学的实验教学则更强调动手能力和安全性，应用虚拟仿真技术开展教学，既可以保留传统教育方式的优势，又能调动学生的学习兴趣，从而有效提高教学质量。本文以艺术学和生物学两种不同类型的学科为例，分别阐述虚拟仿真技术在教学中的应用现状，并提出具有针对性的优化策略。

1 虚拟仿真技术发展概况

虚拟仿真技术是一种利用计算机技术创建和模拟现实或虚构环境，使用户能够进行交互式体验的技术。其核心在于通过软件和硬件的协同工作，构建一个三维或多维的虚拟空间，便于观察、操作甚至是情感体验，从而获取知识、提高技能或开展科学研究。该技术源自20世纪60年代的计算机图形学和人工智能领域，20世纪90年代才真正进入大众视野，并广泛应用于教育领域［3］。随着图形处理能力的发展和互联网的普及，虚拟现实（VR）、增强现实（AR）和混合现实（MR）等技术迅速发展，虚拟仿真技术开始走进课堂，成为教育改革的前沿阵地。

虚拟仿真技术经历了从单一感官模拟到多感官沉浸式体验的转变。早期的虚拟环境主要是视觉上的模拟，如简单的图形界面。随着计算机硬件和软件算法的创新，虚拟仿真技术逐渐突破了视觉的局限，融入听觉、触觉、嗅觉甚至味觉的模拟，为用户带来了更真实的沉浸感。此外，交互性是虚拟仿真技术的另一个重要特征，从初期的单向输入发展到现在的双向或多向交互，用户可以通过手柄、手套、头盔和眼球追踪等多种设备参与，使学习过程更为生动，从而提升学生的学习兴趣和创造力［4］。

近年来，我国各级教育部门积极推进虚拟仿真教学，进一步加速了其在高校教育中的应用。自2017年启动示范性虚拟仿真实验教学项目以来，越来越多的高校参与其中。通过建设虚拟实验室和线上课程等形式，将虚拟仿真技术应用到艺术学、生物学、医学、农学、经济学与管理学等多个学科教学中。该类项目的顺利实施不仅丰富了教学资源，促进了跨学科交流，提升了教学效率，还在一定程度上解决了实验设备昂贵、实验材料不足和存在安全隐患等问题。

2 艺术学与生物学的虚拟仿真教学实践

2.1 艺术学的虚拟仿真教学探索

对艺术学教学而言，理论与实践的紧密结合至关重要，而传统教学模式往往受限于实物材料和实地操作，导致理论知识与实践技能脱节。饶正杉等人指出，虚拟仿真技术能够弥补这一缺口，通过在数字化、可操控的环境中模拟艺术创作过程，使学生在虚拟空间进行无实物或低成本的技能训练，从而有效整合理论与实践［5］。国家虚拟仿真实验教学课程共享平台显示，虚拟仿真技术已成功运用到美术学、设计学、艺术学、音乐与舞蹈学、戏剧与影视学等学科，展现了其在艺术学领域的创新潜力。例如，中国人民大学艺术学院的“视听叙事虚拟仿真实验”项目，利用虚拟仿真技术复原经典影片的拍摄场景，使学生能够在虚拟环境中亲身体验电影制作的各个环节。河南大学的“黄泛区考古与文物保护虚拟仿真实验”项目，将虚拟仿真技术用于文物保护工作，通过数字化手段记录文物信息、模拟修复过程，为文化遗产保护提供了技术支持。武汉体育学院的“中国民俗舞蹈——朝鲜族‘农乐舞’仪式虚拟仿真实验”项目，利用虚拟仿真技术帮助学生更直观地了解朝鲜族“农乐舞”的表演形式与演化历程。

学生运用数字工具进行艺术创作，能够摆脱实物限制，丰富创作手段。通过虚拟现实技术，学生可以创作雕塑、绘画等作品，并从不同的角度观察与修改。通过增强现实技术，学生可以借助手机或头戴式设备，将艺术作品融入日常生活中，在现实环境中感受虚拟艺术作品。这样既能增强学生的艺术感受力，又能锻炼他们对艺术作品的多维度解读能力。另外，应用虚拟仿真技术，学生能够根据自己的节奏探索学习，自由尝试不同的艺术创作方法，避免传统教学模式下材料浪费或安全隐患等问题。

虚拟仿真技术为艺术教育开辟了一条新的道路，对培养学生的艺术创新思维和动手能力大有裨益。然而，虚拟仿真技术在艺术学科教学中的应用同样面临挑战。首先要解决的问题是如何保证学生在高度沉浸于虚拟环境的同时，获得与实物材料交互的真实感。高校教师也应思考，如何设计出既能激发学生的学习兴趣，又能引导学生对艺术学课程进行深入探究的教学活动。

2.2 生物学的虚拟仿真教学创新

相较于传统的教学方式，虚拟仿真教学对呈现生物学授课内容、模拟实验操作以及提升学生的学习体验具有重要作用。韩利红等指出，虚拟仿真技术在生物实验教学中的应用，不仅革新了教学模式，还极大地提高了教学效率，对培养应用型和创新型生物专业人才具有重要作用。在国家虚拟仿真实验教学课程共享平台上，虚拟仿真技术已广泛应用于生物科学、生物技术、生物工程和生态学等多个学科。例如，扬州大学的“高致病性病原微生物检测虚拟仿真实验”项目，能使学生在保障自身安全的情况下，掌握高致病性病原微生物检测的各个环节和生物安全操作规范。重庆大学的“蛋白酶表达纯化及活性测定虚拟仿真实验：以新冠病毒及细胞自噬蛋白酶为例”项目，通过四个模块的实验内容，帮助学生熟练操作蛋白的表达、蛋白纯化、酶活性测定，并在线完成实验报告。董彬等人所开展的黄河三角洲盐地碱蓬多糖提取与活性研究实验，取得了较好的教学效果［6］。

虚拟现实技术和增强现实技术为高校生物学教学带来了全新的视角，使学生能够在安全、低成本的环境中探索生物的奥秘。通过虚拟现实技术，学生可以进行细胞分裂观察、虚拟生物解剖、生物进化和生物发酵过程模拟等各种生物实验［7］；利用增强现实技术，将虚拟的生物模型融入现实环境，如在公园内观察虚拟的昆虫生态［8］，既能激发学生的学习兴趣，又能加深其对生物的生态作用的认识。另外，虚拟仿真技术具有交互性，学生能够在模拟环境中实时调整参数，基于不同角度、不同实验条件观察生物结构，从而加深对生物原理的理解。学生根据自己的进度进行虚拟实验，教师可以同步追踪学生的课堂表现，通过数据分析功能对其进行个性化引导。虚拟仿真实验技术还支持学生之间的远程协作，共享实验数据，共同解决问题，对培养学生的团队协作能力和批判性思维具有重要作用。

然而，虚拟仿真技术在生物学教学过程中的应用仍存在多方面的不足。如何在虚拟环境下模拟操作的真实感，确保学生的动手能力得到充分锻炼，是需要重点关注的课题。此外，需要慎重考虑的问题还有如何平衡虚拟实验和实际操作之间的关系，如何将实验伦理教育融入虚拟实验之中。教育者和研究者应继续探索如何在虚拟与现实之间找到最佳的平衡点，确保该技术能够充分挖掘学生的潜能。

3 虚拟仿真技术与高校教育深度融合的策略

高校教育的智能化水平离不开科学技术的支持。虚拟仿真技术在高校教育领域的应用正以前所未有的速度发展，为学生提供了一个直观、安全且高效的学习平台，逐步成为提升教学质量和培养创新人才的重要工具。与此同时，该技术也面临着开发成本高、真实性欠缺和学生适应能力存在差异等问题，亟须进一步完善。笔者结合自身的高校虚拟仿真教学经验，从以下五个方面进行优化，推动虚拟仿真技术与高校教育深度融合，充分发挥其技术优势。

第一，加快构建资源共享平台。教育部门应加大对虚拟仿真技术的投入力度，加快建设虚拟仿真教学平台。同时，鼓励高校之间共享优质教学资源，建立内容更丰富的虚拟仿真教育资源库，提高平台利用度。

第二，加强高校教师队伍培养。教师是推动虚拟仿真技术与高校教育融合的纽带。高校需要定期组织教师参加虚拟仿真培训课程，使其熟练掌握虚拟仿真技术的操作方法和教学策略，提高教师的基本素质。

第三，增强学生的实践能力。通过虚拟仿真实验、创意项目等形式，将虚拟仿真技术与实践活动紧密结合。同时，鼓励高校与企业合作，提供实习机会，让学生在实际操作中丰富经验。

第四，促进学科交叉协作。高校之间或学科之间应打破传统壁垒，以虚拟仿真技术为主题开展联合攻关项目、课程设置和团队建设，加强不同学科的跨界合作，培养学生的综合素养和创新能力，激发学生的创新灵感。

第五，注重学生的反馈。建立健全学生反馈机制，及时了解学生在使用虚拟仿真技术过程中遇到的问题，不断优化教学内容、教学方法和教学平台。

4 结语

本文探讨了虚拟仿真技术应用于高校教育中的优势与不足。一方面，该技术打破了传统教学壁垒，提高了学生的学习效率，并促进了教学方式创新；另一方面，该技术面临操作真实感有待增强、个性化学习欠缺等不足。随着科学技术的进一步发展，虚拟仿真教学平台的智能化水平逐渐提高，通过大数据分析和人工智能，能够为学生提供更精准的个性化学习方案。教育科研人员、技术开发人员、政策制定者应协同努力，结合理论研究、技术创新和政策支持，促进虚拟仿真技术在艺术学、生物学等学科教育中深入应用，推动其在高校教育改革中发挥关键作用。

参考文献：

［1］ 胡庆喆.虚拟仿真技术在艺术实验教学中的应用研究：以《艺术与科技》为例［J］.信息与电脑（理论版），2024，36（13）：191-193，197.

［2］ 韩利红，刘潮，吴丽芳，等.虚拟仿真技术在高校生物学实验教学中的应用［J］.当代畜牧，2019（13）：26-27.

［3］ 徐峰.基于虚拟仿真技术的新形态教材数字化应用［J］.数字通信世界，2023（9）：101-103.

［4］ 蒋艳，张欣莉，周子凯，等.虚拟仿真学习对大学生创造力的影响机制研究［J］.高教学刊，2024，10（28）：5-9，15.

［5］ 饶正杉，孟霓霓.虚拟仿真技术在艺术设计教学中的应用探究［J］.上海工艺美术，2020（4）：62-64.

［6］ 董彬，吴涛，姚志刚，等.基于虚拟仿真技术的生物工程类综合实验教学改革与实践［J］.生物工程学报，2022，38（4）：1671-1684.

［7］ 赵倩茹.以创新型人才培养为目标的细胞生物学教学设计［J］.工业微生物，2024，54（4）：176-178.

［8］ 武承旭，于晓飞，杨茂发，等.“森林昆虫学”课程教学改革探索［J］.教育教学论坛，2022（10）：59-62.