邵士昌，王鵬，周光宏，吳菊清

(南京農(nóng)業(yè)大學(xué)，江蘇 南京 210095)

一、 引言

2020年年初，受到新型冠狀病毒感染肺炎疫情的影響，國內(nèi)各大高校均推遲了開學(xué)時間。根據(jù)教育部的指示[1]，由政府、高校和社會多方面共同保障高校在疫情防控期間的在線教學(xué)，實現(xiàn)“停課不停教、停課不停學(xué)”的任務(wù)目標(biāo)。為此，運(yùn)用虛擬仿真實驗教學(xué)項目進(jìn)行遠(yuǎn)程教學(xué)活動，并提供在線實驗教學(xué)支撐教學(xué)質(zhì)量，成為疫情期間高等院校重要的教學(xué)工作。

南京農(nóng)業(yè)大學(xué)開發(fā)的“乳化腸規(guī)?；a(chǎn)的虛擬仿真實驗”是一項模擬工廠中批量生產(chǎn)乳化腸的規(guī)?；摂M仿真實驗，獲批教育部2018年度國家級虛擬仿真實驗教學(xué)項目。目前，國內(nèi)高校的相關(guān)教學(xué)實踐過程中普遍存在硬件設(shè)施不足、沒有成套的實驗設(shè)施設(shè)備、學(xué)生理論與實踐脫節(jié)等問題。即使有的學(xué)?？梢缘焦S實習(xí)，但規(guī)?；a(chǎn)的投料成本高，工藝固定，無法進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計。理論授課中，學(xué)生缺乏直觀的香腸品質(zhì)評判標(biāo)準(zhǔn)，往往把品質(zhì)與安全概念混淆。虛擬仿真實驗倡導(dǎo)學(xué)生自主、合作、探究式學(xué)習(xí)以及師生間互動研討式教學(xué)[2]，不僅讓學(xué)生更好地體驗生產(chǎn)過程，還可以促進(jìn)實驗教學(xué)與理論學(xué)習(xí)間的平衡發(fā)展，有助于個性化教學(xué)的實現(xiàn)。虛擬仿真作為近幾年興起的教學(xué)方式，對其應(yīng)用效果的研究是教學(xué)研究的熱點(diǎn)之一[3-4]。疫情期間的慕課學(xué)習(xí)和在線互動教學(xué)的實施情況及效果評價受到了教學(xué)研究者的重視[5-6]，而虛擬仿真實驗教學(xué)在此方面的研究尚為數(shù)不多。本文在對參與虛擬仿真實驗學(xué)生的問卷分析基礎(chǔ)上，探索如何在在線教學(xué)的背景下發(fā)揮虛擬仿真實驗的作用以及實驗參與學(xué)生對實驗滿意度的影響因素，基于實證研究結(jié)果提出若干提升虛擬仿真實驗在線教學(xué)效果的相關(guān)對策與建議，為后疫情時期智能時代下虛擬仿真實驗教學(xué)的變革提供參考。

二、 虛擬仿真在線實驗教學(xué)實施情況

(一) 數(shù)據(jù)采集與分析

為了解國內(nèi)高校學(xué)生對虛擬仿真應(yīng)用于實驗教學(xué)的體驗與感悟，此次調(diào)查以網(wǎng)上發(fā)布調(diào)查問卷的形式展開，調(diào)研對象為參與本實驗的國內(nèi)各大院校的食品專業(yè)本科生。調(diào)查問卷的時間跨度為2020年3月—6月，由于“乳化腸規(guī)?；a(chǎn)的虛擬仿真實驗”在線實驗教學(xué)共分兩個批次展開，此次調(diào)查同樣分為兩個批次，分別在3月和6月實施，兩個調(diào)查共收到有效反饋287份。

(二) 在線實驗教學(xué)實施情況

1. 對虛擬仿真實驗的了解度和參與度分析

虛擬仿真技術(shù)[7]作為一項綜合集成技術(shù)，逐漸成為傳統(tǒng)教學(xué)手段的補(bǔ)充，在教育教學(xué)方面有著廣泛的應(yīng)用。通過與傳統(tǒng)課堂教學(xué)相融合“以虛補(bǔ)實”，可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，提高學(xué)習(xí)效率，促進(jìn)教師達(dá)成以培養(yǎng)學(xué)生能力為重的教學(xué)目標(biāo)。在對“虛擬仿真了解度和參與度”的調(diào)查中，我們發(fā)現(xiàn)85.02%的學(xué)生對虛擬仿真有著一定的了解，其中有4.53%的學(xué)生認(rèn)為自己對虛擬仿真非常了解，參與過虛擬仿真項目的學(xué)生與未參與過的學(xué)生比例接近1∶1(見表1)。在實驗操作前，超過半數(shù)的學(xué)生表示對虛擬仿真實驗感興趣，愿意參與仿真實驗的學(xué)習(xí)中。這在一定程度上表明，虛擬仿真實驗?zāi)軌蚣ぐl(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生對實驗的關(guān)注度，對推動教學(xué)起著積極的導(dǎo)向作用。

表1 對虛擬仿真實驗的了解和是否參與過相關(guān)實驗

在虛擬仿真實驗的教學(xué)期間，國內(nèi)各食品院校的工藝學(xué)、加工學(xué)等相關(guān)課程的處于理論教學(xué)階段，“乳化腸規(guī)?；a(chǎn)的虛擬仿真實驗”針對各學(xué)校在線講授的理論知識進(jìn)行了擴(kuò)充和延展，加深學(xué)生對書本知識的理解，也提升了對實驗操作內(nèi)容和實踐技能的靈活性和掌握度要求。

2. 傳統(tǒng)實驗和虛擬仿真實驗的對比分析

調(diào)查結(jié)果顯示，傳統(tǒng)實驗教學(xué)存在著種種不足。71.78%的學(xué)生認(rèn)為做實驗只是為了獲取實驗數(shù)據(jù)和完成實驗報告，對實驗理解不足；71.43%的受調(diào)查學(xué)生認(rèn)為實驗儀器少，接觸時間短；受時空限制，不能重復(fù)做實驗也是傳統(tǒng)實驗教學(xué)中比較明顯的不足之處(58.19%)；而認(rèn)為趣味性低(29.62%)等其他因素的學(xué)生占比較少(見表2)。虛擬仿真技術(shù)通過構(gòu)建虛擬信息環(huán)境，視聽效果的結(jié)合，帶來身臨其境的沉浸式體驗，從而鞏固理論知識，鍛煉實驗操作，提高思考能力，更能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。

表2 傳統(tǒng)實驗和虛擬仿真實驗的對比分析

教學(xué)形式的互動性是提升網(wǎng)絡(luò)在線課程質(zhì)量的重要因素[8]。如表2所見，超過70%的參與調(diào)研學(xué)生認(rèn)為：突破時空限制和自主探究學(xué)習(xí)是虛擬仿真實驗和傳統(tǒng)教學(xué)相比較的優(yōu)勢所在。虛擬仿真教學(xué)之所以能有這樣的效果是因為在線虛擬仿真實驗通過網(wǎng)頁端對實驗關(guān)鍵工序進(jìn)行組合與綜合設(shè)計，以問題為導(dǎo)向培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解決問題的能力。學(xué)生不僅參與學(xué)習(xí)的過程，還可以參與設(shè)計環(huán)節(jié)。學(xué)生在實驗中，可以根據(jù)需要調(diào)整和修改實驗參數(shù)，得到不同實驗參數(shù)下的實驗結(jié)果。教師通過后臺對學(xué)生的實驗結(jié)果進(jìn)行批閱和反饋，幫助學(xué)生更好地進(jìn)行實驗操作。

3. 虛擬仿真實驗的難度設(shè)置調(diào)查分析

結(jié)合“乳化腸規(guī)?；a(chǎn)的虛擬仿真實驗”的開課時間，此次調(diào)查共分兩次施行。表3展示的是學(xué)生對實驗難度的認(rèn)知對比，從第一批調(diào)查情況看，認(rèn)為實驗難度大的占比為26.13%，認(rèn)為難度一般的為67.57%，而認(rèn)為難度小的占比為6.30%。這一結(jié)果與第二批調(diào)查結(jié)果對比可以發(fā)現(xiàn)，在第二批調(diào)查中認(rèn)為難度大的學(xué)生占比有所提升，而認(rèn)為難度一般和難度小的學(xué)生占比有所減少，這一結(jié)果和實際教學(xué)相符。

表3 學(xué)生對實驗難度認(rèn)知的前后對比

而從學(xué)生虛擬仿真實驗表現(xiàn)看(表4)，第一批調(diào)查中僅有16.22%的學(xué)生自我滿意度高，認(rèn)為實驗完成度好，有63.06% 的學(xué)生認(rèn)為自己完成度一般。而第二批調(diào)查中完成度好的占比提升，完成度一般的占比也有提升，完成度差的比例下降。其中可能的原因是同時存在主觀和客觀條件影響到學(xué)生對實驗的完成度。除技術(shù)層面的問題外，大部分學(xué)生表示操作步驟不熟悉、細(xì)節(jié)問題不明、理論知識了解不足等問題是影響實驗完成的主要因素，而這些問題也是常規(guī)實驗室操作中經(jīng)常碰到的問題。此外，基于第一批虛擬仿真實驗在線教學(xué)的經(jīng)驗，在第二批在線實驗教學(xué)實施前，各學(xué)校針對虛擬仿真實驗都做了相應(yīng)的培訓(xùn)，并對實驗說明進(jìn)行了優(yōu)化。因此，第二批實驗的完成度優(yōu)于第一批實驗。

表4 學(xué)生虛擬仿真實驗表現(xiàn)前后對比

4. 虛擬仿真實驗的師生交流效果分析

虛擬仿真實驗在課后教學(xué)反思中有著得天獨(dú)厚的優(yōu)勢?！叭榛c規(guī)模化生產(chǎn)的虛擬仿真實驗”的在線程序可以根據(jù)學(xué)生在不同實驗環(huán)節(jié)的操作和綜合性設(shè)計給予成績評定，幫助學(xué)生對自己設(shè)計的工藝參數(shù)進(jìn)行反思，進(jìn)而設(shè)計優(yōu)化參數(shù)，并對產(chǎn)品品質(zhì)進(jìn)行人機(jī)協(xié)同檢測，以獲得令人滿意的實驗報告。在虛擬仿真系統(tǒng)中，學(xué)生可以不斷地“重新實驗”來強(qiáng)化實驗操作技能，可以達(dá)到與實際實驗室操作相同的目的。超過98%的學(xué)生通過師生交流和自主學(xué)習(xí)來解決實驗操作中的問題，這對于培養(yǎng)學(xué)生的思考能力和創(chuàng)新意識具有積極的意義。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，84.67%的學(xué)生希望實驗課老師能夠?qū)⒎抡鎸嶒灪蛡鹘y(tǒng)實驗相結(jié)合(見表5)。實驗課程注重培養(yǎng)學(xué)生的動手操作能力，其線上授課難度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于理論課程。疫情期間，虛擬仿真在線實驗的廣泛推廣和應(yīng)用大大促進(jìn)了實驗教學(xué)的開展，緩解了教學(xué)壓力，使學(xué)生足不出戶就可以開展實驗，進(jìn)行仿真操作練習(xí)，減小了疫情對實驗教學(xué)的不利影響，也為今后多渠道開展實驗教學(xué)提供了新思路。

表5 師生交流與實驗結(jié)果反饋

5. 學(xué)生參加虛擬仿真實驗的總體收獲分析

虛擬仿真實驗教學(xué)效果的評價可體現(xiàn)課程是否堅持以問題和需求為導(dǎo)向，能否完善實驗設(shè)計使其與知識點(diǎn)銜接緊密，能否使實驗內(nèi)容緊跟學(xué)科發(fā)展前沿。堅持以學(xué)生為中心，產(chǎn)出為導(dǎo)向，努力彌補(bǔ)高校人才培養(yǎng)目標(biāo)與社會需求間的差距。表6的調(diào)查結(jié)果顯示，通過“乳化腸規(guī)模生產(chǎn)的虛擬仿真實驗”，大大拓寬了學(xué)生的知識層面，學(xué)生的思考能力有了一定提高。學(xué)生對肉品加工規(guī)模生產(chǎn)實踐產(chǎn)生了濃厚的興趣，為將來的科研道路奠定了基礎(chǔ)。在評價過程中堅持“過程評價”和“結(jié)果評價”相結(jié)合，不僅能夠及時反映問題，幫助學(xué)生反思回顧，同時也使得實驗結(jié)果更加準(zhǔn)確，評價體系更加完善。學(xué)生表示在未來的教學(xué)中，希望針對肉品加工實驗、產(chǎn)品生產(chǎn)工藝流程等一些操作性較強(qiáng)的知識點(diǎn)運(yùn)用虛擬仿真教學(xué)，以達(dá)到學(xué)以致用的目的。

表6 學(xué)生參加虛擬仿真實驗的收獲

此外，學(xué)生也反映了在虛擬仿真實驗過程中遇到的一些問題，比如WEB端中流程指向箭頭不準(zhǔn)確、設(shè)備出現(xiàn)卡頓、清晰度有待加強(qiáng)等。這些設(shè)計缺陷也在一定程度上影響了學(xué)生的完成度和興趣性，需要進(jìn)一步改進(jìn)。

三、 應(yīng)用效果及其影響因素分析

(一) 模型構(gòu)建

由于因變量是多分類變量，因此本文采用多元線性回歸模型進(jìn)行分析，其公式如下：

Y=a0+a1X1+a2X2+…+a7X7+ε

其中，Y為因變量，表示“學(xué)生如何評價自己在虛擬仿真實驗中的表現(xiàn)”和“是否希望實驗課老師使用仿真實驗和傳統(tǒng)實驗相結(jié)合” ，這兩個問題分別反映了學(xué)生對當(dāng)前虛擬仿真實驗的體驗感，以及未來是否愿意接受這一實驗教學(xué)形式。自變量分別為“是否了解虛擬仿真”“之前是否參與過虛擬仿真實驗項目”“是否對仿真實驗感興趣”“乳化腸虛擬仿真實驗難度如何”“遇到問題是否通過查資料”“遇到問題和老師同學(xué)在線交流”。此外，還基于調(diào)查問卷中圍繞網(wǎng)頁版、PAD版和VR版設(shè)置的問題，將“哪個版本更能對課堂教學(xué)更好的補(bǔ)充”“哪個版本更容易操作”“哪個版本更適合學(xué)生日常的學(xué)習(xí)”“哪個版本教學(xué)更能吸引你”“哪個版本更直觀地展示學(xué)習(xí)內(nèi)容”“哪個版本更容易存在或出現(xiàn)問題”六項問題的選擇進(jìn)行積分，以反映學(xué)生更傾向于選擇哪個版。表7為各變量的統(tǒng)計描述。

表7 變量統(tǒng)計描述

(二) 實證結(jié)果分析

本文首先對“學(xué)生如何評價自己在虛擬仿真實驗中的表現(xiàn)”進(jìn)行回歸，以分析各影響因素對學(xué)生的表現(xiàn)評價是否有影響。表8模型回歸結(jié)果顯示，“是否了解虛擬仿真”對表現(xiàn)評價有著顯著的正向影響，這一結(jié)果與前文中表4的結(jié)果基本一致，說明提前進(jìn)行虛擬仿真系統(tǒng)的介紹與培訓(xùn)可以提高學(xué)生對虛擬仿真實驗的了解，進(jìn)而可以提高其在虛擬仿真教學(xué)時的表現(xiàn)評價。

而“之前是否參與過虛擬仿真”的影響并不顯著，可能的原因在于過去雖然有對虛擬仿真實驗的探索，但施行的范圍較小，大多數(shù)的學(xué)生并沒有接觸過在線虛擬仿真實驗。而此次疫情的影響才使得在線虛擬仿真實驗大范圍推廣，因此這一因素并沒有對學(xué)生的表現(xiàn)評價產(chǎn)生影響?！皩Ψ抡鎸嶒灨信d趣”和“實驗難度”對學(xué)生的表現(xiàn)評價分別產(chǎn)生正向的顯著影響和負(fù)向的顯著影響，這兩個因素一定程度上反映的是課程本身對于學(xué)生評價的影響。而虛擬仿真教學(xué)這一教學(xué)形式的變化也會影響學(xué)生對于該門課程的興趣和在線操作難度，因此虛擬仿真實驗需要從實際體驗和操作等方面加以改進(jìn)，以提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，降低學(xué)生的在線操作難度?！昂屠蠋熗瑢W(xué)交流”對表現(xiàn)評價存在正向的顯著影響，表明在線形式并沒有影響到學(xué)生在學(xué)習(xí)過程與老師和同學(xué)的交流，教學(xué)效果良好。而在具體的網(wǎng)頁版、PAD版和VR版選擇方面，網(wǎng)頁版和PAD版的影響顯著，表明學(xué)生更傾向于選擇這兩個版的虛擬仿真實驗。

考慮到后疫情時代下虛擬仿真實驗在教學(xué)中的應(yīng)用，本文同時對“未來是否愿意接受實驗課老師使用仿真實驗和傳統(tǒng)實驗相結(jié)合”進(jìn)行了回歸，從表8的結(jié)果看，“是否了解虛擬仿真”“對仿真實驗感興趣”依然是顯著的影響因素，對學(xué)生持有“希望未來使用”有著正向的影響。表明虛擬仿真教學(xué)在未來的推廣需要加強(qiáng)學(xué)生對虛擬仿真的認(rèn)知，并且要提升學(xué)生對虛擬仿真的興趣。在具體形式選擇方面，從目前的情況看，網(wǎng)頁版和PAD版是更好的選擇。

表8 模型回歸結(jié)果

四、 結(jié)論與對策

本研究從新冠疫情期間居家學(xué)習(xí)學(xué)生的虛擬仿真實驗效果出發(fā)，從學(xué)習(xí)興趣的激發(fā)、實驗設(shè)置難度、師生交流效果、教學(xué)方式對比的角度進(jìn)行了定量的結(jié)果分析，并通過構(gòu)建多元線性回歸模型對虛擬仿真實驗教學(xué)效果及未來的使用進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，突破時空限制和自主探究學(xué)習(xí)是虛擬仿真實驗和傳統(tǒng)教學(xué)相比較的優(yōu)勢所在，也是吸引學(xué)生的關(guān)鍵因素。絕大多數(shù)的學(xué)生通過師生交流和自主學(xué)習(xí)來解決實驗操作中的問題，這對于培養(yǎng)學(xué)生的思考能力和創(chuàng)新意識具有積極的意義。學(xué)生希望實驗課老師能夠?qū)⒎抡鎸嶒灪蛡鹘y(tǒng)實驗相結(jié)合，這說明多種實驗形式的虛實互補(bǔ)將是可取的實驗教學(xué)策略。而從影響教學(xué)效果和未來使用的影響因素看，使學(xué)生更多地了解虛擬仿真教育方法，提升學(xué)生對虛擬仿真實驗的興趣，以及選擇合適的方式是虛擬仿真教學(xué)能夠更好的發(fā)揮作用的關(guān)鍵。

根據(jù)上述研究結(jié)論，結(jié)合現(xiàn)今虛擬仿真在線課程的實際情況，提出以下進(jìn)一步提升虛擬仿真實驗效果的對策。

(一) 多終端優(yōu)勢互補(bǔ)

虛擬仿真技術(shù)支持多終端跨平臺訪問，在虛擬仿真共享平臺、學(xué)校教學(xué)平臺、各類管理平臺中實現(xiàn)聯(lián)通，在手機(jī)端、PC端、WEB端、VR等各類終端間運(yùn)行暢通。移動互聯(lián)網(wǎng)時代，人們往往“機(jī)不離手”，若將智能手機(jī)應(yīng)用于虛擬仿真教學(xué)中，則會給教學(xué)過程帶來極大的便利[9]。手機(jī)端可以幫助學(xué)生對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行實時性、碎片化的學(xué)習(xí)，具備很強(qiáng)的靈活性和自主性，方便師生之間進(jìn)行溝通交流。VR端具備360度全景畫面，可以帶來身臨其境的沉浸式體驗，試聽效果的結(jié)合更能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和積極主動性[10]。

(二) 提高人機(jī)交互性

所謂交互性是指用戶通過屏幕、VR眼鏡等與虛擬環(huán)境產(chǎn)生聯(lián)系，從而能夠操縱事物和得到反饋的過程[11]。目前，本實驗存在用戶視角切換不夠流暢，無法隨機(jī)交互獲得實時反饋等不足。增強(qiáng)人機(jī)交互性，需要提高系統(tǒng)的智能性，加快更新迭代的速度，彌補(bǔ)軟件計的缺陷與不足。同時，也應(yīng)增強(qiáng)平臺的兼容性，消除因硬件配置不同而導(dǎo)致的不兼容問題，進(jìn)一步方便資源的共享和傳播[12]。

(三) 虛實結(jié)合，擴(kuò)展教學(xué)的廣度和深度

目前，國內(nèi)高校相繼建設(shè)了虛擬仿真實驗教學(xué)中心，大大促進(jìn)了實驗教學(xué)的發(fā)展，但虛擬實驗教學(xué)在不同學(xué)科中各有其應(yīng)用特點(diǎn)。食品科學(xué)與工程作為實踐性很強(qiáng)的一門學(xué)科，可以充分發(fā)揮實踐操作與虛擬仿真各自的特點(diǎn)。具體來說，可以用虛擬仿真實景化再現(xiàn)工程情境，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；在實際動手操作中引導(dǎo)學(xué)生利用交叉學(xué)科知識，融合解決食品問題。通過以上的虛實結(jié)合，擴(kuò)展教學(xué)的廣度和深度。