李亞莉，張玉清

(黑龍江林業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，黑龍江 牡丹江 151000)

0 引言

虛擬仿真技術(shù)具有形象生動(dòng)、反饋實(shí)時(shí)、交互性強(qiáng)等突出特點(diǎn)，可以較好地取代真實(shí)場景，在仿真設(shè)備操作、仿真加工制作、仿真宏觀控制等方面，得到社會的肯定。隨著虛擬仿真技術(shù)在教學(xué)過程中的應(yīng)用，職業(yè)院校的課堂教學(xué)形式也悄然發(fā)生著改變。課堂教學(xué)從理論與實(shí)踐二者的結(jié)合，進(jìn)一步升級，向理論、實(shí)踐、虛擬仿真三者有機(jī)結(jié)合的形式轉(zhuǎn)變。在這個(gè)轉(zhuǎn)變過程中，如何抓住虛擬仿真新技術(shù)的特點(diǎn)將三者完美結(jié)合，使學(xué)生能夠更好地完成知識學(xué)習(xí)、技能練習(xí)，這就需要在課程設(shè)計(jì)上深入研究，使課堂教學(xué)效果得到更大的提升。

1 確定“理、實(shí)、虛”課堂教學(xué)設(shè)計(jì)的方向

要做好這類課程的教學(xué)設(shè)計(jì)，就需要先研究“理、實(shí)、虛”教學(xué)的課堂特點(diǎn)。在職業(yè)教育的教學(xué)發(fā)展中，為了解決理論與實(shí)踐結(jié)合的問題，采取了理實(shí)一體化的教學(xué)方法。這種方法突破了以往理論與實(shí)踐相脫節(jié)的現(xiàn)象，將理論和實(shí)踐結(jié)合在一起，教師在教學(xué)的過程中采取做中教、學(xué)生做中學(xué)的方式，讓教師學(xué)生雙方邊教、邊學(xué)、邊做，改變了傳統(tǒng)教學(xué)方式，得到了良好的教學(xué)效果。隨著職業(yè)教育教學(xué)手段的發(fā)展，虛擬仿真技術(shù)在教學(xué)上顯示出優(yōu)越的特性。

1.1 可較好地替代真實(shí)操作，安全性好

虛擬仿真軟件中所建立的虛擬場景是根據(jù)真實(shí)工作場景數(shù)據(jù)所建立的數(shù)學(xué)模型而設(shè)計(jì)完成的，遵循了行業(yè)的職業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求。由于設(shè)計(jì)了逼真的二維、三維應(yīng)用場景，對設(shè)備、工件、環(huán)境等進(jìn)行了真實(shí)的“再現(xiàn)”，可以使教師和學(xué)生沉浸在該種虛擬場景中的人機(jī)交互與在真實(shí)工作場景中一樣。該種教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)，不是“真刀真槍”地使用設(shè)備，不對真實(shí)工件進(jìn)行操作，這便減少了由于理論或?qū)嵺`知識掌握不足，造成設(shè)備損壞和發(fā)生安全事故，不會產(chǎn)生人身和設(shè)備損壞的安全性問題。這樣一方面保證了人身、設(shè)備的安全，另一方面，由于在教學(xué)的過程中，教師不用過多地顧慮安全因素，使教師有更多精力放在課程教學(xué)的技術(shù)指導(dǎo)上面。從而在整體上提高實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目任務(wù)的學(xué)習(xí)質(zhì)量。

1.2 可不發(fā)生或少發(fā)生實(shí)訓(xùn)材料消耗

在使用仿真教學(xué)的過程中，由于是在計(jì)算機(jī)軟件的仿真環(huán)境中對虛擬的工件或產(chǎn)品進(jìn)行加工，虛擬一般不發(fā)生對真實(shí)工件、產(chǎn)品的操作，即便是有，也是相對真實(shí)產(chǎn)品或工件成本很低的替代品，這樣就不會產(chǎn)生真實(shí)的材料消耗[1]。另外，在一些涉及到零件拆卸方面的實(shí)訓(xùn)，采用實(shí)物進(jìn)行拆卸時(shí)，很難保證不發(fā)生零部件損壞的情況，采用虛擬仿真就避免了由于操作錯(cuò)誤而產(chǎn)生零部件的損壞。另一方面，由于采用虛擬仿真后，不對真實(shí)零件進(jìn)行拆卸，大大降低了零部件拆裝頻次和使用強(qiáng)度，相應(yīng)減少零部件的磨損、延長使用壽命。綜合上面種種情況，虛擬仿真可以大幅度降低實(shí)訓(xùn)材料消耗，降低實(shí)訓(xùn)教學(xué)成本。從而使教師在教學(xué)中可以增加學(xué)生的訓(xùn)練范圍和訓(xùn)練強(qiáng)度，大大促進(jìn)了學(xué)生專業(yè)能力的培養(yǎng)效果。

1.3 可實(shí)現(xiàn)斷續(xù)操作、分段操作和多次重復(fù)操作

由于虛擬仿真教學(xué)使用的是非真實(shí)的產(chǎn)品或工件，所以在連續(xù)工序的教學(xué)示范和訓(xùn)練中，就不用擔(dān)心中途停下來會影響后續(xù)的工序問題。例如，發(fā)動(dòng)機(jī)氣門的拆卸，可以在拆卸的任何時(shí)候停下來，而不會像采用實(shí)物拆卸時(shí)必須連續(xù)完成拆卸工作，這樣就可以對重要環(huán)節(jié)進(jìn)行更加詳細(xì)的講解和探索；對需要多次重復(fù)訓(xùn)練的部分，可以從整體連續(xù)的作業(yè)過程中抽取出相應(yīng)的訓(xùn)練區(qū)段，進(jìn)行多次的反復(fù)訓(xùn)練，這都是真實(shí)場景下的操作做不到的。虛擬仿真在進(jìn)行大場景、多環(huán)節(jié)、程序性的復(fù)雜任務(wù)教學(xué)時(shí)，能夠顯著提高教學(xué)效率。

例如，在講解汽車維修質(zhì)量管理時(shí)，在哪些部分檢測哪些參數(shù)、怎樣進(jìn)行檢測，是教學(xué)的重點(diǎn)。如果采用真實(shí)場景進(jìn)行教學(xué)，雖然零部件的安裝并不是教學(xué)的重點(diǎn)，但是實(shí)際教學(xué)中，就會被這些不是本教學(xué)內(nèi)容重點(diǎn)的安裝過程所占用；而在零件安裝到哪個(gè)環(huán)節(jié)、怎樣檢測相應(yīng)的技術(shù)參數(shù)等重點(diǎn)知識卻無法在時(shí)間上給予足夠的保證，重點(diǎn)、難點(diǎn)沒有突出，教學(xué)效率也相應(yīng)的降低?？梢韵胂螅绻歉髨鼍暗膶?shí)踐，這樣的問題將更加突出。而當(dāng)使用虛擬仿真教學(xué)，優(yōu)勢和效率就有明顯的體現(xiàn)。

綜上所述，虛擬仿真在專業(yè)教學(xué)中涉及的幾大問題——安全、成本、重點(diǎn)難點(diǎn)突出和教學(xué)效率等多個(gè)方面都能夠有針對性地突破。在進(jìn)行課程教學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)，在熟悉原有教學(xué)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，通過熟悉、挖掘所采用的虛擬仿真軟件的功能和優(yōu)勢，將兩者充分地進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，就能夠設(shè)計(jì)出來更加高效的教學(xué)課堂。

2 協(xié)調(diào)“理、實(shí)、虛”教學(xué)特點(diǎn)，確定“理、實(shí)、虛”課堂教學(xué)模型

從課堂教學(xué)的發(fā)展過程來看，課堂教學(xué)從理論課堂走向理論與實(shí)踐相結(jié)合的一體化課堂，再走向理論、實(shí)踐、虛擬仿真相結(jié)合的混合式教學(xué)新課堂。但從教學(xué)的實(shí)施過程來看，需確定虛擬仿真的教學(xué)環(huán)節(jié)。根據(jù)虛擬仿真的特點(diǎn)和教學(xué)經(jīng)驗(yàn)來看，職業(yè)教育教學(xué)中，虛擬仿真最主要的應(yīng)用是替代真實(shí)工作環(huán)境，多是做為進(jìn)入真實(shí)工作環(huán)境前的預(yù)熟悉、預(yù)演練。例如，在汽車專業(yè)拆裝類課程中，在講解了發(fā)動(dòng)機(jī)的原理、結(jié)構(gòu)等知識后，就可以先使用發(fā)動(dòng)機(jī)拆裝虛擬仿真軟件進(jìn)行教學(xué)[2]。教師首先使用虛擬軟件進(jìn)行拆裝示范，然后學(xué)生使用虛擬仿真軟件進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)的拆裝學(xué)習(xí)和訓(xùn)練。當(dāng)學(xué)生的操作達(dá)到一定熟練程度后，再使用真實(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行拆裝學(xué)習(xí)訓(xùn)練。在這個(gè)過程中，通過虛擬仿真軟件拆裝發(fā)動(dòng)機(jī)，既不會對發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生意外損壞，也不會發(fā)生學(xué)生操作方面的安全問題。由于學(xué)生、教師都不用擔(dān)心發(fā)生意外情況，學(xué)生、教師在訓(xùn)練中就可以大膽探索，不斷糾正錯(cuò)誤，逐漸形成正確、規(guī)范的拆裝技能。在虛擬仿真學(xué)習(xí)訓(xùn)練基礎(chǔ)上，再轉(zhuǎn)入運(yùn)用真實(shí)設(shè)備進(jìn)行學(xué)習(xí)訓(xùn)練，學(xué)生很快就能達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)。對于操作的準(zhǔn)確規(guī)范和安全操作要求，一般虛擬仿真軟件也都進(jìn)行了設(shè)計(jì)，當(dāng)學(xué)生出現(xiàn)操作錯(cuò)誤時(shí)，會提示操作錯(cuò)誤，或無法進(jìn)行下一步操作。但由于是虛擬仿真操作，出現(xiàn)錯(cuò)誤不會造成真實(shí)的安全問題，這樣既保證了學(xué)生操作的規(guī)范性與安全性方面的學(xué)習(xí)，又不會出現(xiàn)安全事故。正是由于虛擬仿真的學(xué)習(xí)訓(xùn)練過程，排除了諸多干擾因素，突出了學(xué)習(xí)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，使學(xué)習(xí)的效果更好。

從上面所舉的例子及過去的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)來看，“理、實(shí)、虛”相結(jié)合的課堂教學(xué)，三者的教學(xué)應(yīng)用順序一般可以是：理論→虛擬仿真→實(shí)踐。為了在教學(xué)中讓學(xué)生從實(shí)踐認(rèn)識的基礎(chǔ)上開始新知識的學(xué)習(xí)，也可以在課程的引入時(shí)采用虛擬仿真，比如在發(fā)動(dòng)機(jī)拆裝課程的教學(xué)中，在講解發(fā)動(dòng)機(jī)原理、結(jié)構(gòu)的時(shí)候，可以運(yùn)用虛擬仿真軟件將發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行透視，以及可以方便從任意角度展示零件結(jié)構(gòu)，放大微小結(jié)構(gòu)，呈現(xiàn)安裝位置關(guān)系等功能，把原本抽象或不可觀察的結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出來。從而形成另外一種教學(xué)形式：虛擬仿真→理論→虛擬仿真→實(shí)踐。在一般課堂教學(xué)中，還是第一種形式應(yīng)用較多，即：理論→虛擬仿真→實(shí)踐(即理→虛→實(shí))，就是突出把虛擬環(huán)節(jié)放在實(shí)踐的前面，這樣的教學(xué)效果最好。有了這個(gè)基本的教學(xué)應(yīng)用模型，就可以在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行下一步教學(xué)設(shè)計(jì)工作。

3 按照“理→虛→實(shí)”的進(jìn)程進(jìn)行整體教學(xué)實(shí)施設(shè)計(jì)

整體進(jìn)程確定后，將課程實(shí)施設(shè)計(jì)為以下階段。

第一階段：知識講解階段。把知識性的內(nèi)容安排在課程教學(xué)的前面，課程開始進(jìn)行理論、實(shí)踐知識，以及相關(guān)操作要求的講解。內(nèi)容講解完成之后，進(jìn)入虛擬仿真階段。

第二階段：虛擬仿真階段。在第一階段講解的基礎(chǔ)上，教師使用虛擬仿真系統(tǒng)進(jìn)行操作講解示范。在講解示范的基礎(chǔ)上，學(xué)生開始使用虛擬仿真系統(tǒng)進(jìn)行模仿操作，具備了基本的操作能力后，可進(jìn)行獨(dú)立的重復(fù)訓(xùn)練。當(dāng)學(xué)生的操作達(dá)到一定熟練程度之后，轉(zhuǎn)入下一階段。

第三階段：真實(shí)操作階段。學(xué)生經(jīng)過虛擬仿真訓(xùn)練，具備一定的操作基礎(chǔ)后，學(xué)生和教師就可以使用真實(shí)設(shè)備進(jìn)行操作訓(xùn)練，掌握真實(shí)設(shè)備和工具的正確使用，在真實(shí)場景中訓(xùn)練、培養(yǎng)學(xué)生的職業(yè)技術(shù)能力。

這三個(gè)階段的教學(xué)設(shè)計(jì)，既是知識技能深度的晉升，也是知識技能廣度的提升，同時(shí)還是學(xué)習(xí)由抽象想象到虛擬仿真、由仿真到真實(shí)的提升。其學(xué)習(xí)是遵循“理→虛→實(shí)”的進(jìn)程進(jìn)行的。

4 按照“理→虛→實(shí)”進(jìn)程的混合式教學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意的幾個(gè)問題

4.1 先“虛”后“實(shí)”是此類教學(xué)設(shè)計(jì)的基本原則

從發(fā)展上看，課堂教學(xué)從“理論+實(shí)踐”轉(zhuǎn)化到“理論+實(shí)踐+虛擬仿真”，但在課程的實(shí)施順序上，幾種教學(xué)形式應(yīng)用的順序應(yīng)該是：理論→虛擬仿真→實(shí)踐，即“理→虛→實(shí)”。這樣組織實(shí)施，能夠更好地發(fā)揮虛擬仿真的作用。在教學(xué)實(shí)施過程中，以虛擬模仿真實(shí)是虛擬仿真教學(xué)的關(guān)鍵。這個(gè)“虛”是為了替代“實(shí)”。是用虛擬仿真為進(jìn)入真實(shí)場景的訓(xùn)練奠定基礎(chǔ)，是為了避免直接進(jìn)入真實(shí)場景而可能產(chǎn)生的一系列問題。

4.2 “虛擬”不能完全取代“實(shí)操”

實(shí)踐環(huán)節(jié)的訓(xùn)練，往往受到材料消耗與指導(dǎo)教師不足的影響，不能完成多項(xiàng)目、大范圍和多次訓(xùn)練。使用虛擬仿真后，就可以發(fā)揮虛擬仿真應(yīng)用靈活、安全、低消耗的特點(diǎn)。在初學(xué)階段多練習(xí)，其練習(xí)達(dá)到的熟練程度越高，轉(zhuǎn)入運(yùn)用真實(shí)設(shè)備操作的效果會越好。但不能認(rèn)為虛擬仿真教學(xué)可以取代真實(shí)工作場景的學(xué)習(xí)訓(xùn)練，而取消真實(shí)工作場景下的學(xué)習(xí)和訓(xùn)練。就目前來看，虛擬仿真技術(shù)還不能做到與真實(shí)工作場景完全一致?？筛鶕?jù)虛擬仿真系統(tǒng)應(yīng)用的具體情況，適當(dāng)調(diào)整虛擬仿真和真實(shí)工作場景二者訓(xùn)練的時(shí)間安排，即“虛”和“實(shí)”的比例。

4.3 發(fā)揮虛擬優(yōu)勢，反復(fù)呈現(xiàn)提高教學(xué)效果

虛擬仿真教學(xué)的應(yīng)用也應(yīng)是機(jī)動(dòng)靈活的?？梢圆捎锰摂M仿真進(jìn)行新課程的引入，讓學(xué)生通過虛擬仿真系統(tǒng)開始新知識、新技能的探索學(xué)習(xí)。原來采用真實(shí)場景進(jìn)行教學(xué)的環(huán)節(jié)都可以使用虛擬仿真。在實(shí)踐操作過程中，對一些可能出現(xiàn)設(shè)備損壞和人身安全的情況，也可以多次返回虛擬仿真環(huán)境中，運(yùn)用虛擬仿真對這些情況進(jìn)行再現(xiàn)，利用虛擬仿真可以隨時(shí)暫停、可重復(fù)再現(xiàn)的優(yōu)勢，使那些過去難以在真實(shí)設(shè)備上不能暫停、不能重現(xiàn)的疑難問題得到解決，使其安全地進(jìn)行呈現(xiàn)出來，使問題得到解決。

4.4 創(chuàng)新應(yīng)用虛擬教學(xué)

這里采取“理→虛→實(shí)”的順序進(jìn)行課程設(shè)計(jì)，是強(qiáng)調(diào)了宏觀上的課程安排。在教學(xué)設(shè)計(jì)上要靈活運(yùn)用，可以結(jié)合現(xiàn)代教學(xué)技術(shù)與教學(xué)方法，設(shè)計(jì)出各種應(yīng)用形式，進(jìn)行多次的虛擬仿真在教學(xué)中的交叉，充分發(fā)揮虛擬仿真靈活、易用的特點(diǎn)[3]。

4.5 運(yùn)用遠(yuǎn)程仿真，促進(jìn)線上線下混合教學(xué)

可以進(jìn)行遠(yuǎn)程訪問的仿真軟件，能夠更好地融入線上線下混合式教學(xué)。尤其是在受到疫情影響時(shí)，該種方式具有更好的教學(xué)效果。

采用虛擬教學(xué)也會帶來一些新的問題，例如使用虛擬仿真教學(xué)時(shí)，不需要擔(dān)心出現(xiàn)操作安全問題，教師可能就會在教學(xué)的實(shí)施過程中，忽視可能引起人身安全和設(shè)備損壞問題方面的規(guī)范操作，就可能會忽略安全方面的教學(xué)要求。這樣會造成學(xué)生安全意識降低，對今后的學(xué)習(xí)和工作埋下隱患。所以，教師在教學(xué)設(shè)計(jì)和教學(xué)實(shí)施過程中，要把安全問題做為虛擬教學(xué)中的重點(diǎn)應(yīng)給予足夠的重視。

虛擬仿真教學(xué)盡管有諸多的優(yōu)點(diǎn),但也不能因“虛”而廢“實(shí)”，用虛擬仿真完全取代真實(shí)操作，這是錯(cuò)誤的。這是在虛擬仿真教學(xué)應(yīng)用過程中必須引起注意的一個(gè)問題。我們必須清楚，人們在真實(shí)環(huán)境下實(shí)際操作設(shè)備、制作產(chǎn)品時(shí)，這些真實(shí)的感受從目前來看，虛擬仿真還是無法替代的。如果完全使用虛擬仿真替代實(shí)踐，會弱化學(xué)生對使用儀器設(shè)備的真實(shí)感受和直接體驗(yàn)，影響學(xué)生對基本技能的準(zhǔn)確掌握。所以不能用虛擬仿真完全替代真實(shí)操作的實(shí)踐過程。

5 結(jié)語

總之，做為教育新技術(shù)——虛擬仿真有著許多突出的特點(diǎn)，在混合式教學(xué)中的應(yīng)用具有很大的發(fā)展空間。要不斷研究虛擬仿真的特點(diǎn)，跟蹤虛擬仿真課程資源的開發(fā)，做出更好的教學(xué)設(shè)計(jì)，使虛擬仿真與真實(shí)工作環(huán)境結(jié)合應(yīng)用不斷獲得突破。