季曉東，胡 斌，劉 崢

（上海工程技術(shù)大學(xué)，上海 201620）

0 引言

近年來，基于虛擬仿真技術(shù)的教學(xué)改革工作受到了極大重視。在教育部認(rèn)定的國家級(jí)一流本科課程中，單獨(dú)劃分了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程的門類，并為此厘定了詳細(xì)的認(rèn)定標(biāo)準(zhǔn)。在線教育也從初期的函授、視頻教學(xué)模式開始轉(zhuǎn)向與線下場(chǎng)景更為接近的虛擬課堂模式[1]。虛擬仿真技術(shù)因具備可重復(fù)再現(xiàn)場(chǎng)景的能力，成為一種便捷、低成本的具象式教學(xué)方法而受到關(guān)注。研究認(rèn)為該技術(shù)可以有效增強(qiáng)感性認(rèn)識(shí)、培養(yǎng)動(dòng)手能力、激發(fā)創(chuàng)新精神、促進(jìn)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣[2]。但當(dāng)前處于教學(xué)應(yīng)用的初期階段，也存在教學(xué)方法不成熟，尤其是虛仿實(shí)驗(yàn)步驟過于程序化、不利于學(xué)生自主探索等缺陷[3]。

本文聚焦于虛擬仿真技術(shù)在教學(xué)實(shí)踐上的應(yīng)用。首先，分類整理了近年來基于虛擬仿真技術(shù)教學(xué)的代表性研究成果；然后，針對(duì)虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)實(shí)踐提出了幾點(diǎn)看法；最后，對(duì)該技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)實(shí)踐的前景進(jìn)行了展望。

1 虛擬仿真應(yīng)用于教學(xué)實(shí)踐的現(xiàn)狀

虛擬仿真技術(shù)在教學(xué)實(shí)踐上的應(yīng)用可以分為虛擬仿真實(shí)驗(yàn)和虛擬在線課堂兩個(gè)主要方向[4]。其中，研究者對(duì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的關(guān)注較為集中，成果較為豐碩，而虛擬在線課堂尚處于起步階段?，F(xiàn)從兩個(gè)方向分別介紹：

1.1 關(guān)于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的研究

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在教學(xué)上的應(yīng)用非常廣泛。從形式上講，既可以與MOOC等在線教學(xué)模式深度融合，實(shí)現(xiàn)基于線上教學(xué)的虛仿實(shí)驗(yàn)[5]；也可以與傳統(tǒng)線下課堂進(jìn)行融合，達(dá)成混合式教學(xué)[6]；也有兩者兼顧，在線上線下共同開展虛擬仿真的案例[7]。

從內(nèi)容上講，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的基本盤位于理工科。初期的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)主要以將傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目直接虛仿化為主，因此大量集中于物理[8]、化學(xué)、醫(yī)學(xué)[9]等學(xué)科的課程實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域。隨著技術(shù)能力的提高，以機(jī)械[10]、工程[11]等專業(yè)為代表的大型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目開始逐步虛擬仿真化。近年來，我國“新文科”建設(shè)的逐步推進(jìn)使以文科為背景設(shè)計(jì)的虛仿實(shí)驗(yàn)有所增加[12]。尤其集中于經(jīng)管類[13]、社會(huì)實(shí)踐類[14]等缺乏開展大型實(shí)驗(yàn)條件的學(xué)科領(lǐng)域和藝術(shù)類[15]等需要豐富感性認(rèn)知的學(xué)科。

與此同時(shí)，國內(nèi)外對(duì)于虛仿實(shí)驗(yàn)的開展和也存在大量的研究與爭(zhēng)議。學(xué)生通常對(duì)實(shí)驗(yàn)的興趣與評(píng)價(jià)較高[16]，但從部分教師的反饋來看，教學(xué)效果的達(dá)成往往要依賴于教師的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)，未能有效達(dá)成“靈活運(yùn)用理論知識(shí)解決實(shí)際問題”的最初設(shè)想，因此不可盲目夸大虛擬仿真技術(shù)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的作用[17]。鄭亞輝等[2]認(rèn)為，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)最大的優(yōu)勢(shì)在于其易實(shí)現(xiàn)和可重復(fù)性，但是其基本原理與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)是相通的。國外研究者Birkbeck等[18]在經(jīng)過問卷調(diào)查后認(rèn)為，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以達(dá)到與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)一致的教學(xué)效果和學(xué)生滿意度，且成本低廉。張寧等[3]則主張?zhí)摂M仿真實(shí)驗(yàn)的主要作用還是“以虛補(bǔ)實(shí)”，同時(shí)提出了基于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的教學(xué)方法尚處于探索期，具有不成熟之處的問題。強(qiáng)彥等[17]進(jìn)一步指出當(dāng)前的教學(xué)中普遍存在“重虛仿輕實(shí)踐、重驗(yàn)證輕創(chuàng)新”等問題，并沒有調(diào)動(dòng)起學(xué)生親自動(dòng)手解決實(shí)際問題的積極性。尹雋等[19]在對(duì)任務(wù)復(fù)雜性和學(xué)習(xí)者專業(yè)素養(yǎng)兩個(gè)因素上對(duì)不同虛仿實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比分析后指出，學(xué)習(xí)者的專業(yè)素養(yǎng)直接影響了在實(shí)驗(yàn)操作上的表現(xiàn)和學(xué)習(xí)效果，虛擬仿真技術(shù)雖然增加了學(xué)生對(duì)于任務(wù)復(fù)雜性的接受程度，但如果復(fù)雜性過高，則可能挫傷高素養(yǎng)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)積極性，減弱專業(yè)素養(yǎng)對(duì)操作能力表現(xiàn)的正向關(guān)系。

1.2 關(guān)于虛擬在線課堂的研究

在虛擬在線課堂方面，國內(nèi)研究與應(yīng)用尚處于起步階段，方式也不如國外更加靈活多樣。國外既有基于開放式虛擬游戲的課堂實(shí)踐案例[20]，也有基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的教學(xué)用數(shù)字圖書館案例[21]，而國內(nèi)的虛擬課堂研究仍然以傳統(tǒng)教學(xué)模式的線上化為主[1]。虛擬在線課堂有著廣泛的應(yīng)用前景，因其交互性和沉浸感接近傳統(tǒng)課堂，可以實(shí)現(xiàn)線上即問即答，既可以部分解決徐博等[22]提出的在線教育的缺陷問題，也可以與線下課堂進(jìn)行緊密配合，實(shí)現(xiàn)線上線下的融合教學(xué)[23]。

2 關(guān)于虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)實(shí)踐的看法

對(duì)于虛擬仿真技術(shù)在教學(xué)實(shí)踐中的應(yīng)用，本文提出了以下四點(diǎn)看法：

2.1 虛擬仿真技術(shù)是傳統(tǒng)教學(xué)的重要補(bǔ)充，但其“補(bǔ)充”的定位不應(yīng)改變

相較于傳統(tǒng)教學(xué)方法，虛擬仿真技術(shù)的最大優(yōu)勢(shì)在于其強(qiáng)大的表現(xiàn)力。無論是在課堂教學(xué)上通過虛擬仿真構(gòu)建演示案例，還是將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)融入實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)內(nèi)容中，都可以直接以可視化方式向?qū)W生展示經(jīng)過理論推演得到的結(jié)果，同時(shí)支持學(xué)生以不同的視角去進(jìn)行自主探索。這種直觀呈現(xiàn)的優(yōu)勢(shì)在于加深記憶和方便理解，起到鞏固理論學(xué)習(xí)效果的作用。

另一方面也要注意到，虛擬仿真技術(shù)并不能直接指導(dǎo)學(xué)生的理論學(xué)習(xí)，且其展示的效果是通過理論推演得到的“再加工”結(jié)果，與經(jīng)過現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)得到的第一手資料還是存在本質(zhì)上的不同。這就注定了虛擬仿真實(shí)現(xiàn)的是一種“輕教學(xué)”，其內(nèi)容限于知識(shí)淺表層，而在構(gòu)筑完備知識(shí)體系方面的作用十分有限。這一差距體現(xiàn)在學(xué)生問卷調(diào)查反饋的結(jié)果與教師總結(jié)的教學(xué)效果上，即學(xué)生對(duì)于虛擬仿真完成度的普遍評(píng)價(jià)較高[16]，而教師檢視教學(xué)效果的達(dá)成時(shí)[17]，卻會(huì)發(fā)現(xiàn)問題的存在。雖然將教學(xué)效果的問題歸因于學(xué)生“主動(dòng)性”的結(jié)論[17]有待商榷，但發(fā)現(xiàn)問題本身確屬客觀事實(shí)。這一差距主要還是由于虛擬仿真技術(shù)的“輕教學(xué)”屬性。因此，確實(shí)不應(yīng)盲目夸大虛擬仿真技術(shù)在教學(xué)中的作用，虛擬仿真技術(shù)是傳統(tǒng)教學(xué)的重要補(bǔ)充，但不可超越“補(bǔ)充”的范疇，取代傳統(tǒng)教學(xué)。

2.2 虛擬仿真技術(shù)的最大優(yōu)勢(shì)是其可復(fù)制性和可分享性，應(yīng)善加利用

傳統(tǒng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)有一個(gè)重要缺點(diǎn)，就是實(shí)驗(yàn)會(huì)產(chǎn)生材料消耗并需要提供合適的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，而材料的生產(chǎn)和采購需要成本，部分實(shí)驗(yàn)的環(huán)境比較難于實(shí)現(xiàn)，受到上述客觀條件的限制，能夠在現(xiàn)實(shí)中開展的實(shí)驗(yàn)教學(xué)比較有限。另外，受到學(xué)生操作性技能差距的影響，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的可重復(fù)性和可再現(xiàn)性都需要額外保障，有時(shí)為了再現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，實(shí)驗(yàn)教師必須親自操作演示。這些無疑都增加了開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)的難度，影響了教學(xué)效果。因此受限于物質(zhì)條件，長(zhǎng)期以來我國教育只能以理論教學(xué)為主，實(shí)驗(yàn)教學(xué)位于邊緣位置。

虛擬仿真技術(shù)則良好的彌補(bǔ)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的這項(xiàng)短板。虛擬仿真程序的執(zhí)行結(jié)果是具有確定性的，且用于設(shè)計(jì)教學(xué)實(shí)驗(yàn)時(shí)，操作技能的需求可以通過交互方式進(jìn)行調(diào)節(jié)，有效保障了實(shí)驗(yàn)的可重復(fù)性。而且，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)程序擁有一次建設(shè)、多次使用的特點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)建設(shè)成本隨著實(shí)驗(yàn)的重復(fù)而被逐漸平攤，有效降低了開展實(shí)驗(yàn)的門檻。實(shí)驗(yàn)程序具有可復(fù)制性和可分享性，更加有利于不同教學(xué)主體之間共享實(shí)驗(yàn)資源，避免重復(fù)建設(shè)。這一特性應(yīng)善加利用，逐步形成多?；ヂ?lián)互通、學(xué)效-社會(huì)互聯(lián)互通的開放共享模式[24]。

2.3 虛擬仿真技術(shù)融入教學(xué)的方式可以更加靈活多樣，不必拘泥于技術(shù)開發(fā)

從現(xiàn)狀來看，虛擬仿真技術(shù)在我國教學(xué)實(shí)踐的融入形式主要以開發(fā)或購買獨(dú)立的虛擬仿真程序?yàn)橹?；而國外的?yīng)用場(chǎng)景更加靈活，有的虛擬課堂甚至直接使用一款公開的虛擬仿真在線游戲?yàn)槠脚_(tái)[20]。這說明，在應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)的創(chuàng)新形式上，國內(nèi)還存在著一定差距。

獨(dú)立虛擬仿真程序的開發(fā)周期長(zhǎng)，技術(shù)維護(hù)難度大，一般需要專業(yè)技術(shù)人員和專項(xiàng)資金維護(hù)才可以投入到日常教學(xué)實(shí)踐中。這無疑拔高了一線教學(xué)人員使用虛擬仿真技術(shù)的門檻。而完成開發(fā)后，進(jìn)一步的改進(jìn)升級(jí)工作也依賴于開發(fā)公司，教師不具備根據(jù)學(xué)生反饋和日常教學(xué)實(shí)踐需要來對(duì)程序進(jìn)行調(diào)整的能力。這使得現(xiàn)有的虛擬仿真教學(xué)都不同程度存在“重虛仿輕實(shí)踐，重購置輕研發(fā)”等方面的問題，已經(jīng)引起一線教師的重視[17]。

理想的情況是存在一個(gè)性能強(qiáng)大且開放、通用、可共享的虛擬仿真平臺(tái)，教師可以在平臺(tái)上通過輕量化、可視化的方式為自身的教學(xué)需求定制虛擬仿真場(chǎng)景，然后分享給學(xué)生訪問。這樣無論是虛仿實(shí)驗(yàn)還是虛擬課堂都可以利用平臺(tái)的通用功能實(shí)現(xiàn)，進(jìn)一步降低了開發(fā)成本和虛擬仿真在教學(xué)實(shí)踐中的使用門檻，而不必拘泥于獨(dú)立虛擬仿真程序的技術(shù)開發(fā)。

2.4 亟待探索適應(yīng)于虛擬仿真技術(shù)的全新教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)方法

虛擬仿真技術(shù)是一種新穎的內(nèi)容呈現(xiàn)方式，但任何一種形式的呈現(xiàn)，必然都有與其契合的內(nèi)容和不契合的內(nèi)容。將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)時(shí)，也應(yīng)注重內(nèi)容與形式的這種契合性問題。當(dāng)前我國的虛仿教學(xué)實(shí)踐尚處于初級(jí)階段，只是將傳統(tǒng)教學(xué)的內(nèi)容和方法套用到了以虛仿技術(shù)為基礎(chǔ)的教學(xué)活動(dòng)中，而非針對(duì)虛仿呈現(xiàn)形式的特點(diǎn)，為其安排契合的教學(xué)內(nèi)容與方法。在教學(xué)內(nèi)容上，因?yàn)樘摲碌男问礁駥?shí)驗(yàn)課就大搞虛仿實(shí)驗(yàn)，缺乏探索理論課與虛仿結(jié)合點(diǎn)的主動(dòng)性；而在教學(xué)形式上，因?yàn)樘摲碌男问叫枰柚娮釉O(shè)備就安排虛仿在線教學(xué)，缺乏對(duì)于虛仿應(yīng)用于其他教學(xué)形式，比如虛擬圖書館[21]的探索。

如果要在教學(xué)實(shí)踐中靈活運(yùn)用虛擬仿真技術(shù)，就應(yīng)該在課程大綱規(guī)劃和課程設(shè)計(jì)階段進(jìn)行明確的內(nèi)容規(guī)劃，摸索出哪些內(nèi)容適合于傳統(tǒng)課堂理論講授，哪些內(nèi)容適合用虛擬仿真的方式呈現(xiàn)，應(yīng)用虛仿技術(shù)后可以開展哪些在傳統(tǒng)技術(shù)條件下無法開展的課程實(shí)驗(yàn)。經(jīng)過反復(fù)推敲與認(rèn)真思索，一定能總結(jié)出最適應(yīng)于虛擬仿真技術(shù)的教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)方法，以獲得最好的教學(xué)效果。

3 結(jié)語

虛擬仿真技術(shù)在教學(xué)實(shí)踐中的應(yīng)用得到了廣泛關(guān)注。本文整理了近年來國內(nèi)外對(duì)于虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)實(shí)踐的一些主要研究，同時(shí)給出了四點(diǎn)看法：虛擬仿真技術(shù)是傳統(tǒng)教學(xué)的重要補(bǔ)充，但其“補(bǔ)充”的定位不應(yīng)改變；虛擬仿真技術(shù)的最大優(yōu)勢(shì)是其可復(fù)制性和可分享性，應(yīng)善加利用；虛擬仿真技術(shù)融入教學(xué)的方式可以更加靈活多樣，不必拘泥于技術(shù)開發(fā)；亟待探索適應(yīng)于虛擬仿真技術(shù)的全新教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)方法。