虛擬仿真技術在中等職業教育中的應用研究

藍魏　趙桂雪

一、虛擬仿真技術概述

虛擬仿真技術，簡稱“VR”，是利用一個虛擬的系統模仿另一個真實系統，可利用肢體和語言進行交流互動，帶給用戶良好的仿真體驗，使之身臨其境的交互式視景仿真。目前，虛擬仿真技術已被公認為是未來的通用技術平臺，是現代仿真技術的高級發展和突破，是支撐國防軍事重點發展的關鍵技術。當前虛擬仿真技術應用于各行各業中，在教育、軍事、工業、娛樂和醫學等方面都有極大發展，且發展比較多元化，前景樂觀。近幾年，國內外各職業院校都在加強對虛擬仿真技術的教學應用，提高學生的信息化素養，促進教學質量的發展。

二、虛擬仿真技術在中等職業教育中的應用優勢

中等職業教育具有實踐性、開放性、生產性和時代性。為更好地實現“技能型”人才的培養目標，中等職業教育應以“實用”、“實訓”和“應用”為主要特征，為學生提供更多的實習機會。在中等職業教育中運用虛擬仿真技術，可以改變教學觀念、教學內容、教學場所，節約教育投入，提高教學效果。虛擬仿真技術以其沉浸性、交互性的特點，為學生提供近乎真實的實踐體驗，對激發學生的學習熱情，突破教學重點、難點，喚醒學生的多元智慧，培養學生的技術應用能力、創新創造能力和合作意識具有重要的意義。

（一）實現情境化教學

情境化教學是情境性學習觀念在教學中的具體應用。它是指為了創設一定的教學情境，教師有目的地引入或創設具有一定情緒色彩、以形象為主體的生動具體的場景，將學生引入一定的教學情境和一組情境之中，由形象感知轉向情感體驗，學生可以通過實驗、學科活動、社會實踐等體驗生活，將課本知識與生活建立聯系的一種教學方法。

目前，在中等職業教育中，由于受資金、設備、時間、空間等多種外在因素的影響，給學生提供的教學情境相對較少，從而限制了學生的發散思維。將虛擬仿真技術應用到中等職業教育教學中，能夠呈現出多種不同的教學方式。通過視、聽、觸覺等感官的刺激，從而使其獲得相應的知識。

情境化教學通常有以下三個特征：一是客觀真實性的情境。傳統課堂情境中，大多數情況下是教師講授，學生想象特定的情景。但是情景常設的難度較大，學生很難真的進入真實情境中，難以激發學生的認同感和代入感。將虛擬仿真技術引入課堂后，學生可以借助頭盔顯示器、耳機、手柄、數據手套等進入教師預設的教學情境中，在每個學生全神貫注的參與下，創造出一個能讓學生觀察、感受到的虛擬環境。在虛擬仿真實踐中，可以持續地將技術知識內化，并在此基礎上，通過虛擬實踐進一步深化對虛擬感知的生活與生產實踐過程的總結與探討，使學習者沉浸在這種虛擬感知的虛擬環境中，從而完成對理論知識的進一步學習。二是深入性的課堂互動。虛擬仿真技術具有交互性，當學生用手觸摸虛擬仿真中的物體時，就會有一種手握東西的感覺，并感受到物體的重量，視場中的物體也會跟隨手的運動而移動。在虛擬教學模式的環境下，合作會話可以幫助學生更好地理解和掌握知識，實現人人交互和人機交互。通常情況下，使用3D的輸入和輸出裝置讓學生在實際工作中，直觀地使用電腦，實現交互式作業。三是感性化的實驗情境。這種虛擬仿真技術并不是將學生在學習過程中提出的各種假設模型進行虛擬，而是通過一系列的動態試驗和教學試驗仿真訓練相結合，從而起到良好的教學效果。傳統的課堂教學，實驗主要是由教師示范和學生小組進行，盡管實驗具有一定的現實性，但是實驗中的原理很難被直觀地表現出來，很難給學生提供一個感覺的實驗環境。虛擬實驗室可以彌補傳統實驗的抽象和理想化的缺點，比如可以在實驗室中探究電磁規律、物質分子結構、解剖動物或人類，可以在三維動態建模中探究數學，還可以在虛擬實驗室中參觀秦始皇墓、爬珠穆朗瑪峰、感受《清明上河圖》、模擬八大行星的運行等。學生可以對多個感知環境進行體驗，獲得直接的經驗，推動自己進行持續的探索，從而達到更好的學習效果。

（二）促進個性化學習

個性化學習是根據學習者的不同需求和發展特點，采取適切和靈活的方法、手段、策略、內容、評價等促進學生自主學習。中等職業教育注重學生的個性化學習，隨著虛擬仿真技術的發展，個性化學習的實現成為可能。利用虛擬仿真技術，學生進入到一個虛擬的教學環境中，并且按照自己的需要，自主地選擇學習內容和所學課程。在傳統的班級教學模式下，由于學生的數量太多，教師很難對學生進行個性化的教育。以學生為中心的個性化學習、自主性學習，是中等職業教育的必然選擇。而研發虛擬仿真技術教學平臺，為以學生為中心的個性化學習、自主性學習提供了重要的支持。虛擬仿真技術教學平臺能夠對傳統的學習模式進行改進，對教學的方式和方法進行創新，為學生的教育提供專業的支持。作為教學的重要輔助工具，教學平臺系統對于學生的學習起到很大的輔助作用。

（三）支持教學研訓

教師要運用新的教學方法，善于總結、發現教學過程中遇到的困難，在探索中提高教學質量，推動自身專業發展。而虛擬仿真技術不僅可以為學生提供幫助，也能為教師提供幫助；一方面，虛擬仿真技術可以創設虛擬情境輔助教學，另一方面，也可以創設教研情境輔助教師研訓。教師在進行教研的過程中，可以不斷地總結教學經驗，發現教學問題，探索教學方式，從而改進自己的教學，提升自己的教學水平。

虛擬仿真技術支持的教學研訓主要有三個主要特征。一是教師參與度高。借助虛擬仿真技術，利用計算機進行仿真教學訓練，能夠為學員提供各種可重復性練習的教學情景。在這些教學情境中，教師可以與教學系統中的其他參與者進行協作，參與式學習為學生提供了一種參與式的學習經驗和機會，為學生提供了一種體驗和理解復雜教學內容的方式。同時，也為教師提供了一種更具真實性、靈活性和可持續性的教學方式，為教師提供更有效的教學策略，以激發學生的興趣和好奇心。二是科研訓練費用低。在虛擬仿真技術的支撐下，通過不斷地構建和優化，形成了一個更加具有開放性、可持續性、高逼真度等特點的教師培訓環境，可以降低研修場景構建的時間和費用。針對不同的培訓對象，設置不同的培訓時間、研修環境、教學場景等，讓受訓教師自主選擇。使教學研訓由被動“集中”到主動“自覺”，由“集中”到“自主”，由“被動”到“主動”，教學研訓變得常態化。三是研究和訓練更加接近實際的課堂教學。在虛擬仿真技術的支持下，能夠對各種實際的教學事件進行模擬研訓活動，例如：教學準備、師生問答、學生課堂紀律、設備故障等。此外，還能利用系統對學員進行虛擬形象的仿真，使研訓更加貼近實際的課堂教學。利用虛擬仿真技術進行教學研究，可以解決傳統的教研組織困難、參加者少、與實際課堂脫節的問題，從而有效地降低了研究的成本。學員可以在任何時候、任何地方都參與學習，在一個真實的學習環境中，直接面對教學中出現的實際問題，將學習變成一種真正的教學活動，推動教師專業發展。

三、職業學校對虛擬仿真技術的應用瓶頸

（一）設備成本較高

虛擬仿真技術設備成本較高，會加重學校的財政負擔。目前，綜合各職業學校虛擬仿真實訓室的建設情況來看，相關軟硬件設備的價格高昂。在構建虛擬仿真大屏和 OAE系統方面，需要花費超過百萬元的資金，購買或定制開發課程資源的成本也要在數萬到數十萬元之間，因為投入太大，造成了實訓設備的更新難度很大，所以會出現實訓設備陳舊、更新滯后、維護成本高等問題，這對虛擬實訓教學的連續性和及時性造成了嚴重的影響。

（二）虛擬實訓教學資源難以為繼

當前，我國職業院校在虛擬仿真實訓教學資源建設上，存在如下問題：課程資源大量從企業購買，價格昂貴，學校負擔過重；而且，購買的課程資源只能滿足2-8個課時的教學需求，還存在著語言的特殊性，通用性較差，易用性差等問題。所有的課程都是公司自己研發的，沒有太多的針對性，如果是量身定做的，一般都要幾十萬元，成本很高。

（三）教師的虛擬仿真教學能力不足

虛擬仿真技術的教學是一個相對復雜的過程，要求教師熟練掌握計算機應用技能，并能夠利用虛擬實現空間開展多樣化的教學工作。當前，在我國職業學校的教學中，存在著兩種極端現象。對虛擬仿真技術的掌握和學習能力都比較強的都是年輕教師，但是他們的專業教育水平和教學經驗又比較有限。而擁有較高教學資質的教師，往往對虛擬技術的應用知之甚少。在職業學校中開展虛擬仿真技術教學，對職業學校教師提出了新的要求，但在實際教學過程中，仍有一些職業學校教師對虛擬仿真技術教學應用不足，這也是制約虛擬仿真技術融入職業學校課堂的重要因素之一。解決好這一難題，是今后職業院校在課堂教學中使用虛擬仿真技術的先決條件。

四、職業學校對虛擬仿真技術的解決路徑

（一）推動職業學校師資隊伍的信息化建設

我國信息化教育發展相對落后，但在技術普及能力方面較強，因此，構建職業學校的信息化教育系統，可以很好地促進專業教學水平的提高。為了更好地滿足職業學校虛擬仿真技術應用的需要，職業學校應該與信息化技術的發展相結合，加強師資力量的建設，增強教師對虛擬仿真技術的掌控力，以雙師型教師教育為重點，通過教師下企業實踐或聘請專家團隊的方式培養師資。確保職業學校教師在使用虛擬仿真技術時，能夠從根本上發揮出自身優勢，不斷提升教師的專業教育和虛擬仿真技術操作水平，不斷強化對虛擬仿真技術的教學應用，并制定相關的教學實踐計劃，使虛擬化教育實踐可以快速地在職業學校中展開。這也是職業學校在后續階段開展虛擬仿真技術的教育實踐計劃中，實現人才培養目標的重要保證。

（二）校企合作促進產教融合

“校企合作”是一種以“校企”為主體的新型人才培養模式。針對虛擬仿真技術裝備價格昂貴、維護費用高等問題，學校與企業、公司進行合作，職業學校為企業培訓提供裝備。堅持把深化產教融合、校企合作作為提高職業教育適應性的重要著力點，堅持把目標導向和問題導向相結合作為提高職業教育適應性的重要方法，尋求行之有效的途徑，強化機制建設，提高融合效果。在路徑上，以在全國范圍內推進產教融合試點城市、試點企業建設為機遇，積極與相關企業展開合作，將先進技術、制度等引入學校，促進產教融合。在效果方面，學校應該吸納企業工程師，深度參與教育教學和人才培養，提高資源的共享程度，不斷提高學校與企業之間的合作程度，建立“校企共同體”。

（三）出臺操作層面的政策或措施

新一代信息技術發展對國家經濟社會發展具有重要作用，是經濟社會持續健康發展的重要支撐，虛擬仿真技術在教育行業的推廣應用同樣如此。自2017年7月起，教育部高教司便啟動了國家虛擬仿真實驗教學項目認定工作，用四年的時間，面向60個專業類，遴選1000個國家級虛擬仿真實驗教學項目，2019年將該項目納入一流本科課程建設。近幾年，教育部和江西省政府合力推動虛擬仿真技術與教育教學深度融合，依托現有資源，在全國范圍內率先建立了第一個國家級高職院校虛擬仿真示范訓練基地，在8個專業類別中建立了虛擬仿真教學區域，并在此基礎上，將虛擬仿真教學與云計算技術有機結合，形成了以虛擬仿真教學為核心的云計算服務平臺，為教師和學生提供了一整套虛擬仿真技術、增強現實技術智慧教育的綜合解決方案。

（四）借用或自主研發系統平臺

網絡技術課可以借用思科的Packet Tracer，學生可以在這個軟件里完成網絡搭建、配置，物聯網、智能家居等方面的實訓操作。如果學校教師有實力可以自行設計虛擬平臺，如我校陳老師經過多年的實踐，自行設計了一個“物聯網安卓物聯網客戶端程序”，用于控制物聯網設備的物聯網虛擬實訓平臺軟件，其實現功能涵蓋了真實物聯設備的大部分功能和接口，學生在模擬設備上學習和訓練軟件開發編程技能，最終將掌握的技能運用于真實設備。

五、結語

隨著虛擬仿真技術的發展，對中等職業教育教學的積極影響將會越來越大，中等職業教育的教學內容和形式也將會發生變化。將虛擬仿真技術應用于職業院校教學，是職業院校教學改革的必然選擇。

當前，在中等職業教育中應用虛擬仿真技術進行教學的過程中，還沒有形成一套完整的、系統的教育理論，也沒有形成一套行之有效的教學模式。雖然現在虛擬仿真技術在中等職業教育中的應用還沒有被廣泛地運用和開發，但是隨著信息技術的發展，虛擬仿真技術的發展以及硬件設備的成本的持續下降，它將會以其獨特的教學優勢和潛在的應用價值，在中等職業教育中起到越來越大的作用。

[本文是2023年廣東省中小學教育科學規劃重點課題“融合網聯化虛擬仿真技術的物聯網程序設計項目課程開發的實踐性研究”（編號：2023ZQ JK018）的階段性研究成果。]

責任編輯 朱守鋰