應(yīng)用型大學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的建設(shè)研究

李國(guó)林 劉美霞 馮沖沖 郝曉芳 焦偉婷

摘要：應(yīng)用型大學(xué)注重培養(yǎng)應(yīng)用型復(fù)合型人才，應(yīng)用型人才實(shí)踐能力的提升呼喚契合地方經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目和課程是應(yīng)用型大學(xué)開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)和提升實(shí)驗(yàn)效果的一個(gè)契機(jī)。本研究通過調(diào)研，發(fā)現(xiàn)了應(yīng)用型高校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)建設(shè)中存在的問題，提出一系列針對(duì)性對(duì)策，并總結(jié)了實(shí)際建設(shè)的經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：應(yīng)用型大學(xué)，虛擬仿真，實(shí)驗(yàn)教學(xué)

現(xiàn)代社會(huì)，科學(xué)技術(shù)日新月異，社會(huì)生產(chǎn)條件更迭頻繁，高校很難做到實(shí)時(shí)更新實(shí)驗(yàn)設(shè)施以適配社會(huì)生產(chǎn)需要。為了切實(shí)解決高校真實(shí)實(shí)驗(yàn)條件不具備或?qū)嶋H運(yùn)行困難，例如涉及高?；驑O端環(huán)境，高成本、高消耗、不可逆操作、大型綜合訓(xùn)練等問題[1]，2017年國(guó)家開始評(píng)定國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目;2019年國(guó)家開始建設(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)一流課程，三年內(nèi)計(jì)劃建設(shè)1500門虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)一流課程。

應(yīng)用型大學(xué)強(qiáng)調(diào)培養(yǎng)應(yīng)用型、技能型、復(fù)合型人才，需要緊跟地方經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展水平，因此更急需開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)。為了更好的了解地方應(yīng)用型高校虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建設(shè)的現(xiàn)狀，課題組以某地方應(yīng)用型高校為藍(lán)本，調(diào)研地方應(yīng)用型高校虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建設(shè)的現(xiàn)狀。通過發(fā)放問卷和教師專訪，了解各學(xué)院、專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)狀、需求，以及主要困難。

1.虛擬仿真實(shí)驗(yàn)存在的問題

1.1項(xiàng)目建設(shè)經(jīng)費(fèi)投入不足，開發(fā)資金短缺。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建設(shè)所需要的費(fèi)用不菲，經(jīng)費(fèi)投入少，所產(chǎn)出的虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目數(shù)自然就少，且種類貧乏。該校近20個(gè)二級(jí)教學(xué)單位中，只有2所學(xué)院建有3門省級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)一流本科課程（項(xiàng)目）;部分學(xué)院正在建設(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，更多院系則是翹首以盼。

高校缺乏既懂本專業(yè)知識(shí)又懂虛擬現(xiàn)實(shí)開發(fā)的人員，開發(fā)研制的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目產(chǎn)品，難以滿足仿真度和開放性等實(shí)驗(yàn)要求。同時(shí)高校欠缺師生開發(fā)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的獎(jiǎng)勵(lì)機(jī)制，師生參與開發(fā)的積極性不高。理想的解決方案是借助于企業(yè)的力量。虛擬仿真項(xiàng)目涉及到三維建模、軟件編程等相關(guān)技術(shù)，對(duì)于技術(shù)、設(shè)備要求高，企業(yè)開發(fā)虛擬仿真項(xiàng)目的成本比較高昂，但是校方投入到虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的資金偏低，也影響了企業(yè)設(shè)計(jì)、開發(fā)與維護(hù)的積極性。

1.2師生觀念對(duì)于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)存在認(rèn)知偏差

部分教師實(shí)驗(yàn)教學(xué)觀念相對(duì)陳舊，一味強(qiáng)調(diào)真實(shí)環(huán)境下的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，不能與時(shí)俱進(jìn)，對(duì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的理解片面化。不少教師很少主動(dòng)接觸前沿的信息技術(shù)，對(duì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)缺乏了解，不主動(dòng)探尋虛擬仿真實(shí)驗(yàn)資源，更不能靈活使用。有些教師囿于個(gè)人的教學(xué)模式和習(xí)慣，樂于現(xiàn)狀，不愿意進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革和創(chuàng)新。

1.3適用、可用的虛擬仿真教學(xué)資源數(shù)量少

當(dāng)前虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)正在快速發(fā)展之中，方興未艾，虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)開發(fā)相關(guān)的技術(shù)公司和技術(shù)人才都還處于成長(zhǎng)中，所需要的技術(shù)和設(shè)備要求相對(duì)要高且更新?lián)Q代快，而相應(yīng)的資金投入相對(duì)不足，因此，成體系的適用、可用的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、虛擬仿真資源比較缺乏，完善性欠佳，影響使用感受、學(xué)科科學(xué)性不足，導(dǎo)致虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的教學(xué)無法開展，實(shí)驗(yàn)效果和水平無法保障，影響應(yīng)用型人才的培養(yǎng)。

1.4虛擬仿真教學(xué)資源的效果評(píng)價(jià)和開放共享的機(jī)制不完善，利用率低

當(dāng)前開發(fā)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)一般都只有簡(jiǎn)單的評(píng)價(jià)反饋系統(tǒng)，適應(yīng)性較差，過程性考核機(jī)理不夠完善，對(duì)于學(xué)生的評(píng)價(jià)不及時(shí)、不準(zhǔn)確。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的評(píng)價(jià)機(jī)制不健全，直接導(dǎo)致師生應(yīng)用、開發(fā)的積極性也不高，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的利用率低。

已建成的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，開放共享方能發(fā)揮最大的價(jià)值，符合國(guó)家需求。但現(xiàn)有共享機(jī)制的不暢通，導(dǎo)致資源重復(fù)建設(shè)，造成巨大浪費(fèi);已有項(xiàng)目只在小范圍使用，利用率低，不能發(fā)揮最大效益，成本回收困難，又影響仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)一步的開發(fā)與更新[2]。

2.地方應(yīng)用型高校建設(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的對(duì)策

2.1多方籌措，加大經(jīng)費(fèi)投入

根據(jù)院校實(shí)際情況，合理的加大經(jīng)費(fèi)投入。應(yīng)用型大學(xué)更需要實(shí)驗(yàn)實(shí)踐資源，實(shí)驗(yàn)教學(xué)中實(shí)物方式的投入一次性投入較大，并且后期的維護(hù)和更新?lián)Q代成本也較大。因此，應(yīng)用虛擬仿真方式建設(shè)一些實(shí)驗(yàn)資源，投入相對(duì)較小，臺(tái)套數(shù)不受限制，且后期更新?lián)Q代、建設(shè)新的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的成本更小。虛擬形式的實(shí)驗(yàn)熟練后，再到實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中去實(shí)踐，教學(xué)成效更好。地方應(yīng)用型大學(xué)可以積極尋求當(dāng)?shù)卣推髽I(yè)部門的資助和合作，設(shè)置聯(lián)合開發(fā)機(jī)制，聯(lián)合培養(yǎng)人才。另一方面，院校設(shè)立適當(dāng)?shù)募?lì)機(jī)制，鼓勵(lì)師生自主開發(fā)、使用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，提高院校教師自主開放和應(yīng)用能力。

2.2通過培訓(xùn)和教研交流，切實(shí)轉(zhuǎn)變教師實(shí)驗(yàn)教學(xué)理念。

高校教師是虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的直接使用者和推動(dòng)者，因此高校教師需要轉(zhuǎn)變實(shí)驗(yàn)教學(xué)理念，高校教師發(fā)展部門要積極開展教育教學(xué)培訓(xùn)，引入新的教育教學(xué)思想和理念;組織參觀學(xué)習(xí)、交流展示活動(dòng)，讓教師切實(shí)體驗(yàn)到虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的魅力，有深刻的切身感受方能自覺去推動(dòng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革。

2.3多方合力，擴(kuò)大建設(shè)范圍和力度

一方面，高校利用政策等因素，匯聚人才，培養(yǎng)虛擬現(xiàn)實(shí)相關(guān)技術(shù)人才，提高學(xué)校自身的虛擬仿真開發(fā)水平，提升自身造血功能。另一方面，廣泛開展校企合作，加大建設(shè)力度和范圍。增強(qiáng)應(yīng)用型大學(xué)與企業(yè)、行業(yè)的聯(lián)系和交流，探索多形式、多層次的合作運(yùn)行機(jī)制，建立共同開發(fā)、維護(hù)更新、持續(xù)發(fā)展、合作共贏的合作模式。鼓勵(lì)教師團(tuán)隊(duì)積極申報(bào)教育部協(xié)同育人項(xiàng)目等各類校企合作育人項(xiàng)目，其中有不少公司企業(yè)具有虛擬仿真實(shí)驗(yàn)開發(fā)技術(shù)能力。倡導(dǎo)高校專業(yè)加入“1+X”職業(yè)技能等級(jí)證書體系，充分利用相關(guān)企業(yè)的技術(shù)力量，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)資源。這也正契合應(yīng)用型大學(xué)的定位。

2.4健全虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果評(píng)價(jià)和開放共享的機(jī)制，強(qiáng)化合作與共享

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)效果評(píng)價(jià)運(yùn)用多元評(píng)價(jià)方式，采用系統(tǒng)評(píng)價(jià)、教師評(píng)價(jià)、互評(píng)、自評(píng)、小組評(píng)價(jià)等評(píng)價(jià)方式;虛擬仿真實(shí)驗(yàn)開展效果考核納入教師教學(xué)質(zhì)量考核范圍之內(nèi)，在績(jī)效工資、職稱評(píng)定、教研項(xiàng)目等方面給予認(rèn)可和支持，做好正向激勵(lì)。

積極開展校內(nèi)合作、校校合作，形成開放共享機(jī)制。發(fā)揮學(xué)校內(nèi)部技術(shù)力量，構(gòu)建計(jì)算機(jī)、信息技術(shù)、教育技術(shù)、數(shù)字媒體等相關(guān)專業(yè)的教師團(tuán)隊(duì)的協(xié)作體，加強(qiáng)技術(shù)溝通和合作，利用教學(xué)研究項(xiàng)目和本科教學(xué)質(zhì)量工程項(xiàng)目，開發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，迭代更新[3]。此舉一舉多得，既產(chǎn)出了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，又錘煉了相關(guān)專業(yè)師生的專業(yè)技術(shù)能力。同時(shí)積極尋求周邊兄弟院校的支持，建設(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，或者共享其成熟的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

3.地方應(yīng)用型高校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)開展的實(shí)踐

3.1虛擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原則

虛實(shí)結(jié)合原則。堅(jiān)持能實(shí)不虛、虛實(shí)結(jié)合的方針。比如項(xiàng)目組開發(fā)的“虛擬演播室設(shè)備認(rèn)知與基礎(chǔ)操作”仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，學(xué)生在本虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目操作熟練后，還需要組織學(xué)生在真實(shí)的虛擬演播室中，進(jìn)行實(shí)際的操練，這樣能夠加快實(shí)驗(yàn)的進(jìn)度和正確度，確保設(shè)備利用率和完好率。

以學(xué)生中心、教師主導(dǎo)的原則。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目以滿足學(xué)生發(fā)展需要作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，可以由學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，自主操作完成，分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。而教師則需要合理設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)過程和實(shí)驗(yàn)情境，從學(xué)生角度科學(xué)預(yù)設(shè)問題和疑難，合理引導(dǎo)和適時(shí)提示，使學(xué)生成為實(shí)驗(yàn)的主體，營(yíng)造出友好和諧的實(shí)驗(yàn)教學(xué)氛圍。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)遵循最近發(fā)展區(qū)原則，同時(shí)兼顧合理性與可擴(kuò)展性，先進(jìn)性與開放性、可維護(hù)性與安全性，保證實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目滿足當(dāng)下教學(xué)需求，又適應(yīng)未來教學(xué)發(fā)展需要。

3.2適配合適的研發(fā)技術(shù)

教學(xué)應(yīng)用中基于三維動(dòng)畫的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目居多，項(xiàng)目開發(fā)一般需要三維建模軟件、渲染引擎和交互編程工具、數(shù)據(jù)庫軟件等。常見的三維建模軟件以3DS Max和Maya為主，學(xué)校師生用3DS Max的相對(duì)多些。渲染引擎與交互編程環(huán)境，使用unity 3D技術(shù)為多，該軟件具有資料豐富的優(yōu)勢(shì);Virtools、UNREAL ENGINE（虛幻引擎）等也有使用。國(guó)內(nèi)公司也有自己的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，比如中視典公司VR-Platform三維虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)。虛擬仿真系統(tǒng)一般使用面向網(wǎng)絡(luò)的中型數(shù)據(jù)庫即可，選用MySQL數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)或SQL Server 數(shù)據(jù)庫，后期還需要考慮接入國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目共享服務(wù)平臺(tái)。

3.3自主開發(fā)與應(yīng)用的實(shí)踐

根據(jù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)際，項(xiàng)目組選擇“虛擬演播室”設(shè)備認(rèn)知與基礎(chǔ)操作仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目為例進(jìn)行說明。虛擬演播室設(shè)備眾多，部分設(shè)備操作復(fù)雜，且比較昂貴，學(xué)生初次操作，誤操作容易造成設(shè)備損壞;虛擬演播室演播間和導(dǎo)播間一次可容納10人，無法滿足大容量班級(jí)教學(xué)的需求;實(shí)驗(yàn)操作內(nèi)容較多，步驟比較繁雜，學(xué)生需要經(jīng)過多次演練方能熟練掌握。實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境現(xiàn)狀制約著常規(guī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開展，而高仿真強(qiáng)交互性的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以同時(shí)容納多人在線進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以在開放、交互、自主的環(huán)境中，反復(fù)練習(xí)，安全快捷的掌握虛擬演播室的使用。

開發(fā)流程主要包括運(yùn)用3D Max軟件對(duì)演播室場(chǎng)景和實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行建模，導(dǎo)出適合unity的格式。把模型導(dǎo)入untiy3D中;根據(jù)交互設(shè)計(jì)進(jìn)行C#編程，控制實(shí)驗(yàn)交互。利用PHP語言+MySQL數(shù)據(jù)庫，來開發(fā)制作網(wǎng)站，實(shí)現(xiàn)用戶的管理。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)為課程教學(xué)服務(wù)，與課程緊密結(jié)合方能發(fā)揮其最大功效。在課程教學(xué)中，積極采用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的項(xiàng)目和資源，提升實(shí)際實(shí)驗(yàn)的效果。除了常規(guī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)也為大規(guī)模在線開放課程中的實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了很好的解決方案，一定程度上緩解了慕課缺少實(shí)驗(yàn)的痛點(diǎn)，在線虛擬仿真實(shí)驗(yàn)加入慕課之中，慕課教學(xué)如虎添翼。

4.總結(jié)

地方應(yīng)用型大學(xué)開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，契合學(xué)校和社會(huì)發(fā)展需求，正當(dāng)其時(shí)，教育部門應(yīng)加大投入，加強(qiáng)校企等多方合作，完善評(píng)價(jià)、合作、共享機(jī)制，充分發(fā)揮虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

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基金：河北科技師范學(xué)院教學(xué)研究項(xiàng)目（JYZB201911）