国内外虚拟仿真教学的发展现状
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作者:柳洪洁 宋月鹏 马兰婷 张观山 张智龙 王征
[摘 要] 虚拟仿真教学是改革传统教学方法重要的引领手段之一，对于课堂教学方法、模式、体系及手段的改进具有积极促进作用，由于具有良好的教学效果日益受到国内外高校的普遍重视。该文分析了虚拟仿真教学建设意义及其应用的信息技术，阐述了国内外发展现状与趋势，讨论了我国虚拟仿真教学存在的问题与解决方法。
[关键词] 虚拟仿真教学;发展现状;实践教学模式;教学改革
[基金项目] 2018年度山东省本科教改项目（M2018X233）;2016年度教育部产学合作协同育人项目（201602034025）;2017年度山东农业大学“十三五”教改项目（X2017004）;2017年度山东省一流学科建设基金（FSDTP2017）
[作者简介] 柳洪洁（1972—），女，硕士，山东农业大学动物科技学院高级实验师，主要从事动物医学实验教学与研究;宋月鹏（1971—），男，山东农业大学机械与电子工程学院、国家级农业机械化及其自动化虚拟仿真实验教学中心教授，博士生导师，主要从事农业机械与装备研究（通讯作者）。
[中图分类号] G642.0 [文献标识码] A [文章编号] 1674-9324（2020）17-0124-03 [收稿日期] 2020-02-23
深化人才培养过程中的教学改革、加强实践教学环节，是培养中国特色社会主义新时代建设人才的必然要求，也是国家全面提高教育质量的重要内容[1]。“十三五”是我国高等教育巩固成果、深化改革、提高质量、持续发展的关键时期[2]。在新形势下，高等教育必须适应新时代人才培养的需要，将新技术与实践教学相结合，强化学生理论知识学习，提高实践动手和解决实际问题的能力，从而提高人才培养质量，更好服务于社会与经济的发展[3]。
当今社会信息技术的应用为提高教学质量提供了坚实基础条件，在众多教学方法或教学手段改革实践过程中，虚拟仿真教学成为当前高等教育改革的热点之一[4]。2013年8月，教育部决定开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作[5]，充分体现了虚拟仿真教学在高校实践教学体系中的重要地位。
本文通过对国内外虚拟仿真教学发展现状与趋势进行综述，深入分析总结了我国目前在此领域存在的问题，以期为今后我国虚拟仿真教学的发展提供启示与借鉴。
一、虚拟仿真教学意义及其应用的信息技术
目前虚拟现实技术作为信息技术的代表，同多媒体技术、网络技术公认为三大前景最好的计算机技术。最初应用于军事、企业界及学术实验室中，随着应用成本的不断降低，逐步进入教育教学领域，极大丰富了教学手段，因此，虚拟仿真教学是对传统教学方法和手段的革新[6]。
首先，可以有效解决传统教学实践过程中出现的经费有限、实习资源有限等问题。目前我国有些高校教学与实践的资金紧缺，实验设备陈旧、更新较慢，新增仪器、价格昂贵的设备台套數量不足，学生实验实践过程中分组人数过多、实验周期超长，已严重影响到实践教学效果，利用虚拟仿真教学方法是解决上述问题最理想的措施。
其次，某些传统实习实践教学过程中，不具备现实实验条件或属高成本、高消耗、极端危险环境、高污染、不可逆操作等教学及实践环节，如专业课程实习实践过程中的高压蒸汽灭菌设备、数控机床、激光加工等设备存在耗材费用高、操作存在一定危险性等问题;动物传染病诊断实验中存在的病毒传染性问题;铸造、焊接实习存在工艺的全过程实践等问题，虚拟仿真教学完全可以轻而易举的加以解决，充分体现出它的优势和价值。
再次，虚拟仿真教学的实施对提高学生综合设计与创新能力，提高教师队伍教学能力、拓展实践领域、丰富教学内容等有很大的帮助。如对于“微生物学实验”“机械制造”等课程工艺规划方面的教学与实验，通过虚拟仿真教学方法，实现教师与学生的充分互动、深度融合，可取得理想的教学效果。
最后，虚拟仿真教学与其他先进教育教学手段相结合，如MOOCs、翻转课堂等，有助于建立激发学生学习兴趣、激励学生学习自主性、提高学生创新能力的教学效果考核、评价和反馈机制的形成。借助虚拟实验系统的考核体系，形成了教与学的有机统一。
目前国内外虚拟仿真实验教学中应用的信息技术主要有十种[6]，在基本原理及应用范围虽有所差别，但都可进行理论教学、原理演示以及辅助操作训练的虚拟教学活动。这些技术构建的虚拟世界为教师和学生创建了“同一空间”，使学生产生集体上课的感觉，交流方式也与现实颇为相似，有效缩短了师生间的时间和空间距离。
二、国内虚拟仿真教学的发展现状
根据《教育信息化十年发展规划》的指导意见，教育部在2013—2015年启动了国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作，得到了社会各界的积极的响应和支持。现已遴选出300个国家级虚拟仿真实验教学中心，分别分布在26个省市自治区，其中理工类211个，农林医药类53个，人文社科类36个[6]。
近年来，为推动高校积极探索线上线下教学相结合的个性化、智能化、泛在化实验教学新模式，教育部2017年印发了关于2017—2020年开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设的通知，计划到2020年遴选出1000项示范性虚拟仿真实验教学项目。国内高校掀起了积极开发应用虚拟仿真教学项目的热潮。2012—2016年期间，在国内外期刊上发表的有关虚拟现实教育应用、虚拟实验室网络化管理的高水平学术论文SCI/EI检索数量我国均领先于世界其他国家[7]。
中国农业大学建立了机械与农业工程虚拟仿真实验教学中心，按照实验教学“虚实结合、相互补充”的原则，提出了“三平台、九模块”的虚拟仿真实验教学体系[8]。
中国科技大学利用虚拟仿真技术进行几何光学实验平台的开发，把物理教学仪器系统演绎到新的领域，搭建虚拟仿真教学应用实验平台。 北京郵电大学开发了网络、通讯、电子三门学科的虚拟实验系统，采用JAVA Applet技术、B/S结构和J2EE框架等，解决了高校实验教学设备及场地日益紧张等诸多问题[9]。
山东农业大学国家级农业机械化及其自动化虚拟仿真实验教学中心构建了较为完善的平台建设及管理体系，建立了“现代农场虚拟仿真实验教学系统”等四个虚拟仿真教学模块。“家禽病毒性传染病疫苗的生产应用虚拟仿真实验”入选2018年度国家虚拟仿真实验教学项目，取得了较好的应用效果。
三、国外虚拟仿真教学的发展现状与趋势
国外对虚拟仿真技术的研究起步较早，应用较为广泛，美国新媒体联盟（NMC，New Media Consortium）按年度、分系列发布的《国际教育信息化地平线报告》被视为国际教育信息化建设与发展的风向标。该报告认为，虚拟仿真教学将成为今后国内外教育界对传统教学进行改革、提升人才培养质量的重要方向，是现代教育重要的引领手段之一，因此备受世界各国教育界的关注。表1系国外高校虚拟仿真实验教学的主要类别与基本形式[ 10 ]。
英国开放大学实验室应用网络、虚拟现实等技术开发了虚拟仪器共享使用项目，能够在线实现所有实验室功能，学生可下载虚拟仪器软件进行在线实验，也可以借助遥控仪器进行远程控制实验。
美国大学采用平板电脑完成分子生物学、细胞生物学、发育生物学等课程实验，教师通过iPad上的移动应用程序与学生分享从中心实验室数字显微镜中获取的数据和图像资源。
加拿大大学建设了3D实验室和人类创客虚拟仿真教学实验室，配备最先进的3D扫描仪和打印机、动作传感器以及激光切割机等高科技设备，真正做到“虚实结合、能实不虚”的教学原则。
文献[10]给出了国外高校虚拟仿真实验教学改革的新动向，主要包括：
（1）加快新兴信息技术在教育教学领域的应用。
（2）整合教育资源于在线学习、混合式学习和协作学习之中。
（3）基于信息技术教育教学由理论课程单一教学形态向理论与实践教学相辅相成转变。
（4）促进学生从以往的课程内容单一消费向创造者和设计者转变。
（5）重视和加强开放教育资源的建设、使用和维护。
（6）建设具有完备数字化学习条件和虚拟实验环境的未来教学实验室等。
四、国内外虚拟教学发展的几点思考
国内的虚拟仿真教学方法应用较国外略晚，但发展极为迅速。目前，单从技术纵深度来说，国内与国外已相差无几，而在普及应用上，显然与国外相比有较大差距。分析原因主要有：（1）部分地方政府或单位对虚拟教学的认识不足，或观念较保守、思想转变慢，或所受自身经济基础制约;（2）大部分学生对虚拟式教学授课不适应，诉求度不高;（3）虚拟仿真教学对学生学习的主动性和自主性要求大幅提高，而教师主导地位弱化，导致学生学习随意性增加，可能达不到预期的教学效果[ 11 ]。
基于上述问题，提出如下几点建议：（1）各高校应重视虚拟仿真教学的应用，加强与企业的联合开发，同时制定学校激励考评机制，鼓励教师参加平台设计、开发和应用;（2）对教育主管部门来说，应加大投入力度，鼓励校企合作，创建不同虚拟仿真教学软硬件设备和平台;（3）对教师而言，务必紧跟时代步伐，努力适应新的教学方式;同时不断提升自身素质，强化虚拟仿真教学过程管控，真正成为虚拟仿真教学过程的监督者和引导者;（4）对学生来说，提前安排预习认知时间，制定学习目标和学习规划，深入认识并借助虚拟仿真教学软硬件平台，提升自身实践与创新能力。
五、结束语
虚拟仿真教学是现代教育重要的引领手段之一，备受世界各国教育界的关注。因此，我国的教育部门应加大虚拟仿真教学软硬件投入。学生应转变思想，顺应虚拟教学新方式，努力提升实践动手能力。各高校应根据办学特色，积极探索传统教学与虚拟仿真教学深度融合的教学新模式，专业教师应投入精力，建设并应用虚拟仿真教学项目，为实现高等教育改革、提高人才培养质量而提供坚实的基础。
参考文献
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[2]胡今鸿，李鸿飞.高校虚拟仿真实验教学资源开放共享机制探究[J].实验室探索与研究，2015，34（2）：140-144.
[3]张海生.中国高等教育现代化的内涵阐释及其矛盾审视[J].教师教育学报，2018，5（5）：65-73.
[4]刘亚丰，苏莉，吴元喜，等.虚拟仿真教学资源建设原则与标准[J].实验技术与管理，2017，34（5）：8-10.
[5]中华人民共和国教育部.关于开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知（教高司函〔2013〕94号）[B]，2013年8月13日.
[6]李平.推进虚拟现实技术应用，提高高校教育教学质量[J].实验室研究与探索，2018，37（1）：1-4.
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[8]宋正河，陈度，董向前，等.机械与农业工程虚拟仿真实验教学中心建设规划与实践[J]，实验技术与管理，2017，34（1）：5-9.
[9]谢敬伟.分布式虚拟现实交互仿真系统研究[D].浙江大学硕士专业学位论文，2017年1月15日.
[10]王卫国，胡今鸿，刘宏.国外高校虚拟仿真实验教学现状与发展[J].实验室研究与探索，2015，34（5）：214-219.
[11]Azimkulov Ayan.VR技术的虚拟教学应用研究[D].东华大学学位论文，2017年1月15日.
Abstract：The virtual simulation experimental teaching approach is one of essential complement of traditional teaching method reformation.This novel approach plays a positive role to improve the teaching effectiveness of model，system，measurement and construction.More and more attention has been paid in domestic and foreign universities for the approach due to its excellent teaching effect.Construction significance，information technology application，development status and tendency in domestic and overseas of virtual simulation experimental teaching approach was analyzed and summarized.Furthermore，problems and solutions of the approach were also deeply discussed.
Key words：virtual simulation experimental teaching approach;development status;experimental teaching model;education reformation
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