“互联网+”时代虚拟仿真实训教学资源的建设

骆其城 赵国信 李柏辉

[摘 要]虚拟仿真实训运用科学技术构建一个虚拟的实训教学环境，将学生所要掌握的知识点进行重现，从而使学生在虚拟环境中掌握更多的知识。随着新形势下虚拟仿真技术的快速发展，虚拟仿真技术在高职教育和开放教育拓展实训教学内容广度和深度、延伸实训教学时间和空间、提升实训教学质量和水平等方面发挥示范效应。

[关键词]高职教育;开放教育;虚拟仿真;远程实训

[中图分类号]G712 [文献标识码]A [文章编号]1008-7656（2020）05-0005-05

引言

虚拟仿真实训运用科学技术构建一个虚拟的实训教学环境，在其中将学生所要掌握的知识点进行客观重现，从而在虚拟环境中掌握更多的知识[1]。随着新形势下虚拟仿真技术的快速发展，虚拟仿真技术在高职教育和开放教育拓展实训教学内容广度和深度、延伸实训教学时间和空间、提升实训教学质量和水平等方面发挥示范效应[2]。

国家“十三五”教育事业发展规划明确提出，“支持各级各类学院建设智慧校园，综合利用互联网、大数据、人工智能和虚拟现实技术探索未来教育教学新模式”[3]，虚拟仿真技术在实训教学中是一种新的教育生产力，是实现“互联网+实训”的重要信息技术手段。

目前，高校利用信息化技术进行教学的主要手段有微课、慕课、翻转课堂以及虚拟仿真实训等。微课是以学习者为中心，以视频为主要载体，记录教师围绕某个知识点或教学环节而开展的简短、完整的教学活动，慕课则是由一系列微课教学资源组成的一个网络平台。翻转课堂是教师创建教学视频，学生预先观看视频，然后回到课堂上师生面对面交流和完成作业的一种教学形态[4]。它们实现了信息技术与传统课堂教学的融合，但它们侧重于理论教学方面的应用，学生缺少参与实训项目的锻炼。虚拟仿真实训是借助现代化的信息技术，以构建主义和虚拟现实为理论基础而建立的一种实训模式。通过虚拟操作仿真实训项目，使得教学更加形象和直观，具有较强的浸入性和交互性，能有效提升学生的学习兴趣和教学效果，从而成为高校利用信息化技术进行教学的重要选择。

一、高职教育和开放教育实训教学的不足之处

（一）高职教育传统实训教学的短板

在高职教育中，高职院校着重强调对学生实践能力的培养，实训教学成为理工科教学的重要环节。随着高职院校各学科实训项目和学生人数的增多，传统的实训室和实训仪器数量较难满足学生的学习需求，在教学使用上的不便之处也慢慢凸显出来。解决传统实训教学资源不足、实训方式单一、实训器材维护费时费力、实训内容固定難以拓展等问题，是目前高职院校新工科建设和课程教学改革中的重点。

（二）开放教育远程实训的制约

开放教育是运用数字化、网络化和智能化的信息技术对教学资源进行融合，促进教学资源的优化配置和综合利用，为各类学习者提供不同的服务。学习者可以利用现代化的信息技术随时随地进行学习，从而构建“人人皆学、处处能学、时时可学”的学习型社会。但学习者往往侧重于理论知识的学习，缺少对实训项目的实际操作，学习效果往往不如人意。因此，在开放教育实训教学中如何为学习者提供远程、高效、实用的实训教学资源，是亟需解决的问题。

二、两校建设虚拟仿真实训教学资源的背景

广东开放大学和广东理工职业学院实行“一套班子，两块牌子”的管理体制。广东开放大学现有开放教育学生37.2万人，广东理工职业学院现有高职教育学生1.2万人，开放教育和高职教育这两种不同的教学模式可达到资源共享、优势互补的目的。学校虚拟仿真实训教学资源就是以这两种类型的教育为建设基础，以典型案例为导向，突破常规教学模式受时间、空间、实训对象等条件的限制，构建“互联网+实训”的教学环境。为此，学校加强与企业的协同合作，实现校企共建、多方合作、协同育人的目标，积极探索虚拟仿真实训教学资源的建设模式。

学校虚拟仿真实训教学资源是对现有各类实训教学资源的数字化和虚拟化，为高职教育和开放教育开设的各类实训课程创建了新的实训教学环境。学校提供的各类虚拟仿真实训项目综合应用了多媒体、大数据、三维建模、人工智能、人机交互、传感器、超级计算、虚拟现实、增强现实等网络化、数字化和智能化的技术手段，丰富高职教育和开放教育实训教学的应用模式和应用场景。在高职教育，它重点解决了实训项在实际运行中的困难，包括高成本、高消耗、不可逆操作、大型综合训练等;它还可以与实体实训室互补，让原来难以开展的实训项目成为可能。在开放教育，它为学习者提供了一个全新的学习平台，学习者只需通过互联网即可做虚拟实训操作或在线实训，无需到实体实训室也能达到相应的学习效果，灵活安排学习时间、地点和实训内容，受到学习者的欢迎。

三、两校虚拟仿真实训教学资源的建设

（一）虚拟仿真实训教学平台建设

广东开放大学和广东理工职业学院按照“虚实结合、相互补充、能实不虚”的原则建设了虚拟仿真实训教学平台，通过构建逼真的实训操作环境和实训对象，使学生在开放、自主和交互的虚拟环境中开展高效、安全和经济的实训，进而达到实体实训室难以实现的教学效果。平台集成了多个学科的虚拟仿真教学资源，辐射高职教育和开放教育，并积极整合和共享不同类型、不同校区的优质虚拟仿真教学资源，向各类层次的学生开放使用。平台以高职教育和开放教育共有的专业为单位，以提高学生实践能力和创新精神为核心，以现代信息技术为依托，以相关专业类的实训教学信息化内容为指向，以完整的实训项目为基础，重点对专业受益面广、学生多的理工科专业所急需的实训课程建设了相应的虚拟仿真教学资源，从而开展虚拟仿真实训教学，实现虚拟仿真实训教学资源的共享共用。高职教育和开放教育的学生在平台学习的过程中，可以独立完成相应的实训操作和设计，并得到相应的考核成绩。同时，虚拟仿真实训教学平台部署在学校云服务器上，通过统一制定虚拟仿真教学资源的接口规范和标准，提高系统的安全性、兼容性和开放共享性，从而满足不同专业和不同校区之间开展虚拟仿真实训教学的需要，实现共享平台和虚拟仿真教学资源的无缝对接与互相支撑。此外，平台可以通过转换的形式导入其他三维模型，并对模型进行动画制作，包括通用三维CAD模型、3dMax模型、Maya模型和VRML模型等转换接口。平台突破了传统实训对时间、空间和实训对象的限制，提供不同种类和各个层次的虚拟仿真实训教学服务，可以实现远程实训、线上操作和智能考核等功能，具备较好的开放共享基础。

（二）在线实训系统建设

作为虚拟仿真实训教学平台的补充，学校联合校外企业构建了“云+端”的智能开放共享在线实训系统（如图1所示）。学生通过访问在线实训系统，可有效地完成真实的硬件实验。系统由“实验在线共享平台”和在线实验硬件组成，其主要功能包括：教师根据实验要求，把实验使用的元器件实物和真实测量设备部署在实验平台上;学生安装相关软件后可以登录实验平台，通过在电脑上搭接实验电路、调整电路参数、测量指标等操作，与远方实物操作达成一一映射，由此获得与硬件实验一样的操控训练效果。总体来说，在线实训系统具有以下特色。

（1）远程实训

在平台上部署一套或多套硬件（器件和设备），满足本校或多个学校的学生24小时在线实训所需，满足分散实训的需求。在正常教学期间，一个器件完备、设备条件良好、不受时限的网上实验室，不仅满足学生实训预习、操作温习及课外研习的不同需求，也是对传统实训教学模式的有益补充。

（2）真实情境

实践能力的培养需要面对各种硬件环境。考虑到更高的实验参与度，系统不但可以布局固化的模块，还可以布局分立元和器件，满足不同层次学校和不同水平学生的需要。系统还设计了教师在线帮助学生查询、纠错功能，把实境实验条件下学生的自主优势和教师辅导优势还原于线上。

（3）闭环过程管理

系统可以支撑实验在线预习检测，助力教师远程预习管理;平台记录学生实验操作步骤，统计实验实测数据等过程细节，比教师亲临实验现场了解得更多;使用实测数据生成的实验报告，杜绝作假。系统完成从预习到报告全过程闭环管理，成为可“认证”的实训过程（如下页图2所示）。

（三）实训教学的智能化

基于“互联网+虚拟仿真”实训教学平台和在线实训系统相结合的实训教学资源，使得传统的实训教学向智能化发展。学生在远程实训的过程中，可以在虚拟仿真实训教学平台进行多次模拟，然后通过连接远程在线实训系统进行操作，从而真实体验实训教学的全过程。通过在线机器人对学生远程操作进行实时指导和在线评分，为教师提供可量化的成绩，从而实现远程实训教学的自动化、数字化、网络化和智能化。这种智能化的“教、学、用”教学模式，促进学生知识、技能、职业素养协调发展，帮助学生从“学校人”向“准企业人”过渡。

（四）构建实训课程新体系

广东开放大学虚拟仿真实训教学资源，致力于在开放教育和高职教育中打造多维度的理工类专业实践课程体系和实训教学平台，从三个维度来构建科学的实训课程体系架构。第一维度：教学模块整合教学辅助资源。教师在虚拟仿真实训教学平台中可以整合各类教学辅助资源，学生在平台的教学模块可以调用资源进行自主学习。第二维度：实训模块使学生熟练掌握教学内容并应用。学生根据教学模块的学习情况，在实训模块可以进行反复的虚拟操作，达到熟练掌握知识内容。第三维度：实际操作使学生切实掌握技能。学生经过自主学习和虚拟操作后，可以进入实体实训室或远程使用在线实训系统开展实物操作，切实提高学生实际动手能力，并减少实训设备的损耗和实训材料的消耗。通过以上三个维度构建科学的实训课程体系，确保各类教学辅助资源紧密结合并相互配套，满足开放教育开展“互联网+实训”和高职教育培养学生实践能力和创新精神的需求，减少传统实训室对硬件设施与场地的依赖。学生既能充分理解理论知识，又能熟练掌握岗位工作的方式和方法，解决立体化教材关联性不佳、理论与实际结合不够等问题，有效提高实训教学效果。

（五）教学应用范围

目前针对虚拟仿真的教学应用研究主要围绕实践教学（包括实验、实训、实習等）领域，以提高实践教学质量，推进教学内容、教学方法和教学模式的改革，从而培养和造就更多合格的技能型人才与高技能人才。虚拟仿真实训在高职教育和开放教育中对于解决个性化教学、智能化考核、标准化演示、工作职场展示、实训内容开放性、缩短实操时间等方面有很大的支持作用。而云计算作为新一代信息技术，将改变虚拟仿真实训教学资源的架构和应用模式，借助云计算技术搭建的虚拟仿真实训教学平台，可以对高校与高校联盟的虚拟仿真教学资源进行统一部署和维护，从而整合高校和高校之间的软硬件资源，降低虚拟仿真资源开发和采购硬件实训设备的成本，实现资源的共享、共用，国家虚拟仿真实验教学项目共享平台就是典型的范例。

四、结语

随着云计算、通信技术以及虚拟仿真技术的不断发展，高职教育和开放教育对虚拟仿真教学资源的需求将越来越大。一方面，它使传统的课堂教学逐步向网络化教学探索，从而突破了时间、空间和实训对象的束缚，推动在信息化技术条件下自主学习、探究学习、协作学习等教学方式改革。另一方面，它降低了传统实训教学的成本和风险，开展绿色教学，实现实训教学的可持续发展。学校虚拟仿真实训教学资源有效解决了学生线上实训的难题，取得了良好的实训效果。随着5G技术的到来，虚拟仿真技术在高校的应用前景将会更加美好。

[参考文献]

[1]高疏寒.基于VR技术下虚拟教学应用的思考[J].视听，2018（1）：202-203.

[2]林东玲.两校融合背景下远程数控虚拟仿真实训的教学研究[J].辽宁广播电视大学学报，2018（3）：18-19.

[3]洪宣容.移动互联网时代的开放教育非学术支持服务策略研究[J].中国教育技术装备，2019（12）：48-49+55.

[4]夏冬生，孙先念，朱公志.微课、慕课和翻转课堂的特性及其相互关联性的探究[J].黑龙江教育（高教研究与评估），2019（4）：47-49.

[作者简介]骆其城（1983-），男，广东龙川人，广东开放大学实验师，硕士，研究方向：计算机技术、实训室管理和实训室建设等;赵国信（1965-），男，浙江诸暨人，广东开放大学高级工程师，硕士，研究方向：校企合作、实训室建设等;李柏辉（1995-），男，广东茂名人，广东开放大学实训指导教师，研究方向：计算机技术和实训室管理。

[责任编辑 肖志明]