新文科背景下虚拟仿真一流课程建设探索

吕凤岐

（广西财经学院，广西南宁 530003）

在现代信息技术不断发展进步背景下， 国家愈加推广教育信息化， 在教育改革中愈加注重信息技术和课程的有机结合。故而，近几年虚拟仿真技术在课程中的应用愈来愈普遍。其实，仿真是针对系统中某个具有抽象属性的实际模仿或直观演示， 是在遵循客观系统基础之上，对相应模型的构建。由于当前计算机本身具备的特征和优势， 仿真所要依靠的主要载体即计算机， 两者合为一体也可称为计算机仿真。通常情况下，人类通过计算机搭建一个理论或实际上的仿真模型， 然后再依据模型搭建出一个仿真环境。随着中国建设特色社会主义新时代步伐加快，国家对新文科和一流课程的打造也愈加迫切， 而虚拟仿真与一流课程的结合，无疑是“锦上添花”。 故而， 探究新文科背景下虚拟仿真一流课程建设具有强烈的现实意义。

1 虚拟仿真技术及其在教学中的应用

1.1 虚拟仿真技术简介

虚拟仿真又名模拟技术或者虚拟现实技术。 它是人类利用各种技术手段， 将现实生活中的一些现象、时间通过计算机模拟出来，进而促使人民可以对实验对象深入观察、对事物的本质了解得更为透彻。20 世纪40年代早期，随着计算机技术不断发展，虚拟仿真作为一项实验研究类的新型技术也由此应运而生。近几年来，我国计算机技术开始呈现出井喷式发展态势[1]。得益于此，虚拟仿真技术逐步开始完善。当前，虚拟仿真已成为继科学实验探究、数学推理之后，人类认识、探索自然界客观规律的第三条路径。而且虚拟仿真正逐步成为人类发现、 改造客观世界的一项战略性、通用性技术。

现阶段， 虚拟仿真技术在我国各领域中的应用已逐渐变得愈加广泛。 例如，化工电力的操作实验、航空航天的数据分析实验、汽车的碰撞损害实验。这些实验假设要进行真实实验， 虽然一定程度上有助于研究人员获得较为可信及准确的数据及资料。 但相对虚拟而言，真实实验具有更高的难度和成本，且危险系数也更高， 难以构成实际情况中实验需要反复性的条件。 而虚拟仿真技术不仅可以对这些实验进行模拟、实地获取结果，同时它更具有灵活性和拟真性。在运用虚拟仿真技术进行实验的过程中，相关研究人员只需要修改相对应的数据参数， 就可以实现期望的实验环境、真实的研究结果[2]。 虚拟仿真技术的运用不仅可以提升工作效率， 同时它的成本也远低于真实实验成本。

1.2 虚拟仿真技术的特征

沉浸性、构想性、交互性是虚拟仿真技术所具备的3 个主要特性，同时可称为“3I”特性。 最早，“3I”特性这一说法是由美国科学家G.Burdea 和P.Coiffet于2017年在《虚拟现实系统及应用》中提出的。交互性和沉浸性是虚拟仿真技术最核心的元素， 这两个特性在增强用户虚拟环境体验感的真实性上具有突出作用。构想性现在多数情况下都被称为自主性，是虚拟仿真技术操作依据不同用户认知创造和思维意识的表达。具体而言，构想性就是用户在体验虚拟仿真技术的过程中， 能够对所接收到的反馈信息做出逻辑推理、逻辑判断等思维活动，并对此操作过程中可能出现的一系列现象、 问题或未来事物发展做出合理的预测。综上，虚拟仿真技术最大的特点及优势就是沉浸性、构想性、交互性[3]。也正是因为虚拟仿真技术具有的这些特性， 使得用户能够利用虚拟仿真技术，变成虚拟环境下的活动主题，进而凸显人的主导作用。

1.3 虚拟仿真技术在教学中的应用

因为我国针对虚拟现实技术开展的研究起步较晚，故发展至今虽取得了一定成果，但当前虚拟仿真技术在我国的实际覆盖面仍不够广泛， 在推广应用方面，虚拟仿真技术仍有很大的提升空间。现阶段我国高校在教学过程中对虚拟仿真技术的应用模式主要有两种。 一是虚拟课堂。 虚拟课堂中，实体学习资源、师生、学习场景等均为虚拟场景中的目标对象。通过虚拟仿真技术， 各类学习对象均可以被模拟出来。在某种程度上，课程中虚拟仿真技术的应用可以打破传统意义上时间和空间的限制。如此，学生可以通过切身体验的方式对知识体系进行交互式探索。二是虚拟实验室。 虚拟实验室中实验设备是主要的虚拟目标对象。通过计算机的虚拟仿真技术，可以搭建出同现实世界中一样的虚拟仪器模型， 使之与真实仪器的使用和操作实现完全对应。 虚拟实验室可以替代现实试验中危险系数及难度系数较高的实验项目。 学生通过计算机建立的虚拟设备进行仿真实验，做出虚拟仿真预测及分析、实验数据仿真[4]。

2 新文科背景下虚拟仿真一流课程建设的意义

2.1 有助于培养学生主动学习的积极性

在创设教学情景时， 相较于传统的一些事物表演或模拟演示教学，虚拟技术具备显著的优势，即更加真实的教学体验。依据学生最基本的认知特点，教师可利用虚拟仿真技术来创设一个更加生动有趣的教学情境[5]。 例如，通过动画或游戏的方式将一些相关知识通过学生更感兴趣的形式， 更直观地呈现给大家。 大部分学生其实对动画或者游戏等元素是较为敏感的，教师完全可以利用这一点，通过游戏来进一步丰富课堂内容。 动画和游戏不仅能营造出更加有趣的教学情境，还能吸引学生的注意力，进一步丰富教师的课堂教学模式，激发学生主动学习的兴趣，有助于学生保持对知识内容的记忆和迁移。 除了创设良好的教学情境之外， 将虚拟仿真技术应用于课堂教学中，可以促进学生吸取知识内容途径的转变，即由传统意义上的被动接受转变为切身操作和自主获取，还能通过自身对知识内容的分析和理解，逐步构建出属于自己完整的知识信息系统[6]。 当前，当学生遇到学习上的问题时， 我国大部分学校的主要教学模式是去情境化， 即完全依据教师的话语描述和学生的思维想象来解答课本上的相关问题。 相较而言， 虚拟仿真技术可以在最大程度上还原生活中真实场景，促使学生在优良的教学情境中开展学习，使得学生可以从本质上了解知识结构和原理， 掌握学习方法。 如此， 教师在保证教学内容贯彻的基础之上，既活跃了学生的学习思维，又有助于调动学生主动学习的积极性[7]。

2.2 有助于拓展学生的学习范围

教师把虚拟仿真技术应用于课堂中， 相当于把模拟情景通过多媒体计算机放进了教室， 这样有助于打破时空对模拟演示的限制和约束。 在这种情况下，学生可以在任意时间和地点，利用虚拟仿真平台对不懂的学习内容进行虚拟情境演示和模拟。 这在一定程度上，有助于拓展学生的学习覆盖面，从而缩短教学和学生实际掌握知识内容的周期。而且，在一些物理实验中，从空间角度出发来看，虚拟仿真技术可以将一些由于客观原因难以或无法进行的实验变成可能[8]。例如，原子内部构造的探究，宇宙间星体的分布及运行分析；从时间角度出发来看，一方面实验中虚拟仿真技术的运用， 有助于学生了解过去曾出现过的物理学知识，进而可以追溯古今，对实验背后的物理学史了解得更为透彻。 另一方面学生通过数据模拟，可以更加快速的获得实验现象和结果，这有助于学生减短学习的周期。例如，某些实验的变化过程可能会持续几年、几十年，甚至长达几百年。 但如果利用虚拟仿真技术， 学生通过演算就可以得出相应的结论， 促使实验现象和结果可以在最短时间内呈现出来，有效节省及缩短了实验时长，进而大大提升了实验效率。

3 新文科背景下虚拟仿真一流课程建设的实践路径

3.1 教学形式：注重虚实相结合，显著突出教学重点

“虚实结合”是创设虚拟仿真技术课堂教学的基本要点。 以虚拟仿真技术应用程度最高的实验教学为例， 虚拟仿真实验教学并不是简单层面上将实验仪器或设备进行虚拟化， 而是一种更加灵活的实验教学模式， 一定程度上它还是实体实验项目的最有益补充。 此外，随着近些年体育事业的蓬勃发展，由于人体进行体育运动过程中，所要进行分析、监测及诊断的范围及其广泛， 故而从事与人体运动相关的人员都应对该领域的知识体系充分、全面地掌握。这种情况下， 体育教学和科研技术的融合就变得更加迫切和重要。但在实际教学情境中，学生和教师均反映虚拟技术在课堂中的应用难以发挥出真正的实效性[9]。因此，新文科背景下，建设虚拟仿真一流课程的第一步就是要做到“虚实结合”。首先，教学进行虚拟仿真实验教学的过程中， 不可以违背基本的教学任务，即对知识的全面充分讲解。 在此基础上，教师可以通过虚拟仿真技术， 将模拟实践与线上交互理解充分结合起来进行课程功能设计。其次，教师可以通过创设与教学内容相关的3D 虚拟情境。 例如，运动场地。 如此可使学生在视觉和听觉上多维度、 全视角、 近距离探究知识内容， 进而获得学习信息和方法。最后，教师应通过三维仿真场景帮助学生熟悉测量评价系统， 促使学生可以独立做到简单的界面交互控制和实时漫游。

3.2 教学内容：注重创新驱动作用发挥，显著提出技术运用的综合性

通过调查学生对虚拟仿真实验教学的认知发现， 大部分学生对虚拟仿真实验的认知程度虽然都不高，但却对它在实验教学中的应用均表示支持。由此可见， 虚拟仿真实验的可行度和了解度之间并没有很强的关联性。 这可以从侧面体现出虚拟仿真一流课程建设的现实需求性。 首先，在教学内容上，教师应以调动学生对各学科自主学习的积极性、 培养学生对实践技能做到全面掌握、 激励学生创新思维的主动养成，驱动学生创新、探索及实践能力进一步提高。此外，各学科教师在运用虚拟仿真技术于教学内容时， 应注重不同学科知识体系间的内容交叉融合。通过多重学科交互模式，为学生创设一个对知识可以进行自主探究的学习环境。同时，教师应为创新学生思维意识和实践能力训练预设充足的发展空间。 而且，教师在进行虚拟仿真实验项目、设计与选择系统的教学内容时，应当充分凸显实践性。 例如，体育学科开展虚拟仿真实验项目时， 应特别注重运动康复知识、 运动技术分析及运动生理学知识等实践性较强的内容。