虚拟仿真技术在教学中的应用分析

浦娟 陈书锦 叶慧

[摘           要]  分析传统教学存在的问题，提出虚拟仿真技术应用于教学中的必要性，综述虚拟仿真技术应用于现代教学中的现状，并用具体实例予以说明。

[关    键   词]  虚拟仿真技术;教学;应用

[中图分类号]  G642                   [文献标志码]  A                      [文章编号]  2096-0603（2021）15-0044-02

虚拟仿真是一种利用计算机生成三维动态场景对另一个真实的系统进行模仿的技术，随着现代计算机技术的不断发展，虚拟仿真技术在许多行业逐渐被重视并被大规模应用。虚拟仿真教学可以构建虚拟环境，这个场景是将一切因为需要很长周期、高成本、高危险性而不能大范围复制的实验用三维模型的形式展现。学生在虚拟环境中学习，有利于激发学习兴趣，拓展思维，提高分析问题和解决问题的能力。

一、虚拟仿真技术应用在教学中的必要性

（一）传统实验教学模式存在缺陷

传统的实验教学方法有课堂理论知识讲解、多媒体演示、实体模型演示等，这些方法在教育改革日新月异的背景下存在很多问题，主要表现在以下三个方面：（1）老师在课堂上对实验理论知识的讲解往往很抽象，许多学生听不懂的同时也没有及时提出疑问，这些问题发展下去会导致学生不能独自完成实验或者为了完成任务抄袭别人的实验成果，最后形成一个恶性循环。（2）为了便于学生理解实验内容，老师经常使用多媒体进行教学，但大多围绕着PPT课件展开，这些课件都是以实验理论为基础建立的，学生往往会感到很枯燥，而且难以让学生了解如何把理论和实践结合起来，有的学生有想法因为难以证实而不了了之。（3）由于许多实验仪器价格昂贵，学校在实验室建设方面资金有限，而且有些精密仪器只给专业人士操作，这些情况导致学生的实验形式变成了老师在实验室的示范性讲解，学生都围在一台仪器面前，很难让所有人都能去尝试操作，因此，实验报告的撰写很难有实际效果，学生的实验课也难有大的收获。

（二）网络教学模式发展的必然趋势

近年来，随着信息化技术的快速发展，网络授课已经是一个很大的发展趋势，国外的网络授课已经有很长的历史了，早在1998年，美国许多学校就开始将网络用于教学，教育部在1999年发布了《面向21世纪教育振兴行动计划》，提出“实施现代远程教育工程”的要求;2015年，教育部发布《关于加强高等学校在线开放课程建设应用与管理的意见》;2017年，教育部发布《关于开展2017年国家精品在线开放课程认定工作的通知》;2019年，教育部等十一部门发布《关于促进在线教育健康发展的指导意见》，自此我国的网络教育开始跟上时代的步伐稳步前进，到今天，网络教学已经成为学校教学必不可少的一部分。2020年，这一特殊时期“火”起来的网络教学模式也是第一次被大部分家长和学生了解，但是也有许多人批判这一教学模式，无外乎是网络延迟的存在导致学生听课效率低，可是随着5G时代的到来，网络授课将不再有现在的延迟，我们不仅可以在国内进行网络教学，还能对国外进行网络教学，学生在网络课堂的学习体验也会有质的飞跃。在不久的将来，虚拟仿真技术在教学领域的价值也会被越来越多的高校和教育工作者认识到，并成为新的网络教学趋势。

（三）虚拟仿真技术用于教学突出的优势

1.能满足实践教学的需要

传统的实践教学往往在面对高危险、高消耗的实验环节时，因为教学资源有限的问题经常只能由老师或者专业人员示范，这样对学生实践能力的培养有很大的影响，虚拟仿真技术的应用，可以模拟这些实践场景，由于它是以真实数据库为数据支撑，所以其操作过程和实践过程相似，学校可以用该技术培训学生对大型精密仪器的使用;对于一些周期比较长的实验，比如长周期热处理时采用虚拟仿真技术无疑可以有效节省时间和费用。当然，学校也可以通过虚拟仿真技术模拟企业设备的操作流程，这样可以部分取代甚至全部取代学生去企业现场实习，能够弥补传统教学模式在实践教学方面的不足。

2.符合当今时代背景下学生的心理特点，极大地提高学生自主学习的兴趣

在信息时代背景下，當代学生接受外来信息的能力越来越强，他们排斥课堂上对理论知识抽象的讲解，对实践教学往往很感兴趣。虚拟仿真技术的引入会使学生拥有身临其境的真实体验感，学生将不用担心因自己操作失误造成实验设备的损坏，敢于放手去做，在反复的实验中没有资源和时间的限制，学生可以大胆地实践自己的想法，而且由于人机互动的特性，虚拟仿真实验还可以自行对学生的实验过程进行评价，这将大大激发学生的自主学习热情，增强学生的创新能力。

3.能弥补因区域经济发展不平衡导致的教育资源分布差距

由于我国区域经济发展不平衡，导致不同区域的教育资源分配差距很大，经济发展比较好的区域会投入大量资金用于教学，学校也会加大对实验室人力、物力、资金的投入，学生有机会享受优质的教学资源;反观经济发展落后的区域，在教育方面的资金投入将会大大减少，学校在实验室教学方面也力不从心，学生能够接触到的是老化、落后的实验设备，许多新的实验设备更新补充不到位，而且常常会出现许多学生面对一台试验设备的尴尬局面，实验设备的缺乏造成的后果最终也只能由学生自己来承担。建立虚拟仿真平台无疑会打开这个局面，学生不用进行真实实验也能了解实验项目的机理和规律，由于虚拟仿真平台的开放性，经济发展落后区域的学生可以登录这个平台选择自己想做的实验，而且虚拟仿真平台能够紧跟当下科学技术的发展趋势，不同区域的学生打破空间界限在同一平台上学习交流，这将有效地打破因区域教育资源差距带来的壁垒。

二、虚拟仿真技术在教学中的应用现状

虚拟仿真技术应用于教学中主要通过建立虚拟仿真实验室，早在20世纪70年代，清华大学自动化系在我国高校中率先建立了虚拟仿真实验室并用于教学实践。21世纪初，国家就开展了国家级实验教学示范中心的建设，2018年教育部公布了首批国家虚拟仿真教学项目105个，而在2020年，教育部将认定1000个虚拟仿真实验教学项目，这些项目将覆盖电子信息类、经济管理类、矿业类、法学类、护理学类、临床医学类、建筑类、地质学类、公安技术类、材料类、化学类、交通运输类、自动化类等许多学科。

国家虚拟仿真实验教学项目是将现代信息技术与实验教学项目深度融合，拓展实验教学内容的广度和深度，延伸实验教学的时间和空间，提升实验教学质量的重要举措，在国家政策的大力支持下，虚拟仿真技术在教学中的应用得到巨大的飞跃。赵烁[1]等提出把虚拟炼钢平台引入冶金教学中，相比较传统的冶金教学，虚拟炼钢平台有着明显的优势，它不仅提高了学生的动手能力，还将课堂理论知识和实践问题结合起来，从而使学生做到理论知识和实践相结合。王浩[2]等将虚拟仿真技术应用于本科生土木工程课堂教学中，并将采用虚拟仿真技术后的学生成绩和采用传统教学的学生成绩进行对比，发现随着实验复杂程度的提高，采用虚拟仿真技术对学生的成绩有明显的提升。王紫薇[3]等提出将传统的“理论+实验演示”教学模式转变成“问题引导+虚拟仿真实验平台实验操作+总结”教学模式，并对使用虚拟仿真软件和未使用虚拟仿真软件的学生进行问卷调查，发现使用虚拟仿真软件的学生认为对自身学习有帮助和对教师教学满意的比例增加，学生的课前准备也有很大的提高。温健[4]等研究虚拟仿真模拟教学平台结合PBL教学在麻醉学教学中的应用，发现学生更加认可虚拟仿真模拟教学，虚拟仿真模拟平台可以再现实际临床场景，能够弥补以前医学上不能综合培养学生的临床操作技能和临床思维能力，为培养优秀的临床医生提供了一个新的方向。

三、虚拟仿真技术用于教学中的具体案例

在传统的船舶轮机系统教学中，由于船舶柴油机的重量和体积都很大，学生在拆装这类设备时危险程度高，而且一般学校实验室只提供少量的小型柴油机，并且只提供一次拆装机会，无法满足学生和教师的需求，而虚拟仿真技术可以突破这方面的限制。

以江苏科技大学柴油机虚拟仿真实验为例，介绍如何利用虚拟仿真技术教学柴油机的相关知识。首先，学生登录江苏科技大学柴油机虚拟仿真实验系统，此系统分为三个模块：第一个模块是“三维认知”模块，即系统360°全方位的展示柴油机结构，学生可以通过鼠标点击来认识每一个部件名称;第二个模块是“虚拟拆装”模块，学生可以通过鼠标点击将零部件拆卸出来，将零件拖动到正确的位置时，模拟系统会自动吸附零件最后完成拼装;第三个模块是“动态仿真”模块，“动态仿真”模块是柴油机虚拟仿真实验的核心部分，学生可以自由设置柴油机的展现形式如透明、实体、半透明方式来更直观地看到内部结构，系统还能展示柴油机运转时的内部零部件如连杆、活塞的运动方式，界面右侧的仪表盘、油门、刹车标志可以匹配柴油机真实运转情况下的运动状态。在学生利用此虚拟仿真系统学习的过程中，每一个环节结束都会有问题，学生需完成问题才能进入下一个环节，学生柴油机虚拟仿真实验的选择、判断成绩由系统自动评卷给出，问答题由老师评判给分，最后由系统汇总所有学生成绩。从校内外学生和老师的使用情况来看，柴油机虚拟仿真实验帮助学生对柴油机从整体到局部都有了直观的认识，避免了实验走过场的现象，极大地提高学生的学习兴趣，培养了学生思考问题、发现问题、解决问题的能力，同时，也降低了学校在柴油机实验方面的资金消耗，对学生的安全也有很大保障。

四、結语

虚拟仿真技术正处于一个快速发展阶段，它在教学中带来的初步优势大家有目共睹。国家在加大对虚拟仿真技术应用于教学建设投入的同时，要本着“一切教学以学生为中心”的原则，教学性才是学校引入虚拟仿真技术的根本，在进行虚拟仿真实验教学的同时也要和实践教学相结合，不要过度追求仿真而本末倒置，应根据实际情况建立虚实结合的教学体系。

参考文献：

[1]赵烁，吕静彩，柴保明，等.虚拟炼钢平台在冶金教学中的应用[J].中国冶金教育，2019（5）：26-27.

[2]王浩，岳建伟.虚拟仿真技术在土工实验教学应用探索[J].智库时代，2019（42）：208，226.

[3]王紫薇，陈国勇，蔡磊，等.医学影像技术虚拟仿真教学实践[J].中国医学教育技术，2020，34（1）：80-84.

[4]温健，肖颖，关正，等.虚拟仿真模拟教学平台结合PBL教学在麻醉学教学中的应用[J].西部素质教育，2019，5（21）：177-178.

◎编辑 郑晓燕