新文科理念下文科虚拟仿真实验教学中心建设路径与探索

王济军 訾 阳

(天津外国语大学国际传媒学院，天津 300204)

新文科是相对于传统文科进行学科重组和文理交叉，即把新技术融入哲学、文学、语言等文科类的课程中，为学生提供综合性的跨学科学习[1]。新文科建设是指哲学社会科学与新一轮科技革命和产业变革交叉融合形成的交叉学科、交叉融合学科及交叉专业新文科的一系列建设事项和建设工作。新文科的建设符合国家发展战略，其融入了信息技术，重塑了思维体系、研究范式，拓展了研究方法和工具。

传统的文科实验教学由于实验形式单调、实验信息科技含量低、缺少沉浸感，造成学生学习兴趣较低、效果较差，因此文科实验教学也应该符合满足“数字土著”一代大学生的学习需求和教学改革趋势。随着科学技术的进步，虚拟仿真在文科实验教学中已备受重视，文科虚拟仿真实验室和文科虚拟仿真实验教学中心的建设也日益受到重视。作为教育信息化建设和实验教学的重要载体，文科虚拟仿真实验教学中心在提升文科实验教学的效果、完善文科实验教学机制、促进学科融合、有效加强新文科建设等方面具有重要的意义。

一、文献综述

1.国外文科虚拟仿真实验教学中心建设情况

自Second Life发布以来，国外科研院校将虚拟仿真技术应用于语言、历史、经管、等学科的实验教学越来越多。如英国开放大学在2006年创设了一种在线三维虚拟世界“第二人生”，可以在其中开展学科教学和研究[2]。全球教室项目在Second Life虚拟环境中开发了一个大型的非传统语言学习环境，在这个虚拟环境中学习者可以使用IM打字聊天和VOIP语音交互，以完成学习任务和参与集体活动等[3]。有研究学者使用Chatbot和Time Machine开发三维虚拟浸入式学习环境。此外还有欧盟的VILLAGE、俄罗斯的三维多用户俄语虚拟世界、罗马尼亚的Mondly VR项目等。国外高校文科领域建设的虚拟仿真实验教学中心主要是基于虚拟现实和仿真技术构建的VL(虚拟实验室)和VSTP(虚拟仿真教学平台)，由若干虚拟仿真实验项目的集合而成。采用的核心技术包括虚拟现实技术、增强现实技术、仿真技术、多媒体技术、人机交互技术以及3D打印技术等，并以此创设沉浸式实验、3D虚拟实验、移动交互式虚拟实验等实验情境。

2.国内文科虚拟仿真实验教学中心建设现状

由于传统的文科实验教学不受重视，文科虚拟仿真实验教学中心的建设和发展与理工科相比相对滞后。有学者调查发现，由于文科类专业本身开设的实验课程较少，对虚拟仿真实验的接触也较少，需求度较低[4]。在国家级虚拟仿真实验教学中心的建设分析中，文科类实验室的建设也呈现出发展不平衡、整体实力较弱的状况[5]。文科虚拟仿真实验教学中心的建设还面临着传统文科实验室建设固有定式的挑战，如共享力度不足、信息化程度低等[6]。

有学者指出文科虚拟仿真实验教学中心要借助信息技术手段，提高信息化含量以及平台的共享力度，依托学校的优势学科进行构建[7]。朱科蓉[8]认为中心的建设要从人才培养的角度出发，精准把握虚拟仿真实验的标准，加强教学资源的开发和共享。但关于文科虚拟仿真实验教学中心建设路径的论述还不够充分，理论探讨和技术实现方案还不完善。本文在论述新文科理念下文科虚拟仿真实验教学中心建设的原则和必要性的基础上，结合天津外国语大学传统文化虚拟仿真实验教学中心的建设经验，阐述了文科虚拟仿真实验教学中心的建设理念、技术路径以及价值意蕴。

二、文科虚拟仿真实验教学中心建设原则及必要性

1.文科虚拟仿真实验教学中心的建设原则

《教育部办公厅关于开展2015年国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知》指出，虚拟仿真实验教学中心建设应充分体现虚实结合、相互补充、能实不虚的原则[9]。在此基础上，文科虚拟仿真实验教学中心的建设还应该体现综合性、融合性、创新性和共享性的原则。

(1)综合性

文科虚拟仿真实验教学中心是虚拟仿真实验教学项目的累积与综合，是综合型的实验教学平台，面向文科类实验教学，辐射全校各学科。中心应对学校现有的课程内容和性质相近的实验资源进行归类整合，在综合使用教学资源的同时注重共享性，提高实验资源的综合利用效率。

(2)融合性

文科虚拟仿真实验教学中心是集虚拟(增强)现实、仿真和数据库等技术与文科实验教学内容相融合构建起来的新型高度仿真的虚拟实验环境，是融会贯通不同的领域，服务于文科实验教学的实验教学平台。

(3)创新性

文科虚拟仿真实验教学中心提供了文科教与学的新渠道，通过虚拟仿真技术实现主体的角色化，让学生全身心投入到实验活动中，自主把握学习进程。实验方式的创新会带给学生思维和知识学习方式的创新，使学生在解决某些问题的过程中将新旧知识相融合，结合新型实验方式尝试新的方法，开展创新实践活动。

(4) 共享性

文科虚拟仿真实验教学中心除了致力于本校的文科教育，还应当面向区域发展甚至实现国家层面的共享，并通过这一共享机制为本地区与国内其他高校、企业或研究机构提供资源和平台，从而形成产学研一体化的结构。

2.文科虚拟仿真实验教学中心建设的必要性

(1)加强新文科建设的有效方法

新文科的目标是跨学科学习，虚拟仿真同样是多学科高度交叉融合的科学技术手段。文科虚拟仿真实验教学中心以计算机技术为核心基础，结合虚拟现实技术、仿真技术等，服务文科教学，为其提供综合性的实验项目，促进学科融合、文理交叉，实现教学资源的共享，有效促进新文科建设。

(2) 落实立德树人任务的重要途径

文科虚拟仿真实验教学中心这一实践育人平台，对传统文科实验教学进行转型升级，为文科教育提供绿色可靠、安全经济的实验项目，加强了对文科教育的多元化支撑。培养具有社会责任感、历史使命感的新时代文科人才，是落实立德树人任务的重要途径。平台利用虚拟现实等技术手段支持学生的自主探究与意义建构，解决实验问题。在实验训练中可添加涉及人文情怀和思想道德观念的要素，实验过程评价客观多元化，实现学生价值观层面的培养。

(3)推动教育教学改革的客观要求

借助虚拟现实技术、仿真技术等手段，将文科教学中的历史场景还原再现，为教育教学情景设计、展示和教学的实施提供全新的平台和手段，为实验教学示范中心的建设注入鲜活力量，推动实验教育教学改革，创新人才培养方式。

(4)实现文科实验教学信息化的必然趋势

人文历史、文学作品、社会现象、经济管理等文科类课程的实验存在成本高昂、时空限制、过程不可逆、现实还原困难等问题，导致这类实验教学项目抽象、学生参与度低、实验效果差。将虚拟仿真实验用于文科实验教学，既能够解决文科实验教学的困难，又能拓展实践领域，提高实验技术含金量，是实现文科实验教学信息化发展的必然趋势。

三、文科虚拟仿真实验教学中心的建设思路与探索

学校传统文化虚拟仿真实验教学中心于2015年获批。下面结合具体案例，简要分析一下本中心建设使用的信息技术和建设思路，以期为文科虚拟仿真实验教学中心的建设提供思路。

1.文科虚拟仿真实验教学中心的技术应用

文科虚拟仿真实验教学中心的建设以各种信息技术为支撑，从整体到局部，将理论与技术相结合，逐步实现各环节的建设。在建设过程中，大体需要数据采集、分析建模、绘制呈现和传感交互四个方面的技术[10]。

数据的获取可借助专业设备如摄像机、核磁器、激光扫描仪等实现；在数据获取后要进行相应的数据分析，利用可视化技术、多媒体技术、三维虚拟技术、仿真技术等进一步对所需对象进行具象绘制与构建模型，集成多学科、多物理量、多尺度进行仿真过程；在学习者与虚拟世界的交互方面，对人机交互技术以及遥现技术有较高要求，达到自然的交互与即时反馈是最理想的目标。虚拟仿真实验教学建设主要应用的信息技术如表1所示，除此之外还会应用到数据转换技术、模型的标定技术、信息的同步技术、识别与合成技术等。

表1 虚拟仿真实验教学主要应用的信息技术

2.文科虚拟仿真实验教学中心的建设思路

(1)情景模拟

认知过程的本质是由情境决定的。以丰富的情境做支撑，知识才能不断地得到应用和发展，基于情境认知理论和建构主义，学习者通过积极参与具体情境中的社会实践进行意义建构，有意义学习才可能真正发生并促进知识向真实生活迁移应用，因此搭建文科虚拟仿真教学的情景框架是一项尤为重要的工作。

情景模拟是在获取实际环境的三维数据基础上，主要利用计算机、多媒体、数据转换、可视化等技术对所要模拟的对象进行数据分析与处理，并根据需要建立相应的虚拟环境模型，以完成对文科教学所需数字化教学情境创设合理的模拟方式。所创设的情景可通过系列应用开发工具(如Virtools、Unity3D、IDEAVER、Quest3D等)实现广泛的三维显示。模拟生成的数字化对象往往是对现实存在或历史上曾经存在的对象的模拟转换与重现，要符合学生的认知规律和现实逻辑，因此“情景模拟”这一建设思路对空间场景创设前的数据采集和分析处理有一定的要求。情景模拟为学习者建构知识提供显著的情景支持，使学生投入到逼真的学习环境中，促进学生进行体验性学习。

(2)历史还原

在某些文科专业的学习中，不可避免地要去追溯当时的社会历史背景。历史事件具有不可逆性，历史还原意味着利用虚拟现实和仿真技术，借助文献进行提取、加工，借助图像、动画等多媒体手段和模型的标定等技术进行的绘制呈现、场景建模、角色创设、事件还原，从而生成虚拟世界中的实体架构，将难以还原的历史事件可视化，实现历史原貌的再现，突破时空界限, 把学习者带入当时的时空环境，“穿越”到历史事件中去。

历史还原的思路着重强调技术的还原性与代入感。实现“还原”和“代入”能够促使学生更深层次地理解某些抽象的文科理论知识，包括其来源、产生及发展过程等。历史还原过程中所呈现出的建筑、人物和史实等立体化信息，为学生提供了生动、逼真的感性学习资源[11]，可以促进学生客观、全面地了解某些历史事件的背景，在某种程度上激发其历史责任感与使命感。

(3)效果仿真

效果仿真这一思路源于沉浸式理论，技术的沉浸式特点有利于提高学习者的参与度和学习成效。实现沉浸体验的前提是虚拟世界中具象模型的属性、物理特性以及具象模型间的交互效果等都是高度仿真的。效果仿真思路的实现主要依托增强现实技术(AR)和混合现实技术(MR)。增强现实注重数字化对象或环境与客观存在对象或环境的叠加和融合，混合现实在增强现实的基础上则更加模糊了虚拟与现实世界的界限，可将不同时空下的场景进行结合，实现异时空场景共存[12]。全方位的感官刺激，充分利用学习者自身身体机能开展各式认知活动,通过生理体验激活心理感觉，增强学生的沉浸体验[13]。

增强现实与混合现实技术以其虚实融合、深度交互和三维空间精准注册等教育领域中的独特优势，将某些抽象的文科知识形象化，活动仿真化。通过耦合连接不同位置学习者的虚拟影像,增强学习者与他人同空间位置的直觉，使其专注其中，全神贯注地投入学习内容，实现沉浸式学习。

(4)人机交互

学习者与机器之间自主交互的过程也是进行知识探索、尝试应用、整合重构的过程。学生通过人机交互实现基于虚拟场景的社会互动，将所学文科知识运用于虚拟文科实验活动中，在促进文科知识意义建构的同时也增强了自身学习的专注度。由于受专业限制，文科学生对基于新兴信息技术的实践操作接触较少，因此，应通过实验操作实现学生与高度信息化环境的充分交互，激发文科学生内心的技术体验感与需求感。

人机交互技术广义上包括交互过程中的系列技术，如传感器技术、识别技术、立体显示技术等。基于某些外围设备实现全方位立体交互，学习者可通过头戴设备(如VR眼镜、头盔显示器等)、手持设备、穿戴设备(如数据手套、数据衣服等)与虚拟环境进行交互。在AR的交互中，头戴设备除了呈现虚拟物象外,还可以通过其看到真实世界的原貌，虚实互补实现3D体验效果，同样MR也有赖于人机交互技术的支持。未来随着传感技术、识别技术等不断发展，学习者在几乎感受不到任何设备压力的情况下采用语音、表情甚至是眼球转动等方式便可与虚拟环境进行自然交互并获得实时精准的反馈，实现手眼协调的人机自然交互，塑造近乎完美的沉浸式体验，达到人机交互最理想的效果。

3.文科虚拟仿真实验教学中心的实践与价值意蕴

(1)传统文化虚拟仿真实验教学中心介绍

根据实践教学的需要，天津外国语大学于2015年获批了“传统文化虚拟仿真实验教学中心”。以“依托专业优势、自办实训基地、创新实验模式、实现产学结合、培养应用人才”为宗旨，以整合资源、服务教学为目标，大力推动虚拟仿真实验教学资源的建设。

(2)虚拟实验项目的实例展示

“诸子百家历史还原”虚拟实验属于中心的一个实验项目，该项目用虚拟仿真技术让学生体验“周游列国”的梦想，生动演绎诸子百家的思想观点。实验流程如图1所示，学生登录虚拟实验系统以后选择自己的角色人物，以角色扮演的方式模拟“为诸侯出谋划策”的场景，体验和实践“诸子百家”的思想观点，用游戏的方式实现与“诸子百家”代表人物的对话，以寓教于乐的形式进行沉浸式学习。

图1 实验流程

传统文化的虚拟仿真实验绝大多都是基于计算机软件共享的虚拟实验，利用鼠标、键盘等输入设备与所创设的虚拟环境进行交互，实现传统文化的虚拟体验。这种基于角色扮演的人机交互可以让学习者扮演不同的角色，学习方式灵活、体验多样。诸子百家虚拟教学实验界面如图2所示。

图2 “诸子百家”虚拟教学实验

(3)文科虚拟仿真实验教学中心的价值意蕴

将虚拟仿真实验教学用于文科实验教学是一种新的尝试。文科虚拟仿真实验教学通过创设虚拟空间引发文科学生的哲学思考，进而唤起他们对人生的反思，以实现提升人才培养质量的目的。基于虚拟场景的互相转换，实现历史穿越，通过在虚拟实验中操作交互，实现自我角色化，并在虚拟呈现出的多个角色中变换视角，将不同时空下的场景进行结合，实现异时空场景共存，以高代入感体会人物角色的价值所在，帮助学生体验沉浸的学习场景。如最近流行的“元宇宙”，利用全方位的感官刺激，促使学习者充分利用自身身体机能开展认知活动，达到较高程度的沉浸体验，以生理体验激活心理感觉，从而顿悟自我视角的狭窄和学科的局限性，为学生打开视野、走向视域融合、实现知识的融合提供条件，进而通过各学科知识的交叉融合理解和解决现实问题。

新文科建设背景下，建设文科虚拟仿真实验教学中心具有重要意义，能有效落实立德树人根本任务，推动教育教学改革，实现文科实验教学信息化。虚拟仿真实验教学中心的建设还需结合科技技术发展，不断实践、探索和创新，形成更加优质的实验体验和教学效果。