虚拟仿真技术应用于混合式教学研究

王凯丽 胡垂立

广州工商学院 广东广州 510000

一、概述

教育信息化的发展促进信息技术与教育更加深度的融合，传统混合式教学模式是基于移动通信设备、网络学习环境与课堂讨论相结合的教学情境[1]。混合式学习不是简单地将信息技术融合在一起，而是通过融合设计让学生实现个性化的、自主的探究性学习。线上学习是对线下学习的提升和补足，线下学习是对线上学习的巩固和完善。然而传统混合式教学在实践实验教学能力方面存在着薄弱点。而随着虚拟仿真技术的成熟，虚拟仿真技术与教育领域的融合也逐渐兴起，与混合式教学一样，虚拟仿真教学主要是提升传统面授教学的教学效果，通过技术的融合实现身临其境的深度学习，提升学生的学习体验，由于虚拟仿真技术能够创建实践情景，因此在实践教学方面具有突出的优势。

布鲁姆将教学目标分为认知、情感和动作技能三大领域。传统课堂教学主要停留在对于知识的简单记忆和浅层次学习阶段，对于更高维度的综合应用、个性化学习和实践性操作来说，没有引起足够的重视。将虚拟仿真技术引入混合式教学中，通过线上在线学习平台+线下课堂+虚拟仿真实验室三大学习平台共同教学，能够实现学生个性化学习、深度学习，支持学生在学习过程中进行知识迁移、操作实践和身临其境的沉浸式、混合式的学习。

本研究通过将虚拟仿真技术引入混合式教学中，创建线上线下实践教学平台，实现理论课程和实践课程的衔接贯通，并通过虚拟仿真教学的学习情景设计，更好地引导学生进行线上线下的探究性自主学习，支持学生在学习过程中进行知识迁移、操作实践和身临其境的沉浸式、创新性学习。

二、虚拟仿真技术应用于混合式教学模式意义

目前，我国的虚拟仿真技术发展迅速，在教学领域的应用也风生水起。在国家虚拟仿真实验共享平台“实验空间”上的虚拟仿真实验项目已经达2000余项[2]。除线上虚拟仿真平台外，各大高校也都在积极建设线下的虚拟仿真实验室，进行教学方式的创新和改革。将虚拟仿真技术应用于实验和教学中，本质依然是信息技术在教育中的应用，促进教育现代化和信息化的变革，提升教育质量，辅助学生进行探究性学习和沉浸式学习。

(一)丰富教学方式

传统混合式教学模式主要是将线上网络学习环境的优势与线下现实环境的优势相结合，组织线上线下教学活动，整合线上线下学习资源，实现学生个性化学习和探究性学习。但是传统混合式教学的教学资源主要以视频和文本学习为主，存在的问题是对于学生的实验实训能力的锻炼依然不足。虚拟仿真实验平台可以作为一种教学资源，加入混合式教学过程中，在丰富混合教学的教学资源的同时，也丰富了混合式教学的教学方式。让学生无论是线上还是线下，都能进行基于虚拟现实资源的实践实验学习，让学生能够进行除了基于视频和讲义学习外的其他学习方式。通过虚拟仿真实验平台创建的逼真的实验场景，能够在实现动态高效的交互的同时，提高学生的参与感和沉浸感，让学生在虚拟情境中进行问题解决、实践训练和实验操作等。丰富了混合式教学模式的课堂教学方式，激发学生学习积极性、互动合作、操作实践能力，加深对知识的理解，促进学生进行创造性学习。

(二)促使学生角色转变为知识创造者

近些年来，高等教育的新动态向创新、创造转变，因此各高校都在积极引导缺乏实践实验环节的课程，将实践教学作为考核指标的一部分，并创造条件引导学生进行设计和创新。线上线下的虚拟仿真实验平台可以在线上线下构建更加适合于学生自主探究、合作学习的创新学习环境和实验环境，扩大混合式教学模式的优势，让学生在学习过程中由知识的接受者向知识的创新者转变，为学生对知识进行重建和创造创建条件。

(三)线上线下课堂、实验、实训的混合式教学

混合式教学打破了学生学习时空的限制，使学生在线下学习的同时，也可以随时随地进行线上泛在学习，实现线上线下双课堂教学。而基于虚拟仿真实验平台的混合式学习，则打破了普通教室、实验室和实训室的空间限制，进一步增强了混合式教学的教学效果。

在混合式学习过程中，学生在进行线上预习时，可以通过视频的方式观看理论讲解和实验操作演示，但是只通过观看视频讲解和演示，无法让学生进行体会实际操作过程中可能遇到的问题，虚拟仿真技术构建的线上线下实验平台，可以让学生在安全仿真的实验情境中，通过自主设定实验条件进行重复学习。同时通过在虚拟仿真环境中与实验对象的互动、立体直观的观察和操作，让学生更直观地理解和掌握知识与内容。将虚拟仿真实验平台应用于混合式教学中，加强了线上与线下学习的纽带，使线上和线下学习中的缺点互相补足，学习效果互相加强。

(四)多向的互动

传统课堂教学中，多数是教师提问、学生回答的单项互动，常常会出现师生间沟通不及时、不良好的互动现象。混合式教学通过线上线下的教学，一方面增加了课堂上师生互动的机会和时间，另一方面增加了学生与互联网互动的方向，使课堂互动不再局限于师生之间，学生和学生、学生和互联网上的人与知识都可以充分地互动。将虚拟仿真试验系统引入混合式学习中，除了具备传统混合式教学的优势，学生还可以同虚拟环境中的虚拟对象进行交互，通过视觉、听觉、触觉等多个感官与环境的交互，让学生获得全面的沉浸式体验。

三、虚拟仿真技术应用于混合式教学的实践策略

混合式教学系统是一个复杂的教学系统，能够影响教学成果的子系统有教学内容、教学设计、课堂组织、教学资源、师生交互、教师、学生、教学环境等，只有不断地完善混合式教学系统的功能，才能不断地提升混合式教学系统的教学效果，因此将虚拟仿真技术应用于混合式教学中，由于混合式教学系统的复杂性，如果想要充分发挥它的优势，也需要关注一些其他方面的因素。

(一)虚拟学习情景设计

虚拟教学主要通过创设实践实验情景来实现，教师要充分地调动学生学习的积极性，提升教学质量，需要进行虚拟教学策略设计。

1.探究性教学设计

虚拟现实技术支持下，要考虑为学生创建一个具有更好的体验的探究性情景，让学生围绕一个具有探究性的主题进行探究学习，通过设计悬念、分支等充分挖掘学生的好奇心和探究欲。通过设计探究性挑战和问题，提升学生的学习兴趣和动力。

2.VR情景设计

虚拟现实技术支持下的学习是在故事情境或实验情境中进行，实验情景设计要结合真实实验情景，将实验过程中可能面临的问题完全展示出来，故事情景设计要符合人的客观认知规律，故事情节要承载知识，将知识还原到真实情景中供学生探索认知。

3.激励机制设计

基于虚拟现实的教学设计要不断地提供激励手段让学生更加沉浸于虚拟空间，建立学生的学习信心，认可自己的学习能力，通过不断激励激发学生继续探究学习的需求和继续提升能力的欲望，在进行虚拟情景设计时要考虑在学生取得一定的成绩时适当地给予学生激励。

4.交互过程设计

基于虚拟现实的混合式教学设计中要考虑人与人之间、环境与人之间的协同交互关系，设计能够对学生学习情况进行即时反馈的机制，让学生通过与虚拟环境和虚拟人物的交互过程中进行自主探究性学习。

(二)混合式教学与虚拟仿真技术的深度融合

将虚拟仿真技术应用于混合式教学过程中，其完整的教学过程依然可以分为课前、课中、课后三个部分，如图1所示，学生在课前基于虚拟现实技术进行课前预习，通过传统的视频和讲义了解实验原理和注意事项等，还可以通过线上虚拟仿真平台了解实验相关的操作过程，并提交在线预习报告，可以在预习报告中提出自己在实验过程中出现的问题、实验步骤等。在课中，通过线下课堂充分吸收理论知识和重难点知识，并根据预习报告进行线下学习和实验，对于有危险的或难实现的实验依然可以在线下虚拟实验室进行。课后学生对课前预习内容和课中学习内容进行总结和巩固，并对实验结果和过程进行讨论和分析，也可以在线下虚拟课堂进行实验回顾和巩固。

基于虚拟仿真技术的混合式教学，尤其是实验教学，能够充分地支持学生进行自主探究性学习，发挥教师作为指导者的角色。在整个教学过程中，视频教学与虚拟仿真教学相结合，线上虚拟仿真实验与线下实验相结合，形成线上与线下深度融合的混合式教学。

图1 基于虚拟仿真技术的混合式教学

(三)虚拟仿真技术应用于混合式教学的优势

1.学习动机提升学习效率

技术的目的不是仅仅让学生在技术中学习，而是通过技术来进行思考和创新。将现代技术应用于教育领域，不论从内部动机还是外部动机都可以激发学生的学习积极性。从内部动机来看，混合式学习和基于虚拟现实的混合式学习，相较于传统课堂，都能够让学生在心理层面更加倾向于愉悦和愿意尝试的；从外部动机来看，则能够使学生更加感知到受到的激励和互动。因此，虚拟仿真技术和混合式学习在教育领域的应用、在提高学习动机方面效果显著。

2.虚拟情景设计提升学习体验

学生在虚拟环境中探索时的临场感和沉浸感，是提升学习体验的重要因素。建构主义认为，学习总是与一定的社会文化背景即“情境”相联系的。[3]学生的学习过程是在实际情景，通过认知情景去同化新知识，或者通过改造认知结构去顺应新知识。因此，学习过程应该与情景实践结合起来，将更有助于学生获得更加积极的学习结果，在虚拟环境中的学习也更加注重教师的引导作用，让学生能够更加专注于自主探究性的学习过程。一方面，相对于传统学习，混合式学习可以分别基于线上线下进行教学设计，教学任务情景设计更加丰富；另一方面，基于虚拟现实技术的混合式学习能够构建更加真实的实验实训场景，让学生在更加真实的情景交互中进行探究和实践。

3.形成新型混合式实验课堂

传统实验教学实验过程主要发生在线下实验室中，然而这种实验教学方式已经无法满足现代学生的学习需求和教学需求，将虚拟仿真技术应用于混合式教学中，可以进行线上线下一体化的实验教学，满足学生探究性实验学习的需求，既能让学生在线上独立地进行实验操作和学习，又能在线下通过教师的指导进行线下实验，能够很好地实现混合式教学和传统线下实验教学无法实现的教学目标，从而促进线上线下实验教学能够更加深入地进行。

基于虚拟现实技术的混合式教学，不仅能发挥混合式教学的优势，还能弥补线上线下教学实践锻炼不够充分的缺点。对教师而言，在混合式教学的基础上，教师通过教学设计能够更加充分地调动学生学习的动机，充分发挥作为教学引导者的作用，灵活采用线上线下以及虚拟现实教学方式。对于学生而言，有更多的学习和实践方式、更好的学习情景体验，能根据自己的情况进行个性化和探究性学习，无论是教师还是学生都能获得更好的学习体验。

结语

新工科背景下重视学生创新能力和实践能力，这对创新性教学和实践教学提出了很高的要求，混合式教学和虚拟仿真教学是当前提升教学质量新兴手段，混合式教学可以提供丰富的线上线下学习资源，保证学生无论线上线下都能进行自主探究学习，虚拟仿真技术为学生提供了线上线下实践情景，保证了学生线上线下都能进行实践探究和实验操作，两者的结合能够为学生提供全方位的理论学习和实践操作平台，实现优势互补，提高学生的创新能力和实践应用能力。