高校虚拟仿真教学环境构建逻辑探讨

 文字1  背景

在教育部有关政策引导下，虚拟仿真教学快速发展，总体上可划分为三个阶段。

第一阶段是虚拟仿真实验教学中心建设阶段（2013—2016年）。在此阶段，按照《关于开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知》要求，教育部批准了300个国家级虚拟仿真实验教学中心，面向全国高校开启了虚拟仿真实验教学中心的建设工作。

第二阶段是虚拟仿真教学资源建设阶段（2017—2019年）。在此阶段，按照《关于2017—2020年开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设的通知》《关于开展国家虚拟仿真实验教学项目建设工作的通知》《关于一流本科课程建设的实施意见》要求，教育部组织国家虚拟仿真实验教学项目评选，学校开展虚拟仿真实验教学项目的设计和开发，这里的项目就是虚拟仿真教学资源。

第三阶段是虚拟仿真教学平台化发展阶段（2020年至今）。在此阶段，随着各学校积极投入虚拟仿真教学资源建设，优质资源数量快速增加，引导学校有效利用已有的虚拟仿真教学资源和为学校提供安全、便捷的资源共享途径是这一阶段的重要任务。

随着教育数字化战略不断深化，平台化建设成为虚拟仿真教学的重要特征。推进“虚拟仿真实验教学2.0”建设、强化“实验空间平台”应用等被明确列入《教育部高等教育司2022年工作要点》[1]。国家虚拟仿真实验教学课程共享平台（https://www.ilab-x.com/）日益完善，截至2022年12月，平台已经汇集了3000多门虚拟仿真实验课程。《国家虚拟仿真实验教学课程技术接口规范（2022版）》出台，为各学校实现自主开发的虚拟仿真实验与平台顺畅对接提供了技术指导。

近两年来，虚拟仿真教学环境构建趋势初现端倪。2021年7月，教育部等六部门印发《关于推进教育新型基础设施建设构建高质量教育支撑体系的指导意见》，提出要完善智慧教学设施，部署学科专用教室、教学实验室，依托感知交互、仿真实验等装备，打造生动直观形象的新课堂[2]。2022年11月，工业和信息化部、教育部等五部门联合印发《虚拟现实与行业应用融合发展行动计划（2022—2026年）》，提出加速虚拟现实在教育培训等多行业、多场景的应用落地，要在高等院校、职业学校等建设一批虚拟现实课堂、教研室、实验室与虚拟仿真实训基地[3]。此外，虚拟仿真实验教学创新联盟设立了专项课题，对虚拟仿真实验室建设及装备化标准开展研究。

目前虚拟仿真教学正沿着“体系化、标准化、装备化”的路径不断推进，从重点关注资源建设，向加强平台建设、促进共享应用以及支持物理空间与虚拟空间相融合的虚拟仿真教学环境建设转变。在这一发展过程中，建设的难度逐渐增加、系统性逐渐增强，这对从事虚拟仿真教学的教师、工程技术人员等也提出了更高要求。现阶段，虚拟仿真教学环境的设计和建设还处于初步探索期，没有既定的方案，导致许多学校在设计和建设虚拟仿真教学环境时无章可循，单纯追求易见成效的硬件终端建设，忽视了教学应用。因此，有必要对虚拟仿真教学环境的组成和构建逻辑等基本问题进行分析，为学校开展建设提供参考依据。

2  虚拟仿真教学环境建设要求

从物理要素来说，虚拟仿真教学环境由虚拟仿真教学资源、虚拟仿真教学装备、虚拟仿真教学环境基础条件、虚拟仿真教学管理平台四部分组成。其中，虚拟仿真教学资源是核心；虚拟仿真教学装备是载体；虚拟仿真教学环境基础条件是保障；虚拟仿真教学管理平台是桥梁，是实现资源、装备、基础条件乃至人员等各种教学要素有效联结和管理的手段。四部分相互关联，缺一不可[4]。

2.1 虚拟仿真教学资源

虚拟仿真教学资源是以数字化形式建立在虚拟世界的物理、化学、生物和社会模型[5]。虚拟仿真教学资源面向不同学科专业，为用户提供各种数字化的仿真环境，包括仿真场景、仿真对象、仿真现象等。当用户与虚拟世界交互时，虚拟仿真教学资源根据科学模型和程序逻辑作出响应。综合考虑教学目标、知识类型、教学方法等，可以将虚拟仿真教学资源划分为沉浸体验类、认知强化类、技能训练类和自主设计类。

1）沉浸体验类。

沉浸体验类虚拟仿真教学资源的主要作用是为学习者提供可体验的、感官沉浸的虚拟学习环境，学习者在场景内漫游，全方位地观察、体验，具备视觉、听觉、触觉等多感官的感知，能够以“亲身参与”的形式经历某种事件或某项活动，进而在心理、身体上获得具身感受。该类资源适用于需要学生亲身体验，但现实生活中却难以协调时间、地点或难以还原的活动场景，如历史场景和自然环境等。利用虚拟仿真技术渲染气氛、塑造情境、配合角色演绎与音效，可以营造出震撼的视听场面，使学生在特定氛围下，产生情感共鸣、移情、想象等行为[6]。一般来说，沉浸体验类资源的自由度较低，属于自由观摩层级，学生能变换角度和远近观看虚拟环境和对象，但是不能对虚拟对象进行实质性操作。

2）认知强化类。

认知强化类虚拟仿真教学资源，以支持学习者个体成功执行认知加工为目的，对学习过程进行分解和可视化，帮助学习者顺利完成从感知到记忆再到理解的过程，由表及里、循序渐进地完成知识学习。认知强化类资源的主要特点是直观具体、易观察，一般允许学生在虚拟环境中自由导航，可从不同的角度或任意缩放尺寸观察，从而对事物特征、结构或过程产生更深入的理解。一般来说，认知强化类资源的自由度也较低，大部分属于自由观摩层级。部分资源允许学生进行简单的预设操作，根据认知需要呈现或者隐去相关信息，以便引导学生逐步加深对事物的认识。

3）技能训练类。

技能训练类虚拟仿真教学资源允许学习者在虚拟环境中进行重复性的技能训练，并获得行为结果的反馈，从而为所学技能迁移到真实操作任务中提供支持。根据训练技能的不同，技能训练类资源又可进一步划分为流程训练类、决断训练类和动作训练类等子类型。以流程训练类为例，该类资源可针对某一个或多个核心技能，设置若干个任务、模块（单元），按照技能点层层展开，注重学生工作过程与操作步骤的规范性，支持学生反复训练，以达到技能养成的目的[7]。与前述两种资源类型相比，技能训练类资源的自由度和交互性相对更高，一般应达到规定操作层级。

4）自主设计类。

自主设计类虚拟仿真教学资源强调对学生设计能力、探究能力、创新能力的培养，学生通过自由搭建和不断尝试，深入学习和探究有关实验方法，掌握科学原理。在这类资源中，学生的操作过程不再是固定的，大部分操作步骤是灵活的或多路径的，学生可改变科学模型的参数，并获得正确推演结果。还有部分更为高阶的自主设计类资源允许学生根据一定的学习目标，最大限度地按照自己的想法设计方案，并进行验证和优化。如学生可利用虚拟器材库中的器材自由搭建任意合理的实验，系统能根据学生的设计推演出结果，支持学生完整经历从设计、实现到反馈、修正的思维闭环[8]。在各类资源中，自主设计类资源的自由度最高，也最难实现。一般来说，自主设计类资源需要有可靠的数学模型作为基础，并在模型基础上通过匹配、公式计算、迭代优化等多种运算方式进行推演，这是“仿真”过程的核心所在[9]。

自由度的高低虽然能够在一定程度上反映虚拟仿真教学资源可被操作、改变的灵活程度和结果的多样性，但是并不与资源质量的优劣有直接对应关系。不同类型的虚拟仿真教学资源是与不同的教学目标相匹配的。如在高校虚拟仿真教学设计中，马克思主义理论学习课程比较适合以沉浸体验类资源为主；飞机维修等则多以技能训练类资源为主；力学、光学、电磁学等特性仿真多以自主设计类资源为主。

2.2 虚拟仿真教学装备

为虚拟仿真教学提供支持的终端和云端设备统称为虚拟仿真教学装备。

2.2.1 虚拟仿真教学终端设备

虚拟仿真教学终端设备包括：大屏型，如多通道投影大屏幕立体显示系统、LED大屏幕立体显示系统、CAVE系统；桌面型，如个人计算机、桌面立体交互系统；头戴型，如头戴式VR、AR、MR交互系统，以及其他专用型设备、移动型设备等[10]。各类终端设备具有不同的特点，适用于不同的教学场景，匹配不同类型的虚拟仿真教学资源。

1）大屏型。

具备立体显示功能的大屏型设备有较高的分辨率、超宽的视角和较高的屏幕刷新率，可实现无缝拼接。因此，大屏型设备可以显示更多的画面细节，保证图像完美性和颜色一致性，给用户带来非凡的视觉冲击，有利于学生在有限的教室空间内观看到更广的画面，确保全体学生都能够看到教学内容。大屏型设备主要适用于集体教学，能满足以班级为单位的一对多教学，还可以用于教学、科研成果展示等场景。大屏型设备一般可匹配沉浸体验类和部分认知强化类资源。

2）桌面型。

个人计算机是使用最广泛的虚拟仿真教学终端设备，传统的虚拟仿真教学环境大多是以学校计算机房为基础建设或改造的。个人计算机作为虚拟仿真教学终端时，要配置高性能独立显卡，确保虚拟仿真教学资源能流畅、清晰运行。个人计算机使用便捷、成本较低，但是沉浸感较差。目前，学校所开发的各类虚拟仿真教学资源均应满足在个人计算机终端运行的要求。

桌面立体交互系统的优势在于操作难度低，学习者在计算机屏幕前就可以观察虚拟世界，同时借助立体眼镜还能够营造出较强的沉浸感。该类设备的交互方式灵活、多样，用户既能够用鼠标、键盘交互，还能够使用具有空间定位功能的触控笔进行交互。触控笔不仅可以识别精细动作，还可与用户视觉精准匹配。与大屏型和头戴型设备相比，桌面立体交互系统占地面积较小。该类设备既能够支持一人一台设备的单人自主观看和操作，也能满足小组教学等教学场景。桌面立体交互系统适应性较强，可匹配认知强化类、技能训练类和自主设计类等多种资源类型，尤其是需要展示精细结构，训练精细操作的教学资源。

3）头戴型。

在头戴型设备中，头戴式VR交互系统最为常见。该类设备具有高度的沉浸感，可创造与真实世界完全隔离的虚拟环境，在数米范围内为使用者提供更加真实、生动的交互体验，使用者不受外界干扰，在虚拟环境中可实现手动操作、身体移动、奔跑和对象选择等多种交互操作。同时还可以根据实际需求，模拟出画笔、机械工具、化学仪器等各种虚拟交互设备。光学捕捉镜头可实现对VR头盔和手柄毫米级的精准定位，精准识别使用者的姿态，因此使用者可以用各种头部、手部动作去完成操作。在教学中，头戴型设备主要适用于以下教学场景：①集体教学。在此模式中，使用者利用一套头戴型设备进行沉浸式体验，其他学习者通过教室里的显示屏、投影幕布、移动端观看，虚拟世界、使用者和观看者三者形成了一个信息交互回路。②多人协同互动教学。多名使用者在虚拟场景中彼此可见，可以看到对方的详细信息、位置、操作内容等，多人可以对同一物体进行协同操作，相互配合完成教学活动。

      头戴型设备一般可匹配沉浸体验类、认知强化类、技能训练类和自主设计类资源。从外观上，头戴式AR系统、MR系统与VR系统的区别是前两者使用具有透明显示功能的眼镜，可以实现虚拟物体和真实世界的叠加显示，学习者在观看实物的同时可以方便地获取叠加的虚拟图像和辅助信息，从而更好地完成认知、操作过程[11]。

大屏型设备适用于大尺度场景的展示，对沉浸感有一定要求的专业，如建筑、景观、大型运输工具等；个人计算机适用于对沉浸感要求不高，但对设计性、构想性要求较高的虚拟仿真教学，如电子、电气、信息、计算机、经济、财会等专业；桌面立体交互系统适用于对虚拟对象展示精度有较高要求的中微观实验或要求一定沉浸感的小组实验，如机械、医学、生物等；头戴式VR交互系统适用于对沉浸感有较高要求，需要走动操作、人可进入的大结构实验对象，如心理学科的恐高训练、思政教育、消防安全和野外作业训练等。结合虚拟仿真教学终端设备的发展趋势，表1列出了目前高校常用虚拟仿真教学终端设备的最低配置和推荐配置要求。

2.2.2 虚拟仿真教学云端设备

虚拟仿真教学云端设备主要有云渲染引擎、人工智能引擎等。随着技术的发展，虚拟仿真教学云端设备越来越重要，可以为虚拟仿真教学资源的存储、运行、计算提供云端服务。将更多复杂功能“云化”，可以有效满足更大的虚拟场景、更低的交互时延、更简单的终端设备等要求。其中，云渲染技术能很好地解决虚拟仿真资源加载和运行对硬件终端性能要求高的问题，具有四个“无需”的特点：无需下载安装应用程序；无需下载浏览器插件；无需下载仿真数据；无需预载、即点即用，而且还支持将虚拟仿真教学资源传递至各种泛终端（PC、手机、Pad、VR头盔、AR眼镜、智慧白板等），用户可随时随地使用任意终端进行访问[12]。

2.3 虚拟仿真教学环境基础条件

虚拟仿真教学环境基础条件是环境中应当具备的、为教学提供支持的各种软硬件总和，包括网络、服务器和存储等条件，以及电力、安全设施、信息安全、环保等要求。目前，虚拟仿真实验教学创新联盟技术委员会编制的《虚拟仿真实验教学课程建设与共享应用规范（2020年版）》已经对服务器、并发数等提出了基本要求，学校在建设时可以参考[16]。

基础条件还包括对虚拟仿真教学环境中的各种设施设备进行空间布局，为学习者提供安全、科学和人性化的空间设计，以支持班级教学、小组学习、单人操作等各类教学形态。大屏型环境可以在相对小的空间容纳更多的学生，布局可以参考普通教室、电视教室或阶梯教室等，综合考虑所选设备的可视角度、显示分辨率、亮度、色彩饱和度、有效视距范围等指标，合理排布座位，以便为学生提供更加舒适的观看体验，确保学生的观看效果。桌面型环境可以参考普通计算机教室的设计要求，对于采用岛式、双排等其他布局的桌面型环境设计可以参考对应类型实验桌的布局要求。头戴型环境应特别注意安全距离的设置，单人头戴式VR交互系统宜设置2m×1.5m的单人安全活动区域；多个单人头戴式VR交互系统组成的多人分组教学中，宜设置至少每人2m×2m的独立安全活动区，且互不交叉。

2.4 虚拟仿真教学管理平台

虚拟仿真教学管理平台应具备管理与服务门户、公共基础数据管理、虚拟仿真教学资源管理、虚拟仿真教学装备管理、虚拟仿真教学基础条件管理、教学与教务管理、数据统计与可视化等功能模块。通过虚拟仿真教学管理平台，教师能够进行虚拟仿真教学过程的设计和实施；管理人员能够对虚拟仿真教学资源的建设情况、学生在线学习情况进行监管、查询和统计；学习者可完成虚拟仿真课程的学习过程[13]。

虚拟仿真教学管理平台应与学校教务系统、人事系统等信息化平台对接，实现学校基础数据互联互通，避免信息偏差或信息孤岛的产生。虚拟仿真教学管理平台应支持校、院两级共建共管，实现“教、管、学、考、评”一体化，为开展虚拟仿真教学提供保障[14]。为了确保虚拟仿真教学管理平台的稳定、高效运转，还需利用云渲染、云检测等云端技术和设备提供相关支持服务。借助人工智能、大数据技术、学习分析技术等，虚拟仿真教学管理平台还可以提供实时智能答疑和互动，对学习数据进行分析，评定学习者的学习情况和学习难点，帮助教师提供更加精准的教学指导。

在进行平台建设时，要特别关注数据接口，也就是各厂商的软硬件数据接口、应用端和服务器之间的数据传输协议[15]。数据接口应符合国家和行业已颁布的标准或规范，使不同厂家开发的虚拟仿真教学资源、终端设备和服务器之间能进行流畅的数据交换。虚拟仿真教学管理与服务接口规范需遵循国家标准《信息技术学习、教育和培训虚拟实验教学指导接口规范》（GB/T 37712—2019），与国家平台对接的高校还要满足《国家虚拟仿真实验教学课程技术接口规范（2022版）》有关要求。

3  虚拟仿真教学环境组成逻辑

虚拟仿真教学环境属于信息化教学环境，符合信息化教学环境的一般规律。同时，相较于传统的信息化教学环境，虚拟仿真教学环境又有其自身的特征。

首先，虚拟仿真教学环境具备更强的沉浸感和交互性，能为学习者提供实现“想象与创造”的广阔空间，这是由虚拟仿真技术本身的特点所决定的[17]。其次，设计和构建虚拟仿真教学环境更应强调不同的教学对象、教学内容、教学目的和教学过程之间的差异性。面向不同专业的传统信息化教学环境，除内容不同外，其他要素基本没有大的差别。但是，面向不同专业和采取不同教学方式的虚拟仿真教学资源对沉浸感、交互性和构想性的要求，终端设备选型、空间布局和网络条件等均有很大的差异。最后，虚拟仿真教学环境的设计与实现需要各种技术和硬件终端、软件平台的综合运用，这要比一般的信息化教学环境更为复杂，因此建设虚拟仿真教学环境的成本也较高。上述特征决定了虚拟仿真教学环境构建需要由技术研发人员和教师密切合作、充分沟通、协作完成。

虚拟仿真教学环境构建是对各组成部分进行协同设计的过程：首先，应以满足教学需求为导向，根据教学目标，明确虚拟仿真教学资源类型和具体内容；其次，匹配虚拟仿真教学装备，完善相应的环境基础条件；然后，建设虚拟仿真教学管理平台，实现对上述组成部分的有效管理；最后，确保各组成部分彼此协调匹配，共同支持师生开展虚拟仿真教学活动，达成教学目标。

虚拟仿真教学环境在设计规划之初就要明确教学对象、教学目标和教学方式，以满足教学需求为根本遵循。按照教学需求合理规划虚拟仿真教学资源，包括对虚拟仿真教学资源的体系化设计、选题设计、呈现形式设计等，应符合整体资源体系化、具体选题现代化和学习方式自主化的要求[18]。在资源规划和设计过程中，充分考虑虚拟仿真教学资源和虚拟仿真教学装备的匹配度。因为虚拟仿真教学资源的类型、呈现形式、使用范围直接决定了虚拟仿真教学装备的选型，这些差别会鲜明地体现在环境的空间布局上，最后呈现出截然不同的环境效果。此外，虚拟仿真教学装备选择还要体现一定的先进性，为资源的更新和技术升级保留空间，当然还要综合考虑场地、设备造价等现实条件。在虚拟仿真教学环境选址时，就要对基础条件进行评估，全面掌握电力、网络、服务器等的性能。如果基础条件有不足之处，难以满足虚拟仿真教学装备的运行，应提前加以完善改进，以确保虚拟仿真教学平稳、有序开展。对于虚拟仿真教学资源已经具备一定规模且计划持续推进虚拟仿真教学的学校来说，还要同步组织虚拟仿真教学管理平台建设。平台要合理预留数据接口，既要满足当前学校资源集成和教学管理的需要，还要为长期可能发生的跨区域共享和服务，以及国家、省市、校（院）际之间的多层级平台对接提供便利。

4  结语

本文针对虚拟仿真教学发展新阶段面临的环境建设问题，提出了虚拟仿真教学环境的基本组成，并对虚拟仿真教学资源、虚拟仿真教学装备、虚拟仿真教学环境基础条件和虚拟仿真教学管理平台进行了详细分析，提出了虚拟仿真教学资源的分类方式，阐述了各类虚拟仿真教学装备的内涵、特点和适用场景等重要内容。学校在进行环境建设时，应树立系统的“环境观”，明确资源、装备、基础条件和平台是环境基本要素，四部分相互关联，缺一不可，紧紧围绕教学目标，统筹考虑并加以实现。

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文章来源：实验技术与管理期刊 | 张敏 文福安 等