侯國(guó)棟,李 媛
(武漢華夏理工學(xué)院,湖北 武漢430223)
在第三次教育改革中,教學(xué)形式逐漸走向多元化和個(gè)性化教學(xué),虛擬教學(xué)、分散式教學(xué)、網(wǎng)絡(luò)教學(xué)都將成為教學(xué)的一部分[1]。“虛擬仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)的課程有可能是一種新的教育生產(chǎn)力”[2],建設(shè)跨學(xué)科的虛擬實(shí)驗(yàn)共享平臺(tái)對(duì)于適應(yīng)當(dāng)今高等教育改革的潮流,推動(dòng)應(yīng)用技術(shù)型大學(xué)快速發(fā)展具有重要的意義。設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)虛擬實(shí)驗(yàn)共享平臺(tái)要貫徹虛實(shí)結(jié)合、能實(shí)不虛的總原則,以學(xué)生為本,堅(jiān)持需求導(dǎo)向和問(wèn)題導(dǎo)向,從多個(gè)維度把握設(shè)計(jì)的基本方向,客觀地看待其優(yōu)勢(shì)和不足,有針對(duì)性地建設(shè),高質(zhì)量地建設(shè)虛擬仿真教學(xué)資源。
近年來(lái),數(shù)字化和智能化的學(xué)習(xí)、工作、生活方式正在給人們帶來(lái)巨大的便利,傳統(tǒng)的諸多模式發(fā)生了動(dòng)搖甚至變革。在教育領(lǐng)域,教學(xué)改革和教學(xué)創(chuàng)新是當(dāng)前高校本科教育發(fā)展的重要方向,智能化、自主化的混合式學(xué)習(xí)成為教育改革的一個(gè)目標(biāo),新技術(shù)的不斷發(fā)展,引發(fā)了教學(xué)形態(tài)的變化。因此,深入研究學(xué)生的學(xué)習(xí)模式和學(xué)習(xí)需求具有一定意義。
從教學(xué)過(guò)程及效果分析,教學(xué)中存在一些問(wèn)題,集中表現(xiàn)為學(xué)生對(duì)課堂內(nèi)容、教學(xué)形式的需求與傳統(tǒng)教學(xué)的“供給”不匹配,即“供需不平衡”。所以,在進(jìn)行“供給側(cè)”改革的過(guò)程中,首先需要對(duì)學(xué)生的教學(xué)需求進(jìn)行分析,“三F”需求是較為突出的3個(gè)需求。
學(xué)生的學(xué)習(xí)專注度(Focusing)。其表現(xiàn)為知識(shí)點(diǎn)不能完全滿足學(xué)生的需求。不同的時(shí)代背景對(duì)于知識(shí)的需求程度是不一樣的。在“智能+教育”的大背景下,學(xué)生獲取知識(shí)的渠道更加廣泛,在網(wǎng)絡(luò)中能找到非常理想的教學(xué)資源,其多元化的教學(xué)模式和適時(shí)更新的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)傳統(tǒng)教學(xué)課堂。傳統(tǒng)的教學(xué)模式對(duì)學(xué)生的吸引力在降低,如何提高學(xué)生的課堂專注度成為亟待解決的問(wèn)題。
對(duì)教學(xué)情況的反饋度(Feedback)。教學(xué)中的反饋體現(xiàn)在課堂的即時(shí)互動(dòng)和課后的教學(xué)反饋,其中課堂互動(dòng)是在教學(xué)環(huán)節(jié)中師生隨時(shí)進(jìn)行信息反饋,教師能及時(shí)關(guān)注到學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的掌握程度,也能提高學(xué)生對(duì)課程的參與度和專注度。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要是實(shí)物演示和操作,數(shù)字化和智能化程度較低,不能將實(shí)驗(yàn)效果及時(shí)向?qū)W生反饋,不能將學(xué)生的學(xué)習(xí)需求及時(shí)向教師反饋,教師、學(xué)生、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目三者信息不對(duì)稱,影響了教學(xué)效果。
自由度(Freedom)。自由度不足,傳統(tǒng)教學(xué)中教學(xué)模式、教學(xué)內(nèi)容相對(duì)固定,缺乏自由探索的空間,課堂韌性不足。
長(zhǎng)期以來(lái),沉浸感(Ⅰmmersion)、交互性(Ⅰnteractivity)、構(gòu)想性(Ⅰmagination)構(gòu)成的“三Ⅰ”特性[3],既是虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的特征也是其優(yōu)勢(shì),更是其建設(shè)的方向。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)有效滿足了學(xué)生的“三F”學(xué)習(xí)需求。
在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中引入虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù),將給教學(xué)工作帶來(lái)多方面的變化。沉浸感(Ⅰmmersion)有助于提高學(xué)生的專注度(Focusing);交互性(Ⅰnteraction)有助于解決學(xué)生的反饋度(Feedback);構(gòu)想性(Ⅰmagination)有助于開(kāi)闊學(xué)生的思維,提高自由度(Freedom),即用“三Ⅰ”的特征解決“三F”的需求,如圖1所示。
圖1 “三Ⅰ”特性和“三F”需求
虛仿實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建設(shè)需要多元融合,教育理念、知識(shí)儲(chǔ)備、軟硬件設(shè)備、運(yùn)行機(jī)制等都是重要的影響因素,決定著項(xiàng)目的建設(shè)水平。當(dāng)前虛仿實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目還存在一些不足之處需要解決。
理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)如何有效銜接是長(zhǎng)期存在的問(wèn)題,在虛仿實(shí)驗(yàn)中,這個(gè)問(wèn)題仍然有一定的普遍性。通過(guò)虛仿的方式在實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)融合理論知識(shí)是虛仿實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目改進(jìn)的一個(gè)方向,需要在實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的宏觀設(shè)計(jì)、腳本設(shè)計(jì)、虛擬技術(shù)應(yīng)用以及美工設(shè)計(jì)等多方面進(jìn)行努力改進(jìn)。
一方面,常見(jiàn)的虛仿項(xiàng)目以購(gòu)買商用軟件為主,這類軟件往往綜合了較多高校的實(shí)際教學(xué)需求,具有較好的實(shí)用性,但是并不能完全滿足個(gè)體高校的需求,尤其是在學(xué)校層次存在較大差異的情況下,脫節(jié)程度往往較高,參與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的師生基本不能或者較少參與軟件的開(kāi)發(fā),項(xiàng)目的改進(jìn)意見(jiàn)和方案很難得到應(yīng)用;另一方面,由于商用軟件的兼容性等軟硬件問(wèn)題和對(duì)編程語(yǔ)言等技術(shù)的掌握情況,導(dǎo)致師生很難二次參與項(xiàng)目的改進(jìn)。
一方面,項(xiàng)目建設(shè)以完成教學(xué)大綱規(guī)定項(xiàng)目為主,實(shí)驗(yàn)內(nèi)容固化不能緊跟社會(huì)發(fā)展;另一方面,很多虛仿實(shí)驗(yàn)室以演示性、驗(yàn)證性項(xiàng)目為主,缺少綜合性、設(shè)計(jì)性項(xiàng)目,學(xué)生探索空間較小,不能有效地進(jìn)行自主學(xué)習(xí)。
在虛仿項(xiàng)目建設(shè)早期,建設(shè)經(jīng)驗(yàn)不足,側(cè)重于開(kāi)展少量實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目或者課程內(nèi)實(shí)驗(yàn)等較小范圍的嘗試,缺乏從專業(yè)、學(xué)科及跨學(xué)科等角度進(jìn)行宏觀設(shè)計(jì)。這就造成已建成的虛仿項(xiàng)目孤立存在,沒(méi)有形成相互銜接的項(xiàng)目群。這就需要在后續(xù)建設(shè)中,開(kāi)展頂層設(shè)計(jì),將擬建項(xiàng)目與原有虛仿項(xiàng)目有機(jī)結(jié)合,并預(yù)留未來(lái)發(fā)展空間,把不同的教學(xué)環(huán)節(jié)串聯(lián),形成新的教學(xué)模式。
在2020年新冠肺炎疫情防控期間,截至2020-04-03全國(guó)高校學(xué)生在線學(xué)習(xí)人次達(dá)到11.79億。線上教學(xué)在一定程度上緩解了教育的壓力,但是也清晰地感受到其中的不足之處和需要改進(jìn)的地方。大量的實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程無(wú)法順利展開(kāi),很多虛擬仿真實(shí)驗(yàn)不符合遠(yuǎn)程教學(xué)的條件,教師只能遠(yuǎn)程示范甚至?xí)簳r(shí)取消實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)。此外,傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中的多人協(xié)同實(shí)驗(yàn)在虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中不能完整展開(kāi)。
綜上分析,根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)需求、結(jié)合當(dāng)前虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)的局限性,本文提出建設(shè)虛擬實(shí)驗(yàn)共享平臺(tái)的設(shè)計(jì)原則。
虛仿實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目是理論教學(xué)的延續(xù)和傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革,是課程建設(shè)和專業(yè)建設(shè)的重要組成部分,所以必須從全局的角度進(jìn)行宏觀設(shè)計(jì),融合理論、實(shí)驗(yàn)、多媒體、網(wǎng)絡(luò)通訊等元素,使其成為教學(xué)的有機(jī)組成部分。
虛擬項(xiàng)目要與傳統(tǒng)線下實(shí)驗(yàn)教學(xué)相融合,能起到互補(bǔ)、完善的作用。在項(xiàng)目設(shè)計(jì)中用虛擬實(shí)驗(yàn)把理論教學(xué)、線下實(shí)驗(yàn)等教學(xué)環(huán)節(jié)有效銜接起來(lái),綜合訓(xùn)練學(xué)生多方面的認(rèn)知、判斷、動(dòng)手、協(xié)同等能力,建立自主學(xué)習(xí)、個(gè)性化學(xué)習(xí)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。
要與理論教學(xué)相融合,能延伸、拓展和補(bǔ)充理論教學(xué)的知識(shí)點(diǎn),對(duì)理論知識(shí)進(jìn)行驗(yàn)證并升華,進(jìn)一步探索和創(chuàng)新,最終突破知識(shí)閾值。建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論說(shuō)明了知識(shí)更多來(lái)源于學(xué)習(xí)者主動(dòng)探索和獲取,這一點(diǎn)正是虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的優(yōu)點(diǎn)。
標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)是指在一定時(shí)期內(nèi),面向通用產(chǎn)品,采用共性條件,制定統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和模式,開(kāi)展適用范圍較廣泛的設(shè)計(jì)。在虛擬場(chǎng)景設(shè)計(jì)方面,采用數(shù)學(xué)生成和實(shí)景相結(jié)合的綜合建模方式[4],從正向和逆向2個(gè)方向進(jìn)行建模,有效提高設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量,為項(xiàng)目的可持續(xù)開(kāi)發(fā)奠定基礎(chǔ),師生可以按照通用標(biāo)準(zhǔn)對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化,滿足不同層次的需求。
虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)既要立足當(dāng)前需求也要保證未來(lái)項(xiàng)目順利拓展,因此在虛擬現(xiàn)實(shí)引擎選擇、三維模型標(biāo)準(zhǔn)化制作和渲染等方面需要進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì),在項(xiàng)目策劃前期對(duì)模型線數(shù)、面數(shù)、貼圖、紋理等標(biāo)準(zhǔn),以及系統(tǒng)單位、文件格式、音頻、視頻、教學(xué)文件、命名規(guī)則等內(nèi)容制定統(tǒng)一的設(shè)計(jì)規(guī)范,有效縮短項(xiàng)目開(kāi)發(fā)周期。
傳統(tǒng)教學(xué)模式下,理論學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)是分離的二元學(xué)習(xí)狀態(tài),物理空間割裂了知識(shí)之間的聯(lián)系,影響了教學(xué)效果。在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)中,要針對(duì)性地提出解決方案,開(kāi)展一體化教學(xué)。在虛仿實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中設(shè)計(jì)教學(xué)考練等自主學(xué)習(xí)環(huán)節(jié),開(kāi)發(fā)語(yǔ)音廣播、PPT導(dǎo)入、音視頻導(dǎo)入、自由標(biāo)注、常規(guī)題考試等功能,學(xué)生可以在虛擬環(huán)境下同時(shí)開(kāi)展教學(xué)、學(xué)習(xí)、考核、練習(xí)等任務(wù),真正實(shí)現(xiàn)“做中學(xué),學(xué)中做,學(xué)做貫通”。利用信息化技術(shù)打破理論課堂與實(shí)踐課堂傳統(tǒng)壁壘,以學(xué)生為中心,重構(gòu)課堂,探索虛實(shí)結(jié)合的混合式教學(xué)模式。
格式塔學(xué)派的認(rèn)知主義學(xué)習(xí)論強(qiáng)調(diào)了學(xué)生的主體作用,認(rèn)為內(nèi)在動(dòng)機(jī)是強(qiáng)化學(xué)習(xí)活動(dòng)的重要?jiǎng)恿σ蛩豙5]。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)建立以學(xué)生為中心的學(xué)習(xí)方式,既有傳統(tǒng)教學(xué)的親切感,也有“智能+教育”的新鮮感,激發(fā)了學(xué)生的主體意識(shí)和主動(dòng)學(xué)習(xí)行為。
虛仿實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目要凸顯學(xué)生的主體地位,將學(xué)生的需求貫穿于虛仿項(xiàng)目規(guī)劃、設(shè)計(jì)、實(shí)施等整個(gè)流程,盡力提供能滿足教學(xué)需求的實(shí)驗(yàn)方案,以問(wèn)題方式展開(kāi)教學(xué),培養(yǎng)學(xué)生提出問(wèn)題、解決問(wèn)題的探究精神,提高思維能力和創(chuàng)新能力,激發(fā)學(xué)生開(kāi)展自主學(xué)習(xí)。
通過(guò)研究虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)和不足,深入分析目前虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)和發(fā)展過(guò)程中存在的問(wèn)題,提出新的設(shè)計(jì)策略。
腳本設(shè)計(jì)是虛仿實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)的首要環(huán)節(jié)。腳本設(shè)計(jì)要從宏觀規(guī)劃和整體設(shè)計(jì)著手,抓住影響學(xué)生能力訓(xùn)練的核心環(huán)節(jié),把知識(shí)點(diǎn)設(shè)計(jì)與專業(yè)能力提升相對(duì)應(yīng),把能力訓(xùn)練細(xì)化為項(xiàng)目任務(wù)點(diǎn),在轉(zhuǎn)化的過(guò)程中探索融合的方法。因此,虛仿實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)需要脫離傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)思想的束縛,對(duì)原有知識(shí)體系適時(shí)進(jìn)行梳理、調(diào)整、更新。
知識(shí)結(jié)構(gòu)重塑表現(xiàn)為虛仿項(xiàng)目的知識(shí)性、實(shí)踐性。知識(shí)性體現(xiàn)在虛仿實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目不僅能完成實(shí)驗(yàn)教學(xué),還可以連接理論教學(xué)、線下實(shí)驗(yàn)、教研科研,串聯(lián)不同的教學(xué)環(huán)節(jié),并且能整合其他相關(guān)課程,實(shí)現(xiàn)多元融合的課程體系。實(shí)踐性體現(xiàn)在虛仿項(xiàng)目不僅是對(duì)專業(yè)知識(shí)地驗(yàn)證和既定實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目地完成,還能設(shè)計(jì)新的教學(xué)環(huán)節(jié),學(xué)生根據(jù)已有知識(shí)能夠進(jìn)行新的嘗試和探索,達(dá)到創(chuàng)新能力培養(yǎng)的效果。
隨著虛仿項(xiàng)目的知識(shí)結(jié)構(gòu)重塑,教學(xué)內(nèi)容大幅增加,對(duì)虛擬教學(xué)體系提出了新的要求,知識(shí)性和實(shí)踐性設(shè)計(jì)要求能開(kāi)展立體化教學(xué),在三維場(chǎng)景中完成教學(xué)、學(xué)習(xí)、考核、練習(xí)等任務(wù)。在立體教學(xué)中,單純的人機(jī)交互已經(jīng)不能完全滿足教學(xué)需求,師生互動(dòng)、生生互動(dòng)等人際溝通的交互同樣需要在項(xiàng)目中得到體現(xiàn)。
設(shè)計(jì)深度交互方式,需要應(yīng)用新的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù),在虛仿實(shí)驗(yàn)中適時(shí)進(jìn)行畫(huà)面?zhèn)鬏敽驼Z(yǔ)音交流,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程、異地、多人協(xié)同互動(dòng)[6]。隨著5G通信技術(shù)的發(fā)展,傳輸速率提高、網(wǎng)絡(luò)延時(shí)縮短,為深度交互提供了技術(shù)支持。
虛仿實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)和使用之間存在信息不對(duì)稱的問(wèn)題,商業(yè)化的軟件有時(shí)不能完全滿足個(gè)性化教學(xué)需求。師生在使用過(guò)程中,由于版權(quán)、程序語(yǔ)言等限制無(wú)法對(duì)這些軟件進(jìn)行修改,降低了實(shí)驗(yàn)效果。因此需要設(shè)計(jì)能夠進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)的虛仿實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。
專業(yè)課教師要參與實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì),成為虛仿實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的主體。隨著技術(shù)進(jìn)步,一些軟件提供了零編程的交互編輯器,采用可視化圖形拖拽的方式設(shè)計(jì)交互邏輯,完全取代了傳統(tǒng)代碼編程,用戶只需要稍加熟悉就可以開(kāi)展設(shè)計(jì);此外還有一些軟件推出了基于Python腳本的二次開(kāi)發(fā)功能,用戶可以進(jìn)行更高級(jí)的深度開(kāi)發(fā)。專業(yè)課教師積極參與虛仿實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目開(kāi)發(fā),采用門檻較低的虛仿設(shè)計(jì)引擎,設(shè)計(jì)針對(duì)師生的具備二次開(kāi)發(fā)功能的開(kāi)源項(xiàng)目,將有效提高虛仿實(shí)驗(yàn)的針對(duì)性和普適性。
虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目將緩解線下實(shí)驗(yàn)的滯后性問(wèn)題,通過(guò)仿真方式把專業(yè)學(xué)科的新技術(shù)引入虛仿實(shí)驗(yàn)中,在傳統(tǒng)的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)中注入新元素,使其更具時(shí)代特征。
引進(jìn)學(xué)科新技術(shù)展開(kāi)設(shè)計(jì)是創(chuàng)新訓(xùn)練的一個(gè)內(nèi)容。通過(guò)虛擬仿真,在老設(shè)備中引入新的技術(shù),把真實(shí)條件下暫時(shí)不可能實(shí)現(xiàn)的構(gòu)想做出來(lái),營(yíng)造自由探索的空間,培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和自主學(xué)習(xí)能力。虛仿實(shí)驗(yàn)應(yīng)用新的信息技術(shù),在實(shí)驗(yàn)流程管理、實(shí)驗(yàn)效果評(píng)價(jià)等領(lǐng)域具有數(shù)據(jù)優(yōu)勢(shì)和智能優(yōu)勢(shì),能推動(dòng)項(xiàng)目?jī)?nèi)容持續(xù)改進(jìn)。
積木化設(shè)計(jì)是指虛仿實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中的功能模塊可以積木化重組。知識(shí)結(jié)構(gòu)重塑和各類虛仿項(xiàng)目不斷建設(shè),虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育中的應(yīng)用更加廣闊,虛擬項(xiàng)目之間的聯(lián)系也更加密切,項(xiàng)目分拆、兼并都將成為可能。因此,在虛仿實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目開(kāi)發(fā)中必須制定建設(shè)標(biāo)準(zhǔn),增加兼容性和通用性。
按照標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)的各功能模塊都將成為整個(gè)教學(xué)體系的有機(jī)組成部分。根據(jù)教學(xué)需要隨時(shí)調(diào)用各個(gè)模塊,按照開(kāi)發(fā)策略和框架,以搭積木的形式迅速開(kāi)發(fā)新的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目,大幅提高了項(xiàng)目開(kāi)發(fā)效率。
本文基于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建設(shè)面臨的問(wèn)題展開(kāi)分析,提出針對(duì)性的設(shè)計(jì)原則和設(shè)計(jì)策略,以期為虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)提出新的建設(shè)思路。隨著國(guó)家一流本科課程建設(shè)的實(shí)施,虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)走上了快車道,引發(fā)了教育理念革新、教學(xué)結(jié)構(gòu)重塑、教學(xué)主體轉(zhuǎn)化和培養(yǎng)體系分層構(gòu)建等新的變革。在“智能+教育”的背景下,虛仿實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目提供了信息化思維方式,正在開(kāi)創(chuàng)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)中應(yīng)用的新局面。