虚拟仿真教学案例范文

由于职业教育是面向职业、岗位活动的一种就业能力教育，突出特征是从事技术、技能、技艺、技巧等实践性教育教学，按照目前学者对VR/AR技术呈现的普遍描述，完全可以确定这项技术在职业教育教学中应用的广泛性、有效性与迫切性。在职业教育教学中，由于大量的教学内容属于实践性内容，而许多实践性教学内容，受环境、场地、设施设备、安全、污染、资金、不可控、不可再现等因素影响，难以实现有效教学，因此，虚拟仿真虚拟现实增强现实，即目前各界热议的VR/AR技术，在职业教育教学中的应用需求应该说是刚性需求。那么，为什么一个时期以来，职业教育教学在VR/AR技术的应用上缺少创新与深入研究，为什么从事一线教学的广大职业院校教师很难结合自己的教学内容进行VR/AR需求性设计，为什么由VR/AR专业制作公司提供的教学产品往往不适用，究其原因多种多样，但笔者认为，处于前置位置的一个重要原因，就是VR/AR技术的专业描述与职业教育教学需求性描述存在差异，导致职业院校广大教师很难将自己的教学内容与之准确对应，无法对号入座，更无法简捷思考如何根据教学内容运用VR/AR技术特征进行有效的教学设计、教学需求设计及教学应用设计，因此，本文试图依据VR/AR技术的基本定义，结合VR/AR技术在职业教育教学中的应用需求进行分析，将理论与应用连接起来。

VR为VirtualReality的英文缩写，即虚拟现实的意思，多数人认为它是以仿真的方式给用户创造一个实时反映实体对象变化与相互作用的三维虚拟世界，并通过头盔显示器、数据手套等辅助传感设备，为用户提供一个观测与该虚拟世界交互的三维界面，使用户可直接参与并探索仿真对象在所处环境中的作用与变化，产生沉浸感的交互系统。VR的支撑技术，普遍认为是计算机技术、计算机图形学、计算机视觉、视觉生理学、视觉心理学、仿真技术、微电子技术、多媒体技术、信息技术、立体显示技术、传感与测量技术、软件工程、语音识别与合成技术、人机接口技术、网络技术及人工智能技术等多种高新技术。

AR为AugmentedReality的英文缩写，即增强现实的意思，多数人认为，它是通过电脑技术，将虚拟的信息应用到真实世界，使真实的环境和虚拟的物体实时地叠加到了同一个画面或空间交互系统。也有人提出了MR概念，即MixReality的英文缩写，即混合现实的意思，一般认为，是指包括增强现实和增强虚拟，合并现实和虚拟世界而产生的新的可视化环境，在新的可视化环境里物理和数字对象共存，并实时互动交互系统。还有人提出了HR概念，即HologramReality的英文缩写，即全息现实的意思，一般认为，是指利用光学技术，实现完整的、可以从360度球形空间观察的虚拟影像，通常是依托可以多方向观察的多面体设备和多个不同角度的投影来实现，图像可以多人多角度观看，因此，也有人把它叫做面向全体的AR/全息技术。

总之，随着科学技术的发展，许许多多有关计算机虚拟仿真虚拟现实增强现实的创新名词扑面而来，由于专业、技术、应用视角不同，对虚拟仿真虚拟现实增强现实等概念在应用上的理解与解释就有所不同，这对研究具体应用这些技术的实践者们，特别是职业院校广大一线教师，提出了挑战。为了深入研究VR/AR技术在职业教育教学中的应用，必须站在职业教育视角，以融合职业教育教学应用需求，尊重职业教育教学基本特征与规律，并结合大量成功应用案例，重新分类描述、分析、思考VR/AR技术在职业教育教学中的应用方向，当然最好实现对号入座，这对VR/AR技术在职业教育教学中的应用推广、破解职业教育教学实践性教学中的瓶颈难题，具有十分重要的意义。

二、单纯利用计算机屏幕画面虚拟仿真技术

单纯利用计算机屏幕画面虚拟仿真技术，简称屏幕仿真技术，是目前职业教育教学中应用最广泛的一种虚拟仿真技术，由此技术所创作的虚拟仿真课件、软件数量众多，这些课件、软件在职业教育教学实践中发挥了重要作用。这里需要强调，仿真教学课件与仿真教学软件有着根本性区别，鉴于目前职业教育教学中应用仿真课件比例较大，因此本文着重针对虚拟仿真课件进行分析讨论。

(一)技术性特征

屏幕仿真技术可以划归到AR技术范畴，它不需要其它外接设备的支持，仅仅在一台普通PC(或平板电脑、手机)上，利用鼠标、键盘就可以实施操作了。支持这种操作的核心技术，是实现在屏幕上实施虚拟仿真操作的专用工具软件。随着计算机软件技术的发展，屏幕仿真技术所应用的核心工具软件越来越专业化、普及化。一般认为屏幕仿真技术技术性特征有以下5个方面：(1)工具软件研发技术成熟，已经逐步形成专业化、系列化、标准化，如虚拟实景(境)技术等;(2)制作工具软件的种类、系列繁多，基本形成了依据行业、职业、专业、岗位的不同需求定向研究开发制作软件的局面;(3)由于定向开发制作工具软件的方便性，使该类课件的制作成本逐渐减低，制作周期逐渐缩短;(4)在应用需求的拉动下，单纯利用计算机屏幕画面实现的虚拟仿真的教学课件，基本实现了网络版、单机版共存，PC机、平板电脑、手机共用，支持人工更新、自动更新共有的应用水平;(5)虚拟虚景(境)技术得到广泛应用。在虚拟环境下虚拟虚景(境)，使所有设计参数与现实参数关联，虚景相互之间的数据关系与现实比例一致，因此，广泛用于产品(项目)设计领域，是屏幕仿真技术的另一个拓展技术性特征。

(二)应用性特征

通过对大量屏幕仿真技术作品分析可以确定，此类作品在职业院校教育教学中，主要有以下4个应用性特征：(1)对环境、场景、目标物等，进行漫游式虚拟仿真实训;(2)对设施、设备、仪器、仪表、工具等过程性操作，进行交互式虚拟仿真实训;(3)将虚拟操作结果转接至实物实体操作，实现虚实融合式实习实训;(4)实施虚拟虚景(境)设计实训。

(三)类别性特征

根据职业教育教学特征，我们可以将屏幕仿真技术类别性特征归纳成以下5种：

1.单纯漫游式屏幕仿真教学课件

这种课件是利用计算机屏幕来呈现立体、逼真的漫游环境、场景、或目标物画面，操作者通过对鼠标、键盘的规范操作，实现对计算机屏幕画面的操作与控制，并以第一人称视觉进入画面实施漫游。单纯漫游式屏幕仿真教学课件的主要教学功能是：学习者通过对环境、场景、或目标物的漫游，了解、熟悉、记忆画中环境、观测对象、目标物特征，并通过画中环境、场景、观测对象或目标物上的媒体提示，获得具有与实地、亲临、接触相同的现场学习效果。这种课件的典型案例如虚拟导游实训、虚拟现场参观实训、虚拟目标物观测观察实训等。

2.漫游互动式屏幕仿真教学课件

这种课件与单纯漫游式屏幕仿真教学课件的重要区别是，学习者在操作漫游画面时，可以根据教学需要，激活漫游场景中的某一处画面，并与被激活的画面实施互动交流。典型案例如在操作虚拟图书馆参观实训课件时，当操作者想打开一本书观看时，只要用鼠标选择点击这本书，并将其激活，就可以一页一页翻开这本书观看了。在职业教育教学中，特别是在实践性教学中，这种课件照比单纯漫游式屏幕仿真教学课件，更具有教学性。

3.植入某种属性漫游互动式屏幕仿真教学课件根据教学需要，在漫游互动式屏幕仿真教学课件某一个教学点中加入数学、物理、化学、自然、专业以及某种思维、逻辑属性的一种屏幕仿真课件。这种仿真课件的最大特征是将被仿真物体(或被仿真事件)的真实属性平移到仿真物体(事件)中，使操作者具有与实际操作相同的操作感觉与操作效果。典型案例如利用屏幕仿真课件在机械加工车间厂房漫游时，当操作者激活车间厂房中的吊车，并欲操纵吊车吊住物件移动，此时，如果在物件上加入重力、运动惯性力学算法，当运用鼠标、键盘操纵屏幕仿真画面，吊起该物件并进行移动时，该物件在屏幕画面中的运动力学特征就与真实物件移动时的运动力学特征完全一致。这种植入某种属性漫游互动式屏幕仿真教学课件在职业教育教学中具有重要的应用价值，从某种意义上说，加入真实操作端，它将会完全取代真实的实训操作训练。因此，这种课件比漫游互动式屏幕仿真教学课件更具有教学性和应用价值。

4.具有考试考核功能的屏幕仿真教学课件在上述3种屏幕仿真课件中，根据教学需要，加入考试考核功能，即成为具有考试考核功能的屏幕仿真教学课件。这种课件一般设计有检测学习者学习效果功能，是比较成熟、比较完整的屏幕仿真课件。典型案例如利用记录操作者的漫游路线(轨迹)，判断操作者是否记住行走路线;利用操作者互动操作的正确性、规范性，判断操作者的学习效果;利用操作者在有属性课件中操作的准确性，判断操作者是否熟练掌握该项技能等。当然最简单的设计是在屏幕仿真课件中加入专门设计的考试考核窗口。我们通常将具有考试考核功能的屏幕仿真教学课件叫做助学性(或自学性)课件。

5.可以链接多种教学媒体的屏幕仿真教学课件在上述4种屏幕仿真课件中，运用某种技术，在虚拟仿真系统中加入对其它教学媒体的链接功能，即成为可以链接多种教学媒体的屏幕仿真教学课件。有时候我们把这种课件叫做富媒体屏幕仿真课件，这种课件的教学功能比较强大，可视性也很好，而且可以承载更多的教学内容。这种富媒体屏幕仿真课件在职业教育教学中具有十分广泛的应用前景，特别是在实践性教学中的应用价值很高。典型案例如在数字博物馆漫游课件的某一个具体画面中，链接一段视频，当漫游操作者用鼠标点击视频窗口时，该视频窗口开始播放所链接的视频文件，形成画中画效果。可以链接多种教学媒体的屏幕仿真教学课件是职业教育教学中十分实用的一种虚拟仿真教学课件，它不但可以实现与其它屏幕仿真课件相同的教学功效，同时可以拓展成屏幕仿真课堂屏幕仿真教学屏幕仿真实习屏幕仿真实验屏幕仿真实训屏幕仿真工作包屏幕仿真项目包等教学软件。

6.可以实现多人联合或顺序操作的屏幕仿真教学课件

在上述5种屏幕仿真课件中，运用某种技术，在虚拟仿真系统中，加入多终端操作设计，即几个操作者分别以不同角色共同实时操作一个屏幕仿真课件，我们把这种课件叫做可以实现多人联合或顺序操作的屏幕仿真教学课件。这种课件特别适合职业教育实训教学、实习教学、项目教学或生产性教学中的联合作业、流水线作业、程序化作业及协作式操作训练等教学内容。典型案例如在物流实训屏幕仿真课件中，设计了接送货物员、汽车运输司机、装卸工、库房管理员、物流调度几个角色，操作者分别以不同身份、角色进入屏幕仿真课件，并按照所设计的规范、流程实施操作。这种课件不仅再现了工作职场真实的群体作业过程，而且训练了学生们联合协作、团结互助的团队精神。

三、加入可穿戴传感器计算机屏幕虚拟仿真技术

在单纯利用计算机屏幕画面实现虚拟仿真技术基础上，加入可穿戴传感器，形成加入可穿戴传感器计算机屏幕画面虚拟仿真技术，简称加入可穿戴传感器屏幕仿真技术。一些学者认为，可穿戴传感器不应该独立出来，应该与操纵杆、方向盘、开关、脚踏板等传感器合为一体进行讨论，这种思维对直接研究VR/AR技术来讲是可行的，但对进行职业教育教学应用性研究来讲就可能引起混淆，因此必须分开讨论。加入可穿戴传感器屏幕仿真技术又有人把它叫做可进入虚拟画面操作式虚拟仿真技术，这项技术可以划归到VR技术范畴，所加入的可穿戴传感器如数据手套、脚垫、定位头套等，可以按照操作者的需求，设计进入画面，并对画面中的虚拟仿真物体实施操作。

(一)技术性特征

加入可穿戴传感器屏幕仿真技术与屏幕仿真技术的区别在于，前者加入了可穿戴传感器而后者没有。随着虚拟仿真技术在各类工程领域中的不断应用，推动了可穿戴传感技术的快速发展，无论在扑捉运动的精准性、对运动的识别性、穿戴运动的舒适性等方面都有了大幅提升，可以说，从硬件技术方面对加入可穿戴传感器屏幕仿真技术的发展提供了有力支持。分析加入可穿戴传感器屏幕仿真技术的技术性特征，一般认为有以下3个：1.随着数据手套等可穿戴传感器精度的不断提升，越来越多关联操纵、操作、驾驶、调控等岗位作业活动的虚拟仿真课件，会首选此种技术;2.在需求的拉动下，数据手套等可穿戴传感器的生产成本会越来越低，成为职业院校虚拟仿真实训教学中常用的装备之一;3.随着可穿戴传感技术的发展，操作者完全可以对屏幕仿真画面中的设施、设备、装备、仪器、仪表等实行全面操控。__

(二)应用性特征

加入可穿戴传感器屏幕仿真技术与屏幕仿真技术最大应有性区别是，前者甩开了利用计算机鼠标、键盘操作、控制屏幕仿真画面操作模式，取而代之的是利用操作者真实的肢体动作操作、控制屏幕画面，增强了操作、控制屏幕画面的真实感。

(三)类别性特征

对比屏幕仿真技术加入可穿戴传感器屏幕仿真技术类别性特征重点是，在操作者身体上穿戴上接有传感器的物品，利用操作者的模拟操作动作，实现对虚拟仿真画面中的设备、装备、仪器、仪表等实施全面操控或深度交互。典型案例如利用数据手套抓取、安装、拆卸、调整、操纵屏幕仿真画面中的物体，利用传感脚垫进入屏幕仿真环境、场景之中，利用传感帽定位多人进入屏幕仿真画面等。也有人将加入可穿戴传感器屏幕仿真技术称之为沉浸式虚拟仿真技术。按照职业教育实践性教学一般规律，运用数据手套实现操作屏幕画面技术具有较大的应用空间。例如利用数据手套，并在屏幕仿真画面中的目标物体上加入某种属性，据此所创作的屏幕仿真实训教学课件，在职业教育实践性教学中会发挥重要作用。

四、加入专用传感器屏幕仿真技术

加入专用传感器屏幕仿真技术，我们通常又把它叫做有实物介入式屏幕仿真技术，这项技术可以划归到VR技术范畴。加入专用传感器屏幕仿真技术与加入可穿戴传感器屏幕仿真技术的重要区别是：一个加入了可穿戴传感器，一个加入了专用传感器。

(一)技术性特征

加入专用传感器屏幕仿真技术与加入可穿戴传感器屏幕仿真技术的技术性特征基本相同，不作详述。

(二)应用性特征

加入专用传感器屏幕仿真技术应用性特征，可以归纳以下3各方面：(1)引入实际操作对象，操作者通过对实际操作对象的操纵，实现对屏幕画面内仿真物体的操作;(2)实际操作对象可以是真实实物，也可以是模拟实物，当采用模拟实物时，其动作、力度、姿态、速度等要尽可能靠近真实实物操作;(3)在引入实际操作时，同时引入模拟操作环境，以增加操作的真实感。

(三)类别性特征

为简化分析，以专用传感器为题目进行类别性特征分析。

1.单一部件实物支持下的加入专用传感器屏幕仿真系统

所谓单一部件实物是指方向盘、操纵杆、按钮等等。由单一部件实物组成的加入专用传感器屏幕仿真技术系统比较简单，且往往可以适用于运动性质相同的单一部件屏幕仿真课件，起到以一当十的效果，因此，普遍受到应用者欢迎。

2.组合部件实物支持下的加入专用传感器屏幕仿真系统

所谓组合部件实物是指由2个或2个以上单一部件实物，根据真实操作系统的设计要求规范布局形成的一组部件实物，当这组部件实物与真实操作实物数量一致，且一一对应时，这组组合部件实物可称为全部件实物。由组合部件实物支持的加入专用传感器屏幕仿真系统系统相对复杂一些，但因感觉逼真、效果凸显，常常被用于关键能力、核心能力实际操作训练前的虚拟仿真导训中。例如，将汽车的方向盘、脚油门、脚刹车、换挡器部件实物作为专用传感器，形成加入专用传感器屏幕仿真系统即属于全部件实物系统。应该注意，单一部件实物组合部件实物全部件实物均是提取了某种核心操作部件实物，即便是全部件实物，仍然没有将其全部有关操作实物提取出来。当需要全部提取时，必须进行仿真操作必要性、系统设计复杂性论证后方可实施。

3.系统部件实物支持下的加入专用传感器屏幕仿真系统

系统部件实物与组合部件实物全部件实物的最大区别是，前者强调的是加入部件的系统性，后二者强调的是加入部件的作用性、功能性，这在职业教育实训教学中是经常发生的现象。

4.无模拟现实环境支持的加入专用传感器屏幕仿真系统

所谓无模拟现实环境支持，既是不强调或不可能强调现实环境对加入专用传感器屏幕仿真系统的教学效果影响。

5.有模拟现实环境支持的加入专用传感器屏幕仿真系统

所谓有模拟现实环境支持，既是强调现实环境对加入专用传感器屏幕仿真系统的教学效果影响。

五、加入专用传感器并阻断操作者视力虚拟现实技术

(一)技术性特征

加入专用传感器并阻断操作者视力虚拟现实技术与加入专用传感器屏幕仿真技术比较，其技术性特征有以下3个：

1.专用传感器区别

加入专用传感器屏幕仿真技术中所提到的专用传感器其实物载体最小为部件，而加入专用传感器并阻断操作者视力虚拟现实技术中所提到的专用传感器的实物载体一般最大是部件，多数专用传感器的实物载体是小型工具、游戏玩具。

2.阻断操作者视力区别

加入专用传感器屏幕仿真技术是通过计算机屏幕、投影屏幕开放式获得虚拟仿真画面，而加入专用传感器并阻断操作者视力虚拟现实技术却是通过阻断操作者视力，使操作者的视觉完全置于虚拟场景之中。

3.操作者与虚拟仿真场景融入性区别

加入专用传感器屏幕仿真技术，操作者与虚拟仿真场景实现的是控制性融入模式，此时，屏幕仿真场景中的人物、动物及其他内容物的设计，倾向于被操作、被激活状态;而加入专用传感器并阻断操作者视力虚拟现实技术，更注重场景中的人物、动物及其他内容物与操作者展开自然互动状态，操作者以第一人称身份，利用手中工具进入虚拟场景，并与虚拟场景中的人物、动物、景物等产生强烈互动。这一点为职业教育设计虚拟职场体验式教学模式提供了技术支持。

(二)应用性特征

加入专用传感器并阻断操作者视力虚拟现实技术除了与加入专用传感器屏幕仿真技术具有相同应用性特征外，对比分析，还具有以下3个独立应用性特征：

1.形成情节化虚拟仿真实训教学课件

我们知道，职业教育教学的重点内容是实践性教学，而实践性教学最好的教学方法是老师带领学生真正走进工作职场、工作岗位，在全环境下进行学习，或者说在真实的职场中、岗位上获得学习，但在现实中，因为种种原因，这种全环境学习环境是难以提供给学生的，情节化虚拟仿真实训教学课件可以一举破解这一难题。

2.配合数据手套，形成万能实训工作台

许多岗位能力训练是在工作台面上进行的，配合数据手套，加入专用传感器并阻断操作者视力的虚拟现实技术完全可以创建出万能实训台，学生戴上可视眼镜、数据手套，在PC机的支持下，实施多种多样的虚拟实训。

3.实施真实操作前的验证性虚拟操作

几乎所有虚拟仿真课件，都可以设计成实施真实操作前的验证性虚拟操作功能，但验证精度、准确性，虚拟的逼真性却各不相同。加入专用传感器并阻断操作者视力的虚拟现实技术可以设计成与现实状况完全一致的验证精度与操作的准确性，并大幅度提高虚拟场景的逼真性，这项技术为职业教育实操实训前的虚拟仿真导训，提供了技术支持。

(三)类别性特征

加入专用传感器并阻断操作者视力的虚拟现实技术与加入专用传感器屏幕仿真技术，在类别性特征方面主要有3点区别：

1.单人进入式情节化虚拟仿真课件

由于排除了视觉干扰，加入专用传感器并阻断操作者视力的虚拟现实技术完全可以实现单人进入式情节化虚拟仿真课件功能。顾名思义，这种课件首先是情节化，其次是单人进入。单人进入式情节化虚拟仿真课件，破解了职业教育虚拟实习教学难题，是服务职业教育实践性教学最有发展潜力的一种虚拟现实技术。

2.多人进入式情节化虚拟仿真课件

在单人进入式情节化虚拟仿真课件基础上，设计成多人进入通道，既可以实现多人进入式情节化虚拟仿真课件。按照岗位操作需求，将每一个通道设计成不同操作者角色，大家在虚拟场景下，各自按照岗位操作规范，实施联合操作、顺序操作、逻辑化操作。

3.情节化技能测试考核体验包

我们知道，技能测试、技能考核、技能操作体验是职业教育实践性教学不可或缺的三个关键环节，由于加入专用传感器并阻断操作者视力的虚拟现实技术可以创设身临其境的虚拟效果，同时又可轻松加入虚拟操作情节，所以，完全可以设计成情节化技能测试考核体验包。__六、实时加入真实视频画面虚拟现实技术通常我们又把它叫做增强现实技术或现实画面与仿真画面混合式仿真技术，即AR技术。

(一)技术性特征

实时加入真实视频画面虚拟现实技术的技术性特征，有以下4个方面：

1.不阻断操作者视力

这项技术不需要操作者戴头套、戴眼镜，在自然环境下观看现实画面与虚拟画面的融合画面。

2.实施画面融合

以屏幕仿真技术为基础支撑，加入现实视频画面，通过某种软件技术，实现虚拟画面与现实视频画面融合。

3.操作者利用自身视频图像控制虚拟画面

操作者通过操作现实空间中某种具有标记物体，并利用实时视频画面对虚拟画面内的物体实施操作，达到增强现实的效果。

4.实现随机操作

操作者可以随机改变操作路径、方法、手段，已形成即时随机示教操作效果。

(二)应用性特征

实时加入真实视频画面虚拟现实技术的主要应用性特征有以下5个方面：

1.用于教师利用虚拟仿真画面、实时操作视频进行实时、随机、示范性操作，并以合成视频形式实施教学展示;

2.用于实践性教学中适合于学生桌面操作的虚拟操作训练;

3.用于在虚拟目标物支持下的立体化、形象化、虚拟化阅读学习;

4.用于将学习内容在视频拍摄技术支持下，进行可视化、形象化、互动式链接;

5.自助式操作，形成虚拟仿真与现实操作高度融合、完美叠加的教学视频画面。

虚拟仿真教学案例范文篇2

【关键词】虚拟仿真实验系统管理系统多样性

近几年，教育部一直在提出并让高校贯彻执行教学资源的先进性和创新性理念，这是适应当前社会的高速发展对人才提出的综合要求。如今，高等院校在教育理念上一直在摸索和发展中前进，但光有深刻的理论基础尚且不够，创新性需要在实践中才能得到体现和应用。尤其工科是一门实践性非常强的专业，要求毕业生在工作岗位上有很强的动手实践能力。在以往的实践中，学生的实践大部分是局限于在实验室展开。这种传统的实践模式存在以下几个弊端，一是高校资金短缺，实验室无法满足日益扩招的学生数量，这样从教学资源配置上无法很好的满足学生的需求；二是对理论知识学习不深刻的同学直接进入实验室进行操作实验，很容易因为误操作而损坏仪器仪表，直接造成了资源的浪费；三是一些高危险和能源型的会造成污染的实验也无法在实际的实验室中操作完成。近年来，高等学校逐渐的大规模引入了虚拟仿真实验系统，并且也形成了学科体系。

1传统仿真软件的特点

在使用虚拟仿真实验系统之前，高校工科专业近些年也在一直使用一些仿真软件作为对课堂和实践教学的补充，以电子专业为例，常用到的一些电路软件有EWB、Multisim，主要用于电子电路的功能仿真；还有由欧洲DesignSoftKft.公司研发的TinaPro软件，主要用于模拟及数字电路的仿真分析；美国WakeForest大学基于SPICE开发的CircuitMaker软件，主要用于电子电路仿真实验；英国Labcenterelectronics公司出版的Proteus软件不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及器件。这些软件在很长一段时间里对教师和学生起到了很好的辅助作用，但在使用的过程中，也发现了一些弊端。一是这些国外的软件都是针对企业，工程使用开发，而不是针对学校的学生实验开发，很多软件的功能在基础学习中无法使用，没有针对性。二是国外的这些仿真软件更新换代太快，各门课程需不断的购买正版软件这对于学校和学生都不太现实，但是用下载的盗版软件又存在使用过程中有时软件不稳定的情况，对于一些电路的仿真和参数的分析会造成波动及误差。三是这些仿真软件的界面都是英文，对于英语基础较差或者是学生没有学习专业英语之前，是存在一定困难，从而造成了学生对软件的畏惧情绪。四是人机界面比较单一，没有配套的知识辅助资料和实验过程指导，教师要在很多学生中进行巡回指导，工作量大，效率低。

2虚拟仿真实验系统的应用

2.1虚拟仿真实验系统的特点

虚拟仿真实验系统是以计算机作为控制中心，采用多媒体技术手段在计算机上虚拟实验环境，软件构建逻辑结构模型，再和硬件相结合，构成虚拟系统。并利用互联网形成网络化虚拟系统在计算机人机界面上完成实验。该系统由课程实验仿真平台和实验管理系统构成，这也是和传统使用的仿真软件的最大区别之处。该系统引入了实验管理系统，也就是说，该系统搭建的平台可以针对学生，教师和实验管理员分别使用，每个学生，教师，实验管理员都有属于自己的管理账号。学生登录账号可以选课，可以提前预习实验要求，获取实验信息，并进行虚拟实验，最后提交实验报告和查询成绩接收实验结果反馈。而教师登录账号可以布置新实验，并提供一些实验案例和提出实验要求，还可以在线指导学生实验，对学生实验作出批改，实时与学生进行交流。实验管理人员登录账号可以添加和查看实验室，对学生和老师的考勤进行管理，对整个系统进行维护，做好后勤保障工作。这种基于网络的流程化管理完成了对实验过程的全面控制，大大的提高了效率。

2.2虚拟仿真实验系统的发展

虚拟仿真实验系统充分的降低了实验实践成本，搭建了一座从理论到实践的桥梁，使得实验过程安全可靠。通过网络化的实验管理系统，突破了空间和时间的限制，打造了生动直观的教学环境，提高了师生的互动性。虚拟仿真实验系统是在课堂，实验室，传统仿真软件，企业实践四种环节的基础上汲取经验弥补不足发展而来的。该系统连同以上四个学习环节可以优化组合，发挥最大优势。比如原理性概念性的理论知识可以结合课件或动画的形式在课堂完成，基本操作型的实验可以通过传统仿真软件验证后在实验室操作来锻炼学生的动手能力。创新性的，开发性的实验可通过虚拟仿真实验系统完成，学生可以反复设置参数，反复调试验证，反复的进行修正直到最后满意的结果，这个过程极大的减少了资源的消耗，降低了实验的成本。

3虚拟仿真实验系统在电子学科的应用

3.1虚拟仿真实验系统的建设

全国信息技术标准化技术委员会教育技术分技术委员会在虚拟仿真实验教学系统的开发方面制定了一系列的规范和标准草案，为各高校学科资源的共享应用奠定了基础。一个虚拟仿真实验系统的建设是集成了多门学科资源的，在这个方面，我们国家像北京邮电大学等高校潜心研究开发出了结合高校学科专业特点的虚拟仿真系统，建立了信息电子类课程的虚拟仿真实验平台。通过该平台提供的仪器设备可进行几百个电路、电子、信息的典型实验项目，充分的满足了高校学生的基础需求。另外，把一些前言的科研项目渗入到虚拟仿真实验范围，丰富了实验内容，开拓了学生视野，充分的满足了高校学生的深层次拓展要求，有利于培养创新性的人才。

3.2虚拟仿真实验系统在电路中的应用举例

以北京邮电大学开发的虚拟仿真实验系统为例分析，仿真平台模拟真实实验中用到的器材和设备，而且该仿真平台是中文界面，学生用起来直观方便。该实验平台提供了二十二种典型电路实验，在实际中，可以根据学科专业特点需要选取其中的典型性实验。下面以戴维南定理的验证与认识电路为例进行说明。该定理比较抽象，对其中的电路分析结果学生课堂难于掌握，通过虚拟仿真实验系统的流程化学习系统，学生可以轻松的对定理作出深刻理解。如图1所示，在界面的主器材库选取相应的器材设备，在右面的实验台搭建电路，完全模拟真实化的实验环境。如图2所示，是教师登录后的界面，教师可以在这个系统里对所有学生的实验进行批改，设置，操作。如图3所示，是学生登录后的界面，学生可以对老师提前选好的一些实验进行操作。

4小结

虚拟仿真实验系统为电子类专业的学生提供了多样的可选择实验项目，利用虚拟技术实现了理论与实践的密切结合，拓展了理论的深度和广度，在综合设计和创新方面，为学生提供了一个良好的平台。

参考文献

[1]孙燕莲，韩巍，文福安.构建仿真实验系统关键技术的研究[J].实验技术与管理，2005.

[2]路而红.虚拟电子实验室[M].北京：人民邮电出版社，2005.

[3]文琪琪，文福安.虚拟实验指导系统的交互式设计研究[J].软件，2013.

虚拟仿真教学案例范文

关键词：器官系统；实践教学；虚拟仿真；PBL教学；基础医学

“以器官系统为中心”课程模式是目前医学课程整合的主流方向，主要以器官系统为模块，将基础医学各学科按正常形态功能、疾病异常状态、药物治疗顺序重组。上海健康医学院最早从2009年开始尝试“以器官-系统为中心”基础医学课程整合——《综合医学基础》，通过近10年对护理及临床专业的改革实践，已取得了一定的成效[1]。然而在基础医学课程整合的过程中，发现理论教学和实践教学脱节的问题，基础医学课程整合不仅是理论教学的简单整合，更需要相匹配的实践教学。因此近年来我校以综合性设计性实验、PBL教学、虚拟仿真实验三管齐下，全方位培养学生的创新能力、动手能力、沟通能力、临床实践能力，基础医学实践教学改革的经验总结如下文所述。

一、基础医学实践教学改革的必要性分析

2008年9月，教育部、卫生部《本科医学教育标准-临床医学专业（试行）》，明确要求医学院校应积极开展课程改革。截止2016年全国各大医学院校60%以上尝试和展开课程整合，其中“以器官系统为中心”的课程整合占52%。在理论教学整合的背景下，“学科为中心”实践教学已无法适应课程整合的需求，由此应运而生形态学和机能学实验教学，然而只是“以器官系统为中心”将各学科实验简单叠加，无法真正培养医学生创新思维和能力。2012年教育部启动的“卓越医生教育培养计划”指出提高医学生临床岗位胜任力，提升我国医疗卫生服务水平[2-3]。美国毕业后医学教育认证委员会将临床岗位胜任力界定为具备6大核心能力：照顾患者、医学知识、基于实践的学习和改进、人际和沟通能力、职业精神和素质、基于系统的实践能力。目前基础医学实践教学无法适应6大核心能力的培养目标，因此进行基础医学实践教学改革势在必行。我校近年来在“以器官系统为中心”整合式课程建设中，通过综合性设计性实验，结合PBL和虚拟仿真教学，改革基础医学实践教学，全方位提升学生临床岗位胜任力。

二、基础医学实践教学改革内容与实施过程

基于“以器官系统为中心”课程整合背景，我们将基础医学各学科融合为八大系统模块（神经、循环、呼吸、消化、泌尿、内分泌、血液、生殖）。每个系统按正常-疾病-治疗线索进行理论教学，学生完成理论学习后即进入综合性设计性实验，PBL和虚拟仿真三大模块的实践教学。

（一）综合性设计性实验

每个系统均安排一个综合性设计性实验，实验开展第一阶段，各系统配备固定的教师团队，包括一位负责老师及来自正常人体学、病理学、病生学、药理学、微生物免疫学等各学科老师。通过老师讨论确定多学科融合切入点，切入点必须能将多学科的知识融会贯通，必须能与临床常见疾病相契合，必须能符合学生认知和操作能力水平。例如，呼吸系统选择呼吸运动调节作为切入点设计实验。第二阶段，学生根据实验切入点查阅文献资料提出自己感兴趣的问题，如“煤气中毒时呼吸如何变化？哮喘时呼吸如何变化？气胸时会发生什么变化？人工呼吸怎么起作用？”等，老师指导学生根据各自问题设计实验方案，准备实验动物、药品、器材、设备。第三阶段，学生在老师指导下完成实验，观察现象，记录实验数据。第四阶段，学生完成实验数据分析，并结合实验前提出的问题，撰写实验报告。综合性设计性实验不仅能提高学生实践动手能力，而且能培养学生创新思维和创新能力。

（二）PBL实践教学

PBL教学是以病例为先导，以问题为基础，以学生为主体，以教师为导向的启发式教育[4]。各系统中PBL实践教学为6学时，分3次完成，学生10人一组，每组一位指导老师，每组选出一位学生主席和一位书记员。第1次课：通过一个临床案例导入，学生从简单的病史资料中提取关键信息，充分进行头脑风暴，讨论所有可能性。再通过接下来的线索逐渐聚焦，得出初步诊断。课后需要学生查阅资料，将所学系统的结构、功能、疾病的理论知识融汇贯通、灵活运用，分析解决案例中涉及的问题。第2次课：组内分享讨论第1次课后查阅的资料，再将本案例的临床辅助检查及药物治疗的资料结合基础医学理论知识讨论分析。课后学生通过小组討论总结整个PBL案例的学习和讨论过程，绘制机制图，并制作汇报PPT。第3次课全班总结：各小组派代表采用PPT汇报，展示机制图。通过PBL案例讨论充分调动学生的主动性和积极性，培养学生的沟通能力、团队协作、自主学习能力。

（三）虚拟仿真教学

虚拟仿真（VirtualReality，VR）运用计算机创建和体验虚拟世界，模拟人的视觉、听觉、触觉等，使人沉浸在计算机所生成的虚拟世界里，VR技术应用于医学教学将成为新的趋势[6]。我校从2016年开始建设基础医学虚拟仿真实验平台——基础医学互动学习中心，该中心精心设计成13个学习互动区域：包括生命孕育、数字虚拟人体、3D解剖、运动、消化、呼吸、泌尿生殖、心血管、神经系统等各大系统VR教学体验区。互动学习中心平时向学生开放，学生课余时间可随时进行VR体验式学习。其中数字虚拟人体代替局部解剖学，学生通过虚拟解剖了解皮肤、肌肉、骨骼、器官、神经、血管等结构和相互关系。各大系统VR教学虚拟了临床疾病诊疗的情境，由临床病例引出的从结构功能到疾病和用药的互动体验，通过临床岗位教学中的虚实结合和人机互动，将基础医学与临床相融合，让学生早接触临床，多接触临床，反复接触临床，培养学生临床思维和临床实践能力。

（四）实践教学考核机制

实践教学考核突出形成性评价，成绩构成及比例如下：总成绩=综合设计性实验（50%）+PBL实践教学（30%）+虚拟仿真实训（20%）。其中，综合性实验评分包括实验设计、实验操作、实验结果分析及汇报总结的评价；而PBL评分由学生自评、互评、教师个人点评及小组点评4部分构成；学生课后参与虚拟体验时间次数和完成测试的情况作为该项目评分。

三、教学效果评价

（一）问卷调查及统计分析

针对基础医学三种模式实践教学，对学生及临床教师进行了教学效果评价，设计一套“问卷星”调查问卷，每个问题设置四个选项分别是赞同（+2）、一般（+1）、不赞同（-1）和无法判断（+0），发放给2016级临床医学本科专业的104名学生和21名教师，发放调查问卷125张，回收问卷125张，回收率100%，调查结果统计分析详见表1。

（二）学生成绩与实践教学评分相关性分析

临床医师分段考第一阶段考试是对医学生所具备的医学基本知识和临床基本技能的综合测试，其中基础医学内容占比40～45%。为了无缝对接临床分段考，对16级临床本科专业学生进行基础医学测试，成绩反映了学生在基础医学阶段整体学习情况，与基础医学实践总评分是否存在相关性。我们对学生测试成绩和实践评分的最高分、最低分、均值和标准误统计分析，并进行Pearson直线相关回归分析。结果显示相关系数R=0.634，P<0.001，差异具有显著统计学意义，基础医学测试成绩与实践教学总评分具有相关性（详见表2）。

四、基础医学实践教学改革讨论