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虚拟仿真教育技术在信息时代的创新应用

2020年12月12日09:21 | 来源:人民网-舆情频道
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背景:12月9日晚,2020年世界慕课大会之虚拟仿真分论坛举行,分论坛以“虚拟仿真:信息技术与教学变革”为主题,聚焦虚拟仿真技术和装备支持下的实验教学,由中国虚拟仿真实验教学创新联盟承办。

随着信息时代的到来,大数据、人工智能、5G和卫星通讯等信息科技飞速发展,当今世界正在经历一场革命性的变化,数字化与智能化在越来越多的行业和领域中普及。特别是虚拟仿真技术在教育中的应用给教育领域带来了全新的教育生态。虚拟现实技术是以现实为基础创设虚拟环境,借助现代化传感装置,来让体验者在虚拟和现实的交互作用中获得亲临真实环境的感受和体验,从而达到教育的预期效果。这一技术在教育教学中的运用所带来的是教育理念的革新以及教学手段、方法、技术、内容乃至时空的革命。

虚拟仿真技术在教学过程中的应用特征

1. 交互性。教育本身是一个信息和知识的传递过程,在大信息背景下,知识本身变得立体化,呈现出多渠道、多元素、多要素等特征,需要教育者进行全方位的信息传输。而传统教学方式,主要靠老师的口头讲授或者文字、图片、视频等。这种教学方式对老师的语言表达能力和教学组织能力要求极高,且不可避免知识在语言传授过程中会出现信息的丢失。虚拟仿真技术使得学生能够真正进入一个由计算机生成的交互式三维虚拟现实环境中,与之产生互动,进行交流。通过参与者与虚拟仿真环境的相互作用,并借助人本身对所接触事物的感知和认知能力,帮助和启发参与者的思维,以全方位地获取虚拟环境所蕴涵的各种空间信息和逻辑信息。这种立体式、全方位的教学方式使得知识以其本身的面貌进行传授,最大限度地保留了知识本身的形态。

2. 沉浸性。孔子在教育学生过程中,最常使用的方法是观察法和谈话法,比如孔子带学生去观察自然景观,与学生对话时经常打比方和讲故事,其本质就是为学生搭建一个教育场景,学生沉浸于其中,从而把理论变得形象化,便于理解。由于虚拟仿真技术特有的沉浸感和实时性,通过对时间和空间环境的超越,使得它在军事模拟、先进制造、城市规划、地理信息系统、医学生物、天文等领域中有非常大的应用前进,比如对于一些剧毒物质的试验,未知领域外太空的探索等。虚拟现实技术能够大大的推进这些领域的教育教学活动,从而打破时间和空间的局限,将虚拟教育与现实教育紧密结合起来。

3. 时代性。在5G时代背景下,教育主体可以以数字人的形式出现。数字人,具体指信息科学与生命科学融合的产物,是利用信息科学的方法对人体在不同水平的形态和功能进行虚拟仿真。其包括四个交叉重叠的发展阶段,可视人,物理人,生理人,智能人,最终建立多学科和多层次的数字模型并达到对人体从微观到宏观的精确模拟。传统教育中,教师和学生是教育过程中的主体和客体,但是也会受时空的限制,比如春秋时代的孔子和老子能否成为当代学生的老师,比如地处美国的教师能否面对面与中国的学生0距离的交流。虚拟现实提供了一种现实可能,即打造一个数字人参与教育教学过程中来。数字人能够突破时间和空间的限制,参与到教育教学过程中来,从而更好地利用教育资源达到教育目的。教育对象方面,新时代背景下,从小就深受互联网影响的新时代青年逐渐成长起来,他们对于互联网与信息科技的兴趣度超高,因而乐于接受虚拟仿真教育这种最新科技产品。

4.趣味性。虚拟仿真教育寓教于乐,通过互动体验教学实现快乐教育。新时代背景下,教育与互动体验相融合越来越成为人们的共识。其最大的特点是通过趣味性的互动体验让个体充分参与到教育教学中来,既寓教于乐,同时又超越了单一的娱乐属性,在保存趣味的同时高效地传递知识,让教育者更好地理解和接受知识,从而使得虚拟仿真教育成为高效的教育工具。从哲学发展来看,东西方哲学家都对游戏哲学有着比较一致的认识,即从教育的角度,承认游戏的积极作用。早在古希腊时期,柏拉图就指出游戏是神圣的。康德也指出游戏是摆脱实用与功利,“从一切的强制解放出来”,具有“自由”“单纯”和“娱乐”的特征。席勒指出“说到底,只有当人是完全意义上的人,他才游戏;只有当人游戏时,他才是完全意义上是人”。中国传统文化中道家追求游戏世界,游戏人生。儒家孔子乐学,“饭疏食,饮水,曲肱而枕之,乐亦在其中矣。”“好之者不如乐之者”,指出要以学习为乐,以游戏的心态学习,并乐此不疲,这是一种游戏体验学习的最高境界。

虚拟仿真技术通过创设、模仿真实的生活场景,突破现实生活中时间、空间领域的局限,以寓教于乐的方式,全面激发学生的学习兴趣,一改过去学生对于学习的厌倦和焦虑心态,从而回归教育的本质,实现快乐教育。

 虚拟仿真教育技术在信息时代的应用场景

1.实现了教育理念的升华。虚拟仿真教育全面突破传统教育的局限,充分运用各种信息科技手段,VR、AR、MR眼镜将成为每一个学生重要的学习工具,而眼镜中所包含的将是包括教育场景、教育主客体、教育方式、教育内容等全方位、立体式的全面革新。

2.以智慧教室为依托开展虚拟仿真教育。在传统教育框架下,教室是主要的教育场所,教师和学生的主要的参加者,黑板、粉笔以及多媒体设备是主要的教学工具。虚拟仿真教育以智慧教室为场所,在智慧教室的讲台中,内嵌了触控一体机终端系统,实现电脑、音响、大屏等教学相关电子设备“一屏控制”、“一键开关”;以往课堂常用的投影幕布不见了,取而代之的是内置于黑板、具有触屏功能的高清液晶电子显示屏。同时,教室两侧墙壁还加设了4块电子辅助屏,对黑板主屏进行扩展显示,与黑板主屏、其他辅助屏之间进行跨屏共享。教室内的课桌椅也由原来的固定式桌椅改为可移动拼接桌椅,方便师生们根据不同的学习内容开展不同组合形式的分组讨论,在这样的教室里通过VR、AR、MR眼镜对学生展开虚拟仿真教育。

(以思政课为例的虚拟仿真实验教室的设计示意)

虚拟仿真教育的未来走向

伴随大数据、人工智能、5G和卫星通讯等信息科技的飞速发展,虚拟仿真教育是顺应时代大势的必然方向。纵观世界文明史,人类先后经历了农业革命、工业革命、信息革命。每一次产业技术革命,都给人类生产生活带来巨大而深刻的影响。目前,人类社会已经步入第四次工业革命,工业4.0时代是利用信息化技术促进产业变革的时代,大数据、人工智能、5G和卫星已成为新时代信息科技发展的重要特征,这些科技的发展也将促进虚拟现实技术的飞速发展。教育作为社会发展的强大动力必然要与时代发展和时代趋势相结合,虚拟仿真教育便是新时代新科技革命浪潮下的产儿,成为教育发展的重要方向,必定会在未来的教育领域实现全面的普及。

1.虚拟仿真教育能有效解决教育公平问题。目前教育公平是全球教育面临的最突出问题,其根本在在于传统教育受时空和地域所限,使得教育对象无法共享最优质的教育资源。虚拟仿真教育突破时空和地域的限制,具有全过程、全时间和广泛性的特征,使得人人享受最优质资源成为可能,从而能够有效解决教育公平的问题。

2.打造中国特色虚拟仿真教育的“中国模式”。第四次工业工业革命是中国发展的重要战略机遇期,是我们实现弯道超车的最好时机。从百年未有之大变局的世界格局来看,中国已经站在第四次工业革命的最前沿并且正在迅速变身成为高科技创新中心,每年大量的理工科毕业生、高质量的工程师队伍。目前虚拟现实技术也在中国大面积的普及,它在教育领域中的运用将使得中国在未来世界发展中打造中国特色虚拟仿真教育的“中国模式”,引领世界教育的发展。首先,建立社会主义的人才标准。习近平总书记在全国教育大会上强调坚持中国特色社会主义教育发展道路,培养德智体美劳全面发展的社会主义建设者和接班人。开展虚拟仿真教育也要围绕这个教育目标展开,建立中国特色社会主义人才培养机制,同时向世界推广。其次,我国开展虚拟仿真教育先行先试,向世界提供虚拟仿真教育的标准。此次世界慕课大会虚拟仿真实验教学实验,精彩的展示了未来虚拟仿真教学的完备性,表现在不仅有实验教学知识点,有跨越时空的交互操作、有真实与虚拟的直接的动作交互展示,还有通过智能数字人实现教学主体之一——教师的虚拟仿真,包括外形、动作,还包括智能化技术融合的智能理解与分析,首次创建了完备的虚拟教学环境。我们有理由相信,在更加丰富、完善的教学空间中,能够让学生的认知得到更有效的提升。通过全要素、全流程、智能化的虚拟仿真构建完备性,这也是虚拟仿真教育标准发展的方向。 

(作者:北京理工大学马克思主义学院 王立群,吴倩)

(责编:袁勃、单学刚)

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