摘要：随着新一代信息技术的迅猛发展，教育领域逐步迎来了虚拟仿真技术的广泛应用。虚拟仿真实验教学方法作为一种新型的教学手段，突破了传统实验教学的时空限制，极大地提升了学生的实践操作能力和创新意识。本文通过对虚拟仿真实验教学方法的研究，探讨了其在新一代信息技术变革中的创新探索，并分析了虚拟仿真实验教学的特点、优势及其在不同学科中的应用情况，提出了未来发展趋势与挑战。通过案例分析和实践探索，旨在为教育工作者提供有益的参考和借鉴。

关键词：虚拟仿真，实验教学，新一代信息技术，创新探索，教育改革

引言

随着信息技术的不断进步，尤其是人工智能、大数据、云计算等技术的快速发展，传统教育模式和教学手段面临着前所未有的变革压力。尤其在实验教学中，受限于实验设备、教学资源、实验场地等条件，学生的实践操作能力和创新思维的培养始终存在一定的瓶颈。虚拟仿真技术作为一种新兴的技术手段，通过模拟真实世界的实验环境，为学生提供了更加灵活、互动且低成本的实验体验。这种教学方法不仅能够有效弥补传统实验教学中的不足，还为教师与学生提供了全新的教学与学习方式。本文将探讨虚拟仿真实验教学方法的优势、应用现状及其在新一代信息技术变革中的创新探索。

一、虚拟仿真实验教学方法的特点与优势

1.虚拟仿真技术的基本概念与发展

虚拟仿真技术通过计算机模拟生成逼真的虚拟环境，允许用户与虚拟世界进行交互。其核心优势在于不受物理实验设备和空间的限制，能够在虚拟环境中精确还原实验过程。在教育领域，虚拟仿真技术以其强大的交互性、灵活性和可扩展性，逐步成为一种突破传统教学模式的创新手段。虚拟仿真实验不仅可以为学生提供与现实环境相似的实验体验，还能帮助他们在实验中进行反复操作、调整变量和测试不同情景，进而加深对知识的理解和掌握。随着信息技术的不断进步，虚拟仿真技术也经历了从简单的二维图形展示到三维虚拟世界的演变。早期的虚拟仿真应用多为静态的场景重建，主要依赖于二维平面和简单的动画效果。随着计算能力的提升，虚拟仿真逐步进入了三维立体展示和动态交互的阶段。近年来，虚拟现实（VR）、增强现实（AR）和混合现实（MR）技术的出现，进一步增强了虚拟仿真技术的表现力和沉浸感。如今，许多教育机构已经开始引入这些前沿技术，推动虚拟仿真实验教学的深度融合。一些知名的虚拟仿真教学平台，如华为推出的云实验室系统，通过基于云计算的技术，为学校提供高质量的虚拟仿真实验环境。该系统可以支持不同学科的虚拟实验，满足学生在不具备实验设备条件下进行实验操作的需求。在此平台上，学生能够直接在虚拟实验室中进行试验，不仅可以观察实验过程，还能根据需求修改实验参数，观察实验结果的变化。

2.虚拟仿真实验教学的优势分析

虚拟仿真实验教学的最大特点在于其突破了传统教学中受限的实验条件。许多实验操作，尤其是高危、高成本或者需要复杂设备支持的实验，在虚拟环境中可以轻松实现。比如，某些化学实验中使用的腐蚀性或易燃化学物质，在虚拟实验中并不涉及任何安全隐患，学生可以在安全的环境中进行大量的实验操作，提高他们的实验技能。以某大学机械工程专业为例，学生在进行数控机床操作实训时，通常需要高价值的设备并且需要一定的操作空间。而通过虚拟仿真平台，该校学生可以在虚拟环境中进行机床操作训练。虚拟仿真平台提供了多种机械设备的模拟界面，学生不仅能够查看机床的构造，还能通过操作界面调整机床参数，进行加工操作。整个过程中，学生无需担心操作失误造成设备损坏或浪费材料，通过虚拟实验，可以大幅度降低学习成本，优化实验资源的利用。虚拟仿真技术还在实践中展现了其强大的互动性。不同于传统教学中单向的知识传授，虚拟仿真实验通过互动式设计，使学生能够在实验过程中实时进行数据输入、调整实验变量，并即时获取反馈。这种互动性大大增强了学生的参与感和实验的可操作性。以一项机械原理实验为例，学生可以在虚拟环境中调整齿轮的转速、摩擦力等参数，并实时看到这些变化对系统运动的影响，从而更加深入地理解实验背后的原理。虚拟仿真实验能够提供更丰富的实验场景和多种模拟条件。传统实验常常受制于时间和空间的限制，学生的实验体验往往局限于固定的实验设备和条件。而在虚拟仿真实验中，学生可以根据需求随时选择不同的实验场景，模拟不同的实验条件，甚至进行多次实验尝试。比如，电子工程专业的学生可以通过虚拟仿真平台进行电路搭建与调试，快速验证电路设计的合理性，而传统的电路实验则需要大量物理元件和时间来进行实验。

3.虚拟仿真实验教学的挑战与问题

虚拟仿真实验教学虽具备诸多优势，但其普及和应用仍面临多方面的挑战。首先，虚拟仿真技术需要较为复杂的硬件设备和软件支持。为了实现高度仿真，许多虚拟实验平台依赖强大的计算机硬件与高性能图形处理器（GPU）。这些硬件设备不仅成本较高，而且需要稳定的网络环境支撑，这对一些学校尤其是技术条件较差的教育机构来说，构成了较大的负担。虚拟仿真技术的高投入可能导致一部分学校在教学改革中无法顺利引入此类技术。虚拟仿真实验的开发需要大量的技术人员和资源投入。尽管市场上已有多个虚拟仿真软件系统可供选择，但要实现专业化、个性化的教学需求，仍需定制化开发。许多虚拟仿真平台并没有完全适应不同学科的教学要求，导致其在某些专业领域的应用效果不理想。因此，开发团队需要在教育内容与技术实现之间找到平衡，才能确保虚拟仿真实验教学平台的高效性和实用性。教师的培训和适应性也是虚拟仿真实验推广中的一个关键问题。尽管学生能够在虚拟环境中进行操作，但教师在使用和管理这些系统时可能会遇到较大的挑战。虚拟仿真系统的操作界面和传统教学模式存在较大差异，教师需要通过培训掌握系统的功能和使用方法，从而有效引导学生进行实验。由于许多教师对信息技术的掌握不够深入，缺乏足够的技术支持，导致他们在虚拟仿真实验中可能无法充分发挥该技术的优势。虚拟仿真实验的技术稳定性和用户体验也是亟待解决的问题。许多虚拟仿真系统在进行高负荷运算时可能出现延迟或崩溃现象，影响实验的流畅性和学生的学习体验。如何优化系统性能，提升用户体验，已经成为虚拟仿真实验教学面临的一大难题。虚拟仿真实验教学方法的推广与应用，虽然具备显著的优势，但也存在着技术、成本和教育资源等方面的问题。只有通过技术研发、教育改革和教学实践的不断完善，才能真正发挥虚拟仿真实验教学的潜力，推动教育模式的深度创新。

二、虚拟仿真实验教学在学科教学中的应用探索

1.虚拟仿真实验在理工类学科中的应用

理工类学科的实验教学通常涉及大量的设备操作和实际操作技巧，这些实验往往需要昂贵的仪器设备、专业的操作空间和实验材料。对于一些复杂、危险或高成本的实验项目，虚拟仿真实验提供了一个理想的解决方案。学生可以在没有任何物理实验设备的情况下，通过虚拟实验平台进行仿真实验，获得与现实相似的体验。以机械工程专业中的数控机床实验为例，传统的数控机床操作实验需要依赖昂贵的设备和材料，且学生只能在有限的时间内进行实训操作。虚拟仿真技术的引入使得这一问题得到了有效解决。某高校通过自研的虚拟仿真教学平台，为学生提供了数控机床的虚拟操作界面。学生通过计算机屏幕上的虚拟机床界面进行各种参数设置和操作调整。虚拟平台不仅能够精确模拟机床的运动轨迹，还能实时反馈操作结果。学生可以在系统提示下不断调整参数，优化操作，直到掌握机床操作的基本技巧。这种教学模式能够大幅提高学生对数控机床操作的理解，减少了物理设备的损耗和操作失误的风险。另外，虚拟仿真还广泛应用于化学、物理等学科的实验教学中。在化学实验中，许多实验涉及易燃、易爆、有毒物质，传统教学中学生往往无法进行重复实验，且操作不当会存在安全隐患。虚拟仿真实验平台通过虚拟化危险化学品的操作环境，确保了学生在实验过程中能够安全地进行操作。例如，在有机化学的实验课程中，学生可以通过虚拟实验进行不同化学反应的模拟，观察反应过程中温度、压力等变化对化学反应的影响，进而理解反应原理。

2.虚拟仿真实验在医学类学科中的应用

医学类学科的实验教学通常需要模拟复杂的人体解剖、手术操作和疾病诊断过程。传统的医学实验教学往往受到实验资源和实际病患数量的限制。虚拟仿真技术在医学领域的应用突破了这些限制。通过虚拟实验平台，医学专业的学生能够在无风险的环境中进行各种模拟操作，增强其实际操作技能。我院开发了一款虚拟手术仿真系统，该系统通过虚拟现实技术将手术室、手术台以及病人体态等场景进行真实再现。学生通过佩戴虚拟现实头盔，手持专门的手术工具，进行模拟手术。系统内置了各种医学操作场景，从基础的基础诊断、体格检查，到高难度的外科手术，学生可以在虚拟环境中进行反复练习，掌握精准的操作技巧[5-6]。通过这种虚拟手术训练，学生可以提升自己的动手能力，积累实际手术经验，而不会给真实病人带来任何风险。虚拟仿真实验在医学解剖学教学中的应用同样得到了广泛关注。传统的医学解剖学实验依赖尸体进行解剖，而这种方式面临着资源的匮乏和伦理问题。虚拟仿真系统为解剖学教学提供了新的解决方案。通过虚拟仿真，学生可以在三维虚拟人体模型中进行各种解剖操作，仔细观察各个器官的结构和功能。虚拟解剖系统不仅能够实现高精度的三维重建，还能为学生提供实时的解剖指导，帮助学生准确识别和记忆各种人体结构。

3.虚拟仿真实验在文科类学科中的应用

虽然虚拟仿真实验教学在理工类和医学类学科的应用更为广泛，但近年来，其在文科类学科的应用也逐渐得到重视，尤其是在历史、社会学、文学等领域。文科类学科的教学内容通常涉及大量的历史场景重建、文化遗产保护等领域，虚拟仿真技术能够帮助学生更好地理解和体验相关知识。以历史学科中的虚拟博物馆为例，许多高校开始利用虚拟现实技术开发虚拟博物馆系统，学生可以通过虚拟平台参观世界各地的历史遗址和文物，感受不同历史时期的文化氛围。这种虚拟体验不仅打破了空间限制，还能让学生更加直观地了解历史遗迹和文物的背景。在这种教学模式下，学生可以通过沉浸式体验来加深对历史事件、文化背景的理解，同时增强历史学习的趣味性和互动性。文学学科中的文学作品虚拟现实体验也在逐步兴起。某高校在文学课程中引入了基于虚拟现实的互动式小说阅读体验。学生通过佩戴VR设备，进入虚拟的小说场景中，与小说中的人物进行互动。通过这种方式，学生能够更加深刻地理解小说中的人物性格、情节发展和思想内涵。虚拟仿真技术将文学作品从二维文字中延伸到三维虚拟世界，使得学生能够身临其境地体验故事情节，从而提升他们的文学理解力和创意思维。虚拟仿真实验还可应用于社会学领域中的社会模拟和行为研究。通过虚拟仿真系统，学生可以在虚拟环境中模拟不同的社会情境，如集体决策、社会冲突等，通过观察不同决策方案的实施效果，分析社会行为的变化规律。这类实验不仅能够加深学生对社会学理论的理解，还能够帮助学生培养批判性思维和解决问题的能力。虚拟仿真实验在学科教学中的应用，展现了其在教育领域的广泛潜力。无论是理工类学科中的技术操作训练，还是医学类学科中的手术模拟，亦或是文科类学科中的历史场景再现，虚拟仿真技术都能为学生提供一个安全、灵活且高效的学习平台[7]。

结论

虚拟仿真实验教学方法在学科教学中的应用展示了其极大的潜力与价值。通过对理工类、医学类和文科类学科的应用探索可以看出，虚拟仿真技术不仅能够有效突破传统实验教学中的时间、空间和资源限制，还能够为学生提供更为直观、真实和沉浸式的学习体验。尤其在高风险、设备昂贵或受资源限制的学科中，虚拟仿真实验能够替代传统实验，提供更安全、更灵活的实验条件。此外，虚拟仿真技术也能打破学科间的边界，为跨学科教学提供创新的可能。虚拟仿真实验教学方法的优势不仅体现在其对于学生动手能力和实验技能的培养上，更在于其帮助学生理解复杂理论、提升学科素养的深远影响。随着技术的不断发展和完善，虚拟仿真技术将更加智能化，应用范围更加广泛。未来，虚拟仿真实验将成为教育体系中的重要组成部分，推动教育方式的创新和教育质量的提升。

辞谢

本研究受广西教育厅教改项目XGK2022003，2021JGB121，2022JGB115的资助。

参考文献

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[5] 韦依妮，张学军，孔德宇，曾泓杰，许先富，虚拟注射仿真系统设计与实现，信息技术与信息化，2021， （07）： 61-64

[6] 李璧江，张学军，韦涛，黄菊，韦依尼，孙映华，基于虚拟现实的腹部手术仿真系统研究，医疗卫生装备，2020年08期，第19-24页

[7]Xuejun Zhang， Yehui Liu， Fuming Ya， Junpeng Qiao， Zihao Lu and Zhaohui Bu， （2023） Construction of an edge computing based innovative cloud platform for simulation teaching， 第二届教育创新与多媒体技术国际学术会议（EIMT 2023）， C. F. Peng et al. （Eds.）： EIMT 2023， AHSSEH 8， pp. 362–368.