职业教育虚拟仿真资源建设现状、挑战及对策
彭梓涵 王运武
【摘 要】随着当今时代对高素质、高技能的专业性人才需求不断增长，国家在职业教育领域虚拟仿真资源建设方面也不断提出新的高要求、高标准。基于职业能力培养虚拟仿真实训中心建设现状和职业教育虚拟仿真资源研究现状，分析当前职业教育虚拟仿真资源建设面临的四大挑战，资源建设存在区域差异，阻碍专业人才均衡分布;仿真资源缺乏系统设计，难以遵循学生认知规律;资源的智能化程度较低，实时交互反馈有待加强;资源共建共享机制不足，资源利用率需逐步提高。最后提出了加强区域合作，以强带弱促发展;符合科学设计，认知规律需遵循;提升智能水平，个性发展求创新;按照逐层设计，共建共享求均衡的四大对策。
【关键词】职业教育;虚拟仿真资源;建设现状;挑战及对策
【中图分类号】G710? ?【文献标识码】A? ?【文章编号】1001-8794（2019）01-0076-06
如何利用先进的信息技术推动职业教育的进一步发展是职业教育信息化中的一大難题。早在2008年，教育部颁发的文件中明确指出职业教育要“大力推动仿真、多媒体课件等数字化教学资源开发”，“重点解决常规的教学手段、技术、设施设备难以实现的实习实训问题，重点满足教学需求急迫且覆盖面较大的模拟仿真实训教学的需要”。[1]2012年，教育部在《教育信息化十年发展规划（2011—2020年）》中强调要充分发挥信息技术在职业教育各环节中的支撑作用，建设优质的职业教育数字化资源，并明确提出要达到完成1 500套虚拟仿真实训实验系统建设目标。[2]在最新颁布的《教育信息化2.0行动计划》中再次强调，升级职业教育专业教学资源库建设，丰富职业教育学习资源系统。[3]由此可见，国家对我国职业教育的资源建设提出了高要求、高标准。可以说职业教育资源的全面、优化、创新建设是职业教育寻求创新发展的重要突破口。从建设职业教育虚拟仿真资源，到职业教育的教学环节中的创新性应用，再到职业教育教学模式的改变。不断发展成熟的虚拟仿真技术正在逐步地改变职业教育，虚拟仿真资源的创造性应用为职业教育的创新发展带来了前所未有的机遇。
一、虚拟仿真资源特征与意义
查阅关于虚拟仿真资源的研究文献，发现国内外学者对于虚拟仿真资源的概念界定较少且较为模糊。但研究者在开发技术上达成了共识，即认为虚拟仿真资源主要依靠虚拟现实技术和仿真技术进行开发的。其实在虚拟现实技术即VR技术还未发展相对成熟并且得到应用之前，仿真技术早在20世纪初就得已应用，当时的仿真资源就包含了仿真硬件、仿真模型、仿真数据和仿真软件等。80年代初，随着VR技术的不断发展和应用，虚拟仿真资源开始更加注重人机交互的体验，在原有的仿真模型、场景基础之上，更加注重从多感官全方位调动用户的感知能力，使用户在虚拟的三维空间体验真实空间的感受。因此，我们可以认为虚拟仿真区别于传统仿真的关键点，就在于这种仿真是基于虚拟现实技术的仿真。2016年我国学者王娟等给出了虚拟仿真资源较为完整的定义，认为虚拟仿真资源是指借助仿真技术和虚拟现实技术开发的、蕴含大量信息、可以被利用的各种显现的或潜隐的条件和要素，主要涉及基础设施和设备、实验材料（素材、案例、影视、动画、图片、课件、教具等）、实验软件、支持系统等，通常包括仿真模型、仿真数据、仿真软件和仿真平台。[4]
（一）虚拟仿真资源的特征
1.逼真性
环境逼真且环境对人所做的反应符合客观世界的规律。首先是模拟的环境与现实世界中的环境非常相像，给人感觉非常逼真。其次是当人以自然的行为作用于虚拟环境时，环境做出的反应也符合客观世界的规律。如当给虚拟物体施加一个力，该物体的运动就会符合力学定律，会沿着力的方向产生加速度。又如在虚拟场景中做化学实验，实验所产生的现象也符合化学反应的相应规律。
2.沉浸性
沉浸，理解为全神贯注于某种事物。虚拟仿真资源的首要特征就是沉浸性，即用户全身心贯注于计算机图形学、图像处理与模式识别、多传感器等多种技术模拟的多感官的三维虚拟世界中。这种沉浸感是深层次的，不仅仅局限于视觉感受的沉浸，还因其多重感官的刺激作用，如触觉、力觉、嗅觉甚至运动感知和身体感知，实现用户的心理沉浸。最终实现用户突破第三者的观察视角，而以主观者的视角全身心地参与到虚拟环境的活动中。如虚拟维修培训从视觉、听觉、触觉等各个渠道激活人的感官，从而“沉浸”于虚拟环境中，符合客观的认知规律，它可以非常方便地解决航空器维修培训中的理论与实践问题，能瞬时反馈各种信息，并检查培训成绩，对于同一项目可多次反复训练。[5]
3.交互性
所谓的交互性是指当使用虚拟仿真资源时，不仅是虚拟的环境作用于人，人也可以对虚拟的环境进行控制，并且虚拟环境还能够对人的操作予以实时的反应。如在汽车、数控、电子等制造工业中，利用虚拟仿真应用程序，通过参数控制模拟真实设备的机械性能，实时反馈实验结果，检验各种指令的正确性，通过反复练习达到操作练习的目的。[6]
4.构想性
虚拟仿真资源所呈现的环境是由人利用计算机模拟出来的，在这个虚拟环境中可能呈现出现实世界过去或现在真实存在的场景，也可呈现出现实世界未来可能存在的场景，甚至是现实世界并不可能存在的场景。用户沉浸在虚拟环境中，可通过与环境的感知、交互等行为，发挥自身的创造性。
（二）职业教育中虚拟仿真资源建设的意义
1.增强学习体验，提升教学效果
体验学习是教育者引导学生将自己的全部身心投入到与外部世界的交往之中，进而生成反思与实践的学习方式。[7]在职业教育中，体验式学习是最为关键的一种学习方式之一。虚拟仿真资源可为学习者构建一个较为真实的实训教学的环境，学习者在这个环境中可以不断地试错，引起学习者不断反思，想象如果在真实环境中遇到类似的问题应该如何处理，直到掌握该项技能。除了技能教学之外，职业领域的理论知识教学也尤为重要，结合虚拟仿真资源讲解理论知识，以可视化的呈现方式对理论进行深层次的剖析，不但可以激发学习者的学习兴趣，还对理论知识的深刻理解有极大的促进作用。
2.创造虚拟情境，强化技能训练
任何一项技能都不只是在某种单一且特定的情境下通过强化而习得的，而是在复杂的且不断变化的情境中通过不间断地练习来掌握的。虚拟仿真资源可为职业教育中典型的实训教学创设复杂的、多样的教学情境，允许学习者在可能预见不同的情境中创造性应用所学技能，实现不断强化技能的效果。例如，航天飞行学习者在获得基本的驾驶技能之后开始实际的飞行体验，但在这个过程中不可能遇见所有的天气情况，这也局限了学习者技能的全面提升和熟练掌握。但虚拟仿真的飞行驾驶场景可营造几乎所有可预见的不同可能情境，直观且真实地呈现给学习者，允许学习者反复训练。
3.突破时空限制，降低教学成本
在职业教育中，存在部分技能的实训会受到时间与空间的限制，使得实训难以开展。例如路桥专业的野外筑路实训、采矿工程专业的基础采矿实训、建筑施工专业的工程实施实训等，都对时间及空间提出了较高的要求，而虚拟仿真资源的有效提供可突破时间和空间的限制，满足学习者技能训练中对时间及场地的高要求。
此外，数控专业的零件加工實训、焊接专业的焊接实训等都需要耗费大量的实验材料，虚拟仿真资源具备可重复利用的特点，大大减少了在实验设备和实验材料的耗资。又如，分子生物学虚拟仿真教学平台只需要学生在电脑上按照软件的操作提示就可获得正确的实验结果， 学生既能更好地理解实验原理及操作步骤， 又能节约更多的时间反复操作加深理解， 能更系统地完成整个分子生物学实验的学习。[8]目前，大多虚拟仿真训练系统都融入了人工智能技术，可对学习者的操作进行跟踪并给出及时反馈，一定程度上解决了职业教育实训时师资不够的问题。因此无论是在人力还是物力方面虚拟仿真资源的使用都大大降低了教学成本。
二、职业教育虚拟仿真资源建设现状及挑战
（一）职业虚拟教育仿真资源建设现状
1.职业能力培养虚拟仿真实训中心建设现状
2015年教育部发布《高等职业教育创新发展行动计划（2015—2018年）》提出要大力开展职业能力培养虚拟仿真实训中心建设，从建设职业教育的资源建设方面主动适应数字化、网络化、智能化制造需要。[9]经过两年的不懈努力，究竟取得了什么样的阶段性成果呢？我们不妨来分析一下教育部发布的关于2016年和2017年《高等职业教育创新发展行动计划（2015—2018年）》执行情况及有关工作完成情况的通报，在省级教育行政部门承接项目执行情况里有一项任务就是建成一批职业能力培养虚拟仿真实训中心（50个左右）。[10—11]基于教育部所提供的高等职业教育创新发展行动计划2016年及2017年份任务（项目）承接省份启动情况一览表中的数据，做出以下分析。
在2016年，共24省启动了虚拟仿真实训中心项目，一共启动了595个虚拟仿真实训中心项目的开展工作，2017年在2016年的基础上有所增加，共启动692个虚拟仿真实训中心项目的开展工作。两年内，在全国范围的虚拟仿真实训中心启动项目实际布点数量共计1 287个。其中各地区、各省份的参与情况有所不同，反映出在虚拟仿真资源的建设方面存在着地区差异。
首先，从地区上的分布上来看，华东地区和华中地区在全国范围内的职业能力培养虚拟仿真资源的建设中走在前面，虚拟仿真实训中心启动项目所占百分比分别为33.95%和23.31%。西南地区、华北地区、华南地区仅次于华东地区和华中地区，而西北地区和东北地区的虚拟仿真资源的建设则相对落后，尤其是东北地区，其2016及2017两年内虚拟仿真实训中心启动项目所占百分比仅为0.39%。
其次，从各个省份和直辖市的分布情况来看，天津、云南、湖北、江苏及福建在职业能力培养虚拟仿真实训中心的资源的建设上最为积极，在职业教育虚拟仿真实训中心启动项目实际布点数量上存在明显的优势。山西、四川、重庆、河南、湖南、山东、上海、浙江、江西也在职业能力培养虚拟仿真实训中心的资源的建设方面做出了努力，两年时间内取得了一定的阶段性成果。而其余省份和直辖市则相对而言则需要更多财力和物力的投入，加快职业教育虚拟仿真资源的建设。
2.职业教育虚拟仿真资源建设的研究成果现状
以中国知网（CNKI）数据库为数据源，在CNKI数据库中选择高级检索类型，选择“主题”检索，以检索条件为 “虚拟仿真&职业教育”，搜索时间不限，搜索相关文献，获得164篇相关文献，经过手动筛选出了160篇，再以检索条件为“虚拟仿真实训&资源”“虚拟仿真实验&职业”手动筛选出46篇与职业教育领域的虚拟仿真相关的文献，最终总共获得与职业教育中虚拟仿真资源建设相关的文献206篇。
为考察职业教育虚拟仿真资源建设的研究成果，基于所选的文献，形成了职业教育虚拟仿真资源建设相关的研究文献的时间分布图谱，如图1所示。
总体来看，在职业教育领域关于虚拟仿真资源的研究文献的总数量很少，反映出虚拟仿真资源的系统设计、模型构建以及实际教学或实训中的应用方法、模式、策略等方面的理论成果很少。但整体呈上升趋势，表明随着仿真技术和虚拟现实技术的不断发展，虚拟仿真资源的相关研究开始受到一定的重视，但是程度仍然还远远不够。为开发更多不同职业技能培训的虚拟仿真资源，进一步加强虚拟仿真资源的有效运用，职业教育领域内关于虚拟仿真资源的理论研究是不可缺少的重要部分。因此，在职业教育领域内，扩大对虚拟仿真资源建设的相关研究范围，加强研究力度，形成更多的理论成果，将对虚拟仿真资源的建设起到促进作用。
（二）职业教育虚拟仿真资源建设面临的挑战
1.资源建设存在区域差异，阻碍专业人才均衡分布
职业教育可培养大批专门的专业技术人才，为我国各产业提供高素质、高技术的优秀技能性人才。我国在十九大报告中明确提出，提倡我国的产业链要更加均衡、充分的发展，也就意味着对人才的培养也要实现均衡培养，这种均衡不仅仅体现在专业人才的类型上，还应体现在区域的分布上。然而，目前在职业教育虚拟仿真实训中心的建设上就存在着明显的地区差异性，普遍来看，经济发达区域和城市的虚拟仿真资源建设要明显优于欠发达地区和城市。其中西北地区和东北地区在职业教育虚拟仿真资源建设方面存在着明显的不足，这也将阻碍当地各大职业院校培养更加精通技术、具有创造性能力的新时代高端技术人才。从而导致发达地区更加发达，而落后地区仍然落后的现象，这也违背了中国特色社会主义所要求的共同富裕原则。因此，如何努力均衡资源的分布、缩小资源配置的区域差异性，是职业教育虚拟仿真资源建设所面临的巨大挑战之一。
2.仿真资源缺乏系统设计，难以遵循学生认知规律
认知心理学家认为：学习是学习者对事物进行认识、辨别、理解，从而获得新知识的过程;学习者在学习情境中，运用已有的认知结构去认识、辨别，以至理解各个刺激之间的关系，增加自己的经验，从而改变自己的认知结构;常见的认知规律包括循序渐进、由浅入深、由表及里等规律。[12]虚拟仿真资源为学习者提供了虚拟的技能操作情境，而学习者能否在这个虚拟的情境中主动去探索、运用、创造，主要还是取决于资源本身的系统设计。目前，大多虚拟仿真教育资源仍然停留在学生的视觉认知层面，即从视觉上注重场景的还原与呈现，追求逼真的三维视觉效果。而在学生更为深层次的理解与记忆的认知层次则关注较少。虚拟仿真资源包含了虚拟仿真平台、虚拟仿真系统、虚拟仿真软件等多方面的内容，每一类资源都不单单停留在实现虚拟情境的基础上，而是要符合职业教育中技能习得的相关规律，循序渐进、由浅入深，从情景性、过程性和操作性多方面进行设计，让虚拟仿真资源不仅可以成为学生提高实践技能的帮手，同时也是培养学生创新意识和能力、内化理论知识的有效认知工具。
3.资源的智能化程度较低，实时交互反馈有待加强
虚拟仿真资源必将趋于更加智能化，符合职业教育教学理念的要求，同时也是人工智能技术不断发展成熟的必然结果。目前，大多数虚拟仿真资源更加注重虚拟场景的搭建，而智能化程度却有待提高。例如在机械设备拆装培训仿真软件中，提供的功能只包含了机械演示、自动演示、手动组装等演示和操作功能，而缺少对使用者行为的记录、自动化的测评，因此在操作训练完成之后，学习者并不能及时获得学习效果反馈，也不清楚究竟哪部分内容需要加强训练。虽然职业教育领域内虚拟仿真资源的建设是想通过虚拟手段解决现实无法实现之为，提高教学效率、降低教学成本，但是却不能仅仅局限在“虚拟仿真”层面，而是要融入人工智能技术，达到虚拟仿真资源高度智能化的高要求层面。所以虚拟仿真资源的建设如何有效运用自然语言处理技术、机器学习技术、语音及图像识别等人工智能主要技术，实现虚拟仿真系统的智能化考评、个性化指导、学情检测等功能是职业教育虚拟仿真资源建设的又一大挑战。
4.资源共建共享机制不足，资源利用率需逐步提高
优质的虚拟仿真资源应当是开放共享的，而不是封闭已有的。目前，用于提升专业技能的虚拟工厂、虚拟实训室与实操演练平台等虚拟仿真资源的使用情况存在着较大的差异性，部分职业院校资源较为充足，而部分职业院校却只拥有较少的虚拟仿真资源或者几乎没有虚拟仿真类型的资源。在这些拥有较多资源的职业院校里，也存在虚拟仿真资源的利用率不高的现象。如何让这些耗费了大量人力、物力和财力的优质虚拟仿真资源不闲置并且发挥其最大的效用，是非常重要的问题。因此，职业教育领域结合专业技能性人才培养的需求，建设一批优质的虚拟仿真资源之后，如何建立一种有效的共享机制，以扩大资源的覆盖范围和推动资源共享的可持续效应也是至关重要的。
三、职业教育虚拟仿真资源建设的对策
（一）加强区域合作，以强带弱促发展
首先，國家做好职业教育资源建设的顶层设计是推动职业教育领域虚拟仿真资源建设的前提，在结合我国职业教育资源建设的特征与需求的基础之上，融入国际视野，与国际上职业教育资源建设接轨，引进国际职业教育资源建设的技术标准、评价标准等。各地区、各省、各职业院校再结合自身的条件及需求，积极响应国家的政策，建设一批高质量的国家级、省级虚拟仿真实训资源库，积极申请与职业教育虚拟仿真资源建设相关课题，开展实践与研究。最终形成国家、省、职业院校三级结构的、组织有序的职业教育虚拟仿真资源建设组织结构。
其次，加强区域合作是均衡、协调各地区职业教育虚拟仿真资源建设的有效途径。一方面，要加强跨地区之间的交流与合作，例如，在职业教育虚拟仿真资源的建设的整体规划、策略制定、校企合作等经验上，各个不同地区可定期进行交流，借鉴成功经验，加快虚拟仿真资源的建设。另一方面，不同地区的职业院校可定期开展虚拟仿真资源远程共享、学术交流等活动。通过以强带弱的方式，支持和指导在虚拟仿真资源建设方面较为落后的地区和职业院校。这种方式不仅可以促进职业教育领域内虚拟仿真资源建设的均衡分布，同时也对职业教育所培养的高技术性人才的均衡分布起到一定的促进作用。
（二）符合科学设计，认知规律需遵循
虚拟仿真教育资源在还原和虚拟三维场景的基础之上，还应遵循学习者的认知规律。认知科学主张，要了解人的认知过程、记忆知觉、思维等认知形象是怎样相互交织在一起的，再把人的认知过程整体、综合地加以分析。[13]虚拟仿真设计的认知因素更多地表现在产品开发过程中的认知方面，即人们对所感知的信息进行认识、理解、鉴别、判断、分析、推理等的心理与思维过程。[14]因此，虚拟仿真资源所蕴含的知识体系一定是经过系统设计的，而不是杂乱无章地呈现给学习者。
第一，虚拟仿真教育资源要符合视觉认知规律。这其中就包含了在资源设计过程中应考虑颜色、亮度感知、线条设计、空间布局及注意搜索等因素。第二，虚拟仿真教育资源要遵循记忆认知规律。根据学习者在不同学习场景对信息进行编码、储存和提取过程的特点，即记忆认知的规律，对虚拟仿真资源所蕴含的知识点有组织、系统地设计嵌入到虚拟仿真资源的观摩学习和实践使用过程中。第三，虚拟仿真教育资源要遵循理解学习认知规律。虚拟仿真教育资源在职业教育领域大多用在学生的技能实训环节中，要求让学生在使用相关专业技能训练的虚拟仿真资源后，有效地帮助学生深入理解所学的内容“是什么”“怎么样”“为什么”。即在识别和辨别的基础之上，不仅要理解所学知识的原理和法则等内涵，还要系统化和具体化，对知识重新建立或者调整认知结构，达到知识的融会贯通，具备迁移运用的能力。即使置身于真实的不同场景，学习者仍然能够灵活地运用所学的专业化知识技能解决实际问题。
（三）提升智能水平，个性发展求创新
人工智能技术与虚拟仿真技术进行深度结合，构建智能化的虚拟仿真场景和学习辅助工具，是未来虚拟仿真资源建设的重点方向。当前，职业教育领域需要更加智能化、个性化的虚拟仿真资源，以实现职业教育学生技能训练的个性化、高效化。
智能化的虚拟仿真系统可实现对学生的操作行为进行实时跟踪与记录、智能测评与即时反馈的功能，甚至还可实现对学习者行为的预测功能。人工智能与虚拟仿真技术的结合，将会实现整合学生心理和行为数据进行统筹分析，来刻画学习者数据化肖像模型，提供个性化的操作技能指导。例如，同一学生在使用同一虚拟仿真系统进行技能训练时，系统对其行为有记忆功能，当在某个关键步骤总是出错时，系统则会提前给予适当的提示，并给出正确操作的指引，当下次该同学再次使用该系统练习时，系统则会智能预测学生的操作行为意向，提供个性化的指导。不仅要让学生在高度逼真的虚拟环境中进行技能学习，还要让学生在高度智能化的虚拟情境中进行真正个性化的创新学习才是虚拟仿真教学资源的发展方向。因此，在当前虚拟仿真教学资源的开发过程中，要将虚拟仿真技术和人工智能技术有效地结合。
要实现职业教育的学生个性化的创新发展，一方面，要靠教学过程中通过教学模式与方法的运用努力培养学生解决实际问题和创新创造的能力。另一方面，需要通过提供智能化的学习资源，促进个性化的技能习得。校企合作开发是实现智能化虚拟仿真教学资源建设的主要途径之一，企业提供虚拟仿真与人工智能关键技术，校方则依据教学需求、教学规律等提供设计与开发思路，通过双方合力共同开发智能化的虚拟仿真教学资源。
（四）按照逐层设计，共建共享求均衡
在职业教育虚拟仿真资源的建设与应用方面，要形成国家层面统筹引领、区域层面贯彻推进、院校层面落地实践的局面。在职业教育虚拟仿真资源建设的技术、指标、评价标准等各个方面，通过逐层设计、有针对性地切入当前职业教育教学需求最大的领域，解决职业教育专业技能训练中教学与学习资源短缺的实际问题，节约教学成本、提升学生专业技能训练的效果。例如，在学校层面，虚拟资源建设可采用三种模式，分别为外购、合作开发和自主开发三结合的立体建设模式，[15]而不是采用其中某种单一的建设模式，或是完全依靠外购来满足教学需求，应形成一支在虛拟仿真资源开发技术等方面有深入研究的专业团队。
其次，还应建立合理、完善的虚拟仿真资源共建共享机制，其中包含了调控机制、管理机制、规范机制、评价机制等一系列系统的机制。其目的一方面是形成资源共享，一方面是优化区域的配置。例如，在调控机制方面，各区域从区域的职业教育虚拟仿真资源发展的战略出发，制定、颁布有关虚拟仿真资源共建共享的政策，全方位提升各级组织和学校在资源共建共享方面的意识。在管理机制方面，打破教育行政部门主导的管理机制，形成教育行政和职业院校合作管理的机制，使学校成为虚拟仿真资源建设与应用的主体，成为资源共建共享机制探索的中坚力量。此外，创新机制是促进资源流动、共享的根本动力。所谓的创新机制是指不同区域必须结合本身的发展特点和当地职业教育的发展趋势，创造出具有特色的、有利于自身不断发展的资源共建共享的观念和模式。
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