網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在高等教育網(wǎng)絡(luò)化、信息化中的應(yīng)用研究

蘇福根　金紅莉　朱新宇

摘 要：根據(jù)現(xiàn)階段高校信息化與數(shù)字化校園建設(shè)需求，本文論述了高校網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)的必要性、國(guó)內(nèi)外應(yīng)用發(fā)展情況、系統(tǒng)特點(diǎn)及在未來(lái)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的優(yōu)勢(shì)。

關(guān)鍵詞：網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn) 教學(xué)平臺(tái) 教育網(wǎng)絡(luò)化

中圖分類號(hào)：TP391.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1673-8454（2009）09-0069-02

一、引言

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高校教學(xué)工作的重要組成部分，在培養(yǎng)應(yīng)用型、創(chuàng)新型人才方面發(fā)揮著十分重要的重要。為適應(yīng)教育現(xiàn)代化、網(wǎng)絡(luò)化、信息化的發(fā)展趨勢(shì)，有必要利用校園網(wǎng)建立網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，確立實(shí)際操作與計(jì)算機(jī)模擬仿真相結(jié)合的新型實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式以不斷提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平。

二、網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)的必要性

虛擬實(shí)驗(yàn)是指在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的各種虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，由實(shí)驗(yàn)所依賴的模擬程序、實(shí)驗(yàn)單元、工具和參考資料組成，實(shí)驗(yàn)者可以像在真實(shí)的環(huán)境中一樣完成各種預(yù)定的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。[1]

網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)是基于互聯(lián)網(wǎng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理與溝通平臺(tái)，包括網(wǎng)上實(shí)驗(yàn)開發(fā)、網(wǎng)上實(shí)驗(yàn)、網(wǎng)上交流等多種服務(wù)的綜合教學(xué)支撐平臺(tái)。網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)是多媒體計(jì)算機(jī)技術(shù)、仿真技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的結(jié)合。

網(wǎng)上虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以作為實(shí)驗(yàn)室教學(xué)的完善和補(bǔ)充，兩者互有優(yōu)勢(shì)，互為補(bǔ)充，相輔相成。網(wǎng)上虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)作為一種新的教學(xué)模式，一方面可以有效解決目前教學(xué)經(jīng)費(fèi)緊張、實(shí)驗(yàn)設(shè)備不足、實(shí)驗(yàn)設(shè)備陳舊、課程學(xué)時(shí)少和講授內(nèi)容多的矛盾。另一方面可以提高教學(xué)效果,提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性,理解和掌握實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，在一定程度上可以代替部分實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。隨著網(wǎng)上遠(yuǎn)程教育的不斷發(fā)展，網(wǎng)上虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)作為網(wǎng)上遠(yuǎn)程教育的一部分，也將得到廣泛的推廣。

開展網(wǎng)上虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)，有利于各高校之間的教學(xué)資源共享?？梢酝ㄟ^建立高校網(wǎng)上虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，以知名高校和中心研究院做為龍頭，帶動(dòng)整個(gè)網(wǎng)上虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)發(fā)展，形成輻射狀的教學(xué)網(wǎng)絡(luò)，從而提高整個(gè)教學(xué)資源的利用率。

三、國(guó)內(nèi)外網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)情況

虛擬實(shí)驗(yàn)室技術(shù)的研究和應(yīng)用得到了許多科研機(jī)構(gòu)和軟件供應(yīng)商的重視，許多國(guó)內(nèi)外的大學(xué)都建立了虛擬實(shí)驗(yàn)室，開展了網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)。美國(guó)印地安那州立大學(xué)的ＭＢＬ化學(xué)實(shí)驗(yàn)室，在給新生開化學(xué)實(shí)驗(yàn)課時(shí)用計(jì)算機(jī)采集與分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，用計(jì)算機(jī)展示實(shí)驗(yàn)，在網(wǎng)上發(fā)布相關(guān)的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)材料；芝加哥伊利諾伊大學(xué)數(shù)字化有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室，充分利用網(wǎng)絡(luò)資源，在網(wǎng)上提供了一系列的實(shí)驗(yàn)教學(xué)指導(dǎo)：在線實(shí)驗(yàn)教材，實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)間表，實(shí)驗(yàn)測(cè)評(píng)方法、形式、時(shí)間，虛擬實(shí)驗(yàn)，相關(guān)教學(xué)資源的鏈接等，他們還用計(jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)的教務(wù)管理；卡羅萊納州立大學(xué)的ＬＡＡＰ（Ｌｅａｒｎ Ａｎｙｔｉｍｅ Ａｎｙｗｈｅｒｅ Ｐｈｙｓｉｃｓ），利用Ｊａｖａ技術(shù)建立了基于Ｗｅｂ的探索式虛擬物理實(shí)驗(yàn)室，主要有以下幾個(gè)模塊：基于Ｊａｖａ Ａｐｐｌｅｔ的虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)設(shè)施、相關(guān)的實(shí)驗(yàn)課程模塊、實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)結(jié)果評(píng)價(jià)模塊、協(xié)作學(xué)習(xí)模塊；北卡羅琳那（ＮｏｒｔｈＣａｒｏｌｉｎａ）大學(xué)創(chuàng)建了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與教育實(shí)驗(yàn)室（ＶＲＥＬ）。該實(shí)驗(yàn)室的目的是評(píng)價(jià)虛擬現(xiàn)實(shí)的硬件與軟件，考察虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)教育的影響及其在真實(shí)世界中的應(yīng)用，并把虛擬現(xiàn)實(shí)與其他教育媒體的效果進(jìn)行比較；還有由美國(guó)科學(xué)探索網(wǎng)絡(luò)開發(fā)的學(xué)習(xí)化學(xué)酸堿度知識(shí)的“ＰＨ酸堿度”網(wǎng)上虛擬實(shí)驗(yàn)室，學(xué)習(xí)者可在良好的網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)環(huán)境里通過各種實(shí)驗(yàn)活動(dòng)學(xué)習(xí)酸堿度知識(shí)，豐富化學(xué)的認(rèn)知結(jié)構(gòu)。

在國(guó)內(nèi)：北京師范大學(xué)現(xiàn)代教育技術(shù)研究所與北京３０１醫(yī)院合作利用ＱｕｉｃｋＴｉｍｅＶＲ技術(shù)開發(fā)的內(nèi)消化道的病變?cè)\斷教學(xué)系統(tǒng)。上?？萍季W(wǎng)和華東師范大學(xué)多媒體技術(shù)研究室合作開發(fā)了網(wǎng)上“科技創(chuàng)新博物館”。清華大學(xué)和北京郵電大學(xué)、北京工業(yè)大學(xué)等共同建設(shè)的網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)的網(wǎng)上虛擬土壤作物系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室等。這些成功的案例為虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展起到了積極的推動(dòng)作用。[２]

目前，國(guó)內(nèi)開展網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)研究和教學(xué)比較好的是北京郵電大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院網(wǎng)絡(luò)教育技術(shù)研究所。為解決高校日趨緊張的實(shí)驗(yàn)設(shè)備及實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地等實(shí)驗(yàn)教學(xué)問題，針對(duì)工科院校本科教育中Linux操作系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、電路分析基礎(chǔ)、數(shù)字電路與邏輯設(shè)計(jì)課程的實(shí)驗(yàn)薄弱環(huán)節(jié)，在國(guó)家十五科技攻關(guān)項(xiàng)目的支持下，經(jīng)過多年研究，他們開發(fā)了一套配合教學(xué)并可在網(wǎng)上開展的基于B/S結(jié)構(gòu)的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。系統(tǒng)平臺(tái)模擬真實(shí)實(shí)驗(yàn)中用到的實(shí)驗(yàn)器材和設(shè)備，提供與真實(shí)實(shí)驗(yàn)相似的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，提供網(wǎng)上實(shí)驗(yàn)管理功能，還能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)教學(xué)與管理，可支持多用戶同時(shí)在線操作。該系統(tǒng)已在大連理工大學(xué)、北京郵電大學(xué)、北京郵電大學(xué)世紀(jì)學(xué)院、華北電力大學(xué)、山東科技大學(xué)、大連廣播電視大學(xué)等高校的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中得到了應(yīng)用，目前已經(jīng)取得三項(xiàng)軟件著作權(quán)，獲得第九屆全國(guó)多媒體教育軟件大獎(jiǎng)賽高等教育網(wǎng)絡(luò)課程組優(yōu)秀獎(jiǎng)，2006年獲得高校實(shí)驗(yàn)室工作研究會(huì)優(yōu)秀論文獎(jiǎng)，2007年在全國(guó)實(shí)驗(yàn)室管理和虛擬實(shí)驗(yàn)工作會(huì)議上向與會(huì)人員介紹經(jīng)驗(yàn)。

四、網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)特點(diǎn)及在未來(lái)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的優(yōu)勢(shì)

網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是一個(gè)集虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理系統(tǒng)、實(shí)驗(yàn)課教學(xué)指導(dǎo)系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)仿真等為一體的功能強(qiáng)大的網(wǎng)上運(yùn)行系統(tǒng)，系統(tǒng)具有成本低、效率高，不受時(shí)空限制、操作安全、高度交互性、實(shí)時(shí)的信息反饋等優(yōu)勢(shì)。具體體現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：

1.克服了實(shí)驗(yàn)時(shí)間與空間上的限制：網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是一個(gè)開放的實(shí)驗(yàn)平臺(tái),通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),師生將不受時(shí)空的限制,可以自由地、無(wú)顧慮地隨時(shí)隨地進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)操作選定的儀器,學(xué)生可方便地進(jìn)行任一專業(yè)、任一課程的實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí),并及時(shí)獲取與實(shí)驗(yàn)教學(xué)及管理有關(guān)的各種信息?；蚺c他人協(xié)作,共享儀器設(shè)備,共享數(shù)據(jù)和計(jì)算資源,同一個(gè)實(shí)驗(yàn)可以由不同地點(diǎn)、不同微機(jī)上的多個(gè)人來(lái)共同完成。學(xué)生可得到教師的遠(yuǎn)程指導(dǎo)以及與同學(xué)相互研討,跨越時(shí)空師生間的交互仍可順暢地實(shí)現(xiàn)。從根本上突破了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)受時(shí)間、地點(diǎn)的限制,凸顯開放性和交互性,提高了教學(xué)效率。為極大限度地?cái)U(kuò)大實(shí)驗(yàn)教學(xué)的地域范圍和在時(shí)間選擇上的自由度提供了條件和技術(shù)支持,實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)在時(shí)空上的擴(kuò)展。[3]

2.促進(jìn)了學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)：實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段的現(xiàn)代化為學(xué)生開展創(chuàng)新活動(dòng)營(yíng)造了良好的條件。學(xué)生可以在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下開展綜合性的實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新型的實(shí)驗(yàn)，徹底擺脫了原有實(shí)驗(yàn)條件的約束，在更深、更廣的知識(shí)領(lǐng)域內(nèi)探索。利用網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)環(huán)境，可以發(fā)揮實(shí)驗(yàn)者的想像力，去實(shí)現(xiàn)自己的設(shè)計(jì)，而不受器材、儀表等的限制，同時(shí)也不用擔(dān)心實(shí)驗(yàn)的失敗會(huì)對(duì)相關(guān)設(shè)備造成損壞。這無(wú)形中為學(xué)生的創(chuàng)造力發(fā)揮提供了十分廣闊的實(shí)驗(yàn)空間，這是傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ剿鶡o(wú)法比擬的。[4]

３．減少了設(shè)備消耗、節(jié)省了實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)：與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室相比，虛擬實(shí)驗(yàn)室給高校節(jié)省了很大一部分的經(jīng)費(fèi)，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的建造費(fèi)用、設(shè)備采購(gòu)費(fèi)用，儀器保養(yǎng)維修費(fèi)用等都是一筆相當(dāng)大的開支；一方面，學(xué)生開展設(shè)計(jì)性、綜合性實(shí)驗(yàn)時(shí)，可以先在網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行模擬仿真實(shí)驗(yàn)，在得到最佳方案后再進(jìn)行實(shí)物實(shí)驗(yàn)，這有效地避免了學(xué)習(xí)的盲目性，極大地提高了實(shí)驗(yàn)的成功率；另一方面，對(duì)一些復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目或有一定危險(xiǎn)性的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，可由仿真來(lái)完成，既減少了元器件的損耗，又降低了電子儀器的損壞率。

4.完善了網(wǎng)絡(luò)教育技術(shù)：實(shí)驗(yàn)教學(xué)一直都是網(wǎng)絡(luò)教育中的一個(gè)薄弱環(huán)節(jié)，虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)深入開展網(wǎng)絡(luò)教育是一個(gè)很大的促進(jìn)。通過實(shí)驗(yàn)教學(xué)輔助系統(tǒng)、實(shí)驗(yàn)報(bào)告提交系統(tǒng)、網(wǎng)上答疑系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，極大地方便了學(xué)生的自學(xué)和自我檢查，提高了實(shí)驗(yàn)管理的現(xiàn)代化水平。同時(shí)，在一定程度上減輕了教師的工作量。

5.與網(wǎng)站的結(jié)合：網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的使用是以網(wǎng)頁(yè)的形式進(jìn)行發(fā)布，可輕松實(shí)現(xiàn)與學(xué)校網(wǎng)站資源的無(wú)縫有效鏈接。

６．實(shí)驗(yàn)操作安全：利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)， 可以避免直接接觸危險(xiǎn)的或?qū)θ梭w健康有危害的實(shí)驗(yàn)， 不會(huì)處于潛在危險(xiǎn)的壓力之中，一心專注于實(shí)驗(yàn)。學(xué)生在虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，可以放心實(shí)驗(yàn)，大膽操作，積極開拓思維，掌握更多的實(shí)驗(yàn)技巧。

７．高度開放性和資源共享性：基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬實(shí)驗(yàn)打破了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的模式，實(shí)驗(yàn)者不再受時(shí)間、空間上的制約，隨時(shí)隨地進(jìn)入虛擬實(shí)驗(yàn)室開始自己的實(shí)驗(yàn)。而教師可以共享教學(xué)信息資源，促進(jìn)相互交流，節(jié)省教學(xué)資源和快速反饋教學(xué)問題，使整個(gè)辦學(xué)規(guī)模和質(zhì)量實(shí)現(xiàn)快速、優(yōu)質(zhì)、低耗。

五、結(jié)束語(yǔ)

網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)轉(zhuǎn)型意義深遠(yuǎn)，網(wǎng)上虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)可作為傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室教學(xué)的完善和補(bǔ)充, 兩者優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，相輔相成。網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)是現(xiàn)代化的教學(xué)手段，其在高校教學(xué)中的應(yīng)用，必將引發(fā)教學(xué)思想和教學(xué)模式的改變，從而提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。

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