朱韶平,肖永良
(湖南財政經(jīng)濟學院信息管理系長沙410205)
隨著經(jīng)濟和科技的飛速發(fā)展,社會對計算機專業(yè)的人才培養(yǎng)提出了更新更高的要求,市場需求大批具有實踐性、創(chuàng)造性、能直接服務(wù)于社會經(jīng)濟發(fā)展的應(yīng)用型人才。計算機專業(yè)應(yīng)用型人才應(yīng)具有計算思維能力、基本操作能力、算法分析與編程能力、系統(tǒng)綜合開發(fā)能力、應(yīng)用能力、工作能力和創(chuàng)新能力,即應(yīng)用計算機專業(yè)知識解決實際專業(yè)問題的能力和跨職業(yè)的能力。應(yīng)用能力的培養(yǎng)需要計算機專業(yè)理論知識的支撐,更需要理論聯(lián)系實踐,奠定學生堅實的實踐基礎(chǔ)。實踐是檢驗知識、發(fā)展思維、培養(yǎng)能力和鍛造人才的必由之路。
傳統(tǒng)的實踐教學由于受教學環(huán)境、教學條件和教學模式等的局限,實踐教學很大程度上仍然停留在教學方法單一、枯燥和低效的教師教、學生學的層次上,知識學習和實踐動手操作相互分離,學生缺乏學習主動性和創(chuàng)造性,不能有效地培養(yǎng)和鍛煉學生的實踐能力和創(chuàng)造能力,人才培養(yǎng)與社會需求脫節(jié)。為適應(yīng)社會對計算機專業(yè)人才需求改變的新形勢,培養(yǎng)人文素質(zhì)高、專業(yè)基礎(chǔ)扎實、實踐能力強的高級應(yīng)用型人才,計算機專業(yè)實踐教學改革勢在必行[1]。
為了改善計算機專業(yè)實踐教學條件、改革實踐教學方法和教學內(nèi)容、提高計算機專業(yè)實踐教學課程的開設(shè)水平,把虛擬現(xiàn)實技術(shù)引入計算機專業(yè)實踐教學環(huán)節(jié)已成為一種必然趨勢。虛擬現(xiàn)實技術(shù)是一種強有力的輔助教學手段,它能改革傳統(tǒng)的實踐教學模式,解決傳統(tǒng)實踐教學中存在的問題,加快學生對知識的掌握與深化,有利于培養(yǎng)學生的實踐能力和創(chuàng)造能力。
虛擬現(xiàn)實是基于計算機圖形學、計算機仿真技術(shù)、人機接口技術(shù)、多媒體技術(shù)以及傳感技術(shù)的沉浸式交互環(huán)境,它與傳統(tǒng)的模擬技術(shù)完全不同,是模擬環(huán)境、視景系統(tǒng)和仿真系統(tǒng)三者的有機結(jié)合。對該技術(shù)的研究始于20世紀60年代,進入90年代,虛擬現(xiàn)實技術(shù)開始作為一門較完整的體系備受人們的關(guān)注。目前,虛擬現(xiàn)實技術(shù)已廣泛應(yīng)用于軍事、航空航天、工程建筑、城市規(guī)劃、醫(yī)學、機械制造、教育、科研、金融、娛樂等領(lǐng)域。虛擬現(xiàn)實技術(shù)具有沉浸性、交互性、多感知性、構(gòu)想性和實體自主性,在計算機專業(yè)實踐教學中的應(yīng)用具有其他媒體不可比擬的優(yōu)勢。
虛擬實驗教學系統(tǒng)是一種運用虛擬現(xiàn)實技術(shù)模擬真實實驗的計算機教學軟件。它采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)在計算機上建立虛擬實驗室環(huán)境,提供可操作的虛擬實驗儀器,使學生在互聯(lián)網(wǎng)上通過接近真實的人機交互界面完成實驗,同時提供網(wǎng)絡(luò)實驗教學一體化管理等功能[2]。虛擬實驗教學系統(tǒng)由身份認證模塊、分支門戶模塊、虛擬實驗室、安全管理模塊、系統(tǒng)管理模塊等主要模塊組成,其系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)如圖1。
圖1 虛擬實驗教學系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖
身份認證模塊可根據(jù)登陸的用戶名,判別用戶的身份,賦予其相應(yīng)的權(quán)限等功能。虛擬實驗室是系統(tǒng)的核心模塊具有自主學習、網(wǎng)上實驗及網(wǎng)上實驗教學、實驗報告評閱等功能。安全管理模塊具有實驗維護、參數(shù)維護及傳輸加密等功能。系統(tǒng)管理模塊具有系統(tǒng)初始化、權(quán)限管理和實驗教學管理等功能[3]。
虛擬實驗教學系統(tǒng)能模擬真實實驗中所使用的實驗器材和設(shè)備,提供與真實實驗相似的實驗環(huán)境,使學生完全沉浸在由虛擬實驗教學系統(tǒng)所創(chuàng)建的實驗環(huán)境中,如對虛擬實驗儀器和設(shè)備進行操作等。虛擬實驗教學系統(tǒng)中物體運動的設(shè)計依據(jù)物理運動定律,為學習者提供諸如視覺、聽覺、觸覺和味覺等各種直觀而又自然的實時感知交互手段,以獲得身臨其境的感受,它實現(xiàn)了人的臨場化,營造了一種“自主學習”和多樣化、實用化和個性化的學習環(huán)境。
虛擬實驗教學系統(tǒng)融合了計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、虛擬現(xiàn)實和多媒體等技術(shù)具有虛擬設(shè)備和設(shè)施易于升級、優(yōu)化和功能全、低成本、無危險、網(wǎng)絡(luò)化等諸多優(yōu)點,是今后實踐教學研究的一種新型模式?;谔摂M現(xiàn)實技術(shù)的虛擬實驗教學系統(tǒng)應(yīng)用于實踐教學可以解決以下幾方面的問題:在信息展示方式上打破時間和空間的限制,學生可以不受時空限制進行課程實驗;虛擬實驗室可以避免真實實驗或操作中的危險環(huán)節(jié)所帶來的各種危險;虛擬實驗室可以節(jié)約教學成本,充分利用教學資源;有利于挖掘?qū)嵺`教學的潛能。采用基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的虛擬實驗教學系統(tǒng)能改善實踐教學環(huán)境,優(yōu)化實踐教學過程,增加具有高新技術(shù)的實踐教學內(nèi)容,引導(dǎo)學生接觸新知識、新技術(shù),開發(fā)學生的智能,增強跨學科研究的意識和創(chuàng)新能力,提高實踐教學質(zhì)量,培養(yǎng)適應(yīng)社會經(jīng)濟發(fā)展需求的計算機應(yīng)用型人才。
1.以培養(yǎng)實踐能力與創(chuàng)新能力為目標,將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于計算機專業(yè)的實踐教學,改善實踐教學環(huán)境,優(yōu)化實踐教學內(nèi)容,改革實踐教學的方法和手段,構(gòu)建科學的計算機專業(yè)實踐教學體系[4][5]。
2.進一步加強計算機專業(yè)實驗室建設(shè),加大虛擬實驗教學系統(tǒng)和虛擬實驗儀器等的研發(fā)力度,應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)創(chuàng)建設(shè)備先進、管理規(guī)范、與時俱進的開放式虛擬實驗教學平臺,建設(shè)內(nèi)容先進、受益面大的實驗教學項目,以先進的實驗內(nèi)容帶動虛擬實驗室的建設(shè)。
3.加強以計算機專業(yè)重點學科帶頭人及教授、博士為學術(shù)帶頭人的實踐教學團隊建設(shè),營造濃厚的實驗教學和學術(shù)研究氛圍,采取有效措施引導(dǎo)理論課程教師積極參與實驗教學與改革研究,建立實驗教師培訓(xùn)制度,有計劃地加強對實驗教師專業(yè)技能培訓(xùn),加快實驗教師的知識更新,提高實驗教師的整體素質(zhì)和實踐教學水平。
4.構(gòu)建基于網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗環(huán)境下的實驗教學、實驗預(yù)習、實驗預(yù)約及實驗教學質(zhì)量保證體系[6],對實驗教學過程進行嚴格管理、監(jiān)控和考核,確保實驗教學達到預(yù)期效果。
1.改革實驗教學模式。應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)構(gòu)建的開放式虛擬實驗室,為學生營造一種“自主學習”及多樣化、實用化和個性化的實踐環(huán)境,學生可以在網(wǎng)上自主選擇實驗項目和實驗時間,自主參與及完成開放性實驗和創(chuàng)新研究性實驗等,實現(xiàn)全開放式實踐教學。改革傳統(tǒng)實踐教學受教學環(huán)境、教學條件和教學模式等的局限,構(gòu)建以學生為主體、教師為主導(dǎo)、實驗為主線、能力為目的及個性化教育的實踐教學模式,突出應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。
2.改革實踐教學的內(nèi)容。利用虛擬實驗教學系統(tǒng),可靈活方便地融合多門專業(yè)課程知識,將關(guān)聯(lián)課程的實踐教學環(huán)節(jié)進行集成和優(yōu)化,設(shè)計難度適中、內(nèi)容豐富、可擴展性和操作性強、并與實際工作接軌的模塊化的實踐教學內(nèi)容分階段地在多門課程的實踐教學中展開,激發(fā)學生學習的主動性和創(chuàng)造性,提高綜合應(yīng)用的能力。如融合“Java程序設(shè)計技術(shù)”與“嵌入式系統(tǒng)”的課程知識,結(jié)合實際應(yīng)用及業(yè)界動態(tài)設(shè)計開發(fā)基于移動計算平臺的應(yīng)用系統(tǒng)等適合學生的實踐教學內(nèi)容,將實踐教學變成一項富有趣味性、挑戰(zhàn)性和實用性的工作,分階段培養(yǎng)學生的實踐能力和創(chuàng)造能力。
3.改革實驗教學方法和手段。通過利用虛擬實驗教學系統(tǒng),把實驗技術(shù)和教師科研的最新成果應(yīng)用到計算機專業(yè)的實驗教學當中,采用課內(nèi)授課與課外實踐相結(jié)合的方式,增加具有高新技術(shù)的實驗項目,加強綜合性、設(shè)計性和創(chuàng)新研究性實驗教學。引導(dǎo)學生接觸新知識、新技術(shù),開闊學生的視野,開發(fā)學生的智能,激發(fā)學生學習的主動性和創(chuàng)造性。如通過實驗課程、實驗項目、研究課題和實驗資源的開放,鼓勵和吸引更多的學生開展大學生研究性學習和創(chuàng)新性實驗計劃項目等課外科技活動,培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力和科學探究能力。鼓勵學生參加省級、國家級的程序設(shè)計大賽等,提高學生的算法分析和編程能力。
運用虛擬實驗教學系統(tǒng),創(chuàng)建有利于學生個性化發(fā)展的開放式虛擬實踐教學環(huán)境,教師和學生通過網(wǎng)絡(luò)在線訪問虛擬實驗教學系統(tǒng),進行實驗創(chuàng)作、網(wǎng)上實驗教學及實驗報告評閱、自主學習、實驗預(yù)習、網(wǎng)上實驗等。做到實驗前有預(yù)習、實驗操作有指導(dǎo)、實驗步驟有演示、實驗結(jié)果有監(jiān)管等多手段提高實踐教學效果,引導(dǎo)學生進行研究式學習,著力培養(yǎng)學生的實踐能力和綜合素質(zhì)。
4.改革實驗教學考核方式。建立對學生訓(xùn)練效果多元化的綜合考核方式,增加實驗操作、實踐技能的考核比重,突出對能力的考核,并針對不同課程的要求和特點,將實驗平時成績、實驗報告和實驗創(chuàng)新成績進行綜合考慮。注重對學生綜合運用知識能力和創(chuàng)新能力的考核,增加對學生學習過程的評價,主要包括實驗預(yù)習、實驗操作、實驗結(jié)果和實驗報告等方面,通過學習效果評價方式的轉(zhuǎn)變,創(chuàng)造一個良好、寬松、和諧的學習環(huán)境,在學習過程的評價中發(fā)現(xiàn)問題、解決問題,培養(yǎng)學生的思維能力和創(chuàng)新能力。
針對傳統(tǒng)實踐教學中存在的“重理論,輕實踐,學生應(yīng)用能力差,實踐能力薄弱”等問題,從培養(yǎng)學生實踐能力和創(chuàng)新能力出發(fā),提出了基于虛擬實驗室的計算機專業(yè)實踐教學改革的思路和方案?;谔摂M現(xiàn)實技術(shù)的虛擬實驗室為學生創(chuàng)造了良好的實踐環(huán)境,它優(yōu)化了實踐教學的內(nèi)容及過程,能有效地調(diào)動學生學習的積極性和主動性,提高學生觀察、分析及解決問題的能力,培養(yǎng)學生的實踐能力和創(chuàng)造能力。其在計算機專業(yè)的實踐教學中的應(yīng)用對改善實踐環(huán)境,優(yōu)化教學過程,提高實踐教學水平,培養(yǎng)具有實踐能力和創(chuàng)新能力的高級應(yīng)用型人才將會產(chǎn)生深遠的影響。
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