基于虛擬實驗室的計算機專業(yè)實踐教學改革研究

朱韶平，肖永良

（湖南財政經(jīng)濟學院信息管理系長沙410205）

一、引言

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。

二、虛擬現(xiàn)實技術(shù)與虛擬實驗教學系統(tǒng)

（一）虛擬現(xiàn)實技術(shù)

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。

（二）虛擬實驗教學系統(tǒng)

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。

三、基于虛擬實驗室的計算機專業(yè)實踐教學改革

（一）改革思路

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。

（二）改革方案

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。

四、結(jié)論

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。

[1]何炎祥.IT發(fā)展與創(chuàng)新人才培養(yǎng)[J].計算機教育,2009,(2):9-14.

[2]歐陽星明,等,網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室的設(shè)計與實現(xiàn)[J].計算機工程,2004,(2):185-186.

[3]朱韶平.基于Web ActiveX數(shù)據(jù)控件的網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室構(gòu)建[J].計算機技術(shù)與自動化,2010,(12):104-106.

[4]王浩,胡學鋼,等.計算機專業(yè)實踐教學體系的研究與建設(shè)[J].計算機教育,2007,(22):73-76.

[5]王志英,蔣宗禮,楊波,等.計算機科學與技術(shù)專業(yè)實踐教學體系與規(guī)范研究[J].中國大學教學,2009,(2):42-44.

[6]王志英.計算機科學與技術(shù)專業(yè)實踐教學體系研究[J].計算機教育,2008(3):18-20.