虛擬仿真教學(xué)的發(fā)展現(xiàn)狀

晁政 劉鴻宇 黃武 黎人華 康勇

【摘要】傳統(tǒng)教學(xué)中存在學(xué)生多、資金不足、場地不足等的缺點(diǎn)，結(jié)合虛擬仿真技術(shù)建立虛擬實(shí)驗教學(xué)平臺可以彌補(bǔ)不足并提高學(xué)生主動思考和動手能力。介紹了虛擬仿真教學(xué)的設(shè)計原則、主要技術(shù)、國內(nèi)外現(xiàn)狀以及對未來發(fā)展的展望。

【關(guān)鍵詞】傳統(tǒng)教學(xué);虛擬仿真;平臺;展望

The Current Situation and Development of Virtual Simulation Teaching

North University of China ?Chao Zheng ?Liu Hong-yu

Chengdu Taimeng Software Co.LTD ?Huang Wu ?Li Ren-hua ?Kangyong

Abstract：There are disadvantages of traditional teaching，such as lots of students，lack of funds，Insufficient space and so on.The establishment of virtual experiment teaching platform with virtual simulation technology would make up for deficiencies and to improve the active learning that gets students thinking practical ability.This paper introduces the design principle，main technology，present situation at home and abroad，prospect of future development of virtual simulation teaching.

Key Word：traditional teaching;virtual simulation;platform;prospect

一、引言

隨著計算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，教育也在發(fā)生著深刻的變化。以網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的各種知識學(xué)習(xí)逐漸成為世界教學(xué)發(fā)展的一種趨勢。傳統(tǒng)教學(xué)存在的局限性與實(shí)驗室建設(shè)規(guī)模嚴(yán)重滯后于迅速增大的學(xué)生隊伍使得教學(xué)質(zhì)量面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)[1]-[4]，2013年8月13日，國家教育部高教司下文在全國構(gòu)建國家級的虛擬實(shí)驗教學(xué)中心，分年度建設(shè)一批具有示范、引領(lǐng)作用的虛擬仿真實(shí)驗教學(xué)中心，持續(xù)推進(jìn)實(shí)驗教學(xué)信息化建設(shè)，推動高等學(xué)校實(shí)驗教學(xué)改革與創(chuàng)新[5]。

二、虛擬仿真實(shí)驗教學(xué)

1.概述

虛擬仿真實(shí)驗教學(xué)是高等教育信息化建設(shè)和實(shí)驗教學(xué)示范中心建設(shè)的重要內(nèi)容，是學(xué)科專業(yè)與信息技術(shù)深度融合的產(chǎn)物。虛擬仿真實(shí)驗教學(xué)中心建設(shè)工作 堅持“科學(xué)規(guī)劃、共享資源、突出重點(diǎn)、提高效益、持續(xù)發(fā)展”的指導(dǎo)思想，以全面提高高校學(xué)生創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力為宗旨，以共享優(yōu)質(zhì)實(shí)驗教學(xué)資源為核心，以建設(shè)信息化實(shí)驗教學(xué)資源為重點(diǎn)[5]。

2.虛擬仿真教學(xué)中心設(shè)計原則

虛擬仿真教學(xué)中心是通過傳統(tǒng)教學(xué)與多媒體結(jié)合、虛實(shí)結(jié)合的方式克服現(xiàn)有困難使學(xué)生與實(shí)驗互動，從而達(dá)到提升教學(xué)質(zhì)量的目的，因而學(xué)生能否達(dá)到預(yù)期學(xué)習(xí)效果取決于實(shí)驗本身對演示實(shí)驗采取的教學(xué)策略以及對教學(xué)過程的設(shè)計，虛擬仿真教學(xué)中心設(shè)計原則意義重大，總原則為虛實(shí)結(jié)合、相互補(bǔ)充、能實(shí)不虛，還包括：

（1）方便性原則

由于課堂上可以利用的時間和空間有限，因此學(xué)生課余課后的預(yù)習(xí)與復(fù)習(xí)尤其重要。結(jié)合目前學(xué)生擁有各種通訊設(shè)備和多媒體設(shè)備的現(xiàn)狀，虛擬仿真教學(xué)中心應(yīng)該能在手機(jī)、pad、mp4等多媒體設(shè)備上運(yùn)行，從而使學(xué)生隨時隨地都可以查看，同時老師能隨時隨地上傳或修改虛擬仿真教學(xué)中的內(nèi)容[6]。

（2）直觀性原則

針對傳統(tǒng)教學(xué)中存在的枯燥、死板的教學(xué)模式以及各種危險實(shí)驗對學(xué)生產(chǎn)生的抵觸學(xué)習(xí)的情緒，虛擬仿真教學(xué)中心中的內(nèi)容應(yīng)該具有對視覺的沖擊力以及對實(shí)驗中各個重難點(diǎn)的詳細(xì)展示，從而讓學(xué)生對實(shí)驗產(chǎn)生興趣，間接提高動手能力。

（3）互動性原則

互動性包括學(xué)生與實(shí)驗的互動和老師與學(xué)生間的互動。前者體現(xiàn)在學(xué)生在觀看實(shí)驗過程中可以思考并參與實(shí)驗的推進(jìn)，后者體現(xiàn)在學(xué)生實(shí)驗操作完畢對實(shí)驗結(jié)果的評價與統(tǒng)計。

（4）共享性原則

建設(shè)具有擴(kuò)展性、兼容性、前瞻性的管理和共享平臺，高效管理實(shí)驗教學(xué)資源，實(shí)現(xiàn)校內(nèi)外、本地區(qū)及更廣范圍內(nèi)的實(shí)驗教學(xué)資源共享，滿足多地區(qū)、多學(xué)校和多學(xué)科專業(yè)的虛擬仿真實(shí)驗教學(xué)的需求，避免資源重復(fù)與浪費(fèi)。

3.主流的三中種虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

目前虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)多種多樣，包括VRML，Java和Flash等，開發(fā)中應(yīng)該結(jié)合各種技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)選擇合適的技術(shù)[7]。

（1）VRML

VRML（Virtual Reality Modeling Language）即虛擬現(xiàn)實(shí)建模語言，是一種逼真的模擬人在自然環(huán)境中視覺、聽覺及運(yùn)動等行為的人機(jī)界面技術(shù)。VRML以ASCII碼編寫腳本程序，將三維虛擬世界中的各個對象描述為節(jié)點(diǎn)元素，程序文件小而精煉，在網(wǎng)絡(luò)寬帶不足的情況下也能順暢傳送，客戶機(jī)通過瀏覽器程序解釋該腳本后，再現(xiàn)出相應(yīng)的虛擬場景并具有平臺無關(guān)性，是目前Internet上基于萬維網(wǎng)的三維互動網(wǎng)站制作的主流語言[8]。

（2）Java

JavaEE是由SUN公司推出的面向企業(yè)級應(yīng)用的分布式體系規(guī)范。它提供了一個基于構(gòu)件來設(shè)計、開發(fā)、裝配及部署企業(yè)級應(yīng)用的體系。J2EE系統(tǒng)一般由客戶層、Web層、業(yè)務(wù)層和數(shù)據(jù)庫層構(gòu)成的多層系統(tǒng)。具有很強(qiáng)的可移植性、擴(kuò)展性以及數(shù)據(jù)處理能力[9]。

（3）Flash

Flash作為一種矢量多媒體技術(shù)是為創(chuàng)作網(wǎng)絡(luò)交瓦式動畫所開發(fā)的，由于其采用了矢量圖形技術(shù)，所生成的動畫體積很小，可直接在網(wǎng)絡(luò)上運(yùn)行。交互式F1ash技術(shù)用于網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗室的開發(fā)具有開發(fā)速度快、界面美觀、視覺沖擊效果強(qiáng)、體積小、不需要安裝、可直接在瀏覽器中進(jìn)行操作等特點(diǎn)。交互性不如VRML，數(shù)據(jù)處理能力不如JAVA，但比較適合演示性虛擬實(shí)驗[10]。

三、國內(nèi)外現(xiàn)狀

虛擬實(shí)驗室概念的提出至今僅為10余年的時間，但因其誘人的應(yīng)用前景，各國均在大力開發(fā)，已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展。

1.國外現(xiàn)狀

美國麻省理工學(xué)院的Web Lab遠(yuǎn)程實(shí)驗室于1998年開發(fā)并投入使用，允許學(xué)生在自己的電腦上設(shè)計并修改電路模型，然后通過用Java激活的Web瀏覽器使用在遠(yuǎn)程實(shí)驗室里的昂貴的測試設(shè)備來獲取測試數(shù)據(jù)，驗證自己的設(shè)計;美國俄勒岡大學(xué)物理系主辦的物理實(shí)驗網(wǎng)站包含了天體物理、能量與環(huán)境、力學(xué)、熱學(xué)等方面的幾十種虛擬實(shí)驗;西班牙大學(xué)電子系開發(fā)了電子儀器虛擬工作平臺;意大利帕瓦多大學(xué)建立了遠(yuǎn)程虛擬教育實(shí)驗室。新加坡國立大學(xué)開發(fā)了遠(yuǎn)程示波器實(shí)驗和壓力容器實(shí)驗，在遠(yuǎn)程控制實(shí)驗方面取得很大的成果[11]。

2.國內(nèi)現(xiàn)狀

在國內(nèi)，從網(wǎng)上可以查到清華大學(xué)、北京大學(xué)、上海交通大學(xué)、華南理工大學(xué)等高校已陸續(xù)在網(wǎng)上設(shè)立了自己的電子教室[];成都泰盟軟件科技有限公司開發(fā)了VMC-100醫(yī)學(xué)虛擬仿真實(shí)驗教學(xué)中心平臺;上海夢之路數(shù)字科技有限公司開發(fā)設(shè)計了虛擬醫(yī)學(xué)實(shí)驗技術(shù)平臺;南京醫(yī)科大學(xué)也建設(shè)了自己的醫(yī)學(xué)仿真實(shí)驗室等等[12]。

四、結(jié)束語

傳統(tǒng)教育模式有著不可避免的局限性，結(jié)合虛擬仿真教學(xué)中心可以達(dá)到比較好的效果。但是各個學(xué)校及公司建立的虛擬仿真實(shí)驗室往往是封閉的、不可共享的、甚至是重復(fù)的，本著節(jié)省資源、避免浪費(fèi)、資源共享的原則，應(yīng)該建立一個虛擬仿真教學(xué)平臺，這個平臺的內(nèi)容是共享的、互動的，每個學(xué)校和公司都可以將自己特有的教學(xué)資源、技術(shù)資源上傳，達(dá)到資源的有效利用，而學(xué)生之間以及學(xué)生老師之間都可以有良性的互動，及時彌補(bǔ)各自的不足。

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