虛擬實驗室環(huán)境下計算機本科專業(yè)應(yīng)用型人才培養(yǎng)研究

朱韶平,肖永良

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虛擬實驗室環(huán)境下計算機本科專業(yè)應(yīng)用型人才培養(yǎng)研究

朱韶平*,肖永良

(湖南財政經(jīng)濟學(xué)院 信息管理系,湖南 長沙, 401205)

針對當(dāng)前高校人才培養(yǎng)普遍存在適應(yīng)能力差、實踐能力薄弱等問題, 結(jié)合社會對計算機專業(yè)人才需求改變的新形勢, 提出了基于虛擬實驗室的計算機本科專業(yè)應(yīng)用型人才培養(yǎng)的方法. 通過利用虛擬實驗室改善實踐教學(xué)環(huán)境、改革實踐教學(xué)模式、優(yōu)化實踐教學(xué)內(nèi)容, 提高實踐教學(xué)水平, 培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用知識的能力、實踐能力和創(chuàng)新能力.

虛擬實驗室; 實踐教學(xué); 應(yīng)用型人才培養(yǎng)

隨著計算機科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展, 社會需求大批計算機專業(yè)精通的高技能應(yīng)用型人才, 因此對高校計算機專業(yè)的人才培養(yǎng)提出了更高的要求. 目前我國高校培養(yǎng)的計算機專業(yè)人才應(yīng)用能力差, 實踐能力薄弱, 人才培養(yǎng)與社會需求脫節(jié)是當(dāng)前高等教育普遍存在的問題. 社會十分缺乏高技能的計算機專業(yè)應(yīng)用型人才, 其直接原因在于受教育教學(xué)環(huán)境、教學(xué)條件的影響, 教學(xué)手段落后和教學(xué)方法單一, 尤其是實踐教學(xué). 如何奠定學(xué)生堅實的實踐基礎(chǔ), 培養(yǎng)學(xué)生的應(yīng)用能力和實踐能力, 滿足社會經(jīng)濟發(fā)展對計算機專業(yè)應(yīng)用型人才的需求, 是我國當(dāng)前高等教育人才培養(yǎng)工程面臨的重大而現(xiàn)實的課題[1].

計算機本科專業(yè)應(yīng)用型人才應(yīng)能熟練運用本專業(yè)的理論知識解決實際的應(yīng)用問題, 應(yīng)具有計算思維能力、算法分析與編程能力、系統(tǒng)綜合開發(fā)與應(yīng)用能力、工作與創(chuàng)新能力等[2]. 工作與創(chuàng)新能力需要具備扎實的理論功底和豐富的專業(yè)知識, 工作與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)需要理論聯(lián)系實踐, 并在實踐中能夠不斷檢驗知識、提升能力. 因此, 計算機本科專業(yè)應(yīng)用型人才的培養(yǎng)需要通過實踐使學(xué)生獲得更多的與應(yīng)用能力相關(guān)的學(xué)科性及檢驗性知識和實踐性知識, 培養(yǎng)學(xué)生相關(guān)學(xué)科知識的綜合應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力.

基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的虛擬實驗室能在改善和優(yōu)化實踐教學(xué)環(huán)境、豐富和拓廣實踐教學(xué)內(nèi)容、提高實踐教學(xué)水平等方面發(fā)揮重要的作用，是培養(yǎng)具有實踐動手能力、綜合應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力的應(yīng)用型人才的有效途徑.為了培養(yǎng)專業(yè)基礎(chǔ)扎實、實踐動手能力和應(yīng)用能力強、具有一定創(chuàng)新能力的高級應(yīng)用型人才, 在計算機本科專業(yè)實踐教學(xué)環(huán)節(jié)中引入虛擬現(xiàn)實技術(shù)已成為一種必然趨勢[3], 基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的虛擬實驗室應(yīng)用于計算機本科專業(yè)實踐教學(xué), 是提高計算機本科專業(yè)應(yīng)用型人才培養(yǎng)規(guī)格和質(zhì)量的迫切要求.

1 虛擬現(xiàn)實技術(shù)與虛擬實驗室

1.1 虛擬現(xiàn)實技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(VR, Virtual Reality)是一門集成了VR界面由計算機生成三維虛擬世界的人與信息的科學(xué). 它是模擬環(huán)境、視景系統(tǒng)和仿真系統(tǒng)三者的有機結(jié)合, 具有高沉浸性、多感知性、強交互性和構(gòu)想性及實體自主性. 虛擬現(xiàn)實技術(shù)是對現(xiàn)實世界進行全面仿真的技術(shù), 它能夠創(chuàng)建與現(xiàn)實世界類似的環(huán)境, 滿足學(xué)習(xí)媒體的情景化及自然交互性的要求, 是一種強有力的輔助教學(xué)手段, 其在計算機專業(yè)實踐教學(xué)中的應(yīng)用具有其它媒體不可比擬的優(yōu)勢[4].

1.2 虛擬實驗室

虛擬實驗室是一種基于Web技術(shù)和虛擬現(xiàn)實技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)化開放式虛擬實驗教學(xué)系統(tǒng), 是虛擬化與數(shù)字化的教學(xué)實驗室[5]. 虛擬實驗室由虛擬實驗平臺、虛擬實驗器材庫和開放式實驗室管理系統(tǒng)等組成. 虛擬實驗平臺是虛擬實驗室系統(tǒng)與用戶的接口界面, 一般由學(xué)生實驗、實驗管理及系統(tǒng)管理等功能模塊組成, 并與系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫相連[6](圖1).

圖1 虛擬實驗室系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)

學(xué)生實驗?zāi)K包括在線實驗預(yù)習(xí)、實驗預(yù)約、在線實驗、實驗報告、在線討論與答疑、最新實驗課程與最新實驗資源展示、站內(nèi)郵件等功能.

實驗管理模塊包括實驗課程管理、實驗內(nèi)容管理、實驗報告及成績管理、學(xué)科管理、專業(yè)管理、實驗教師、在線答疑、實驗通知發(fā)布等功能, 其中實驗課管理包括實驗課程的增加與刪除、實驗課程審核等, 實驗內(nèi)容管理包括實驗內(nèi)容的添加、修改與刪除等.

系統(tǒng)管理模塊即系統(tǒng)信息的維護,它包括對虛擬實驗教學(xué)系統(tǒng)的初始化、數(shù)據(jù)庫的備份與還原、字典的恢復(fù)、在線課堂實驗人數(shù)的設(shè)置、用戶管理、密碼修改等.

實驗超級管理員認(rèn)證登錄實驗室管理總后臺, 能夠發(fā)布實驗通知與實驗安排、添加實驗課程以及課程管理密碼等, 他具有最高權(quán)限. 實驗指導(dǎo)老師能夠發(fā)布課件、多媒體資料(視頻、flash等). 而學(xué)生是虛擬實驗室的最終收益者, 他幾乎沒有權(quán)限, 但所有的服務(wù)都是為他提供.

虛擬實驗室采用虛擬現(xiàn)實和多媒體等技術(shù)相結(jié)合的方法, 構(gòu)建出了一種多樣化、實用化及個性化的能自主學(xué)習(xí)的虛擬實踐環(huán)境, 其在計算機本科專業(yè)實踐教學(xué)中的應(yīng)用能使實踐教學(xué)環(huán)境得到有效改善, 豐富實踐教學(xué)的內(nèi)容和優(yōu)化實踐教學(xué)的過程, 充分發(fā)揮教師為主導(dǎo)和學(xué)生為主體的教與學(xué)的能動作用, 是今后實踐教學(xué)研究的一種新型模式.

2 虛擬實驗室環(huán)境下計算機本科專業(yè)應(yīng)用型人才培養(yǎng)

計算機本科專業(yè)應(yīng)用型人才培養(yǎng)是以學(xué)科為支撐, 以專業(yè)為基礎(chǔ), 以能力為核心, 它強調(diào)的是知識的綜合應(yīng)用能力、實踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng). 虛擬實驗室融合了虛擬現(xiàn)實、多媒體及計算機網(wǎng)絡(luò)等技術(shù), 虛擬實驗設(shè)備易于創(chuàng)建和改造, 易于優(yōu)化和升級, 具有功能全、成本低、無危險和網(wǎng)絡(luò)化等許多優(yōu)點. 虛擬實驗室應(yīng)用于計算機本科專業(yè)實踐教學(xué)可以解決高校實踐教學(xué)條件差, 實驗教學(xué)資源缺乏, 學(xué)生實驗受時空限制等問題; 在虛擬實驗室學(xué)生可以自主創(chuàng)建甚至改造虛擬實驗設(shè)備, 能加深學(xué)生對專業(yè)知識的理解及增強跨學(xué)科的意識, 提高學(xué)生的實踐動手能力、綜合應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力, 是培養(yǎng)計算機本科專業(yè)應(yīng)用型人才的有效途徑[7].

2.1 綜合應(yīng)用知識能力的培養(yǎng)

實踐教學(xué)的主要目的是通過學(xué)生動手實踐, 加深和鞏固學(xué)生對所學(xué)理論知識的理解和綜合應(yīng)用, 是理論教學(xué)過程的延伸和拓展. 傳統(tǒng)的計算機專業(yè)實踐教學(xué)內(nèi)容大都是從簡單基礎(chǔ)的驗證型實踐開始, 逐步提升到設(shè)計型的綜合實踐, 但由于受實驗條件及課程課時數(shù)的局限, 不重視課程后期的綜合性實踐教學(xué), 實踐教學(xué)內(nèi)容相對簡單、深度欠缺, 學(xué)生綜合應(yīng)用知識的能力不能有效地得到鍛煉提高[8]. 為培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用知識的能力, 需改善實踐教學(xué)的條件, 提高計算機本科專業(yè)各課程設(shè)計型等綜合性實踐在整個實踐教學(xué)環(huán)節(jié)中的比重.

虛擬實驗室可方便地集成和優(yōu)化計算機本科專業(yè)各課程現(xiàn)有的實踐教學(xué)內(nèi)容, 加大設(shè)計型等綜合性實踐的比重, 有效地解決教學(xué)內(nèi)容與有限學(xué)時之間的矛盾；解決由于資金匱乏實踐條件差等問題; 實現(xiàn)在加強學(xué)生對專業(yè)基礎(chǔ)知識理解和掌握的同時, 提高其綜合應(yīng)用知識的能力. 虛擬實驗系統(tǒng)的可擴展性使虛擬實驗設(shè)備的創(chuàng)建和改造變得容易, 使實踐教學(xué)內(nèi)容的規(guī)劃、調(diào)整和整合變得靈活方便, 從而可設(shè)計內(nèi)容豐富、綜合性強且難度適中的并與實際工作接軌的模塊化的實踐教學(xué)內(nèi)容, 在多門計算機專業(yè)課程的實踐教學(xué)中分階段地展開, 實現(xiàn)分階段地培養(yǎng)學(xué)生的綜合應(yīng)用能力. 例如在學(xué)習(xí)了Java語言和J2ME的基礎(chǔ)知識后, 通過實踐教學(xué)使學(xué)生掌握嵌入式程序設(shè)計的要領(lǐng), 在此基礎(chǔ)上進一步提高實踐教學(xué)內(nèi)容的深度, 要求學(xué)生以MVC架構(gòu)設(shè)計實現(xiàn)手機游戲的設(shè)計, 實現(xiàn)單機版的人機對戰(zhàn)模式, 進一步通過藍牙或紅外的無線傳輸實現(xiàn)多機聯(lián)網(wǎng)模式等; 結(jié)合實際應(yīng)用及業(yè)界動態(tài), 融合“嵌入式系統(tǒng)原理與設(shè)計”和“Java程序設(shè)計技術(shù)”等多門計算機專業(yè)課程的知識, 設(shè)計開發(fā)基于移動計算平臺的應(yīng)用系統(tǒng)等內(nèi)容豐富且綜合性強并適合學(xué)生的實踐教學(xué)內(nèi)容, 使實踐教學(xué)變得富有趣味性和挑戰(zhàn)性, 激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和創(chuàng)造性, 提高學(xué)生綜合應(yīng)用知識的能力.

2.2 實踐動手能力的培養(yǎng)

實踐動手能力是應(yīng)用已有知識和技能去解決實際問題的能力, 實踐動手能力的發(fā)展和培養(yǎng)只能靠實踐來完成[9]. 計算機本科專業(yè)的許多課程都是重要的技術(shù)課程, 具有很強的實踐性和先進性. 實踐性是指學(xué)生學(xué)習(xí)這些課程重在于應(yīng)用, 并將所學(xué)技術(shù)應(yīng)用于本專業(yè)和發(fā)展本專業(yè). 教學(xué)上要求理論聯(lián)系實踐, 并重視實踐教學(xué); 先進性是指計算機技術(shù)發(fā)展十分迅速且應(yīng)用非常廣泛, 各行各業(yè)特別是許多新的科技領(lǐng)域都與其有著密切的聯(lián)系, 它與其他學(xué)科的交叉與滲透能產(chǎn)生許多的高新科技成果和高科技產(chǎn)品. 各種新技術(shù)、新方法和新產(chǎn)品的涌現(xiàn), 正不斷充實著計算機本科專業(yè)各課程的教學(xué)內(nèi)容, 尤其是實踐教學(xué)的內(nèi)容.

實踐教學(xué)是有效開展實踐活動培養(yǎng)學(xué)生實踐動手能力的平臺, 要搭建一個良好的實踐教學(xué)平臺, 要求不斷加強實驗室建設(shè), 實驗設(shè)備和實驗內(nèi)容要不斷更新, 實驗管理和與實驗有關(guān)的技術(shù)支持要不斷加強, 實驗室軟硬件方面的投入要不斷加大. 虛擬實驗室最大的優(yōu)點是高效率、低成本, 同時具備與現(xiàn)實的一致性、高度交互性和實時反饋等的基本特征. 為了節(jié)約建設(shè)資金及實驗成本, 將虛擬現(xiàn)實技術(shù)引入計算機本科專業(yè)實踐教學(xué), 搭建虛擬實驗室系統(tǒng), 在保證實踐教學(xué)效果的前提下, 減少了實驗設(shè)備、儀器等經(jīng)費的投人, 極大地節(jié)省了教學(xué)成本.

虛擬實驗室為學(xué)生提供了生動、逼真的實踐環(huán)境, 具有強大的交互功能, 學(xué)生與實踐對象可以進行三維交互, 成為虛擬環(huán)境中的參與者, 獲得與真實實驗等同的體驗, 即獲得現(xiàn)場操作的臨場感覺. 它突破了實踐教學(xué)的重點和難點, 使得常規(guī)實踐教學(xué)手段難以完成的操作技術(shù)及演示實驗等能完全得到模擬, 能使微觀問題宏觀化、使復(fù)雜問題簡單化、使抽象問題具體化, 加深學(xué)生對所學(xué)知識的記憶和理解, 培養(yǎng)學(xué)生的動手操作技能和研發(fā)興趣. 例如在學(xué)習(xí)信息安全知識時, 通過信息安全虛擬實驗室能進行信息安全相關(guān)技術(shù)演示, 允許學(xué)生實際操作和配置網(wǎng)絡(luò)防火墻、網(wǎng)絡(luò)攻擊、加密軟件、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)及入侵檢測系統(tǒng)等信息安全產(chǎn)品, 使學(xué)生獲得相關(guān)知識和實際動手操作的經(jīng)驗, 培養(yǎng)學(xué)生的實踐動手能力.

2.3 創(chuàng)新能力的培養(yǎng)

創(chuàng)新能力是指個人提出新概念、新理論或發(fā)明新產(chǎn)品和新技術(shù)的能力[10]. 創(chuàng)新始于問題、源于實踐, 為提高大學(xué)生的創(chuàng)新能力, 必須強化實踐育人的意識, 切實加強綜合性和研究性的實踐教學(xué). 傳統(tǒng)的實踐教學(xué)是按單門課程設(shè)置的并以驗證性實驗為主的保姆式實踐教學(xué)模式, 學(xué)生創(chuàng)新能力很難得到培養(yǎng)和提高. 隨著知識更新周期的不斷加快, 新知識層出不窮, 各專業(yè)特別是計算機專業(yè)各學(xué)科之間存在著分化和綜合, 傳統(tǒng)的實驗室實踐教學(xué)已經(jīng)不能滿足應(yīng)用型人才培養(yǎng)的要求, 根據(jù)計算機本科專業(yè)各學(xué)科的特點, 理論聯(lián)系實際, 探索靈活多樣的課內(nèi)外及校內(nèi)外技能訓(xùn)練, 探究綜合性及研究性較強的課程設(shè)計等的實踐教學(xué)新模式, 是增強學(xué)生專業(yè)實踐知識、提高學(xué)生專業(yè)實踐能力和創(chuàng)新能力的有效途徑.

虛擬實驗室為實踐教學(xué)搭建了一個先進而又靈活的實踐教學(xué)平臺, 能十分方便地增設(shè)綜合性、設(shè)計性和研究性等實驗項目, 學(xué)生可早日參與科學(xué)研究活動, 養(yǎng)成主動學(xué)習(xí)和獨立思考問題及科學(xué)思維的良好習(xí)慣, 培養(yǎng)學(xué)生不斷追求新知識的精神和勇于實踐及敢于創(chuàng)新的能力. 基于虛擬實驗室的教學(xué)模式是一種新型的研究性的實踐教學(xué)模式, 教師通過虛擬實驗室把實驗新技術(shù)和最新科研成果應(yīng)用到計算機工程項目實訓(xùn)教學(xué)當(dāng)中, 從學(xué)生的知識基礎(chǔ)和認(rèn)知結(jié)構(gòu)等實際出發(fā), 采用啟發(fā)式的實踐教學(xué)方法, 引導(dǎo)學(xué)生積極思維和主動獲取知識, 發(fā)展學(xué)生的智能, 加強多層次的工程項目實訓(xùn), 培養(yǎng)學(xué)生的團隊精神和創(chuàng)新能力. 通過虛擬實驗室教師可增設(shè)高新技術(shù)的綜合研究性實驗項目, 加強創(chuàng)新研究性的實驗教學(xué), 鼓勵和吸引更多的學(xué)生積極參加全國大學(xué)生程序設(shè)計大賽及大學(xué)生電子設(shè)計大賽等, 積極開展DSP、ARM單片機等軟硬件系統(tǒng)的研發(fā)活動, 引導(dǎo)學(xué)生進行創(chuàng)新研究性學(xué)習(xí), 提高學(xué)生的電子設(shè)計能力及軟件和算法的開發(fā)水平, 培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究的能力和創(chuàng)新能力

3 總結(jié)

本文根據(jù)社會對人才需求改變的新形勢, 從培養(yǎng)大學(xué)生綜合應(yīng)用知識能力、實踐動手能力和創(chuàng)新能力出發(fā), 提出了在虛擬實驗室環(huán)境下計算機本科專業(yè)應(yīng)用型人才培養(yǎng)的新方法, 有效解決了我國高等教育和人才培養(yǎng)中普遍存在的“應(yīng)用能力差, 實踐能力薄弱”等問題. 基于虛擬實驗室的實踐教學(xué)是一種新型的實踐教學(xué)模式, 其在計算機本科專業(yè)實踐教學(xué)中的應(yīng)用能有效提高計算機專業(yè)實踐教學(xué)的水平, 培養(yǎng)實踐動手能力和綜合應(yīng)用能力強且具有一定創(chuàng)新能力、滿足社會需求的計算機專業(yè)應(yīng)用型人才. 因此, 研究虛擬實驗室環(huán)境下計算機本科專業(yè)應(yīng)用型人才的培養(yǎng), 對于推動新世紀(jì)高等院校實踐教學(xué)的改革與創(chuàng)新, 解決我國高等教育和人才培養(yǎng)面臨的問題, 具有十分重要的現(xiàn)實意義和深遠的歷史意義.

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Study of computer undergraduate applied talents cultivation under virtual laboratory environment

ZHU ShaoPing, XIAO YongLiang

(Department of Information Management,Hunan University of Finance and Economics, Changsha 4101205, China)

At present, majority of collegestudents have some shortcomings such as poor application ability, weak practice ability. In order to resolve the above questions, combining with social demand for computer professionals in the new situation,a new method was proposed to train computer undergraduate applied talents. Using the virtual laboratory, the practice teaching environment was improved, the practice teaching mode was reformed, the practice content was optimized. The level of practice teaching was improved. Students' comprehensive ability of applying knowledge, practical ability and innovation ability was cultivated.

virtual laboratory; practice teaching; practical talents training

10.3969/j.issn.1672-6146.2014.04.016

G 642.0

1672-6146(2014)04-0065-04

email:zhushaoping_cz@163.com.

2013-09-08

湖南省教育科學(xué)“十二五”規(guī)劃課題(課題號XJK012CGD022, XJK013CGD083); 湖南省普通高等學(xué)校教學(xué)改革研究資助課題(湘教通【2012】401號544).

(責(zé)任編校:劉剛毅)