基于校園網(wǎng)的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的研究與構(gòu)建

劉彤彥（青島大學(xué)軟件技術(shù)學(xué)院,山東 青島 266000）

基于校園網(wǎng)的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的研究與構(gòu)建

劉彤彥
（青島大學(xué)軟件技術(shù)學(xué)院,山東 青島 266000）

摘 要：實(shí)踐教學(xué)，一直都是高等教育中非常重要的一部分教學(xué)環(huán)節(jié)。近幾年來，隨著高校的不斷擴(kuò)招，學(xué)生人數(shù)不斷上升，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)在人力、物力等各方面都不能滿足新形勢下的實(shí)踐教學(xué)要求。本文提出了基于校園網(wǎng)的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的基本構(gòu)架。從教務(wù)管理者、學(xué)生、教師三種實(shí)踐教學(xué)參與者身份出發(fā)，論述了基于校園網(wǎng)的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的設(shè)計(jì)與構(gòu)建。

關(guān)鍵詞：虛擬實(shí)驗(yàn);校園網(wǎng);教學(xué)體系

1　引言

實(shí)驗(yàn)，是科學(xué)研究的基本方法之一，是來自實(shí)際的經(jīng)驗(yàn)。是驗(yàn)證和探索各學(xué)科理論的重要手段。因此，實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)歷來是各大高校尤其是理工類院校學(xué)科教育的非常重要的一部分。近幾年來，高校擴(kuò)招給實(shí)驗(yàn)教學(xué)帶來了巨大的壓力，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)已經(jīng)不能滿足新形勢下的實(shí)踐教學(xué)要求，傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)面臨各種各樣的問題。

1.1 實(shí)驗(yàn)室建設(shè)費(fèi)用昂貴

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求配備實(shí)驗(yàn)設(shè)備，費(fèi)用昂貴，而且后期維護(hù)也需要較大的費(fèi)用。并且在開展實(shí)驗(yàn)過程中受時間、地點(diǎn)、人力、物力、財力等各種因素限制。

1.2 指導(dǎo)教師精力有限

有限的教師資源，在有限的時間內(nèi)細(xì)致的指導(dǎo)大批的學(xué)生相對來說比較困難，因此會影響教學(xué)目標(biāo)的完成。另外，開展設(shè)計(jì)性和探究性實(shí)驗(yàn)更為困難。

1.3 實(shí)踐創(chuàng)新的培養(yǎng)目標(biāo)難以落實(shí)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)的一個重要的目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生的動手能力、設(shè)計(jì)能力和創(chuàng)新能力。但是目前由于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的局限性，一些實(shí)驗(yàn)操作訓(xùn)練不足，實(shí)踐創(chuàng)新能力難以提升。

2　虛擬實(shí)驗(yàn)室簡介

1999 年美國愛荷華州立大學(xué)舉行的虛擬實(shí)驗(yàn)室專家會議上給出了虛擬實(shí)驗(yàn)室的定義，會議提出虛擬實(shí)驗(yàn)室是為研究和創(chuàng)新活動提供遠(yuǎn)程協(xié)作和實(shí)驗(yàn)的一個電子平臺[1]。像在真實(shí)的環(huán)境中一樣，實(shí)驗(yàn)者可以完成各種預(yù)定的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，所取得的學(xué)習(xí)或訓(xùn)練效果等值于甚至優(yōu)于在真實(shí)環(huán)境中所取得的效果。虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)是一種運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)模擬真實(shí)實(shí)驗(yàn)的計(jì)算機(jī)[2]。

在線虛擬實(shí)驗(yàn)室提出的初衷是為了教學(xué)研究，它是指以 Internet為核心，將虛擬儀器通過網(wǎng)絡(luò)連接，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作，提供各種虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)環(huán)境。研究人員或?qū)W生將時空自由的隨時隨地的與同行協(xié)作，共享儀器設(shè)備、數(shù)據(jù)資源和計(jì)算機(jī)資源，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，從而提高了工作效率，降低了開發(fā)成本[2]。

3　基于校園網(wǎng)的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系構(gòu)建

3.1 虛擬實(shí)驗(yàn)室基本構(gòu)架

基于校園網(wǎng)的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系有三種用戶身份，分別是教務(wù)管理員用戶，主要負(fù)責(zé)學(xué)生管理、實(shí)驗(yàn)課程管理等教務(wù)管理；指導(dǎo)教師主要負(fù)責(zé)具體實(shí)驗(yàn)?zāi)K管理，實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)，實(shí)驗(yàn)評價等工作；學(xué)生用戶可以在線上進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)練習(xí)。如圖1所示。

3.2 教務(wù)管理模塊設(shè)計(jì)與構(gòu)建

教務(wù)管理主要針對系統(tǒng)用戶賬號權(quán)限、班級分組、實(shí)驗(yàn)分組、實(shí)驗(yàn)課程以等等進(jìn)行管理另外還需要定期進(jìn)行系統(tǒng)維護(hù)。

3.2.1 系統(tǒng)用戶管理

教務(wù)管理員依照學(xué)校教務(wù)部門提供的學(xué)生、教師信息，對進(jìn)入系統(tǒng)的用戶賬號，包括學(xué)生、教師，進(jìn)行賬號添加、修改或刪除的管理。添加新用戶之后，教務(wù)管理員可通過實(shí)驗(yàn)用戶信息列表查看用戶的狀態(tài)，還可對添加的用戶賬號進(jìn)行查看、審核和修改。

3.2.2 實(shí)驗(yàn)課程管理

教務(wù)管理員還負(fù)責(zé)對實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)驗(yàn)課程進(jìn)行管理，可以在實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)課程添加、修改或刪除。

3.3 學(xué)生虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)K設(shè)計(jì)與構(gòu)建

學(xué)生虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)K主要包括查看實(shí)驗(yàn)任務(wù)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)要求選擇實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。實(shí)驗(yàn)完成后，學(xué)生需要填寫實(shí)驗(yàn)報告，并在線提交。另外教師在提交了實(shí)驗(yàn)評語和成績后，學(xué)生可以查看成績和評語。

3.3.1 查看實(shí)驗(yàn)任務(wù)

學(xué)生在進(jìn)入到虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)后，首先選擇相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)課程，明確教師布置的實(shí)驗(yàn)任務(wù)，實(shí)驗(yàn)任務(wù)包括必做實(shí)驗(yàn)和選作實(shí)驗(yàn)。目的是讓學(xué)生掌握實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)要求的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目同時還可以進(jìn)行拓展實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的研究，以此激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

3.3.2 自主實(shí)驗(yàn)

在選定實(shí)驗(yàn)任務(wù)之后，依據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮蛯?shí)驗(yàn)要求，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作。實(shí)驗(yàn)過程中，碰到問題和困難，可在線上同指導(dǎo)老師聯(lián)系，獲取幫助。同在完成了必選實(shí)驗(yàn)之后，學(xué)生也可以利用所學(xué)的知識，充分發(fā)揮創(chuàng)新思維，自己設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)科目。

3.3.3 在線提交實(shí)驗(yàn)報告

完成洗選實(shí)驗(yàn)任務(wù)之后，學(xué)生可以保存實(shí)驗(yàn)結(jié)果，填寫實(shí)驗(yàn)報告，并在線提交。

3.3.4 查看實(shí)驗(yàn)成績和評語

學(xué)生登錄虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系后，如果有已經(jīng)完成的實(shí)驗(yàn)并且教師已經(jīng)發(fā)布了成績和評語的，學(xué)生可以查看該次實(shí)驗(yàn)的成績和教師評語。

3.4 教師模塊設(shè)計(jì)與構(gòu)建

教師用戶通過身份驗(yàn)證進(jìn)入到虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系后，可創(chuàng)建實(shí)驗(yàn)、安排實(shí)驗(yàn)、查看實(shí)驗(yàn)報告、提交實(shí)驗(yàn)成績等實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理。

3.4.1 典型實(shí)驗(yàn)庫管理

教師根據(jù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱和要求，可以創(chuàng)建新的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，可從已有的實(shí)驗(yàn)庫中調(diào)用符合大綱要求的實(shí)驗(yàn)并發(fā)布。

3.4.2 安排實(shí)驗(yàn)

教師按照實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱確定當(dāng)前實(shí)驗(yàn)名稱和內(nèi)容，即可對參與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的學(xué)生分配實(shí)驗(yàn)任務(wù)。

3.4.3 批改實(shí)驗(yàn)結(jié)果和報告

學(xué)生提交實(shí)驗(yàn)報告之后，教師在系統(tǒng)中查看學(xué)生實(shí)驗(yàn)報告并給出評語，批改完成后提交實(shí)驗(yàn)成績和評語。

3.4.4 統(tǒng)計(jì)和發(fā)布實(shí)驗(yàn)成績

教師在系統(tǒng)中批改完學(xué)生提交的實(shí)驗(yàn)報告之后，可以以班級為單位對實(shí)驗(yàn)成績進(jìn)行統(tǒng)計(jì)并提交教務(wù)部門存檔。

4　結(jié)語

隨著信息技術(shù)的不斷強(qiáng)大，基于校園網(wǎng)的虛擬實(shí)驗(yàn)室將成為一種新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。教師將所教學(xué)大綱要求的實(shí)驗(yàn)放入到虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系中，學(xué)生只需利用網(wǎng)絡(luò)瀏覽器，就可以登錄到遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器上，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。這種新型的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式突破了傳統(tǒng)教學(xué)中“場所、時間”的局限性，只要能接入校園網(wǎng)，就能在學(xué)校的任何的地方，任何時間進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。為廣大的教育用戶提供了一種方便、快捷、經(jīng)濟(jì)的資源共享方式，人們可以共享實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)儀器，還能接受名師的指導(dǎo)。當(dāng)然值得一提的是，這種基于校園網(wǎng)的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系并不能完全取代傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。將二者科學(xué)合理的結(jié)合起來，能夠最大程度的完成教學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，培養(yǎng)出更多更好的創(chuàng)新實(shí)踐人才。

參考文獻(xiàn)：

[1]Ko C C，Chen B M,Chen S H，Ramakrishnan V Chen R,Hu S Y,Zhuang Y. Alarge-scale Web-based virtual oscilloscope laboratory experiment．Engineering,Science and Education Journal,2000,09(02):69-76.

[2]白潔婷.基于Web的在線虛擬實(shí)驗(yàn)室的研究[D].華中科技大學(xué)碩士論文,2009.

[3]張玉茹,楊鏡.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用[J].軟件導(dǎo)刊, 2013(02).

[4]劉惠臨.基于校園網(wǎng)的虛擬實(shí)驗(yàn)室的建立安徽理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)[N].2006(06).

項(xiàng)目：本文為青島大學(xué)創(chuàng)新型教學(xué)實(shí)驗(yàn)室研究項(xiàng)目《交互式虛擬實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)及實(shí)例開發(fā)研究》資助。