虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作的改革與探索

張玉清，鄭新奇，管 健，高光大

中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）信息工程學(xué)院，北京 100083

實(shí)踐教學(xué)

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作的改革與探索

張玉清，鄭新奇，管 健，高光大

中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）信息工程學(xué)院，北京 100083

文章分析了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)，提出了實(shí)施虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的建設(shè)思路。分析了中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）電子電工和物理教學(xué)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和使用的實(shí)驗(yàn)設(shè)備的特點(diǎn)，分別采用Flex和Fancy3D工具，開(kāi)發(fā)了示波器、基爾霍夫電流實(shí)驗(yàn)和無(wú)線傳輸可視化等教學(xué)案例，獲得良好的教學(xué)效果。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)；在線學(xué)習(xí)；教學(xué)案例

virtual simulation experiment； online learning；teaching case

信息技術(shù)的發(fā)展，對(duì)高等教育產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。近年來(lái)，網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的內(nèi)容越來(lái)越豐富多彩，越來(lái)越多的學(xué)生通過(guò)有線終端或者移動(dòng)設(shè)備，從互聯(lián)網(wǎng)上獲取信息。這一系列的變化，促進(jìn)了在線學(xué)習(xí)方式的產(chǎn)生和發(fā)展[1-5]。從2013年起，教育部每年將建設(shè)100個(gè)國(guó)家級(jí)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，積極引導(dǎo)各高校充分利用信息技術(shù)，構(gòu)建高度仿真的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)對(duì)象，讓學(xué)生可以隨時(shí)隨地通過(guò)網(wǎng)絡(luò)在虛擬環(huán)境中開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，達(dá)到教學(xué)大綱所要求的教學(xué)效果[6]。中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）在其“十二五”規(guī)劃中特別強(qiáng)調(diào)“要應(yīng)用現(xiàn)代教學(xué)手段，實(shí)現(xiàn)教學(xué)資源共享，構(gòu)建開(kāi)放、互動(dòng)、自主學(xué)習(xí)和全天候服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)環(huán)境”，并把“信息化”確定為學(xué)校的三大發(fā)展戰(zhàn)略之一。我校教學(xué)資源緊張，特別是生均實(shí)驗(yàn)室面積非常有限。因此，在我校積極開(kāi)展基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的研究，具有緊迫性和現(xiàn)實(shí)意義。

一、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是一種基于虛擬現(xiàn)實(shí)、多媒體、人機(jī)交互、數(shù)據(jù)庫(kù)和網(wǎng)絡(luò)通訊等技術(shù)構(gòu)建的開(kāi)放式網(wǎng)絡(luò)化的實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段，實(shí)現(xiàn)教學(xué)實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的數(shù)字化和虛擬化。利用互聯(lián)網(wǎng)通過(guò)接近真實(shí)的人機(jī)交互界面完成虛擬實(shí)驗(yàn)，供學(xué)生自己動(dòng)手配置、連接、調(diào)節(jié)和使用實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)課程的課前預(yù)習(xí)、課后復(fù)習(xí)回顧?！熬W(wǎng)絡(luò)化”、“交互”、“共享”等成為虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的重要特點(diǎn)。與課堂實(shí)驗(yàn)緊密關(guān)聯(lián)，虛實(shí)結(jié)合，充分利用好學(xué)生的課下時(shí)間，可以有效緩解我校實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)地和設(shè)備資源短缺的不足。

教育部在《關(guān)于開(kāi)展國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)工作的通知》( 教高司函［2013］94 號(hào))文件中指出，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)工作必須堅(jiān)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”，其核心工作就是共享優(yōu)質(zhì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源。按照不同的應(yīng)用技術(shù)、依托平臺(tái)、使用方式以及學(xué)科屬性等，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源可分為不同類型[6]。如按應(yīng)用技術(shù)可以分為基于多媒體計(jì)算機(jī)的虛擬實(shí)驗(yàn)、基于網(wǎng)絡(luò)的分布式協(xié)同實(shí)驗(yàn)、基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的沉浸式實(shí)驗(yàn)、基于教育游戲軟件的個(gè)性化自主實(shí)驗(yàn)、基于遙控技術(shù)的遠(yuǎn)程交互實(shí)驗(yàn)等；按平臺(tái)特征可以分為移動(dòng)實(shí)驗(yàn)室(M-Lab) 、網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室(W-Lab) 、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室(V-Lab) 、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境(VEE) 等；按使用方式可分為基于軟件共享的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教

學(xué)資源、基于儀器共享的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源和基于遠(yuǎn)程控制的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源。

另一種新型的網(wǎng)絡(luò)在線教學(xué)模式—慕課（MOOC）同樣突破了傳統(tǒng)課程時(shí)間和空間的限制。與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)不同，慕課是以教學(xué)名師為核心的教學(xué)團(tuán)隊(duì)打造出優(yōu)質(zhì)的理論課程學(xué)習(xí)資源，如視頻、語(yǔ)音等。學(xué)習(xí)者通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)可以幾乎不受約束地按自己的需要和興趣進(jìn)行學(xué)習(xí)。有學(xué)者[5-7]認(rèn)為，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)與慕課的緊密結(jié)合將共同引領(lǐng)一次新的教育教學(xué)變革。

二、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的建設(shè)思路

充分發(fā)揮信息化技術(shù)特征、建設(shè)高度仿真的實(shí)驗(yàn)環(huán)境和對(duì)象以及滿足本科教學(xué)要求這三個(gè)方面將是開(kāi)展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作的本質(zhì)特征[6]。因此，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)建設(shè)工作可歸納為4個(gè)方面內(nèi)容：虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的管理共享平臺(tái)、教學(xué)與管理隊(duì)伍和管理體系等方面的建設(shè)。

根據(jù)理工科高校實(shí)驗(yàn)課程的特點(diǎn)，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源將重點(diǎn)建設(shè)軟件共享虛擬實(shí)驗(yàn)和儀器共享虛擬實(shí)驗(yàn)兩部分。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的管理和共享平臺(tái)將分兩階段進(jìn)行建設(shè)：第一階段是在現(xiàn)有的管理平臺(tái)下進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，包含虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。作為一種新穎的信息化手段，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的價(jià)值必須體現(xiàn)在對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作的有力支持上。所以，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的管理和共享平臺(tái)將由網(wǎng)上發(fā)布系統(tǒng)、設(shè)備器材庫(kù)、虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目以及實(shí)驗(yàn)管理系統(tǒng)和學(xué)生使用登記等諸多環(huán)節(jié)構(gòu)成，涉及Moodle、Web、JSP、Flex、3DMax等技術(shù)內(nèi)容。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的順利開(kāi)展有賴于一支優(yōu)秀的教學(xué)和管理隊(duì)伍，因此需要針對(duì)現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)教師隊(duì)伍進(jìn)行優(yōu)化知識(shí)結(jié)構(gòu)等措施，使他們不僅可以從事虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)的指導(dǎo)工作，還可以從事相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)案例的開(kāi)發(fā)工作。管理體系建設(shè)的重點(diǎn)是建立完備的規(guī)章制度，推進(jìn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作的規(guī)范、高效運(yùn)行。

通過(guò)建設(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，有效克服真實(shí)環(huán)境中的諸多限制。特別地，針對(duì)中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）的特點(diǎn)，探索“虛擬仿真實(shí)驗(yàn)+真實(shí)物理實(shí)驗(yàn)”、“虛擬仿真實(shí)驗(yàn)+校外現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐”、“虛擬仿真實(shí)驗(yàn)+課外創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)”三結(jié)合的模式，從而實(shí)現(xiàn)利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平的目的。有效激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性，進(jìn)而形成基于產(chǎn)、學(xué)、研良性互動(dòng)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)資源建設(shè)模式，豐富虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源。

三、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用實(shí)踐

做為一種在線學(xué)習(xí)模式，虛擬化實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果很大程度上取決于學(xué)習(xí)者的主動(dòng)性和積極性。因此，有必要積極引導(dǎo)大學(xué)生從開(kāi)始大學(xué)學(xué)習(xí)時(shí)起，就能充分了解和使用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，逐步建立起自覺(jué)使用網(wǎng)絡(luò)條件，開(kāi)展實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)的習(xí)慣。我校的電工電子實(shí)驗(yàn)室和物理實(shí)驗(yàn)室均為基礎(chǔ)教學(xué)實(shí)驗(yàn)室，分別為校通識(shí)課程電工電子技術(shù)和大學(xué)物理提供實(shí)驗(yàn)保障。筆者根據(jù)目前這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和使用的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，分別利用2D和3D開(kāi)發(fā)工具，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了示波器、基爾霍夫電流實(shí)驗(yàn)和無(wú)線傳輸可視化等虛擬實(shí)驗(yàn)案例。

1.虛擬示波器的設(shè)計(jì)

示波器是大學(xué)物理和電工電子實(shí)驗(yàn)經(jīng)常用到的基本檢測(cè)設(shè)備，具有較多的按鈕和較復(fù)雜的功能。初次使用的同學(xué)，一時(shí)不易全面掌握。因?yàn)槭静ㄆ鞯暮诵墓δ芏贾饕性诿姘迩岸?，所以可以采用相?duì)簡(jiǎn)單的2D技術(shù)將其虛擬化。

圖1是筆者利用Flex[8]工具自主設(shè)計(jì)的示波器的主控界面，其中所有的按鍵操作都可以直接通過(guò)點(diǎn)擊鼠標(biāo)左鍵的方式模擬實(shí)現(xiàn)。針對(duì)較難實(shí)現(xiàn)的旋轉(zhuǎn)操作，把每一個(gè)旋鈕分成左右兩個(gè)透明的按鍵，當(dāng)鼠標(biāo)定位在該旋鈕的左（右）半部分時(shí)，示波器上方會(huì)出現(xiàn)一個(gè)向左（右）旋轉(zhuǎn)的提示，表示此時(shí)點(diǎn)擊鼠標(biāo)會(huì)產(chǎn)生向左（右）旋轉(zhuǎn)的效果。

圖1 虛擬示波器用戶界面

2.虛擬基爾霍夫電流實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)

基爾霍夫電流實(shí)驗(yàn)需要有完整的全局觀察，筆者采用了3D顯示技術(shù)進(jìn)行虛擬實(shí)現(xiàn)。Fancy3D是目前國(guó)內(nèi)首款自主研發(fā)的商用3D圖像開(kāi)發(fā)引擎，可以方便地開(kāi)發(fā)出在瀏覽器中運(yùn)行的高質(zhì)量的3D虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。圖2是利用Fancy3D引擎開(kāi)發(fā)的基爾霍夫電流虛擬仿真實(shí)驗(yàn)圖。學(xué)生

可以擺放實(shí)驗(yàn)設(shè)備，連結(jié)實(shí)驗(yàn)電路，還可以通過(guò)局部放大操作來(lái)讀取數(shù)據(jù)。學(xué)生在進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)中按表中的數(shù)據(jù)，設(shè)置電壓源和可變電阻箱的參數(shù)，讀取電流表的示數(shù)且填寫(xiě)在表格中，提交給后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行評(píng)判。該系統(tǒng)應(yīng)用于學(xué)生的實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)和復(fù)習(xí)，可不受場(chǎng)地和時(shí)間的限制，也便于教師進(jìn)行檢查。

圖2 虛擬基爾霍夫電流實(shí)驗(yàn)

3.無(wú)線傳輸可視化

高頻電磁波在大氣層內(nèi)無(wú)線傳播時(shí)，降水會(huì)吸收和散射電磁波，從而導(dǎo)致信號(hào)的衰減。這部分知識(shí)比較抽象，學(xué)生普遍反映不好理解。筆者設(shè)計(jì)了如圖3所示的可視化模型，構(gòu)建了在曠野中高頻信號(hào)發(fā)射和接收的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景。學(xué)生可以通過(guò)調(diào)節(jié)電磁波頻率和降水率等參數(shù)，形象地觀察到在實(shí)際傳輸環(huán)境下不同頻率電磁波在雨天傳輸過(guò)程中的衰減情況。

圖3 虛擬高頻電磁波傳輸場(chǎng)景

四、結(jié)束語(yǔ)

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在綜合應(yīng)用息技術(shù)的基礎(chǔ)上，是對(duì)現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)手段的有益補(bǔ)充和擴(kuò)展。學(xué)生可以不受地域和時(shí)間的限制，不受設(shè)備和平臺(tái)的限制，對(duì)所學(xué)知識(shí)通過(guò)實(shí)踐進(jìn)行印證、應(yīng)用、設(shè)計(jì)和創(chuàng)新。特別是在大學(xué)生第一學(xué)年的學(xué)習(xí)中，引入虛擬仿真實(shí)驗(yàn)手段，對(duì)于養(yǎng)成學(xué)生們利用信息化手段、完成課業(yè)學(xué)習(xí)的習(xí)慣具有積極的現(xiàn)實(shí)意義。

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G642

A

1006-9372（2016）03-0060-03

2016-02-18；

2016-04-12。

文章受中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）2014年度教學(xué)研究與教學(xué)改革項(xiàng)目（JGYB201406）；2015年國(guó)家級(jí)本科教學(xué)工程“專業(yè)綜合改革試點(diǎn)”項(xiàng)目（53900264072E）和2014年北京市高等學(xué)校教育教學(xué)改革項(xiàng)目（2014-ms129）。

張玉清，男，副教授，主要從事電子信息系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的教學(xué)和科研工作。

投稿網(wǎng)址： www.chinageoeducation.net.cn 聯(lián)系郵箱：bjb3162@cugb.edu.cn

張玉清， 鄭新奇， 管健， 等.虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作的改革與探索[J].中國(guó)地質(zhì)教育，2016，25（3）：60-62.

Title: Research on Virtual Simulation Experiment Teaching

Author(s)：ZHANG Yu-qing , ZHENG Xin-qi, GUAN J ian, GAO Guang-da