信息類課程中的虛擬實(shí)驗(yàn)項目設(shè)計與應(yīng)用

李薇，楊慶華，沈雪珍

（1.西華師范大學(xué)計算機(jī)學(xué)院，南充 637000；2.川北醫(yī)學(xué)院醫(yī)學(xué)影像學(xué)院，南充 637000）

信息類課程中的虛擬實(shí)驗(yàn)項目設(shè)計與應(yīng)用

李薇1，楊慶華2，沈雪珍1

（1.西華師范大學(xué)計算機(jī)學(xué)院，南充 637000；2.川北醫(yī)學(xué)院醫(yī)學(xué)影像學(xué)院，南充 637000）

信息類課程使用虛擬實(shí)驗(yàn)具有方便性、低成本、開放性、深入性等優(yōu)點(diǎn)，但因?yàn)槠涫鼙娋哂休^好軟件和數(shù)學(xué)基礎(chǔ)的特點(diǎn)，使得實(shí)驗(yàn)設(shè)計具有很大特異性和難度。從項目選擇、描述層次、結(jié)構(gòu)形式、重點(diǎn)問題、開放性和綜合性等多角度，探討此類虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計中可能面對的問題，從方法學(xué)角度也給出建議和基本設(shè)計思路，并從應(yīng)用效果及學(xué)生素質(zhì)培養(yǎng)角度上，探討實(shí)驗(yàn)設(shè)計的具體方法。

虛擬實(shí)驗(yàn)；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；信息類課程；教學(xué)設(shè)計

0 引言

對理工類學(xué)生而言，作為教學(xué)的重要環(huán)節(jié)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)相對理論教學(xué)更加直觀方便，且具有趣味性和教學(xué)效果好的特點(diǎn)。傳統(tǒng)意義上的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，實(shí)驗(yàn)項目種類、效果均有一定局限，其開展實(shí)施需要一定場地、人力和成本等條件，且通常僅以驗(yàn)證性，單一性實(shí)物實(shí)驗(yàn)為主，在很多課程教學(xué)中也很難做到較高綜合性和靈活性。近年來，虛擬實(shí)驗(yàn)開始在諸多專業(yè)和學(xué)科教學(xué)中采用，以彌補(bǔ)上述傳統(tǒng)實(shí)物實(shí)驗(yàn)的不足以及進(jìn)一步改善傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)效果。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)本身也包括實(shí)物仿真和軟件仿真方法，其中尤以軟件仿真特色明顯，成為主流。其主要設(shè)計開發(fā)思路是：利用計算機(jī)易于圖形化的特點(diǎn)，按照外形相似、原理相似、實(shí)現(xiàn)方法和過程相似等原理，在計算機(jī)上營造一個模擬的可替代傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)各操作環(huán)節(jié)的軟硬件操作環(huán)境[1]。

信號類課程，如《信號系統(tǒng)》、《數(shù)字信號處理》、《圖像處理》等課程，其教學(xué)對象主要面向是計算機(jī)、通信、自動化、生物醫(yī)學(xué)工程等專業(yè)。這些課程要求數(shù)學(xué)基礎(chǔ)較高，難度較大，在電氣信息類專業(yè)中有重要的地位。其虛擬實(shí)驗(yàn)的開設(shè)與其他學(xué)科相比具有很大差異：不同于計算機(jī)軟件課程，可在程序環(huán)境中以純粹模擬方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)；也不似純電子硬件學(xué)科，可完全實(shí)物操作，或具有通行的硬件模擬專門軟件[2]。

該類學(xué)科學(xué)生本身也常具有較強(qiáng)的數(shù)理工程背景，需深入學(xué)習(xí)內(nèi)容，而不滿足于基本原理的直觀展示或演示；另外，作為專業(yè)基礎(chǔ)課程，信號類課程往往涉及硬件、軟件、數(shù)學(xué)、控制理論等既廣泛又深入的內(nèi)容。上述原因使得信號類課程虛擬實(shí)驗(yàn)的開展具有很大特殊性。就目前實(shí)際而言，信號類課程的虛擬實(shí)驗(yàn)還處于發(fā)展階段，遠(yuǎn)沒有成熟產(chǎn)品可供選擇；各校，各門學(xué)科，不同學(xué)生知識及學(xué)習(xí)能力、要求等都有巨大差異，這些決定了此類虛擬實(shí)驗(yàn)在近年內(nèi)仍將以教學(xué)人員自己設(shè)計為主[3-4]。筆者嘗試從方法學(xué)上對信號類虛擬實(shí)驗(yàn)的設(shè)計做出探討。

1 虛擬實(shí)驗(yàn)項目的設(shè)計

1.1 虛擬實(shí)驗(yàn)開設(shè)項目

虛擬實(shí)驗(yàn)是仿真實(shí)驗(yàn)，在某種程度上可減少實(shí)驗(yàn)成本，提高實(shí)驗(yàn)效果的要求。教學(xué)過程中應(yīng)遵循規(guī)則：①盡量以與實(shí)際應(yīng)用類似為優(yōu)先，其次為教學(xué)實(shí)驗(yàn)，最后才是虛擬實(shí)現(xiàn)；②虛擬實(shí)驗(yàn)可以是原理類似，結(jié)構(gòu)類似，方法類似，但不能取代實(shí)物實(shí)驗(yàn)；③盡量將虛擬實(shí)驗(yàn)上學(xué)習(xí)的知識遷移到實(shí)物和實(shí)際應(yīng)用中。可以虛實(shí)結(jié)合，在條件具備時，逐步增加實(shí)物實(shí)驗(yàn)內(nèi)容[5]。

虛擬實(shí)驗(yàn)開設(shè)項目設(shè)計時，按照教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行針對性設(shè)計，諸如參數(shù)調(diào)節(jié)，測試點(diǎn)設(shè)計，結(jié)果顯示等若考慮得當(dāng)，有時也可達(dá)到超越實(shí)物實(shí)驗(yàn)的效果。

1.2 實(shí)驗(yàn)的形式，結(jié)構(gòu)考慮

由于信息類學(xué)生本身屬于虛擬實(shí)驗(yàn)的“專業(yè)用戶”，可以在虛擬實(shí)驗(yàn)的形象直觀性等方面降低。因此實(shí)驗(yàn)不需采用大量圖畫，背景去標(biāo)定實(shí)物，也不需過多考慮有趣性。該做法的優(yōu)點(diǎn)是可鍛煉學(xué)生的數(shù)理建模思維，并可培養(yǎng)學(xué)生編程分析能力。因此，實(shí)驗(yàn)主要工具可采用MATLAB、LabVIEW等環(huán)境。在條件允許時，還可由虛到實(shí)，逐步向工業(yè)領(lǐng)域的方法靠攏[6]。

學(xué)生從知道原理，到知道實(shí)現(xiàn)方案，逐步過渡到怎么樣工業(yè)化實(shí)現(xiàn)，怎么樣處理故障，考慮容錯問題等。在教學(xué)安排上可設(shè)計一個典型事例，由理論教學(xué)（基本概念）到虛擬實(shí)驗(yàn)，再放回理論（復(fù)雜部分），最后完善虛擬實(shí)驗(yàn)內(nèi)容這樣一個反饋回路，使得學(xué)生更加認(rèn)識深入。

1.3 平衡問題表述

信息理論課程的教育，應(yīng)使得學(xué)生了解信號采集處理的一般方法和經(jīng)典方法。學(xué)生應(yīng)對本學(xué)科領(lǐng)域里的基本技術(shù)路線熟悉，了解應(yīng)用背景，知曉處理方法。對重要的方法應(yīng)給予重視，亦即應(yīng)對實(shí)驗(yàn)項目進(jìn)行細(xì)化。在此基礎(chǔ)上可讓學(xué)生了解各個章節(jié)內(nèi)容。

例如信號系統(tǒng)，本身不僅僅是電子線路中信號的基本處理方法，其也是機(jī)械、生物、圖像等諸多領(lǐng)域中通用的處理方法；在傳統(tǒng)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，可大量的補(bǔ)充，并考慮如何應(yīng)用相似的方法，進(jìn)行各類物理系統(tǒng)建模，抽象出大家所熟悉的信號與系統(tǒng)，并在課程中找到可用的方法。“高觀點(diǎn)”的表達(dá)，適合水平較高、教師專業(yè)背景來源廣泛的院校，設(shè)計實(shí)驗(yàn)也可以豐富多樣化。

又如圖像處理，信號處理等課程，或統(tǒng)計處理，微分方程，積分變換等課程，數(shù)學(xué)知識是整門課程的難點(diǎn)和核心。如果不予以適當(dāng)?shù)摹暗陀^點(diǎn)”化，整個課程教學(xué)可能會完全變成數(shù)學(xué)教學(xué)。對大多數(shù)本科生而言，沒有能力也沒有必要對這些內(nèi)容完全深入。正如一本模式識別的教材中提到：“掌握課程的先導(dǎo)課程是代數(shù)學(xué)、矩陣論、函數(shù)論、概率論與數(shù)理統(tǒng)計、最優(yōu)化理論與方法、模糊數(shù)學(xué)、信號處理、人工智能原理、計算機(jī)軟件與設(shè)計。對于多數(shù)讀者，不可能也不必要花費(fèi)大量精力和時間去學(xué)完上述全部課程”[7]。

1.4 處理教學(xué)重點(diǎn)問題

虛擬實(shí)驗(yàn)的一個較大優(yōu)勢是避免了較大的實(shí)驗(yàn)設(shè)備投入。由于實(shí)驗(yàn)方法通常在計算機(jī)上完成，其效果必然沒有實(shí)體實(shí)驗(yàn)?zāi)敲粗庇^和有針對性。在實(shí)驗(yàn)設(shè)計中，尤其應(yīng)注意突出教學(xué)重點(diǎn)，及發(fā)揮其本身的優(yōu)勢。

例如圖像處理課程的教學(xué)，使用較實(shí)際的編程語言C++等，學(xué)生和教師會將大量的時間用于語言程序的學(xué)習(xí)，編寫和調(diào)試，這樣課程似乎變成了程序設(shè)計課，反而忽視了圖像處理本身的內(nèi)涵。采用虛擬實(shí)驗(yàn)，則可以根據(jù)學(xué)生學(xué)習(xí)進(jìn)度適時調(diào)整學(xué)習(xí)的重點(diǎn)。圖像處理的第一層次是像素處理，基于灰度的操作。第二層次是考慮尺度、時頻處理、包括小波、分形、編碼、形態(tài)學(xué)、表示與描述等等，第三層次是模式識別，圖像分析，計算機(jī)視覺等，教師可以根據(jù)學(xué)生學(xué)習(xí)進(jìn)度和情況，在不同教學(xué)階段設(shè)計出突出該階段特色的處理方法。這樣，學(xué)生可由淺入深逐漸領(lǐng)會課程的完整性[8]。

1.5 操作性，直觀性的考慮

增加實(shí)驗(yàn)的操作性和直觀性，學(xué)生可較易利用多參數(shù)及動態(tài)的角度得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果。相比于學(xué)生自己編程，或進(jìn)行程序調(diào)試，虛擬實(shí)驗(yàn)的趣味性、易用性更好。

編程、調(diào)試和分析，在時間允許時，可以鼓勵學(xué)生進(jìn)行。但是在日常教學(xué)時，可能出現(xiàn)的問題是分散學(xué)生的精力，如前文所述。此外難度也會增大。所以，較為實(shí)用的方法是，將虛擬實(shí)驗(yàn)封裝好，或設(shè)計一個易于執(zhí)行和選擇的界面。為學(xué)有余力學(xué)生還可以開放編程接口，調(diào)試窗口。

操作性良好的界面，具有以下優(yōu)點(diǎn)：①和實(shí)際應(yīng)用相似，和編程中參數(shù)調(diào)試內(nèi)容相似；②最好是所見即所得，可以有多角度的顯示方法；③考慮人機(jī)工程學(xué)的因素，符合學(xué)生學(xué)習(xí)的心理及認(rèn)知過程。

總體而言，虛擬實(shí)驗(yàn)的界面是簡單，向真實(shí)靠攏，滿足實(shí)際需要即可。

1.6 實(shí)驗(yàn)開放性，探索性的設(shè)計

實(shí)驗(yàn)的開放性主要包含兩方面含義，一是實(shí)驗(yàn)對象應(yīng)用的方便性，如網(wǎng)絡(luò)訪問、交互實(shí)驗(yàn)等等，由于涉及大量網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的工作，此類問題這里不做贅述，另一方面，開放性是指學(xué)生易于使用，并且可以基于原有實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的擴(kuò)展和深入。這個概念類似于通常所說的一些開放免費(fèi)軟件的開放性。探索性，主要強(qiáng)調(diào)其適合于學(xué)生，遵循該虛擬實(shí)驗(yàn)思路，對某類特殊問題的研究。

虛擬實(shí)驗(yàn)最大優(yōu)點(diǎn)是實(shí)驗(yàn)的低或無成本，學(xué)生做實(shí)驗(yàn)時，虛擬實(shí)驗(yàn)可以具有無運(yùn)行成本，無需考慮器材的破壞，無物理傷害等特點(diǎn)，這樣可以大大鼓勵學(xué)生的開放性和探索性設(shè)計。教師也可以開放程序，讓學(xué)生參與界面交互操作，甚至參與實(shí)驗(yàn)程序的設(shè)計，這樣可以滿足學(xué)生的深入學(xué)習(xí)需求。

1.7 綜合性課題實(shí)驗(yàn)的設(shè)計

虛擬實(shí)驗(yàn)在綜合性課題和實(shí)驗(yàn)中也可發(fā)揮出自己的優(yōu)勢。無需或較少考慮接口問題，更加靈活性，更深難度與綜合性這些特點(diǎn)可進(jìn)一步體現(xiàn)出虛擬綜合性實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢。事實(shí)上，一些大型軍工武器實(shí)驗(yàn)，大型工業(yè)實(shí)驗(yàn)項目的預(yù)驗(yàn)證也是利用虛擬仿真方法來實(shí)現(xiàn)的。在信號類課程的實(shí)驗(yàn)設(shè)計中也有類似方法思路。

較完備的綜合性實(shí)驗(yàn)可以幫助學(xué)生對多門課程知識進(jìn)行整合，學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)可更牢固地掌握課程間的聯(lián)系，從而對以前支離孤立的知識點(diǎn)有更加深入的認(rèn)識。較好的綜合性實(shí)驗(yàn)設(shè)計，本身也可作為學(xué)生的畢業(yè)論文題目。

2 結(jié)語

一個良好虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的設(shè)計，其主要出發(fā)點(diǎn)應(yīng)是學(xué)生學(xué)習(xí)過程中的良好收獲，因此需滿足以下幾點(diǎn)：1.目的明確：實(shí)驗(yàn)內(nèi)容緊緊圍繞教學(xué)內(nèi)容，突出重點(diǎn)；2.滿足教學(xué)要求和特點(diǎn)：包括符合學(xué)生和初學(xué)者的由易到難，既有理論描述理解，又可以滿足技術(shù)路線，方法的訓(xùn)練；3.安全有效和便捷成本低：貼近真實(shí)和實(shí)物實(shí)驗(yàn)，發(fā)揮虛擬實(shí)驗(yàn)成本低，安全，參數(shù)易調(diào)等優(yōu)勢；4.內(nèi)容更深入、探索性和新的感知：內(nèi)容上，較之傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)難度深入，可以培養(yǎng)學(xué)生綜合探索精神，盡量增加學(xué)生新的感知。

[1]蘇培華.基于虛擬儀器的虛擬實(shí)驗(yàn)應(yīng)用研究.電子設(shè)計工程[J]，2015，23(13):172-175.

[2]涂錚錚,程凡,徐沁等.計算機(jī)專業(yè)硬件類課程虛擬實(shí)驗(yàn)平臺設(shè)計電腦知識與技術(shù)[J]，2015,11(32):106-108.

[3]耿艷香,徐文超,張立毅等.教學(xué)實(shí)踐中虛擬實(shí)驗(yàn)的發(fā)展與完善.計算機(jī)教育[J]，2014,24：119-121.

[4]姜樹杰.巧用虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)解決教學(xué)難點(diǎn).實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理[J]，2016,33(4)：100-102.

[5]劉蕓,張文輝.基于內(nèi)容分析法的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)用研究.中國教育技術(shù)裝備[J].2014,12：3-6.

[6]燕慧英,杜娟.信號類課程的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺設(shè)計.大眾科技[J]，2015,17(7)：155-157.

[7]孫即祥.現(xiàn)代模式識別（第二版）[M].北京：高等教育出版社，2008.

[8]蔣世忠,黃展鵬,趙潔.醫(yī)學(xué)圖像處理虛擬實(shí)驗(yàn)室的研究與構(gòu)建[J].微計算機(jī)信息，2010，26(5)：212-213.

Design and Application of Virtual Experiment in Information Courses

LI Wei1，YANG Qing-hua2，SHEN Xue-zhen3

（1．College of Computer Science,West Normal University，Nanchong637000；
2．Department of Medical Imaging,North Sichuan Medical College，Nanchong 637000）

The virtual experiments used in information courses have many advantages of convenience,low cost,openness,depth.Their audiences have good foundation of software and mathematical,so the designs of virtual experiments have great specificity and difficulty.From the aspects of project selection,description level,structural style,key issues,openness and comprehensiveness,discusses the possible faced problems in this kind of virtual experiment designs.From the point of view of methodology,it also puts forward some suggestions and basic design ideas,and discusses the specific methods of the experimental design from the perspective of the application effect and the cultivation of students'quality.

Virtual Experiment;Experimental Teaching;Information Course;Teaching Design

1007-1423（2017）04-0045-04

10.3969/j.issn.1007-1423.2017.04.010

李薇（1982-），女，四川廣安人，副教授,碩士研究生，研究方向?yàn)閳D像處理、嵌入式、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

2017-01-10

2017-02-06

四川省教育廳自然科學(xué)一般項目（No.17ZB0430）、四川省教育廳自然科學(xué)一般項目（No.13ZB0012）、西華師范大學(xué)教改項目（No.JGXMQN1329）

楊慶華（1977-），男，江西弋陽人，碩士研究生，副教授，研究方向?yàn)獒t(yī)學(xué)成像技術(shù)、醫(yī)學(xué)圖像處理分析

沈雪珍（1972-），女，四川南充人，碩士研究生，講師，研究方向?yàn)橛嬎銠C(jī)應(yīng)用