基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的計算機實踐教學(xué)方法研究

溪利亞　陳國平

摘要：

為推動實踐教學(xué)信息化建設(shè)，從實踐教學(xué)環(huán)境、管理和互動等環(huán)節(jié)，分析了信息類學(xué)科專業(yè)實踐教學(xué)現(xiàn)狀，提出將計算機虛擬現(xiàn)實技術(shù)引入實踐教學(xué)的建設(shè)思路。在梳理信息類學(xué)科知識結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，重鑄了學(xué)科實踐能力培養(yǎng)體系，構(gòu)建了基于虛擬仿真技術(shù)的實踐教學(xué)模型，重點介紹了虛實結(jié)合的實踐教學(xué)組織形式、實施方法，以及虛擬仿真實踐教學(xué)信息化平臺建設(shè)的主要內(nèi)容?？偨Y(jié)了以虛擬仿真技術(shù)為背景開展的模塊化、層次化、線上與線下、課內(nèi)與課外相互協(xié)同的實踐教學(xué)，在人才培養(yǎng)、實驗教學(xué)資源利用和實踐空間拓展中的作用。

關(guān)鍵詞：

虛擬現(xiàn)實；虛實結(jié)合；實踐教學(xué)

DOIDOI：10.11907/rjdk.172427

中圖分類號：G434

文獻標(biāo)識碼：A文章編號文章編號：16727800（2018）003022103

英文摘要Abstract：For effectively promoting the information construction of the practical teaching，this paper analyzes the present situation of information specialty practical teaching form the environment、management and interaction， and puts forward the construction idea of introducing computer virtual reality technology into practice teaching. On the basis of information science knowledge structure， the article recast practical ability cultivation architecture， and construct the practical teaching model based on virtual simulation technology. And it focuses on the organization form and implementation method of practice teaching on combination of virtuality and reality， and the main content of the construction of virtual simulation practice teaching information platform. Finally the paper summarizes the virtual simulation technology to play in talents cultivation， experimental teaching resources and space to expand the role of practice.

英文關(guān)鍵詞Key Words： virtual reality； combination of virtuality and reality； practical teaching

1實踐教學(xué)現(xiàn)狀

信息技術(shù)在推動教育現(xiàn)代化改革和發(fā)展中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用[1]。利用先進的虛擬現(xiàn)實技術(shù)，拓展實踐、科研、教研空間，構(gòu)建符合現(xiàn)代學(xué)習(xí)特征的信息化實踐教學(xué)體系是時代發(fā)展的要求[2]。

在“互聯(lián)網(wǎng)+”的滲透下，原有的實驗教學(xué)方式和手段在一定程度上成為限制培養(yǎng)學(xué)生實踐能力的瓶頸。武昌首義學(xué)院信息科學(xué)與工程學(xué)院立足“大眾化、應(yīng)用型”人才培養(yǎng)定位，研究了光電信息科學(xué)與工程、計算機科學(xué)與技術(shù)、軟件工程、通信工程、物聯(lián)網(wǎng)工程、電子信息工程6個專業(yè)特點，總結(jié)了開展實踐教學(xué)中遇到的問題，主要表現(xiàn)在：①實驗成本高，實驗設(shè)備數(shù)量不足、損耗大、維護費用高；②綜合型、創(chuàng)新型實驗項目開展受物理條件限制，設(shè)計、實施復(fù)雜，周期長。由于設(shè)備條件的限制，導(dǎo)致實踐或研究工作中斷；③實驗設(shè)備更新緩慢，跟不上技術(shù)發(fā)展，不能及時支持課程及相應(yīng)實驗的擴展；④物理實驗環(huán)境中，學(xué)生必須在規(guī)定的時間到專門的實驗室進行實驗，實驗受時間和地點限制；⑤實驗過程管理難，對實驗教學(xué)中出現(xiàn)的“跟著混”的學(xué)習(xí)現(xiàn)象缺乏監(jiān)管；⑥課外實踐互動難，由于課內(nèi)實踐學(xué)時有限，部分實驗需要學(xué)生課外自主完成，但學(xué)生課外學(xué)習(xí)情況往往很難落實。

結(jié)合高等教育信息化建設(shè)要求，在實踐教學(xué)中引入虛擬仿真技術(shù)。其具有直觀性、安全性、可重復(fù)性、無時間和地域限制、低能耗、低成本、大眾性、全面性等特點，可以有效解決上述問題[3]?；谔摂M仿真技術(shù)構(gòu)建實踐教學(xué)體系，是開展信息類專業(yè)實踐教學(xué)改革，解決實踐教學(xué)問題的一個有效途徑[4]。

2虛擬仿真實踐教學(xué)體系

以培養(yǎng)“具有創(chuàng)新精神和實踐能力的應(yīng)用型人才”為目標(biāo)，融合學(xué)科特色，梳理知識結(jié)構(gòu)，確立了公共基礎(chǔ)、電子技術(shù)、計算機技術(shù)、信息與信號處理、創(chuàng)新實踐5個專業(yè)知識模塊，建立了程序設(shè)計與算法、計算機系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)、軟件工程與數(shù)據(jù)庫、通信技術(shù)、信號與信息系統(tǒng)、光電技術(shù)、應(yīng)用電子技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)8個課程群，構(gòu)建了跨專業(yè)模塊化的課程體系。以此為基礎(chǔ)，從能力培養(yǎng)出發(fā)，構(gòu)建了“基礎(chǔ)—技能—綜合—創(chuàng)新”4個實踐層次和“基礎(chǔ)理論—核心能力—工程應(yīng)用—創(chuàng)新應(yīng)用”4個能力層次的“4+4模式”實踐能力培養(yǎng)體系[5]，如圖1所示。

圍繞實踐能力培養(yǎng)目標(biāo)，按照實踐教學(xué)培養(yǎng)規(guī)律，將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)，形成了“5個模塊、4種形式、4個層次、3個類別”的漸進式、開放式、虛實結(jié)合的實踐教學(xué)體系，如圖2所示。

2.15個專業(yè)知識模塊

依據(jù)實踐教學(xué)體系，按照信息類學(xué)科人才培養(yǎng)的知識、能力和素質(zhì)要求，與專業(yè)知識模塊呼應(yīng)，建立了公共基礎(chǔ)、電子技術(shù)、計算機技術(shù)、信號與信息處理、創(chuàng)新實踐5個實踐模塊。公共基礎(chǔ)實踐模塊主要面向全校開設(shè)計算機公共基礎(chǔ)課實驗，包括計算機概論、計算機網(wǎng)絡(luò)等課程實驗；電子技術(shù)實踐模塊主要面向電子信息工程、物聯(lián)網(wǎng)工程、通信工程、計算機科學(xué)與技術(shù)、軟件工程等專業(yè)，開設(shè)數(shù)字電路邏輯設(shè)計、單片機原理與應(yīng)用、CPLD/FPGA設(shè)計及應(yīng)用等專業(yè)核心課程實驗；計算機技術(shù)實踐模塊主要面向計算機科學(xué)與技術(shù)、軟件工程等專業(yè)，開設(shè)計算機組成原理、面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計等專業(yè)方向課程實驗；信號與信息處理實踐模塊主要面向通信工程、電子信息工程、光電信息科學(xué)與工程、物聯(lián)網(wǎng)工程等專業(yè)，開設(shè)信號與系統(tǒng)、數(shù)字信號處理、工程光學(xué)、數(shù)字圖像處理、移動通信原理等專業(yè)方向課程實驗；創(chuàng)新實踐模塊緊密結(jié)合畢業(yè)設(shè)計、科研項目、學(xué)科競賽、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)等實踐活動，在掌握基礎(chǔ)技能和專業(yè)技能后，充分利用綜合類實驗資源，對學(xué)生進行工程應(yīng)用、創(chuàng)新能力和科研方法訓(xùn)練，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計和系統(tǒng)設(shè)計能力，激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新熱情和參與創(chuàng)新活動積極性。5個實踐模塊相互滲透，根據(jù)人才培養(yǎng)要求，進行模塊化的組合，實現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容的開放共享。

2.24種實踐教學(xué)形式

根據(jù)實踐項目特點，按照優(yōu)勢互補原則，設(shè)計了混合式的實踐模式，將動畫模擬、實物實驗、虛擬仿真實驗、遠程實驗4種形式有機融合，納入到專業(yè)課程的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)中，實現(xiàn)了虛實結(jié)合的實踐教學(xué)新形式。實施中，根據(jù)實驗內(nèi)容，選擇不同的實驗形式，如運用動畫模擬仿真課程中抽象難懂的理論知識，形象生動地展現(xiàn)理論原理；通過虛實結(jié)合的方式，在虛擬環(huán)境中反復(fù)練習(xí)，達到熟能生巧的效果。訓(xùn)練實際技能的應(yīng)用能力，提高實驗效率；對于課外或?qū)嶒炤^為復(fù)雜、實驗設(shè)備受限的實踐，則通過遠程實踐和虛擬仿真進行，提供不同層次的實踐能力培養(yǎng)。

2.34個專業(yè)能力層次與3個實驗類別

按照“加強基礎(chǔ)、鞏固技能、提高能力、綜合培養(yǎng)”原則， 實驗項目分為學(xué)科基礎(chǔ)、專業(yè)技能、綜合應(yīng)用和創(chuàng)新能力4個層次，助學(xué)、訓(xùn)練、提高3個類別。在實踐環(huán)節(jié)中，開展分層分類實踐教學(xué)。助學(xué)類虛擬仿真實驗，采用形象生動的動畫形式，將抽象概念形象化，復(fù)雜過程可視化，學(xué)習(xí)和理解重點難點知識。訓(xùn)練類虛擬仿真實驗，將實體實驗虛擬化，學(xué)生在開展實物實驗前先用虛擬仿真實驗提前預(yù)習(xí)。在虛擬環(huán)境中通過交互的方式，反復(fù)訓(xùn)練，達到孰能生巧的效果，為學(xué)生參加實驗打下基礎(chǔ)。這種先虛后實的實驗?zāi)Ｊ?，可以減少實驗中因為操作不當(dāng)而損壞實驗設(shè)備，避免因為不熟悉儀器設(shè)備操作、實驗原理而浪費實驗時間的現(xiàn)象。對一些難以重現(xiàn)的實驗，或是綜合型、創(chuàng)新型、不易實施的實驗，通過虛擬仿真實驗完成。在虛擬環(huán)境下，學(xué)生可以方便地修正、重組、查驗和嘗試，既滿足了實驗的靈活性和有效性，又極大地減少了實驗成本和資源消耗。

表1為計算機網(wǎng)絡(luò)課程中部分實驗項目教學(xué)安排情況。實驗項目按照實驗層次、類別和形式進行安排[6]，也可根據(jù)實踐學(xué)時調(diào)整項目課內(nèi)外完成比例。如實驗項目（1）和實驗項目（4）可采用課外線上虛擬仿真、線下實驗完成；實驗項目（2）、實驗項目（3）和實驗項目（5）可采用課外線上完成。這里的線上指通過虛擬仿真信息化平臺上完成的實驗項目。

3虛擬仿真實踐教學(xué)平臺

為保障不同類型的實驗和實踐教學(xué)順利開展[7]，構(gòu)建了互聯(lián)網(wǎng)+實驗平臺，開展課內(nèi)外一體化的實踐教學(xué)。虛擬仿真信息化實驗教學(xué)管理平臺依托校園網(wǎng)絡(luò)[8]，其架構(gòu)如圖3所示。平臺實現(xiàn)了各類實驗的統(tǒng)籌安排，包括實驗安排與選課、實驗前的相關(guān)知識輔助學(xué)習(xí)與測試、實驗平臺跳轉(zhuǎn)、實驗過程的答疑與指導(dǎo)、虛擬實驗結(jié)果的自動批改、實驗報告的在線填寫與管理、實驗教學(xué)效果評估與分析、師生互動交流和系統(tǒng)安全管理等功能，涵蓋整個實驗流程，搭建師生交流平臺，為課外線上實驗的順利開展提供保障。

4虛擬仿真實驗教學(xué)作用

（1）引領(lǐng)教學(xué)理念的轉(zhuǎn)變。在理論授課和實驗室實驗之間增加“虛擬實驗”教學(xué)，把仿真實驗平臺開放給學(xué)生自由使用，教師利用系統(tǒng)安排理論基礎(chǔ)測試、虛擬實驗、遠程實驗，監(jiān)控和輔導(dǎo)學(xué)習(xí)過程，評價和管理實驗成績，提高了教學(xué)的信息化水平，緩解了傳統(tǒng)實驗教學(xué)中實驗室建設(shè)費用高、建設(shè)周期長、實驗受時間、空間、人力限制的問題，創(chuàng)新了教學(xué)模式，引領(lǐng)了教學(xué)理念的轉(zhuǎn)變[9]。

（2）豐富實驗教學(xué)資源，拓展實踐空間。虛擬仿真實踐教學(xué)體系采用 “理論授課-虛擬實驗-實驗室教學(xué)”的實踐教學(xué)手段[10]，以“助學(xué)、訓(xùn)練、提高”3個內(nèi)容層次組織實踐教學(xué)，通過“動畫模擬、虛擬仿真、實物實驗、遠程實驗”相互融合的混合式教學(xué)形式開展虛實結(jié)合的實踐教學(xué)，構(gòu)建線上線下、課內(nèi)課外相互協(xié)同的實踐教學(xué)新模式，豐富了實驗教學(xué)資源，拓展了實踐空間，為學(xué)生獨立自主學(xué)習(xí)與實踐創(chuàng)造良好的條件。

（3）增強實踐創(chuàng)新能力。利用虛擬仿真技術(shù)開設(shè)有特色的自主實驗和創(chuàng)新實驗，提升了學(xué)生對專業(yè)技能的掌握程度；利用信息化技術(shù)開展遠程虛擬實驗，適應(yīng)學(xué)習(xí)移動化、碎片化特征，學(xué)生在課余時間進行實驗，營造了隨時學(xué)習(xí)、無限次練習(xí)的氛圍，實現(xiàn)了更大范圍的資源共享，提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與設(shè)計能力。

（4）提升專業(yè)建設(shè)水平。虛擬仿真實驗教學(xué)平臺既是仿真實驗平臺，也是教研、科研和創(chuàng)新的實踐平臺。平臺的建設(shè)促進了大數(shù)據(jù)技術(shù)、云計算、虛擬化和信息安全技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用，“個性學(xué)習(xí)”的應(yīng)用研究帶動了教研工作的開展，開辟了虛擬實踐為先、科研支持教學(xué)、教學(xué)服務(wù)科研的實踐教學(xué)模式。

5結(jié)語

實踐教學(xué)中，以優(yōu)勢互補為原則，引入虛擬化技術(shù)，構(gòu)建的“5個模塊、4種形式、4個層次、3個類別”的虛擬仿真實踐教學(xué)體系，做到了以“實”為目標(biāo)，以“虛”為手段，揚長避短，“虛”加強理論知識與實際操作的聯(lián)系，“實”提高學(xué)生解決實際問題的能力，將虛擬實驗與理論課程相結(jié)合、與實體實驗相結(jié)合、與工程實踐相結(jié)合、與學(xué)科競賽相結(jié)合、與校企合作相結(jié)合、與科研項目相結(jié)合，做到基礎(chǔ)知識、專業(yè)技能、綜合能力、創(chuàng)新能力培養(yǎng)4年不間斷，不斷提升學(xué)生的專業(yè)核心能力、工程應(yīng)用能力與創(chuàng)新能力，推動了虛實結(jié)合的實踐教學(xué)理念在人才培養(yǎng)中的應(yīng)用，推進了實踐教學(xué)的信息化發(fā)展進程。

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責(zé)任編輯（責(zé)任編輯：杜能鋼）