淺談虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的構(gòu)建

劉華穎

(華北理工大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院，河北 唐山 063000)

以網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的各種知識學(xué)習(xí)逐漸成為世界教學(xué)發(fā)展的一種趨勢，從2012年起，以美國斯坦福大學(xué)和哈佛大學(xué)為代表的一批知名高校構(gòu)建了MOOC形式的網(wǎng)上教學(xué)形式。2013年8月13日，國家教育部高教司下文在全國構(gòu)建國家級虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心(高教司函 【2013】94號)，從國家政策上給予網(wǎng)絡(luò)化的虛擬實(shí)驗(yàn)仿真技術(shù)發(fā)展提供支持。并在2013年度評估組建了150個(gè)國家級虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心(醫(yī)學(xué)類獲得9個(gè))。因此各地組建 “省級、校級虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心”應(yīng)是發(fā)展趨勢。

1 構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)室的必要性

多媒體教學(xué)技術(shù)日趨發(fā)展，實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)不再只是局限在某一個(gè)實(shí)驗(yàn)室，面對某一臺儀器，而是在虛擬世界進(jìn)行多種多樣的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，多個(gè)儀器相互配合。醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)中主要存在以下4點(diǎn)問題。

1)實(shí)驗(yàn)教學(xué)成本過高。實(shí)驗(yàn)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)材料是進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)的物質(zhì)基礎(chǔ)。實(shí)驗(yàn)設(shè)備大多價(jià)格昂貴，且折舊率很高；還由于設(shè)備更新升級快，面臨著重復(fù)購置的問題；此外，設(shè)備的維修也是一筆不小的開銷。

2)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目有限，缺乏創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)[1]。比起驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，證明已知結(jié)論，高校如今更加重視學(xué)生分析和解決問題能力的培養(yǎng)，提高學(xué)生的創(chuàng)新能力。

3)實(shí)際實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，由于學(xué)生個(gè)體存在差異，能力參差不齊，總會(huì)遇到這樣那樣的問題，而實(shí)驗(yàn)教師不足，往往是一名教師面對一個(gè)班的學(xué)生，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中遇到的問題得不到及時(shí)解決，會(huì)極大影響實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。

4)實(shí)驗(yàn)過程中環(huán)保意識不強(qiáng)，存在對實(shí)驗(yàn)“三廢”的處理欠規(guī)范的問題。

2 虛擬實(shí)驗(yàn)室的優(yōu)勢和局限性

虛擬實(shí)驗(yàn)室(virtual laboratory)是指利用虛擬現(xiàn)實(shí)VR(virtual reality)技術(shù)創(chuàng)建的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，一般有實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)、虛擬實(shí)驗(yàn)場地、虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)備和虛擬實(shí)驗(yàn)流程等幾個(gè)部分構(gòu)成[2]。

2.1 虛擬實(shí)驗(yàn)室的優(yōu)勢

1)確保實(shí)驗(yàn)順利完成和充分激發(fā)學(xué)生實(shí)驗(yàn)興趣。真實(shí)實(shí)驗(yàn)過程中，往往受一些因素導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果不準(zhǔn)確。而虛擬實(shí)驗(yàn)過程不受場地、動(dòng)物及試劑的影響，具有易于操作及可重復(fù)性，使得每位學(xué)生可以獨(dú)立完成虛擬實(shí)驗(yàn)，增加學(xué)生的實(shí)驗(yàn)機(jī)會(huì)，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。真實(shí)實(shí)驗(yàn)之前，學(xué)生可以通過虛擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行預(yù)習(xí)；在真實(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，又可進(jìn)行復(fù)習(xí)，特別是真實(shí)實(shí)驗(yàn)失敗后，可以在虛擬實(shí)驗(yàn)中尋找失敗原因[3]。此外，對于一些未列入教學(xué)任務(wù)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，學(xué)生可以通過虛擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行學(xué)習(xí)，拓展學(xué)習(xí)視野，提高個(gè)人能力。

2)降低實(shí)驗(yàn)成本。虛擬實(shí)驗(yàn)室提供型號齊全、用之不竭、永不損壞的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，而且可以不斷地?cái)U(kuò)充發(fā)展[4]。虛擬實(shí)驗(yàn)不需要實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備，不需要購買飼養(yǎng)動(dòng)物、藥品和試劑，實(shí)驗(yàn)器材也不需要更新與維修。

3)避免實(shí)驗(yàn)危險(xiǎn)。對于在真實(shí)實(shí)驗(yàn)中難以開展，對人體有害的實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以在虛擬環(huán)境中放心去操作。

4)減少污染。虛擬實(shí)驗(yàn)室不產(chǎn)生 “三廢”和其他有毒物質(zhì)，避免環(huán)境污染。

2.2 虛擬實(shí)驗(yàn)室的局限性

構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)室是高校實(shí)驗(yàn)發(fā)展的必然趨勢，但與真實(shí)實(shí)驗(yàn)相比還是有所不同。虛擬實(shí)驗(yàn)的局限性有如下3個(gè)方面。

1)實(shí)驗(yàn)結(jié)果固定性。在虛擬實(shí)驗(yàn)中，只要實(shí)驗(yàn)者按照實(shí)驗(yàn)步驟操作，就會(huì)得到滿意的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。同時(shí)，虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)置的干擾因素有限，各種材料之間相互影響出現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，也不能完全考慮進(jìn)去。但在真實(shí)實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)過程充滿不確定性，實(shí)驗(yàn)者會(huì)遇到許多未知的困難。

2)缺少協(xié)作精神。虛擬實(shí)驗(yàn)一般都設(shè)置成實(shí)驗(yàn)者獨(dú)立完成某個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目[5]，對于培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神方面存在不足。

3)缺少真實(shí)感。虛擬實(shí)驗(yàn)可以帶領(lǐng)實(shí)驗(yàn)者完成整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程，使其理解實(shí)驗(yàn)步驟及實(shí)驗(yàn)材料。但對于實(shí)驗(yàn)設(shè)備的真實(shí)觸感，實(shí)驗(yàn)者卻無從得知，比如實(shí)驗(yàn)動(dòng)物捉拿方法，雖然虛擬實(shí)驗(yàn)中的方法步驟介紹得很清楚，但在具體操作時(shí)，很有可能出現(xiàn)動(dòng)物不配合等情況。

3 構(gòu)建虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的幾點(diǎn)建議

虛擬實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢毋庸置疑，應(yīng)該把虛擬實(shí)驗(yàn)看成真實(shí)實(shí)驗(yàn)的一種補(bǔ)充教學(xué)手段[6]。作為真實(shí)實(shí)驗(yàn)課前預(yù)習(xí)和課后復(fù)習(xí)的一個(gè)新的場所。這里主要針對三方面對虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心提出建議和改革。

3.1 學(xué)生方面，實(shí)現(xiàn)虛擬實(shí)驗(yàn)難度的劃分

學(xué)生接受知識的能力、理解水平、素質(zhì)各有不同，對虛擬實(shí)驗(yàn)的操作會(huì)產(chǎn)生不同的處理結(jié)果?，F(xiàn)階段使用的虛擬實(shí)驗(yàn)一個(gè)項(xiàng)目只有一組實(shí)驗(yàn)步驟，對理解能力差的學(xué)生可能會(huì)有些困難；對接受新生事物快的學(xué)生，現(xiàn)有的虛擬實(shí)驗(yàn)缺乏挑戰(zhàn)性。

為解決這一沖突，在設(shè)計(jì)虛擬實(shí)驗(yàn)時(shí)加入難度等級，分為4級:簡單(1級)、普通(2級)、難(3級)、困難(4級)。制定以下規(guī)則:學(xué)生可自由選擇難度，既可以從1級入手，也可以從4級入手，只需根據(jù)自身能力選擇即可；如果學(xué)生不確定哪個(gè)等級適合自己，可以要求系統(tǒng)給出提示，系統(tǒng)會(huì)將4個(gè)等級分別做簡單介紹，并分別針對各等級提出幾個(gè)主要問題，學(xué)生結(jié)合自身?xiàng)l件進(jìn)行選擇；當(dāng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)失敗時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)分析失敗原因，給出建議，以供學(xué)生再次實(shí)驗(yàn)時(shí)參考。

3.2 教師方面，實(shí)現(xiàn)虛擬實(shí)驗(yàn)過程計(jì)分，納入實(shí)驗(yàn)成績

為了調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，主動(dòng)熱情地投入到虛擬世界學(xué)習(xí)，任課教師可以將虛擬實(shí)驗(yàn)按比例計(jì)入實(shí)驗(yàn)成績。實(shí)驗(yàn)成績既要重視實(shí)驗(yàn)結(jié)果又不能忽視實(shí)驗(yàn)過程[7]。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)成績一般只包含實(shí)驗(yàn)結(jié)果和實(shí)驗(yàn)報(bào)告。現(xiàn)在加入虛擬實(shí)驗(yàn)成績，系統(tǒng)可以記錄學(xué)生操作的實(shí)驗(yàn)步驟，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)過程和結(jié)果的動(dòng)態(tài)評分，可以更真實(shí)地反映學(xué)生的實(shí)驗(yàn)水平。為了保證每位學(xué)生都有虛擬實(shí)驗(yàn)分?jǐn)?shù)，教師可以規(guī)定，學(xué)生在一定時(shí)間內(nèi)完成1級或2級虛擬實(shí)驗(yàn)即可，成績的高低取決于學(xué)生選擇的難度等級和完成時(shí)間長短[8]。

實(shí)驗(yàn)成績包括實(shí)驗(yàn)操作和知識答卷兩部分。實(shí)驗(yàn)操作分?jǐn)?shù)可以在學(xué)生實(shí)驗(yàn)過程中自動(dòng)計(jì)算；知識答卷由系統(tǒng)在題庫中隨機(jī)抽取組成試卷，客觀題在系統(tǒng)中較容易實(shí)現(xiàn)，主觀題往往很難實(shí)現(xiàn)電腦閱卷。在系統(tǒng)后臺處理主觀題時(shí)，事先存儲(chǔ)主觀題答案，將其分成幾個(gè)關(guān)鍵字，并給出幾組關(guān)鍵字的排列組合，對于學(xué)生做答部分進(jìn)行對照，就可以實(shí)現(xiàn)電腦閱卷。

3.3 軟件方面，進(jìn)行功能完善

3.3.1 完善評估機(jī)制

目前，虛擬實(shí)驗(yàn)室的研究主要集中虛擬實(shí)驗(yàn)室的網(wǎng)絡(luò)開發(fā)等技術(shù)內(nèi)容，而針對開發(fā)評價(jià)和教學(xué)功能方面等研究并不多。應(yīng)設(shè)置學(xué)生問卷和專家評審相結(jié)合的虛擬教學(xué)評價(jià)體系[9]。

虛擬實(shí)驗(yàn)后，系統(tǒng)隨機(jī)挑選用戶，需要在線填寫問卷?？紤]到輸入文字占用時(shí)間等因素，問卷采用選擇和主觀輸入相結(jié)合的方式。預(yù)先設(shè)計(jì)相關(guān)使用體驗(yàn)以便用戶選擇。之后，如果用戶對于本次虛擬實(shí)驗(yàn)非常滿意，則用戶直接在滿意處打鉤；如果使用過程中遇到問題，則用戶可以在“問題”中以文字形式輸入；如果用戶對于虛擬實(shí)驗(yàn)有建議和意見，可以在 “建議”中以文字形式輸入。問卷調(diào)查如圖1所示。

圖1 調(diào)查問卷

3.3.2 完善虛擬實(shí)驗(yàn)娛樂化和真實(shí)感

增加娛樂性虛擬教學(xué)項(xiàng)目，將單一無味的知識興趣化，將學(xué)生被動(dòng)接受知識變?yōu)橹鲃?dòng)探尋知識。如在組胚實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)中針對某個(gè)知識點(diǎn)設(shè)計(jì)器官與神經(jīng)系統(tǒng)的匹配練習(xí)、仿人體結(jié)構(gòu)拼圖訓(xùn)練等，提高學(xué)習(xí)的娛樂性。

隨著多媒體技術(shù)的高速發(fā)展，越來越多的技術(shù)可以應(yīng)用在虛擬實(shí)驗(yàn)中?？梢酝ㄟ^鼠標(biāo)、鍵盤、傳感頭盔、手套等裝備，實(shí)現(xiàn)和虛擬世界的交互式互動(dòng)，增強(qiáng)虛擬實(shí)驗(yàn)的真實(shí)性和趣味性[10]。如應(yīng)用手套可以感受到虛擬工具與實(shí)驗(yàn)材料接觸時(shí)的作用力和反作用力[11]，以理解真實(shí)操作時(shí)同樣的力道手感；應(yīng)用頭盔可以感受虛擬實(shí)驗(yàn)味道[12]等。

4 結(jié)束語

完善學(xué)生、教師、軟件三方面的建議，使虛擬實(shí)驗(yàn)不再是單一的固定難度選擇，可以考慮到不同學(xué)生接受知識的水平；虛擬實(shí)驗(yàn)過程計(jì)入實(shí)驗(yàn)成績，可以從多方位考查學(xué)生掌握知識的水平，關(guān)鍵字排列組合處理主觀題減輕了教師的閱卷負(fù)擔(dān)；使用評價(jià)機(jī)制可以促使虛擬實(shí)驗(yàn)更好的發(fā)展，以適應(yīng)使用者的不同需求。

大力發(fā)展虛擬實(shí)驗(yàn)室是高校實(shí)驗(yàn)發(fā)展的必然趨勢。但應(yīng)該注意真實(shí)實(shí)驗(yàn)與虛擬實(shí)驗(yàn)的分配比重，實(shí)現(xiàn)虛實(shí)的良好結(jié)合，更好地提高實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效果；虛擬實(shí)驗(yàn)過程和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象都是趨于完美化的，不能完全代表真實(shí)實(shí)驗(yàn)，各個(gè)實(shí)驗(yàn)器件之間的相互作用，虛擬實(shí)驗(yàn)也不能全部考慮到[13]。未來虛擬實(shí)驗(yàn)室建設(shè)將會(huì)逐步解決這些問題，更好地配合真實(shí)實(shí)驗(yàn)，發(fā)揮更大的作用。

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