虛擬實驗在高校計算機實踐教學(xué)中的應(yīng)用

劉博宇 黃敏 李森林

摘要：隨著虛擬現(xiàn)實（VR）技術(shù)的發(fā)展，其在高校計算機實踐教學(xué)中得到應(yīng)用。本文簡要分析了不同教學(xué)模式的利弊，并給出了虛擬現(xiàn)實技術(shù)硬件設(shè)施以及相關(guān)技術(shù)和虛擬實驗場景。最后總結(jié)了虛擬實驗在計算機實踐教學(xué)中的應(yīng)用方法。

關(guān)鍵詞：虛擬實驗;教學(xué)模式;計算機實踐教學(xué)

中圖分類號：G434? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）19-0180-02

隨著信息時代的到來，互聯(lián)網(wǎng)+教育的教學(xué)模式的出現(xiàn)日益影響著高校的教育教學(xué)方式，并逐漸改變高校教師的教學(xué)理念和學(xué)生獲取信息的渠道。其中虛擬現(xiàn)實（VR）技術(shù)給高校的計算機實踐教學(xué)注入了新的活力和動力，虛擬實驗把計算機中的虛擬技術(shù)和現(xiàn)實中的計算機實踐教學(xué)相結(jié)合，這對于提高教學(xué)效果和改善教學(xué)質(zhì)量都起到很大作用，并進(jìn)一步促進(jìn)了大學(xué)生的實踐動手能力和創(chuàng)新精神，符合高校教育中的信息化教學(xué)的要求。

1 不同教學(xué)模式

1.1傳統(tǒng)教學(xué)模式

教學(xué)模式是在一定教學(xué)思想或教學(xué)理論指導(dǎo)下建立起來的較為穩(wěn)定的教學(xué)活動結(jié)構(gòu)框架和活動程序。傳統(tǒng)的教學(xué)模式是一種以老師、書本和課堂為中心的教學(xué)模式。往往形成了老師單向灌輸、學(xué)生被動接受的局面，使得認(rèn)知主體的學(xué)生在整個教學(xué)過程中始終處于被動地接受知識的地位，學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性被忽視。這與現(xiàn)代社會對人才培養(yǎng)的要求是不相符合的，這種模式擔(dān)負(fù)不了培養(yǎng)高素質(zhì)的創(chuàng)造性人才的重?fù)?dān)，因此，改變傳統(tǒng)教學(xué)模式，打造適應(yīng)新課改要求的高效模式勢在必行。

1.2 VR虛擬教學(xué)模式

隨著計算機各種相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，尤其網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和VR技術(shù)的發(fā)展，為教育模式的改變提供了技術(shù)支持。 VR技術(shù)在教育方面，有著無可限量的潛力，在VR虛擬教室中，VR技術(shù)不僅可以在基于傳統(tǒng)的教育模式上的改變發(fā)揮著重要的作用，還可以通過VR技術(shù)的本身特性，增加新的教學(xué)模式，通過虛擬教室教學(xué)，VR技術(shù)可以提供豐富的教學(xué)器材，適合教學(xué)課程的場景，以及先進(jìn)的教學(xué)課件，充分的提高了教學(xué)的豐富性，也激發(fā)了學(xué)生們對于學(xué)習(xí)的興趣，這對于創(chuàng)新式教育有著很大的幫助。

2 虛擬現(xiàn)實技術(shù)

2.1簡介

VR技術(shù)作為計算機研究的一個新的研究分支，主要包括傳感器、仿真技術(shù)、多媒體技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、人工智能技術(shù)、人機接口技術(shù)術(shù)等[1]。其中傳感技術(shù)是VR實驗的重要組成部分，常見的設(shè)備VR一體機中，采用頭部追蹤和眼球追蹤相結(jié)合為基礎(chǔ)條件，配以各種傳感器、鏡片以及屏幕讓人有著身臨其境的體驗。其中重力傳感、磁場傳感、光距離傳感、溫度傳感是一個基本的視覺沉浸感。再加以揚聲器制造的3D音效，更能讓人感覺到虛擬環(huán)境的真實感。視覺與音效體驗相結(jié)合制造的虛擬環(huán)境，交互性強且自然程度高。

2.2虛擬實驗場景

虛擬現(xiàn)實技術(shù)是利用各種技術(shù)集成生成一種逼真的虛擬環(huán)境[2];虛擬實驗是利用虛擬技術(shù)使得人能夠與虛擬環(huán)境進(jìn)行互動，并對虛擬對象進(jìn)行感知操控。在虛擬實驗中，用戶能夠通過虛擬技術(shù)實現(xiàn)信息、軟件以及設(shè)備等資源的共享和互動操作，提高了設(shè)備利用率和用戶自主性。

計算機實踐教學(xué)的虛擬實驗建設(shè)主要包括：計算機網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器設(shè)備、虛擬終端、虛擬實驗管理等子系統(tǒng)。在實踐教學(xué)中用戶可以利用終端，通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)對虛擬實驗站點的訪問，選擇實驗環(huán)境和設(shè)備、配置參數(shù)、啟動虛擬環(huán)境，完成對實驗內(nèi)容的操作。實驗完成后，再通過虛擬實驗系統(tǒng)將實驗結(jié)果數(shù)據(jù)反饋給用戶。基于虛擬現(xiàn)實的虛擬實驗具有較強的交互性，虛擬主機通過分時系統(tǒng)完成對用戶的及時響應(yīng)。虛擬實驗系統(tǒng)的模塊可分選取實驗內(nèi)容、啟動實驗環(huán)境、操作實驗、實驗報告與評估、實驗跟蹤與反饋和成績統(tǒng)計等。下面就實驗報告子模塊展開闡述（其他雷同不再闡述），進(jìn)入實驗報告模塊，教師和學(xué)生皆可以完成不同的任務(wù)。由于師生權(quán)限原因，教師用戶所能查看實驗任務(wù)可分為已完成與未完成兩類，教師發(fā)布實驗任務(wù)前可以根據(jù)知識點對實驗過程進(jìn)行分點要求通過虛擬實驗系統(tǒng)發(fā)布于實驗過程中，在學(xué)生完成實驗后教師能夠在虛擬實驗系統(tǒng)中對學(xué)生的實驗完成情況有一個完整的了解（如：完成時間，具體方式）從中進(jìn)行對學(xué)生加以指導(dǎo)，學(xué)生登錄后利用該模塊可以查看自己的學(xué)習(xí)記錄如圖1所示，可以在記錄中獲得教師的細(xì)節(jié)指導(dǎo)（分點要求的具體實現(xiàn)過程），并能夠查看實驗報告或下載以及啟動實驗環(huán)境進(jìn)行修改，與其余模塊聯(lián)動呈現(xiàn)更好的實驗反饋促進(jìn)學(xué)習(xí)。

3 虛擬實驗在實踐教學(xué)中應(yīng)用

下面從虛擬實驗角度，對計算機實驗中的應(yīng)用方法進(jìn)行分析探究。

3.1 用虛擬實驗理念改善計算機實踐教學(xué)模式

基于虛擬實驗的計算機實踐教學(xué)已經(jīng)得到高校教育管理部門和二級教學(xué)單位的高度重視。主要有以下原因：1）虛擬技術(shù)有助于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和促進(jìn)學(xué)生對實驗內(nèi)容的理解和認(rèn)識。2）虛擬技術(shù)方便教師利用網(wǎng)絡(luò)資源例題來講解實踐教學(xué)內(nèi)容，有助于學(xué)生充分認(rèn)識和理解計算機實驗的操作過程和具體步驟，保證了實驗實訓(xùn)課程的教學(xué)效果。通過虛擬實驗教學(xué)，學(xué)生在實驗過程中有條不紊、嚴(yán)謹(jǐn)、一點點的深入開展實驗和有目標(biāo)學(xué)習(xí)，能全面培養(yǎng)學(xué)生的自我學(xué)習(xí)意識、創(chuàng)新思維和計算機實踐操作能力。

3.2 充分利用好虛擬實驗平臺，促進(jìn)計算機實踐教學(xué)效果

目前高校在虛擬實驗的建設(shè)中，投入巨大，比如我校建立了云服務(wù)實驗平臺。虛擬實驗平臺的建設(shè)大大緩解了高校計算機部分實驗開設(shè)的瓶頸，如網(wǎng)絡(luò)工程實驗、大數(shù)據(jù)實驗等，這些實驗需要建立在虛擬的空間上才能很好地模擬完成，開展云服務(wù)網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗突破了傳統(tǒng)實驗對“時、空”的限制，從根本上改變了實驗實踐教學(xué)的方式方法[3]，老師可以自由選擇時間進(jìn)行實驗備課，學(xué)生也可以自由選擇時間進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)實驗操作，隨時隨地上網(wǎng)能很好解決學(xué)生在實驗課堂完成的實驗內(nèi)容，課下去完成。虛擬實驗環(huán)境的建設(shè)對老師布置實驗和學(xué)生操作實驗提供了一個開放的平臺，大量實驗內(nèi)容能夠進(jìn)入到實踐教學(xué)中，這樣可以進(jìn)一步提高學(xué)生的各種能力，如動手能力、思維能力、創(chuàng)新能力和綜合素質(zhì)。

4 虛擬實驗的意義

4.1 有助理論理解

虛擬實驗是利用虛擬實驗設(shè)備構(gòu)建實驗平臺，并完成實驗過程的仿真實現(xiàn)。具體能讓學(xué)生在實驗之前，通過計算機網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入虛擬實驗環(huán)境熟悉實驗相關(guān)工作，如實驗設(shè)計設(shè)備、參數(shù)配置、實驗具體內(nèi)容、實驗過程等，通過預(yù)習(xí)實驗，可以驗證實驗理論推導(dǎo)的準(zhǔn)確性，并能夠完成創(chuàng)新性或設(shè)計性高質(zhì)量的實驗內(nèi)容。在實驗過程中，對遇到的難題，通過搜集、實操、測試等環(huán)節(jié)，讓學(xué)生對整個實驗的系統(tǒng)設(shè)計和實施有了全新的認(rèn)識。通過這些互動，無論對教學(xué)和科研都具有重要促進(jìn)作用。

4.2 彌補傳統(tǒng)實驗不足

傳統(tǒng)實驗中，高校學(xué)院根據(jù)實驗內(nèi)容購買不同的實驗設(shè)備，費用高、使用率低。學(xué)生做實驗受到時間和空間的限制，不能根據(jù)自身的安排實時進(jìn)行實驗實踐操作，并且實驗設(shè)備的使用故障率高，導(dǎo)致學(xué)生心情郁悶，興趣降低，達(dá)不到實驗教學(xué)效果。而虛擬實驗環(huán)境的建立是通過虛擬VR技術(shù)，完全彌補了以上方面的不足。學(xué)生在使用虛擬實驗環(huán)境進(jìn)行實踐操作，根據(jù)操作中的實際情況如出現(xiàn)配置錯誤，可以重復(fù)及時還原到原始狀態(tài)，能加快實驗操作過程，激起學(xué)生實驗的興趣。學(xué)生通過自我學(xué)習(xí)，解決問題的過程逐漸積累學(xué)習(xí)的信心、積極性和主觀能動性。這將有力的激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造精神。

5 結(jié)論

VR技術(shù)的快速發(fā)展，有力地推動了其在教育、游戲、購物等領(lǐng)域的應(yīng)用?；赩R技術(shù)的虛擬實驗實踐教學(xué)能充分利用計算機實驗內(nèi)容的特點，構(gòu)建適合計算機實踐教學(xué)的實驗環(huán)境，從而克服傳統(tǒng)實踐教學(xué)的不足，促進(jìn)教師和學(xué)生在實踐教學(xué)中的主動地位和提高教學(xué)效果，并全面提升學(xué)生的實踐能動性和創(chuàng)新性。

參考文獻(xiàn)：

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[2] 朱敏， 張際平. 虛擬實驗室及其教學(xué)應(yīng)用[J]. 實驗室研究與探索， 2006， 25（5）：626-628.

[3] 孫燕蓮， 文福安. 虛擬實驗教學(xué)的探索與實踐[J]. 現(xiàn)代教育技術(shù)， 2009， 19（4）：131-132.

[4] 文福安. 虛擬實驗教學(xué)系統(tǒng)的研究與應(yīng)用[J]. 中國教育信息化， 2008（21）：37-39.

【通聯(lián)編輯：王力】