基于虛擬仿真實驗平臺的課程教學(xué)模式研究

劉芳 林琳 肖紅 趙婭 解紅濤 王穎

[摘 要]該文通過分析傳統(tǒng)實驗教學(xué)模式存在的問題，構(gòu)建了基于虛擬仿真的實驗教學(xué)平臺的教育技術(shù)學(xué)專業(yè)實驗課程教學(xué)模式，該平臺節(jié)約了人力、物力、財力，打破了時空的限制，對提高學(xué)生的創(chuàng)新意識有著極為重要的意義。

[關(guān)鍵詞]虛擬仿真;實驗教學(xué)平臺;教育技術(shù)學(xué)

[基金項目]2019年度東北石油大學(xué)的黑龍江省教改項目“基于虛擬仿真實驗平臺的教育技術(shù)學(xué)專業(yè)實驗課程教學(xué)改革探索與應(yīng)用”（SJGY20190098）;2020年度東北石油大學(xué)引導(dǎo)性創(chuàng)新基金“基于學(xué)習(xí)者模型的在線學(xué)習(xí)資源個性化推薦方法研究”（2020YDL-11）;2018-2020年度黑龍江省教育廳“基于學(xué)生視角的大學(xué)生創(chuàng)業(yè)能力評價模型研究”（GBD1317016）

[作者簡介]劉 芳（1983—），女，黑龍江大慶人，東北石油大學(xué)計算機與信息技術(shù)學(xué)院副教授，東北石油大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院礦產(chǎn)普查與勘探專業(yè)在讀博士研究生，研究方向為多媒體與現(xiàn)代教育技術(shù)、計算機視覺、地質(zhì)三維建模及分析;林 琳（1982—），女，黑龍江大慶人，碩士，東北石油大學(xué)計算機與信息技術(shù)學(xué)院講師（通信作者），主要從事虛擬現(xiàn)實與現(xiàn)代教育技術(shù)研究。

[中圖分類號] G642.0[文獻標識碼] A[文章編號] 1674-9324（2020）33-0389-02[收稿日期] 2020-03-19

實驗教學(xué)是鞏固和加深理論知識的必要教學(xué)手段和教學(xué)環(huán)節(jié)，充分利用現(xiàn)代化教學(xué)手段，重視虛擬仿真實驗教學(xué)資源的建設(shè)，有效實現(xiàn)虛擬仿真與現(xiàn)實設(shè)備的互動，已成為高等學(xué)校實驗教學(xué)中心內(nèi)涵建設(shè)的必然方向和行之有效的途徑，對于拓展實踐領(lǐng)域、豐富教學(xué)內(nèi)容、降低教學(xué)成本和風(fēng)險、全面提高學(xué)生的工程實踐能力和集成創(chuàng)新意識均具有重要意義[1]。

一、傳統(tǒng)實驗教學(xué)模式存在的問題

在高等教育格外注重學(xué)生素質(zhì)教育、動手能力與創(chuàng)新能力培養(yǎng)的今天，雖然一直積極增加投入，以改善實驗教學(xué)條件，但仍然滿足不了實驗教學(xué)的需求，現(xiàn)實狀況與實驗教學(xué)目標需求的矛盾依然存在。（1）實驗場地和實驗設(shè)備不足。學(xué)生只能利用有限的實驗課堂時間完成實驗，難以提供學(xué)生重復(fù)實驗的機會，不能有效地開展實驗的預(yù)習(xí)和復(fù)習(xí)工作。（2）實驗經(jīng)費不足。實驗器材無法及時更新，無法購買較為昂貴的實驗設(shè)備，學(xué)生不能接觸到具有高難度、高技術(shù)的實驗。（3）師資力量缺乏。隨著學(xué)生數(shù)量的不斷增長，實驗教學(xué)老師的教學(xué)任務(wù)也在逐年增加，老師給每位學(xué)生的平均指導(dǎo)時間在下降。對于不好理解的新實驗學(xué)生往往只能按實驗步驟機械地完成了事，達不到實驗教學(xué)的真正目的。（4）受場地和時間的制約[2]。傳統(tǒng)的實驗教學(xué)都是在相應(yīng)時間和相應(yīng)場地完成實驗，不可能做到對學(xué)生隨時隨地開放。學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的一些創(chuàng)新性的思路得不到及時的實驗驗證，客觀上也影響了對學(xué)生創(chuàng)新思維和實踐能力的培養(yǎng)[3]。

二、虛擬仿真實驗教學(xué)平臺的構(gòu)建

先以影視節(jié)目編導(dǎo)與制作和攝影基礎(chǔ)兩門課的實驗教學(xué)為背景，進行虛擬仿真實驗平臺資源庫的研發(fā)。旨在突破實驗教學(xué)時空瓶頸，體現(xiàn)和落實以學(xué)生為中心的教育教學(xué)理念[4]。

（一）基于虛擬仿真實驗平臺的實驗教學(xué)新模式

基于虛擬仿真實驗的實驗教學(xué)模式的理論基礎(chǔ)，結(jié)合教育技術(shù)專業(yè)課程實驗的實際情況，設(shè)計基于虛擬仿真實驗平臺的實驗教學(xué)模式。具體流程如下。

（1）實驗導(dǎo)入：學(xué)生瀏覽實驗過程動畫視頻，通過視頻演示、字幕提示及聲音講解，調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)實驗內(nèi)容的積極性和學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)和刺激學(xué)生的學(xué)習(xí)欲望，明確學(xué)習(xí)任務(wù)，鼓勵其下一步正式參與實驗內(nèi)容學(xué)習(xí)。

（2）實驗理論知識學(xué)習(xí)：本環(huán)節(jié)正式展開實驗內(nèi)容學(xué)習(xí)，旨在向?qū)W生提供具體的實驗流程指導(dǎo)及詳細的理論知識基礎(chǔ)，包括實驗?zāi)康摹嶒瀮?nèi)容、實驗要求、實驗準備知識及實驗具體步驟等，細致學(xué)習(xí)虛擬實驗操作所需知識點。

（3）虛擬實驗互動操作演練：學(xué)生對仿真虛擬實驗進行交互演練，通過仿真操作，對實驗內(nèi)容進行模擬練習(xí)。通過構(gòu)建高度還原的虛擬實驗環(huán)境和實驗器材保證與真實實驗環(huán)境的相似性，學(xué)生在仿真演練過程中掌握實驗內(nèi)容，為實現(xiàn)知識從虛擬環(huán)境到真實環(huán)境的正向遷移做好充分準備[5]。

（4）實驗測評：針對每個實驗項目準備自我測試題目，學(xué)生通過答題檢測自身對實驗理論知識和操作環(huán)節(jié)的理論方面的掌握程度，針對薄弱部分進行有針對性的學(xué)習(xí)，促進知識的鞏固和內(nèi)化。

（5）上傳實驗作品：學(xué)生在實驗學(xué)習(xí)結(jié)束之后進行實際操作，呈現(xiàn)自己的作品，也可在網(wǎng)站內(nèi)瀏覽其他同學(xué)的作品，學(xué)生之間及師生之間產(chǎn)生互動交流，將虛擬實驗與真實實驗相結(jié)合，實現(xiàn)知識的反饋。與此同時，教師對學(xué)生作品的點評和鼓勵，有助于學(xué)生獲得學(xué)習(xí)的成就感。

（二）實驗設(shè)備、拍攝環(huán)境、人物的三維建模

采用虛擬現(xiàn)實中的三維建模技術(shù)，利用三維建模軟件3DS Max對實驗中需要的工具設(shè)備、實驗環(huán)境等進行三維模型構(gòu)建，主要實驗設(shè)備模型包括攝像機各組成部件模型、照相機各組成部件模型、支架模型、非線性編輯儀器等;用于練習(xí)的拍攝環(huán)節(jié)包括室外場地、實驗教室等;人物建模包括場景漫游導(dǎo)覽、學(xué)生、老師以及用于拍攝的石油工人等。

（三）實驗過程的虛擬仿真交互演練

利用三維游戲引擎軟件Unity3D創(chuàng)建虛擬仿真實驗場景，在三維仿真實驗場景中，實現(xiàn)視角的控制、攝像機顯示功能、照相機顯示功能等功能[6]。

（四）實驗過程中的虛擬仿真考評

虛擬考評不僅可以讓學(xué)生了解自己對實驗內(nèi)容的掌握程度，還可以給教師提供學(xué)生實驗課前預(yù)習(xí)的效果數(shù)據(jù)，針對每項實驗內(nèi)容學(xué)生的得分情況，在線下課堂可以有目的性、針對性、準確型地進行講解，以便調(diào)整講解重點，達到更好教學(xué)的目的。

（五）移動端虛擬仿真實驗的研發(fā)

采用基于Android的App開發(fā)技術(shù)，開發(fā)移動端虛擬仿真實驗平臺，在移動平臺中實現(xiàn)虛擬仿真實驗，實現(xiàn)隨時隨地進行實驗學(xué)習(xí)。

（六）實驗過程的三維動畫演示視頻開發(fā)

采用非線性視頻編輯技術(shù)，制作三維動畫視頻。使用虛擬實驗平臺時，首先學(xué)習(xí)實驗過程動畫視頻，了解基本實驗過程，然后再通過交互操作練習(xí)實驗過程，提高學(xué)習(xí)效果[7]。

（七）虛擬仿真實驗教學(xué)平臺網(wǎng)站的創(chuàng)建

利用網(wǎng)絡(luò)編程技術(shù)、多媒體技術(shù)等創(chuàng)建一個易維護、易擴展的虛擬仿真實驗教學(xué)網(wǎng)站，包括實驗資源的管理、交流互動、虛擬實驗操作、視頻演示實驗過程、作品提交及在線審批等功能。

三、虛擬仿真實驗平臺的優(yōu)勢

基于虛擬仿真實驗平臺的教育技術(shù)學(xué)專業(yè)實驗課程教學(xué)模式與傳統(tǒng)課堂相比有著顯著的不同，在實驗方案的設(shè)計上，教學(xué)設(shè)計更加新穎、教學(xué)方法更加全面、評價體系更加完備、教學(xué)效果更加顯著，充分體現(xiàn)了教學(xué)技術(shù)學(xué)專業(yè)本身的開放性、多元性、創(chuàng)新性、實踐性的專業(yè)特點。學(xué)生在不斷實踐的過程中提出一些新的思路和想法，通過利用虛擬實驗平臺的實驗進行驗證，不斷促進新思路的提升和升華，對提高學(xué)生的創(chuàng)新意識有著極為重要的意義[8]。

四、結(jié)語

以影視節(jié)目編導(dǎo)與制作和攝影基礎(chǔ)兩門教育技術(shù)學(xué)專業(yè)的實驗教學(xué)為背景，以培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力、創(chuàng)新能力為核心，引入虛擬仿真技術(shù)，構(gòu)建的虛擬仿真實驗平臺，突破了時空限制，解決了學(xué)生實驗實踐創(chuàng)新活動機會少的難題，提高了教育技術(shù)學(xué)專業(yè)的實驗教學(xué)質(zhì)量，形成了一個真正的基于互聯(lián)網(wǎng)的優(yōu)質(zhì)的高等教育實驗平臺。

參考文獻

[1]張志賓，劉云海，謝宗波，等.“新工科”建設(shè)背景下地方普通高?；ぬ摂M仿真實驗教學(xué)體系的探討[J].教育現(xiàn)代化，2019， 6（55）：97-98.

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[8]強彥，趙涓涓，吳俊霞，等.虛擬仿真實驗教學(xué)體系中的幾點問題思考[J].計算機教育，2020，（2）：72-75.

Research on Course Teaching Model Based on Virtual Simulation Experiment Platform：

Taking the Experimental Teaching of Educational Technology Major as an Example

LIU Fang， LIN Lin， XIAO Hong， ZHAO Ya， XIE Hong-tao， WANG Ying

（School of Computer and Information Technology， Northeast Petroleum University，

Daqing， Heilongjiang 163318， China）

Abstract： By analyzing the problems existing in the traditional experimental teaching model， this paper constructs the experimental course teaching model of educational technology specialty based on the virtual simulation experimental teaching platform， which saves manpower， material resources and financial resources， breaks the limitation of time and space， and is of great significance for improving students' innovation consciousness.

Key words： virtual simulation; experimental teaching platform; education technology