基于虛擬化技術(shù)的教學(xué)型實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ綐?gòu)建分析

余佳恕

摘? 要 通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室及傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ酱嬖诘膯?wèn)題進(jìn)行分析，結(jié)合當(dāng)前國(guó)內(nèi)普通高等學(xué)校中基于虛擬化技術(shù)的教學(xué)型實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ降拈_展情況，提出虛擬化實(shí)驗(yàn)室建設(shè)和應(yīng)用的建議。

關(guān)鍵詞 虛擬化技術(shù);虛擬化實(shí)驗(yàn)室;教學(xué)型實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?虛擬校園

中圖分類號(hào)：TP391.9? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2020）09-0114-03

1 引言

作為實(shí)驗(yàn)操作的基地，實(shí)驗(yàn)室為高校開展教學(xué)活動(dòng)、科研工作等提供了強(qiáng)有力的平臺(tái)，在高校教育發(fā)展中發(fā)揮著不可或缺的作用。當(dāng)今，信息技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展迅速，云計(jì)算、虛擬化技術(shù)等新技術(shù)正在影響社會(huì)的方方面面，改變?nèi)藗兊纳詈凸ぷ鞣绞?。其中，虛擬化技術(shù)在教學(xué)領(lǐng)域深入應(yīng)用，并推動(dòng)教學(xué)模式、教學(xué)方法的變革。廣泛與深入應(yīng)用新理念、新技術(shù)、新成果，能更好地服務(wù)于高校創(chuàng)新型人才培養(yǎng)目標(biāo)，提高高校辦學(xué)能級(jí)。近幾年，基于現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的虛擬實(shí)驗(yàn)室及其在教學(xué)中的應(yīng)用成為國(guó)內(nèi)外實(shí)驗(yàn)教學(xué)的研究熱點(diǎn)。

基于Web技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）技術(shù)構(gòu)建的新型實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ剑乾F(xiàn)有教學(xué)型實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ降臄?shù)字化和虛擬化形式。教師利用虛擬平臺(tái)上的虛擬設(shè)備自由搭建合理的典型實(shí)驗(yàn)或?qū)嶒?yàn)案例，再由學(xué)生自己動(dòng)手配置、連接、調(diào)節(jié)和操作實(shí)驗(yàn)設(shè)備，這是虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ接袆e于一般實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ降闹匾卣?。?dāng)前國(guó)內(nèi)已有部分高校將虛擬化技術(shù)運(yùn)用到教學(xué)建設(shè)中，并取得了不錯(cuò)的效果。但很多人在挖掘虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ降膬?yōu)越性、指出傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ降谋锥说耐瑫r(shí)，往往忽略了一點(diǎn)：虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ秸腔趥鹘y(tǒng)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ降姆磸?fù)嘗試、多方探索的突破與發(fā)展。筆者認(rèn)為，虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ叫枰梃b和參考傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ降膬?yōu)點(diǎn)，將兩者結(jié)合，相輔相成，才能達(dá)到更好的教學(xué)效果。

2 傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室及實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ酱嬖诘膯?wèn)題

實(shí)驗(yàn)室作為實(shí)驗(yàn)實(shí)施的基地，發(fā)揮著不可或缺的作用。通過(guò)對(duì)當(dāng)前眾多高校實(shí)驗(yàn)室建設(shè)進(jìn)行調(diào)查發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)高校存在一些共性問(wèn)題，如高校所建設(shè)的實(shí)驗(yàn)室、機(jī)房不僅要承擔(dān)全校多門課程（如物理實(shí)驗(yàn)、數(shù)字邏輯、計(jì)算機(jī)組成原理、科技創(chuàng)新實(shí)踐、網(wǎng)絡(luò)與信息安全等）的上機(jī)實(shí)驗(yàn)，還要承擔(dān)公共績(jī)效評(píng)估、數(shù)據(jù)庫(kù)搭建、電子采編等教學(xué)工作開展方面的壓力。實(shí)驗(yàn)室需要在短時(shí)間內(nèi)切換不同系統(tǒng)，擴(kuò)大實(shí)驗(yàn)內(nèi)容范圍，以滿足教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)工作需求，這不僅花費(fèi)了大量的人力、物力、財(cái)力，也給實(shí)驗(yàn)室的管理帶來(lái)巨大壓力。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，目前傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室及實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ街饕嬖谝韵聠?wèn)題。

日常維護(hù)困難，管理水平不高? 為滿足教學(xué)需求，高校的實(shí)驗(yàn)室、機(jī)房常常處于頻繁使用的狀態(tài)。筆者在調(diào)查時(shí)發(fā)現(xiàn)，首先，在大多數(shù)高校中，同一間實(shí)驗(yàn)室或機(jī)房往往不堪重負(fù)，連續(xù)幾節(jié)課甚至一整天為不同的學(xué)生群體提供教學(xué)需求;其次，為了滿足教學(xué)專業(yè)的多樣性，軟件的安裝常常處于雜亂的狀態(tài)，畢竟少則不能滿足教學(xué)需求，但軟件眾多，也給實(shí)驗(yàn)室和機(jī)房的日常維護(hù)和教學(xué)秩序的管理帶來(lái)諸多不便;最后，學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)缺乏維護(hù)意識(shí)，導(dǎo)致設(shè)備被頻繁破壞，繼而影響教學(xué)進(jìn)度和教學(xué)秩序。

資源分配不合理，利用效率低? 在當(dāng)前的教育體制中，大部分傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)仍然過(guò)于依賴?yán)碚摻虒W(xué)，僅僅將實(shí)驗(yàn)作為理論知識(shí)的驗(yàn)證。在高校實(shí)驗(yàn)室管理中追求“小而全”的局面，便會(huì)出現(xiàn)硬件設(shè)備追求高標(biāo)準(zhǔn)的問(wèn)題;但實(shí)驗(yàn)設(shè)備利用率偏低，利用率與設(shè)備本身價(jià)值不成正比，設(shè)備管理分散，資源難以共享，造成資源分配不合理和資源浪費(fèi)。

軟件更新?lián)Q代頻繁，實(shí)驗(yàn)室兼容性不足? 計(jì)算機(jī)更新?lián)Q代頻繁，更新速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于用戶對(duì)操作系統(tǒng)的更新速度。學(xué)校根據(jù)市場(chǎng)需求培養(yǎng)人才，只有跟上市場(chǎng)的發(fā)展，跟進(jìn)計(jì)算機(jī)及信息技術(shù)的發(fā)展，依靠更高級(jí)的硬件來(lái)支撐更新周期不斷縮短的軟件，才能跟上新技術(shù)、新技能的學(xué)習(xí)和實(shí)踐需要，但這對(duì)人力、技術(shù)、經(jīng)濟(jì)等方面都帶來(lái)一定的壓力。

3 基于虛擬化技術(shù)的教學(xué)型實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ綐?gòu)建情況分析

隨著虛擬技術(shù)的發(fā)展，人們開始認(rèn)識(shí)到虛擬化技術(shù)利用率高、易維護(hù)等諸多優(yōu)點(diǎn)及其在教育領(lǐng)域的應(yīng)用價(jià)值，并將虛擬化技術(shù)應(yīng)用到教學(xué)型實(shí)驗(yàn)中，以輔助高?？蒲泄ぷ骱徒虒W(xué)工作。以下是對(duì)部分高校虛擬化技術(shù)建設(shè)和應(yīng)用情況的調(diào)查與分析。

高校虛擬化技術(shù)建設(shè)和應(yīng)用情況? 在教育領(lǐng)域，虛擬化技術(shù)的應(yīng)用在科學(xué)研究、虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)、教育娛樂(lè)等方面發(fā)揮著重要作用。

1）虛擬化技術(shù)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面的應(yīng)用。鑒于虛擬化技術(shù)的特點(diǎn)，理工科教學(xué)中對(duì)虛擬化技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用尤為明顯。據(jù)調(diào)查，國(guó)內(nèi)部分高校根據(jù)教學(xué)需要建設(shè)了虛擬實(shí)驗(yàn)室，運(yùn)用虛擬化技術(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)，如中國(guó)科技大學(xué)的物理仿真實(shí)驗(yàn)軟件，西南交通大學(xué)的機(jī)車駕駛模擬裝置，同濟(jì)大學(xué)針對(duì)建筑景觀、結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真的虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室，等等。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中融入虛擬化技術(shù)的模式越來(lái)越受到重視和青睞，不僅降低了實(shí)驗(yàn)成本，還能輕松實(shí)現(xiàn)異地協(xié)作和資源共享，迅速提高實(shí)驗(yàn)效率。這意味著虛擬化技術(shù)將成為實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式創(chuàng)新的一個(gè)重要發(fā)展方向。

2）虛擬化技術(shù)在校園模擬和仿真方面的應(yīng)用。據(jù)了解，1996年天津大學(xué)便在SGI硬件平臺(tái)上基于VRML國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)了虛擬校園;隨后，北京大學(xué)、浙江大學(xué)、上海交通大學(xué)等院校也采用虛擬化技術(shù)建設(shè)了虛擬校園。但在校園模擬和仿真方面，國(guó)內(nèi)大部分院校還只是以瀏覽功能為主。在一系列相關(guān)文件中，教育部多次提及虛擬校園，肯定了虛擬化技術(shù)在高校教育中的地位和作用。人們不再滿足于虛擬校園的瀏覽功能，可進(jìn)行真實(shí)互動(dòng)的三維可視化虛擬校園呼之欲出。中央廣播電視大學(xué)遠(yuǎn)程教育學(xué)院采用基于Internet的類游戲圖形引擎，將網(wǎng)絡(luò)學(xué)院的各項(xiàng)具體功能結(jié)合在其中，突破了瀏覽功能的層面[1]。這種基于虛擬校園思想搭建起來(lái)的遠(yuǎn)程教育基礎(chǔ)平臺(tái)，構(gòu)想開發(fā)了實(shí)際的教學(xué)功能。

3）虛擬化技術(shù)在科研方面的應(yīng)用?？蒲袑?shí)踐是目前虛擬化技術(shù)在高校實(shí)驗(yàn)室中常見(jiàn)的用途之一，目前，大部分院校首選其在科研上應(yīng)用，如清華大學(xué)、北京郵電大學(xué)、北京工業(yè)大學(xué)等高校共同建設(shè)的網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室，中科院上海有機(jī)化學(xué)研究建立的虛擬化學(xué)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)的網(wǎng)上虛擬土壤作物系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室，等等[2]。

基于虛擬化技術(shù)的教學(xué)型實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ降奶攸c(diǎn)及優(yōu)勢(shì)? 從以上對(duì)各高校虛擬化技術(shù)建設(shè)和應(yīng)用情況的調(diào)查來(lái)看，高校基于虛擬化技術(shù)的教學(xué)型實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ降慕ㄔO(shè)和應(yīng)用有以下特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)。

1）虛擬化技術(shù)開始與遠(yuǎn)程教育結(jié)合，呈現(xiàn)出良好的前景。一直以來(lái)，遠(yuǎn)程教育都存在學(xué)生實(shí)際操作檢驗(yàn)麻煩、實(shí)驗(yàn)操作困難等難點(diǎn)問(wèn)題，而虛擬化技術(shù)彌補(bǔ)了這方面的不足。利用虛擬化技術(shù)，學(xué)生可以在在線學(xué)習(xí)的同時(shí)進(jìn)行相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)操作，獲得與現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)一樣的體驗(yàn)。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)已有部分虛擬實(shí)驗(yàn)室開設(shè)了這方面的服務(wù)，如北京大學(xué)、清華大學(xué)、華南理工大學(xué)等高校相繼在網(wǎng)上開發(fā)設(shè)立了自己的虛擬課堂[3]，為學(xué)生提供虛擬實(shí)驗(yàn)服務(wù)。學(xué)生可以通過(guò)個(gè)人計(jì)算機(jī)登錄系統(tǒng)，進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。

2）虛擬化技術(shù)在某些特定學(xué)科上應(yīng)用相對(duì)集中。由于部分學(xué)科如物理、化學(xué)、機(jī)械等學(xué)科的特殊性，學(xué)科的教學(xué)內(nèi)容或科研項(xiàng)目大多以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，受實(shí)驗(yàn)設(shè)備、場(chǎng)地、經(jīng)費(fèi)、實(shí)驗(yàn)危險(xiǎn)度等因素的限制較多。因此，在這些學(xué)科上，虛擬化技術(shù)將是優(yōu)選，教師從教學(xué)目標(biāo)出發(fā)，制定科學(xué)適宜的實(shí)驗(yàn)課程，學(xué)生運(yùn)用虛擬化技術(shù)進(jìn)行探究。

3）教師教學(xué)方法多樣化，教學(xué)質(zhì)量大幅度提升。在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，師生間的實(shí)驗(yàn)演示互動(dòng)一般是由教師用真實(shí)儀器展開講解，學(xué)生圍繞教師或在臺(tái)下觀看教師進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作。由此，離教師較遠(yuǎn)的學(xué)生往往難以觀察到實(shí)驗(yàn)的操作細(xì)節(jié)，在動(dòng)手操作環(huán)節(jié)常常手足無(wú)措，以至于影響教學(xué)效率。利用虛擬化技術(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，師生間打破時(shí)間和空間的限制，只要具備網(wǎng)絡(luò)條件，師生間隨時(shí)可以開展實(shí)驗(yàn)進(jìn)行互動(dòng)，學(xué)生通過(guò)虛擬平臺(tái)全方位了解儀器結(jié)構(gòu)，學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)操作步驟，可有效提升教學(xué)質(zhì)量。

4）課堂教學(xué)極具趣味性，學(xué)生學(xué)習(xí)積極性提高。隨著科技的高速發(fā)展，許多傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的儀器已能夠運(yùn)用虛擬化技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，但仍有大部分高校未能及時(shí)更新和調(diào)整實(shí)驗(yàn)設(shè)備。學(xué)生長(zhǎng)時(shí)間面對(duì)過(guò)時(shí)的設(shè)備，難免會(huì)喪失學(xué)習(xí)興趣，導(dǎo)致學(xué)習(xí)積極性降低，教學(xué)效果也不樂(lè)觀。建設(shè)虛擬化實(shí)驗(yàn)室，不僅能夠克服經(jīng)濟(jì)、場(chǎng)地等局限，其所帶來(lái)的課程范圍擴(kuò)大、設(shè)備選擇多樣等優(yōu)良的教學(xué)環(huán)境，更能激起學(xué)生的好奇心和求知欲，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)能力，高效實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)。

4 高校虛擬化實(shí)驗(yàn)室建設(shè)與應(yīng)用建議

更新教學(xué)觀念，做到虛擬化實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合? 幾十年來(lái)，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式已經(jīng)形成自身特色，在培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力、學(xué)習(xí)興趣等方面都有其獨(dú)到之處。也正是這種原因，許多人對(duì)虛擬化技術(shù)持觀望態(tài)度。然而，不可否認(rèn)的是，虛擬化的實(shí)驗(yàn)室和實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ揭灿胁豢杀葦M的優(yōu)越性，如虛擬化技術(shù)可以再現(xiàn)實(shí)驗(yàn)過(guò)程、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，控制實(shí)驗(yàn)過(guò)程，更加智能化地采集和處理數(shù)據(jù)，保障實(shí)驗(yàn)者的安全，等等。因此，需要更新對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的認(rèn)識(shí)，正確認(rèn)識(shí)越來(lái)越平民化的虛擬技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)虛擬實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的結(jié)合，讓虛擬技術(shù)在教育領(lǐng)域得到普及。

以實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)為出發(fā)點(diǎn)，做到虛擬與真實(shí)相輔相成? 歸根結(jié)底，教學(xué)型實(shí)驗(yàn)室是一種教學(xué)資源，其好壞標(biāo)準(zhǔn)不是所用技術(shù)的先進(jìn)與否，而應(yīng)該是能否高效地幫助師生達(dá)到教學(xué)目的。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ降於藗鹘y(tǒng)實(shí)驗(yàn)效果的真實(shí)性。相較于真實(shí)環(huán)境，在虛擬環(huán)境中，實(shí)驗(yàn)條件處于理想狀態(tài)，所得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果趨于理想化。利用虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)M真實(shí)實(shí)驗(yàn)，可以擴(kuò)展學(xué)生學(xué)習(xí)方式，輔助學(xué)生從多方位進(jìn)一步理解實(shí)驗(yàn);而真實(shí)操作則可以提升學(xué)生的實(shí)物感，全面考慮實(shí)驗(yàn)的可能風(fēng)險(xiǎn)，為學(xué)生日后的工作積累經(jīng)驗(yàn)。因此，師生在運(yùn)用虛擬實(shí)驗(yàn)室時(shí)應(yīng)正確認(rèn)識(shí)虛擬實(shí)驗(yàn)和傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，充分結(jié)合教學(xué)目標(biāo)設(shè)置實(shí)驗(yàn)課程，從教學(xué)需求出發(fā)，合理選擇實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?，做到二者相輔相成。

完善虛擬化實(shí)驗(yàn)室的分布和協(xié)作實(shí)驗(yàn)功能，多方合作，提高實(shí)驗(yàn)效率? 從各高校實(shí)驗(yàn)室虛擬化建設(shè)和應(yīng)用的情況來(lái)看，大部分虛擬化實(shí)驗(yàn)室只是局限于一個(gè)學(xué)院、一個(gè)小型局域網(wǎng)或一個(gè)校園網(wǎng)，能夠?qū)崿F(xiàn)不同單位之間協(xié)作研究的虛擬化實(shí)驗(yàn)室并不多見(jiàn)，而清華大學(xué)、北京郵電大學(xué)、北京工業(yè)大學(xué)等高校共同建設(shè)的網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室則在這方面取得不錯(cuò)的成果。由清華大學(xué)、北京大學(xué)、上海交通大學(xué)、浙江大學(xué)、西安交通大學(xué)、南京大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)等七所大學(xué)發(fā)起組成的中國(guó)科技協(xié)作網(wǎng)，目前成員單位已發(fā)展到近30余所高校[4]，各高校通過(guò)該網(wǎng)絡(luò)，可以實(shí)現(xiàn)多方協(xié)作實(shí)驗(yàn)、分布式科研調(diào)查。這種合作模式是一項(xiàng)十分有益的嘗試，應(yīng)逐步完善。

5 結(jié)語(yǔ)

虛擬化實(shí)驗(yàn)室是在原實(shí)驗(yàn)室基礎(chǔ)上結(jié)合最新的信息技術(shù)建設(shè)而成的。我國(guó)高等教育正處于高速發(fā)展階段，基于虛擬化技術(shù)所構(gòu)建的教學(xué)型實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ奖貙⑹艿綇V大師生的重視和青睞，在我國(guó)高校的科學(xué)研究、教學(xué)工作中發(fā)揮積極的作用。目前，我國(guó)已有部分高校充分認(rèn)識(shí)到虛擬化技術(shù)的可行性，積極付諸實(shí)踐，并收到良好的教學(xué)效果。盡管如此，在虛擬化實(shí)驗(yàn)室建設(shè)中仍應(yīng)該正確認(rèn)識(shí)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ降睦c弊，取其精華，發(fā)掘更多的具有平民性、大眾性的虛擬化技術(shù)來(lái)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?，有效提升高校教學(xué)質(zhì)量。

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