網(wǎng)上虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在遠(yuǎn)程教育中的應(yīng)用

黃宇坤

[摘 要]實(shí)驗(yàn)教學(xué)是現(xiàn)代遠(yuǎn)程中的一個(gè)重要教學(xué)環(huán)節(jié)，做好實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作可以有效確保乃至提升整體教學(xué)質(zhì)量。然而從當(dāng)前的實(shí)驗(yàn)教學(xué)狀況來(lái)看，由于其尚且難以適應(yīng)遠(yuǎn)程教育的教學(xué)模式，因而已經(jīng)成為制約遠(yuǎn)程教育教學(xué)質(zhì)量提升的一個(gè)重要因素。該文在對(duì)虛擬仿真網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)這一概念進(jìn)行簡(jiǎn)要分析的基礎(chǔ)上，又進(jìn)一步分析了其優(yōu)勢(shì)、模塊功能以及主要目標(biāo)，以期更好地推動(dòng)網(wǎng)上虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在遠(yuǎn)程教育中的應(yīng)用。

[關(guān)鍵詞]虛擬仿真實(shí)驗(yàn);遠(yuǎn)程教育;優(yōu)勢(shì);模塊功能;目標(biāo)

[中圖分類號(hào)] G642[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A[文章編號(hào)] 1674-9324（2020）48-0-02[收稿日期] 2020-10-02

實(shí)踐性教學(xué)環(huán)境對(duì)于現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育而言有著十分重要的意義，作為理論教學(xué)的有益增補(bǔ)，其可以有效培養(yǎng)學(xué)習(xí)者分析與解決問(wèn)題的能力，直接關(guān)乎培養(yǎng)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，而實(shí)驗(yàn)教學(xué)便是實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)中的一大重要組成部分。從當(dāng)前的遠(yuǎn)程教育實(shí)踐性教學(xué)工作狀況來(lái)看，其主要存在以下兩方面問(wèn)題：一是遠(yuǎn)程教育學(xué)習(xí)者難以單獨(dú)到達(dá)學(xué)校實(shí)驗(yàn)室，獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn);二是當(dāng)前的實(shí)驗(yàn)教學(xué)與遠(yuǎn)程教育教學(xué)模式不相適應(yīng)，因而已經(jīng)成為制約后者教學(xué)質(zhì)量的重要因素。由此看來(lái)，改革實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)的教學(xué)模式勢(shì)在必行。接下來(lái)，實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)的首要研究方向便成了為遠(yuǎn)程教育學(xué)習(xí)者提供“個(gè)性化”“自主式”“交互式”且“實(shí)時(shí)的”的實(shí)驗(yàn)環(huán)境[1]，而利用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)為學(xué)習(xí)者提供虛擬仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境即將成為現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育技術(shù)應(yīng)用的一大發(fā)展趨勢(shì)，同時(shí)也將成為各大高等院校開(kāi)展遠(yuǎn)程教育工作的一大目標(biāo)。

一、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)

虛擬技術(shù)能夠?yàn)閷W(xué)習(xí)者提供一種可交互更迭的環(huán)境，學(xué)習(xí)者通過(guò)人機(jī)界面與該環(huán)境產(chǎn)生交互，即從個(gè)人精神感覺(jué)層面“進(jìn)入”到該環(huán)境當(dāng)中。而仿真則主要是指，從原來(lái)的真實(shí)系統(tǒng)中所提煉出的抽象模型既能夠如實(shí)反映系統(tǒng)的靜態(tài)結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)，同時(shí)也能夠如實(shí)體現(xiàn)存在于原系統(tǒng)中的人機(jī)交互關(guān)系。整個(gè)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)是由以下幾個(gè)部分組成：服務(wù)器、教師客戶機(jī)、學(xué)生客戶機(jī)，以及網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)。其中，服務(wù)器是教師客戶機(jī)和學(xué)生客戶機(jī)的中心，擔(dān)負(fù)著為師生進(jìn)行身份驗(yàn)證和傳遞信息的職責(zé)，而有如師生信息和各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)信息等資料則存儲(chǔ)在管理信息庫(kù)當(dāng)中。此外，教師客戶機(jī)的主要任務(wù)是負(fù)責(zé)對(duì)學(xué)生信息和實(shí)驗(yàn)信息進(jìn)行遠(yuǎn)程管理。

二、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)

（一）虛擬網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的結(jié)合體

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)充分結(jié)合了虛擬網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)這兩種技術(shù)，主要表現(xiàn)出了如下三點(diǎn)具體優(yōu)勢(shì)：（1）能夠真實(shí)反映實(shí)驗(yàn)者技能。從某種程度上來(lái)說(shuō)，實(shí)驗(yàn)者在虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境中進(jìn)行各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)操作，與其在真實(shí)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中完成各種實(shí)驗(yàn)任務(wù)并無(wú)不同，而且，虛擬現(xiàn)實(shí)外設(shè)的引入又進(jìn)一步縮小了其二者間的差距。因此我們可以說(shuō)，實(shí)驗(yàn)者在虛擬環(huán)境下所得出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果即是其技能的真實(shí)反映。（2）測(cè)評(píng)結(jié)果信度極高。由于計(jì)算機(jī)程序是實(shí)驗(yàn)成績(jī)的評(píng)定者，因此，對(duì)于每一個(gè)實(shí)驗(yàn)者而言，評(píng)分都是唯一的，信度極高。（3）實(shí)驗(yàn)技能測(cè)評(píng)周期短、成本低。由于實(shí)驗(yàn)技能測(cè)評(píng)是依托于計(jì)算機(jī)來(lái)進(jìn)行的，因此組織十分方便，整個(gè)測(cè)評(píng)過(guò)程的周期將會(huì)大大縮短，總體成本也將大幅度降低。

（二）實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)本身所具有的優(yōu)勢(shì)

除了前述幾點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)本身也具有極大優(yōu)勢(shì)，具體來(lái)說(shuō)主要包括以下幾點(diǎn)：（1）虛擬實(shí)驗(yàn)安全性高。實(shí)驗(yàn)者在真實(shí)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中做實(shí)驗(yàn)時(shí)有可能遭遇危險(xiǎn)，比如在做化學(xué)實(shí)驗(yàn)時(shí)有可能遭遇爆炸，但在虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境當(dāng)中，由于實(shí)驗(yàn)者都是在虛擬的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行操作，因此可以有效避免各種危險(xiǎn)狀況的發(fā)生。（2）虛擬實(shí)驗(yàn)避免了一次性物品消耗。在真實(shí)的實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程中，如物理實(shí)驗(yàn)所需的感光材料等一次性消耗品是必須要使用的，而若在基于計(jì)算機(jī)仿真的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行操作，則完全無(wú)須做這方面的投入。（3）虛擬實(shí)驗(yàn)省去了準(zhǔn)備時(shí)間。實(shí)驗(yàn)者若想在真實(shí)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，那么必須要在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始之前進(jìn)行大量的準(zhǔn)備工作，比如準(zhǔn)備藥品和實(shí)驗(yàn)儀器等，但做虛擬實(shí)驗(yàn)的話則完全不需要實(shí)驗(yàn)者花費(fèi)大量時(shí)間去做這些準(zhǔn)備工作。

三、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的模塊及其功能

總體來(lái)說(shuō)，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要包括以下三大模塊：教師模塊、學(xué)生模塊以及系統(tǒng)自動(dòng)測(cè)評(píng)模塊。這些模塊相互獨(dú)立，不僅有著不同的適用群體，且還有著不同的功能。

（一）教師模塊

在獲得系統(tǒng)管理員的授權(quán)后，教師即可進(jìn)入系統(tǒng)管理和輔導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。教師登錄成功以后，系統(tǒng)會(huì)首先對(duì)教師的身份進(jìn)行驗(yàn)證，教師在通過(guò)身份驗(yàn)證后即可進(jìn)入到教師模塊。該模塊的功能主要包括：（1）修改密碼和個(gè)人資料。教師可以在該模塊當(dāng)中修改自己的密碼和個(gè)人資料。（2）學(xué)生注冊(cè)?？梢砸园嗉?jí)為單位為學(xué)生進(jìn)行注冊(cè)，且也只有在籍學(xué)生有權(quán)進(jìn)入虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。（3）管理實(shí)驗(yàn)課程。該模塊不僅可以增刪實(shí)驗(yàn)課程、制訂實(shí)驗(yàn)報(bào)告模板和實(shí)驗(yàn)結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，且還可以維護(hù)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、管理實(shí)驗(yàn)演示文件和實(shí)驗(yàn)測(cè)試題等。（4）開(kāi)設(shè)有留言板與討論區(qū)。教師可以在此發(fā)布公告、與學(xué)生進(jìn)行交流。（5）批改實(shí)驗(yàn)報(bào)告并公布學(xué)生成績(jī)。（6）進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。教師可以在該模塊當(dāng)中進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)（如每個(gè)實(shí)驗(yàn)的應(yīng)完成實(shí)驗(yàn)學(xué)生數(shù)和已完成實(shí)驗(yàn)學(xué)生數(shù)等）統(tǒng)計(jì)。

（二）學(xué)生模塊

在教師代為注冊(cè)授權(quán)之后，學(xué)生才可以進(jìn)入到系統(tǒng)當(dāng)中參與實(shí)驗(yàn)。該模塊的功能主要包括以下幾個(gè)方面：（1）修改個(gè)人密碼。（2）瀏覽設(shè)備使用說(shuō)明，復(fù)習(xí)課本知識(shí)。（3）在線觀看實(shí)驗(yàn)操作流程演示視頻。（4）于實(shí)驗(yàn)前完成預(yù)習(xí)題測(cè)試，測(cè)評(píng)合格者可于其中下載實(shí)驗(yàn)報(bào)告模板。（5）查詢個(gè)人成績(jī)。（6）留言或參與討論。

（三）系統(tǒng)自動(dòng)測(cè)評(píng)模塊

在學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，計(jì)算機(jī)可以為其記錄包括個(gè)人實(shí)驗(yàn)過(guò)程、協(xié)同工作過(guò)程以及實(shí)驗(yàn)操作結(jié)果等在內(nèi)的整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程，并根據(jù)既有的評(píng)分規(guī)則和主體操作過(guò)程、操作結(jié)果給出一個(gè)客觀評(píng)價(jià)。由于自動(dòng)測(cè)評(píng)模塊中的評(píng)分主要涉及實(shí)驗(yàn)者的操作結(jié)果和操作序列兩部分內(nèi)容，因此自動(dòng)評(píng)分的算法也相應(yīng)地包括以下兩種：一是基于操作結(jié)果進(jìn)行評(píng)分;二是基于操作序列進(jìn)行評(píng)分[2]。前者比較簡(jiǎn)單，實(shí)質(zhì)上就是對(duì)相關(guān)屬性進(jìn)行對(duì)比分析，現(xiàn)主要就后一種算法加以描述。

從理論上來(lái)說(shuō)，操作序列自動(dòng)評(píng)分算法的工作條件為答案操作序列和主體操作序列表示方法的確定，也即只要確定了這兩種序列的方法，操作序列自動(dòng)評(píng)分算法就能正常展開(kāi)其工作。然而從實(shí)際角度來(lái)說(shuō)，由于操作序列中動(dòng)作的先后順序并不影響其評(píng)分的正確性，因此要表示正確的操作序列便有了很大的難度。為解決這一問(wèn)題，我們特意引入“時(shí)序約束網(wǎng)絡(luò)”思想來(lái)表示答案操作序列，也即利用動(dòng)作發(fā)生的時(shí)間和動(dòng)作的信息這兩部分?jǐn)?shù)據(jù)來(lái)表示該序列，并以此為前提，采用“時(shí)間代入算法”進(jìn)行自動(dòng)評(píng)分。這一操作的基本思想如下：（1）檢查正確答案中所要求的那些動(dòng)作是否出現(xiàn);（2）檢查與動(dòng)作有關(guān)的參數(shù)是否正確;（3）把動(dòng)作的時(shí)間段代入到正確答案中的相應(yīng)“時(shí)序約束網(wǎng)絡(luò)”當(dāng)中，如若二者相符，則說(shuō)明操作無(wú)誤。接下來(lái)，便可以開(kāi)始構(gòu)建基于操作序列的評(píng)分算法了：一是簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)者的操作序列，也即歸類并合并操作序列;二是檢查實(shí)驗(yàn)者的操作序列中是否具備了正確答案中所規(guī)定的全部直接事件，并確定實(shí)驗(yàn)操作發(fā)生的時(shí)間是否與答案中的“時(shí)序約束網(wǎng)絡(luò)”相符。

四、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的主要目標(biāo)

概括而言，設(shè)計(jì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的主要目標(biāo)包括以下幾點(diǎn)：（1）在不脫離課程教學(xué)大綱的前提下，參照傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)流程盡可能地滿足學(xué)習(xí)者的個(gè)性化學(xué)習(xí)需求;（2）以教學(xué)大綱為依據(jù)，設(shè)置和更新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，設(shè)置和查詢學(xué)生信息，依托于網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)批改學(xué)生實(shí)驗(yàn)報(bào)告和反饋學(xué)生成績(jī)，并管理平臺(tái)公告和留言;（3）設(shè)置實(shí)驗(yàn)常用儀器設(shè)備功能簡(jiǎn)介和基于實(shí)物完成的演示實(shí)驗(yàn);（4）判定學(xué)生是否具備參與實(shí)驗(yàn)的各項(xiàng)基本條件;（5）于實(shí)驗(yàn)結(jié)束后進(jìn)行系統(tǒng)自動(dòng)測(cè)評(píng)，并將成績(jī)及時(shí)反饋給學(xué)生。

五、結(jié)語(yǔ)

綜上所述，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程的研發(fā)，的確大有利于遠(yuǎn)程教育的發(fā)展。值得一提的是，教師除了要以教學(xué)要求為據(jù)來(lái)精心設(shè)計(jì)課程結(jié)構(gòu)，還應(yīng)注重網(wǎng)絡(luò)環(huán)境實(shí)際，選用適當(dāng)?shù)亩嗝襟w素材進(jìn)行編輯、組織和壓縮，充分利用聲音和視頻等載體來(lái)增強(qiáng)教學(xué)效果、增加學(xué)生在虛擬實(shí)驗(yàn)中的沉浸感。

參考文獻(xiàn)

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