虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在“大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)”課程中應(yīng)用

徐杏芳

摘要：針對(duì)當(dāng)前實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)效率低下等問(wèn)題，探索加強(qiáng)學(xué)生工程及創(chuàng)新能力培養(yǎng)的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)模式的改革。建設(shè)以數(shù)字化學(xué)習(xí)資源、虛擬儀器、虛擬實(shí)驗(yàn)等輔助教學(xué)為內(nèi)容的實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)，以此形成一個(gè)新型虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)環(huán)境。搭建滿(mǎn)足學(xué)生自主學(xué)習(xí)需要的資源豐富、特色鮮明的自主學(xué)習(xí)服務(wù)，激發(fā)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)過(guò)程中以“驗(yàn)證”為主向以“創(chuàng)新”為主轉(zhuǎn)移。

關(guān)鍵詞：自主學(xué)習(xí);實(shí)驗(yàn)教學(xué);虛擬實(shí)驗(yàn)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP393? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2021）14-0132-02

Abstract： In view of the low efficiency problems of experimental teaching， we explore the reform of the experimental practice teaching mode to strengthen the training of students' engineering and innovation ability. The paper proposes to construct teaching platform with digital learning resources， virtual instrument， virtual experiment teaching content， so as to form a new type of combining virtual learning environment. Building the autonomous learning services to meet the needs of students' autonomous learning with rich resources and distinctive features， we inspire the students motivation transfer from "verifying" to "innovation" in the process of experimental training.

Key words： autonomous learning; experiment teaching; virtual experiment

實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革是研究探索型教學(xué)、基于問(wèn)題學(xué)習(xí)的突破口，實(shí)踐能力培養(yǎng)為創(chuàng)新型高素質(zhì)工程人才培養(yǎng)的著力點(diǎn)。傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)控制技術(shù)實(shí)驗(yàn)設(shè)備存在著投入成本高、使用率低等問(wèn)題。隨著通信和計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展，基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)操作平臺(tái)建設(shè)由于不受時(shí)間和空間的限制，具有得天獨(dú)厚的開(kāi)放、共享性，是未來(lái)發(fā)展的重要趨勢(shì)。虛擬實(shí)驗(yàn)[1]是指借助于多媒體網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、仿真和虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)，在計(jì)算機(jī)上對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)各操作環(huán)節(jié)的模擬和仿真，實(shí)現(xiàn)基于虛擬儀器的開(kāi)放的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)踐。能為不同年級(jí)、專(zhuān)業(yè)、不同興趣和愛(ài)好的學(xué)生提供更寬廣的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和支撐協(xié)同創(chuàng)新、虛實(shí)結(jié)合的自主實(shí)驗(yàn)環(huán)境，成為工程人才培養(yǎng)的重要支撐平臺(tái)。開(kāi)放式虛擬實(shí)驗(yàn)對(duì)于強(qiáng)化學(xué)生的動(dòng)手能力和工程適應(yīng)能力，全面提升學(xué)生工程技術(shù)的綜合素質(zhì)具有重要意義[2]。

1 架構(gòu)體系

本文以提升學(xué)生工程能力、創(chuàng)新能力和綜合能力為目標(biāo)，創(chuàng)新工程人才培養(yǎng)模式，重點(diǎn)開(kāi)展融入信息化技術(shù)的工程人才理論教學(xué)、實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐教學(xué)以及綜合育人模式的改革，實(shí)現(xiàn)信息化與工程教育的深度融合，支持學(xué)生自主知識(shí)構(gòu)建，支持協(xié)作式、探究式、移動(dòng)式和研究性學(xué)習(xí)，重視課前教學(xué)、強(qiáng)化課中教學(xué)、拓展課后教學(xué)，提供課程教案獲取、答疑、移動(dòng)訪問(wèn)的交流溝通，加強(qiáng)知識(shí)關(guān)聯(lián)，提供個(gè)性化推送服務(wù)，建設(shè)自主開(kāi)放、虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)。從而提升學(xué)生的工程能力、創(chuàng)新能力和綜合能力;在以信息化技術(shù)提升創(chuàng)新型工程人才培養(yǎng)的方面進(jìn)行改革、實(shí)踐并取得突破。

為了實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)模式改革的目標(biāo)，需要在資源庫(kù)等方面給予支撐，構(gòu)建涵蓋虛擬儀器資源、文獻(xiàn)資源、精品課程和實(shí)驗(yàn)資源的優(yōu)質(zhì)共享數(shù)字資源庫(kù)為主要內(nèi)容，已各類(lèi)在線學(xué)習(xí)服務(wù)、虛擬社區(qū)為自主學(xué)習(xí)平臺(tái)的架構(gòu)體系，如圖1所示。

與傳統(tǒng)教學(xué)方式完全不同，開(kāi)放式虛擬實(shí)驗(yàn)對(duì)于強(qiáng)化學(xué)生的動(dòng)手能力和工程適應(yīng)能力，全面提升學(xué)生工程技術(shù)的綜合素質(zhì)具有重要意義。運(yùn)行平臺(tái)建設(shè)是實(shí)驗(yàn)室信息化建設(shè)過(guò)程中的一項(xiàng)基礎(chǔ)性工作，優(yōu)質(zhì)實(shí)驗(yàn)資源庫(kù)建設(shè)、平臺(tái)開(kāi)放共享服務(wù)是資源開(kāi)放共享的深入階段，虛擬實(shí)驗(yàn)構(gòu)建和實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ絼?chuàng)新是實(shí)驗(yàn)室信息化建設(shè)的高級(jí)階段[3]。熟練使用信息化教育教學(xué)手段也是信息類(lèi)專(zhuān)業(yè)學(xué)生實(shí)踐能力培養(yǎng)的重要組成部分。

2 開(kāi)放式虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境構(gòu)建

2.1 實(shí)驗(yàn)資源庫(kù)構(gòu)建

充實(shí)更新教學(xué)資源內(nèi)容開(kāi)發(fā)，按學(xué)科或其他內(nèi)在關(guān)系形成資源庫(kù)，以課程為組織單位，實(shí)現(xiàn)全庫(kù)搜索查詢(xún)及數(shù)據(jù)挖掘，完善教學(xué)資源元數(shù)據(jù)編建工作，為校際及區(qū)域共享做準(zhǔn)備。加大校內(nèi)外各種教學(xué)資源的積累與整合，建立教學(xué)資源庫(kù)，積極尋求校際、區(qū)域間的資源共享;突出學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中的自主地位，為本科教學(xué)工作提供一個(gè)手段多樣內(nèi)容豐富的統(tǒng)一教學(xué)平臺(tái)。如文獻(xiàn)[3]對(duì)電子電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源進(jìn)行了構(gòu)建。杭州電子科技大學(xué)依托學(xué)校各類(lèi)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，遴選典型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、科研成果資源，以學(xué)科為線索，按專(zhuān)業(yè)分類(lèi)，構(gòu)建專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目虛擬庫(kù)、遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)、數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室，完成信息類(lèi)新興產(chǎn)業(yè)專(zhuān)業(yè)教學(xué)典型實(shí)驗(yàn)資源庫(kù)構(gòu)建。資源庫(kù)將依托云計(jì)算子系統(tǒng)和云存儲(chǔ)子系統(tǒng)建設(shè)，將海量資源放置于云存儲(chǔ)系統(tǒng)上，為校內(nèi)的業(yè)務(wù)部門(mén)提供統(tǒng)一的資源共享和交流平臺(tái)。

2.2 基于虛擬儀器技術(shù)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

借助網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，學(xué)生通過(guò)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)遠(yuǎn)程登錄，采用虛擬儀器平臺(tái)開(kāi)發(fā)模擬的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，開(kāi)展各種仿真模擬實(shí)驗(yàn)，虛擬儀器模擬顯示實(shí)驗(yàn)設(shè)備，具備軟件即為硬件設(shè)備的功能;學(xué)生利用個(gè)人計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制算法仿真，再經(jīng)過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳送給真實(shí)的實(shí)驗(yàn)裝置，并通過(guò)遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)獲? ?實(shí)時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)，以驗(yàn)證控制算法和技術(shù)的可行性、先進(jìn)性，以開(kāi)展創(chuàng)新性學(xué)習(xí);學(xué)生可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入真實(shí)的實(shí)驗(yàn)裝置，通過(guò)視頻信息和在線數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，實(shí)時(shí)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程，得到真實(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果;學(xué)生甚至可以通過(guò)遠(yuǎn)程控制技術(shù)，對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備進(jìn)行操作，并遠(yuǎn)程觀測(cè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程與結(jié)果，并實(shí)時(shí)采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在客戶(hù)端計(jì)算機(jī)上完成數(shù)據(jù)分析和處理[4]。

改變以往固定實(shí)驗(yàn)箱教學(xué)模式，按課程由教師建立網(wǎng)絡(luò)元件庫(kù)和實(shí)體元件庫(kù)，教師在網(wǎng)上布置實(shí)驗(yàn)要求，學(xué)生通過(guò)網(wǎng)絡(luò)選擇元器件自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)并仿真，經(jīng)教師確認(rèn)后學(xué)生選好實(shí)驗(yàn)時(shí)間到指定的實(shí)驗(yàn)室領(lǐng)取元器件獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)。基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以滿(mǎn)足科研教學(xué)對(duì)分布式實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的要求，還可以解決實(shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地等實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源不足的問(wèn)題。

2.3互助式的虛擬實(shí)驗(yàn)社區(qū)平臺(tái)

實(shí)驗(yàn)室信息化建設(shè)為實(shí)驗(yàn)興趣教學(xué)、實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新教學(xué)、實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)應(yīng)用教學(xué)提供廣闊的空間，適應(yīng)大眾化辦學(xué)時(shí)代、開(kāi)放性辦學(xué)趨勢(shì)。在學(xué)校實(shí)驗(yàn)室與大型儀器開(kāi)放共享管理系統(tǒng)下，讓學(xué)科專(zhuān)業(yè)精英引導(dǎo)同學(xué)自主、研究型學(xué)習(xí);以強(qiáng)化工程能力為導(dǎo)向，通過(guò)網(wǎng)上實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建設(shè)以及在線能力測(cè)評(píng)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，構(gòu)建交互式網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境，精講多練，融理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)之中，在“做中學(xué)、做中研”以及“基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)”，提高學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力和學(xué)習(xí)主動(dòng)性。建設(shè)管理內(nèi)容包括實(shí)驗(yàn)課程資源、競(jìng)賽專(zhuān)題、積分排名、學(xué)科專(zhuān)業(yè)精英等[5]。

3 支持自主學(xué)習(xí)的開(kāi)放式社區(qū)

3.1在線自主學(xué)習(xí)服務(wù)

探索融入信息化技術(shù)的工程人才培養(yǎng)教學(xué)模式的改革，通過(guò)構(gòu)建一個(gè)網(wǎng)上網(wǎng)下、課內(nèi)課外和理論實(shí)驗(yàn)互動(dòng)的一體化綜合學(xué)習(xí)社區(qū)[6]。

搭建滿(mǎn)足學(xué)生自主學(xué)習(xí)需要的功能全面、資源豐富、科學(xué)有效、特色鮮明的網(wǎng)絡(luò)自主學(xué)習(xí)服務(wù)。充分利用現(xiàn)代信息技術(shù)向自主學(xué)習(xí)個(gè)體提供多樣化的數(shù)字化學(xué)習(xí)資源，以及自主學(xué)習(xí)所需的知識(shí)管理及學(xué)習(xí)過(guò)程管理服務(wù)，結(jié)合教育社交網(wǎng)絡(luò)在校園范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)促進(jìn)教學(xué)資源的創(chuàng)建、分享、整合，并試點(diǎn)數(shù)字化課程教材，突破時(shí)空限制，滿(mǎn)足學(xué)生全方位的自主學(xué)習(xí)需求。

以杭州電子科技大學(xué)程序設(shè)計(jì)在線自主學(xué)習(xí)與評(píng)測(cè)系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱(chēng)HDOJ，即HDU Online Judge）為例，系統(tǒng)上線以來(lái)一直應(yīng)用于我校高級(jí)語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)課程的教學(xué)（包括C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)、C++程序設(shè)計(jì)、Java程序設(shè)計(jì)、ACM程序設(shè)計(jì)等相關(guān)課程），平臺(tái)題庫(kù)題目5300多道，注冊(cè)用戶(hù)數(shù)量30萬(wàn)多個(gè)，課件下載數(shù)量16萬(wàn)多次，系統(tǒng)總提交量1500萬(wàn)多次。除應(yīng)用于課堂教學(xué)外，平臺(tái)還承載了眾多的程序設(shè)計(jì)競(jìng)賽。該平臺(tái)能夠?qū)Τ绦虼a進(jìn)行評(píng)判，同時(shí)提供海量題庫(kù)供學(xué)生練習(xí)不僅可以自動(dòng)生成需要的試卷，而且可以自動(dòng)評(píng)判編程題;不僅支持判斷題和選擇題等客觀題的自動(dòng)評(píng)測(cè)，也支持程序填空題和程序設(shè)計(jì)題等傳統(tǒng)的主觀題的自動(dòng)評(píng)測(cè)。通過(guò)自主學(xué)習(xí)平臺(tái)，徹底改變傳統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)類(lèi)課程的編程練習(xí)和考試模式。

3.2 基于社交網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)社區(qū)平臺(tái)

社交型學(xué)習(xí)社區(qū)的建設(shè)，旨在利用運(yùn)用社交網(wǎng)絡(luò)整合學(xué)校各方資源與服務(wù)，提供一個(gè)讓學(xué)校活動(dòng)的各類(lèi)參與者平等交流互動(dòng)的平臺(tái)。而具體運(yùn)用到學(xué)習(xí)活動(dòng)的開(kāi)展上，最具體的實(shí)踐應(yīng)用即是能讓學(xué)生在課堂之外討論跟課堂內(nèi)容相關(guān)的話(huà)題。使用年輕群體喜聞樂(lè)見(jiàn)的社交媒體形式進(jìn)行這類(lèi)互動(dòng)往往沒(méi)有課堂的嚴(yán)肅，刻板，以及對(duì)時(shí)間的限制，可以讓學(xué)生在一種自由，放松的狀態(tài)下發(fā)表自己的看法，分享自己的信息，在無(wú)形中對(duì)所學(xué)內(nèi)容做一個(gè)復(fù)習(xí)，拓展和深入。以往在傳統(tǒng)教學(xué)中，缺少一種強(qiáng)大的機(jī)制，讓學(xué)生之間能在課后還聚在一起就某個(gè)話(huà)題進(jìn)行深入討論。而且基于某個(gè)課堂話(huà)題的討論針對(duì)性更強(qiáng)，因?yàn)樗鼈儗?shí)際上是屬于教師在線下發(fā)起一個(gè)話(huà)題，意猶未盡的學(xué)生在線上討論補(bǔ)充，而且假如未來(lái)教育社交網(wǎng)絡(luò)健康發(fā)展，那么理想情況下還會(huì)有教師在下一次課對(duì)線上信息的總結(jié)和呈現(xiàn)，構(gòu)成一個(gè)從線下到線上再到線下的良性循環(huán)[7]。

3.3 基于云計(jì)算的社區(qū)移動(dòng)

移動(dòng)學(xué)習(xí)的實(shí)現(xiàn)主要通過(guò)社區(qū)平臺(tái)的移動(dòng)接入建成[8]。社區(qū)平臺(tái)將配套開(kāi)發(fā)建設(shè)移動(dòng)版及專(zhuān)用移動(dòng)客戶(hù)端，實(shí)現(xiàn)學(xué)生用戶(hù)對(duì)社區(qū)平臺(tái)的跨平臺(tái)多終端無(wú)縫接入，在線或離線方式獲取使用社區(qū)平臺(tái)在云端整合提供的各類(lèi)教學(xué)資源及服務(wù)，進(jìn)行自主學(xué)習(xí)計(jì)劃和事務(wù)辦理，通過(guò)社區(qū)參與交流與分享等。而其他社區(qū)用戶(hù)，比如管理部門(mén)則可以通過(guò)移動(dòng)客戶(hù)端進(jìn)行重要通知公告等信息的發(fā)布推送，教師用戶(hù)也可以將課程知識(shí)點(diǎn)做成適合移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)分發(fā)的移動(dòng)課件通過(guò)客戶(hù)端向?qū)W生用戶(hù)進(jìn)行推送，在線指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行學(xué)習(xí)，在線與學(xué)生進(jìn)行交流等。

移動(dòng)學(xué)習(xí)的開(kāi)展不僅將為學(xué)生提供一種新型的學(xué)習(xí)方式，讓學(xué)校的教學(xué)質(zhì)量得到提高，讓教學(xué)資源的利用效率得到提升，還可以提升學(xué)校對(duì)學(xué)生的服務(wù)質(zhì)量，使學(xué)校管理水平邁上新的臺(tái)階。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)面向自主學(xué)習(xí)的虛擬實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)環(huán)境的有效構(gòu)建，進(jìn)一步將實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)從以“驗(yàn)證”為主向以“創(chuàng)新”為主轉(zhuǎn)移，進(jìn)一步強(qiáng)化學(xué)生的動(dòng)手能力和工程適應(yīng)能力，全面提升學(xué)生工程技術(shù)的綜合素質(zhì)。探索和推廣實(shí)驗(yàn)資源精品化、實(shí)驗(yàn)資源網(wǎng)絡(luò)化、實(shí)驗(yàn)活動(dòng)遠(yuǎn)程化、實(shí)驗(yàn)管理信息化為特征的實(shí)驗(yàn)教育信息化模式，凝練實(shí)驗(yàn)教學(xué)個(gè)性化、實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)自主化、多學(xué)科實(shí)驗(yàn)協(xié)作化的現(xiàn)代工程實(shí)驗(yàn)教育品質(zhì)，打造高校實(shí)驗(yàn)室建設(shè)管理信息化品牌。我校對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)創(chuàng)新模式進(jìn)行了探索，大力推廣“以學(xué)生的學(xué)習(xí)為中心、關(guān)注課內(nèi)外一體化學(xué)習(xí)、關(guān)注學(xué)生的學(xué)習(xí)效果”的課程教學(xué)理念，努力促進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)由單一實(shí)驗(yàn)向綜合性實(shí)驗(yàn)的轉(zhuǎn)變;實(shí)物實(shí)驗(yàn)向虛擬實(shí)驗(yàn)與實(shí)物實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的轉(zhuǎn)變;由實(shí)驗(yàn)室向互聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)所的轉(zhuǎn)變。

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[8] 石英.嬗變與守望——互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代下微—移動(dòng)社區(qū)學(xué)習(xí)平臺(tái)發(fā)展策略[J].新聞研究導(dǎo)刊，2019，10（19）：35-36.

【通聯(lián)編輯：王力】