應(yīng)用型高校在“互聯(lián)網(wǎng)+”背景下虛擬實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建模式應(yīng)用

張杰 周偉 朱珺

1.攀枝花學(xué)院網(wǎng)絡(luò)與計(jì)算機(jī)中心；2.攀枝花市電化教育（技術(shù)裝備）中心

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的廣泛應(yīng)用與發(fā)展,基于“互聯(lián)網(wǎng)+”模式下的虛擬實(shí)驗(yàn)室遠(yuǎn)程教學(xué)方式越來越受歡迎，虛擬實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建成為近年來的熱點(diǎn)。本文從虛擬實(shí)驗(yàn)室的技術(shù)特點(diǎn)入手分析了應(yīng)用教學(xué)的優(yōu)點(diǎn),提出了“互聯(lián)網(wǎng)+”模式下高校建設(shè)虛擬實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建方案、構(gòu)建模式極其構(gòu)建效果，為今后應(yīng)用型高校建設(shè)虛擬實(shí)驗(yàn)室給予借鑒和幫助。

近年來隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的廣泛應(yīng)用與發(fā)展，基于“互聯(lián)網(wǎng)+”模式下的虛擬實(shí)驗(yàn)室遠(yuǎn)程教學(xué)以一種全新的教學(xué)方式越來越受歡迎。由于虛擬實(shí)驗(yàn)的開放性、共享性和便捷性特點(diǎn)不斷顯現(xiàn)，因此“互聯(lián)網(wǎng)+”模式下的基于“互聯(lián)網(wǎng)+”模式下的虛擬實(shí)驗(yàn)室建設(shè)是對(duì)目前興起的計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的一個(gè)發(fā)展，能夠使學(xué)生在互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下通過實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)實(shí)現(xiàn)更加便捷、深入地學(xué)習(xí)實(shí)踐教學(xué)課程內(nèi)容。

1 虛擬實(shí)驗(yàn)室的發(fā)展現(xiàn)狀及問題

高校最初發(fā)展的傳統(tǒng)型虛擬實(shí)驗(yàn)室，是開發(fā)虛擬實(shí)驗(yàn)軟件對(duì)一些物理、化學(xué)、生物現(xiàn)象和行為過程進(jìn)行模擬的實(shí)驗(yàn)。仿真實(shí)驗(yàn)在教學(xué)應(yīng)用中的優(yōu)越性體現(xiàn)在仿真環(huán)境比真實(shí)環(huán)境更具有操作性、可控性，主要表現(xiàn)在：

（1）虛擬實(shí)驗(yàn)室集成了較為完善實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容[1]。虛擬實(shí)驗(yàn)室包含各學(xué)科教學(xué)常規(guī)實(shí)驗(yàn)，其中實(shí)驗(yàn)中使用的儀器設(shè)備、實(shí)驗(yàn)使用的藥品、實(shí)驗(yàn)的具體操作方法及流程、實(shí)驗(yàn)的背景知識(shí)、實(shí)驗(yàn)的基本原理、實(shí)驗(yàn)使用的儀器詳細(xì)構(gòu)造及特點(diǎn)、實(shí)驗(yàn)注意問題和事項(xiàng)等實(shí)踐內(nèi)容均包含。學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)操作便于全面了解和掌握實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容和要點(diǎn)，起到教學(xué)輔助和促進(jìn)作用。

（2）虛擬實(shí)驗(yàn)具有仿真性、實(shí)踐性和直觀性的特點(diǎn)。采用計(jì)算機(jī)仿真模擬技術(shù)開發(fā)的虛擬實(shí)驗(yàn)，可以讓學(xué)生有機(jī)會(huì)了解到價(jià)值高、品類新的儀器設(shè)備，較為真實(shí)的觀察儀器設(shè)備內(nèi)部構(gòu)造，甚至可以高倍數(shù)高清顯示實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，例如，展示顯微鏡下的實(shí)驗(yàn)圖像、醫(yī)學(xué)解剖過程及解剖部位的圖像等。較直接實(shí)驗(yàn)更直觀、更方便；具有優(yōu)質(zhì)的多媒體效果，將音樂、聲效、動(dòng)畫相融合，具有高品質(zhì)的過程動(dòng)態(tài)效果，易于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。

（3）虛擬實(shí)驗(yàn)便于實(shí)驗(yàn)的評(píng)價(jià)和成果積累[2]。虛擬實(shí)驗(yàn)通過計(jì)算機(jī)完成，可以有效記錄學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作的全部過程，便于評(píng)判實(shí)驗(yàn)操作的正確性，正確記錄實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)和成果，便于學(xué)生進(jìn)行后期實(shí)驗(yàn)分析和實(shí)驗(yàn)報(bào)告的完成，可以記錄和保存全套的實(shí)驗(yàn)成果資料。

但是，多數(shù)高校是基于傳統(tǒng)型虛擬實(shí)驗(yàn)室的特點(diǎn)和構(gòu)建，高校投資大，課件資源不豐富，利用率不高，后期技術(shù)保障和服務(wù)支撐不足，制約虛擬實(shí)驗(yàn)室的快速發(fā)展。分析虛擬實(shí)驗(yàn)室發(fā)展的瓶頸，主要有：

（1）教學(xué)資源建設(shè)內(nèi)容單一，系統(tǒng)性不強(qiáng)。由于虛擬實(shí)驗(yàn)的教學(xué)優(yōu)勢(shì)明顯，很多教學(xué)中的教師積極參與虛擬實(shí)驗(yàn)的資源建設(shè)，但是由于建設(shè)的資金局限，多數(shù)為教學(xué)教研項(xiàng)目資金、科研資金和學(xué)校專項(xiàng)建設(shè)資金，資金的經(jīng)費(fèi)一般不太充足，結(jié)果是開發(fā)的教學(xué)資源單一，不完整，系統(tǒng)性不強(qiáng)；另外，參與開發(fā)的教師資源不是很完善，一般是相同學(xué)科的部分教師參與或是一個(gè)教研室參與，開發(fā)力量一般顯得很單薄。

（2）軟件的開發(fā)能力和維護(hù)能力不足。開發(fā)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)軟件，一般是采用項(xiàng)目組中計(jì)算機(jī)能力較強(qiáng)的專業(yè)教師、在校研究生、外聘技術(shù)人員等參與系統(tǒng)開發(fā)，系統(tǒng)開發(fā)的周期較短，開發(fā)的軟件產(chǎn)品顯得不是很成熟，軟件的應(yīng)用中缺乏后期維護(hù)人員和維護(hù)經(jīng)費(fèi)支撐，導(dǎo)致虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)軟件應(yīng)用效果不好。

（3）資源缺乏運(yùn)營(yíng)和共享機(jī)制，開發(fā)熱情不高。一般高校開發(fā)的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)缺乏較好的運(yùn)營(yíng)和共享機(jī)制，開發(fā)的產(chǎn)品缺乏良性的軟件生命周期，產(chǎn)品缺乏運(yùn)營(yíng)和共享，不能保證開發(fā)者的軟件權(quán)益，讓開發(fā)者獲得教學(xué)資源建設(shè)的相應(yīng)利益，產(chǎn)品缺乏后期的調(diào)試、維護(hù)、升級(jí)、更新，最終讓虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)難以更好發(fā)展。

2 開發(fā)適應(yīng)新時(shí)代的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

如今，高校需要不斷豐富和發(fā)展用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的虛擬實(shí)驗(yàn)顯得非常必要，為了快速提高使用效果明顯，一些高校、科研院所及軟件公司等諸多力量共同參與計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)資源建設(shè)，以“互聯(lián)網(wǎng)+”為基本環(huán)境，開發(fā)新模式下虛擬實(shí)驗(yàn)室，為教學(xué)提供技術(shù)保障和服務(wù)支撐，創(chuàng)造創(chuàng)新、發(fā)展、共享、開放的教學(xué)資源開發(fā)和應(yīng)用環(huán)境，促進(jìn)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)入良性化發(fā)展道路。

建設(shè)適合新時(shí)代的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的建設(shè)方法和路徑：

（1）建設(shè)基于互聯(lián)網(wǎng)模式的虛擬實(shí)驗(yàn)室。將傳統(tǒng)模式的虛擬實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)模式的應(yīng)用和升級(jí)，將極大地提升軟件的應(yīng)用效果，提升軟件的適應(yīng)環(huán)境，提高軟件的應(yīng)用價(jià)值。學(xué)生可以在互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下任一時(shí)間、任一地點(diǎn)使用軟件做虛擬實(shí)驗(yàn)，不受實(shí)驗(yàn)課排課、實(shí)驗(yàn)教室等因素干擾，易于與師生互動(dòng)，易于教學(xué)管理；方便教學(xué)資源共享，一套實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可以多高校、多校區(qū)、多地區(qū)共同使用，提升應(yīng)用效率，提高教育資源的有效價(jià)值。

（2）建設(shè)功能復(fù)合型的虛擬實(shí)驗(yàn)室[3]。傳統(tǒng)模式的虛擬實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建方案有專門型、混用型或廣泛型虛擬實(shí)驗(yàn)室，這些實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)是基于專業(yè)需求建設(shè)，比較單一，隨著信息化發(fā)展，在傳統(tǒng)模式下的虛擬實(shí)驗(yàn)室將朝著復(fù)合型實(shí)驗(yàn)室變革，以傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室為基礎(chǔ)，開發(fā)基于互聯(lián)網(wǎng)模式的虛擬實(shí)驗(yàn)室，輔助學(xué)生完成實(shí)踐教育環(huán)節(jié)，是極大的補(bǔ)充了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的不足。

（3）建設(shè)融合型虛擬實(shí)驗(yàn)室。目前，受社會(huì)經(jīng)濟(jì)的影響，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的要求提出的標(biāo)準(zhǔn)和要求，需要培養(yǎng)知識(shí)體系較為全面的高素質(zhì)學(xué)生。傳統(tǒng)的高校專業(yè)設(shè)置出現(xiàn)了重疊化和邊緣化，高校專業(yè)需要整合，對(duì)學(xué)生的專業(yè)技術(shù)培養(yǎng)需要專業(yè)融合，因此在實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的培養(yǎng)需要構(gòu)建更為科學(xué)的專業(yè)融合虛擬實(shí)驗(yàn)室，以滿足學(xué)科整合和融合的需求。

從目前的建設(shè)模式來看，有大致自建模式、購(gòu)買模式、租用模式、共享模式等。自建模式是完全由學(xué)校組織人員各專業(yè)技術(shù)人員自行開發(fā)軟件平臺(tái)及教學(xué)資源庫(kù)；購(gòu)買模式即資金采購(gòu)模式，一般情況是學(xué)校根據(jù)需求情況購(gòu)買虛擬軟件平臺(tái)及需要的教學(xué)實(shí)驗(yàn)資源庫(kù)；租用模式即購(gòu)買虛擬實(shí)驗(yàn)室軟件平臺(tái)及需要的教學(xué)實(shí)驗(yàn)資源庫(kù)的使用期限；共享模式即為高校間合作、高校與企業(yè)合作共同開發(fā)建設(shè)虛擬實(shí)驗(yàn)室軟件平臺(tái)及教學(xué)實(shí)驗(yàn)資源庫(kù)。各建設(shè)模式的特點(diǎn)見表1虛擬實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建模式特點(diǎn)表。

表1 虛擬實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建模式特點(diǎn)表Tab.1 Characteristic table of virtual laboratory construction mode

從表中數(shù)據(jù)來看，高校在選擇虛擬實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)模式的時(shí)候，需要綜合考慮學(xué)校的實(shí)際情況，要根據(jù)高校的教師技術(shù)實(shí)力、經(jīng)費(fèi)情況、基礎(chǔ)投資、維護(hù)成本等情況綜合分析，選擇適合自己的建設(shè)模式。作為應(yīng)用型高校，考慮到教師的開發(fā)技術(shù)能力不是很強(qiáng)，經(jīng)費(fèi)不是太充裕，建設(shè)和后期維護(hù)成本等因素，建設(shè)虛擬實(shí)驗(yàn)室目的在于讓師生使用好軟件及資源，建議采用租用模式或共享模式。租用模式優(yōu)點(diǎn)在于不用太多前期投入，不用考慮后期維護(hù)，選擇適合學(xué)校的軟件及教學(xué)資源模塊即可。共享模式則是采用校校合作、校企合作模式共同開發(fā)軟件及教學(xué)資源模塊，擁有共享的知識(shí)產(chǎn)權(quán)。優(yōu)點(diǎn)是共建共享的建設(shè)過程中，培養(yǎng)了教師的技術(shù)水平，建設(shè)了適合學(xué)校的教學(xué)資源或特色教學(xué)資源，適當(dāng)節(jié)約資金，也加強(qiáng)了校際交流與合作，同時(shí)還擁有共享知識(shí)產(chǎn)權(quán)。當(dāng)然，學(xué)校也可采用混合模式，如前期使用為租用模式，后期采用共享模式，根據(jù)學(xué)校的應(yīng)用實(shí)際開發(fā)一些綜合性的實(shí)驗(yàn)和新開實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。但無論高校采用哪種建設(shè)模式，均應(yīng)以提高教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效果為目的。

3 “互聯(lián)網(wǎng)+”環(huán)境下虛擬實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建

“互聯(lián)網(wǎng)+”環(huán)境下虛擬實(shí)驗(yàn)室屬于遠(yuǎn)程操作類虛擬實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以通過Internet遠(yuǎn)程做實(shí)驗(yàn)時(shí)，實(shí)驗(yàn)包含遠(yuǎn)程設(shè)備控制、虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)等，學(xué)生完全可以正常地設(shè)置和修改實(shí)驗(yàn)參數(shù)，觀察實(shí)驗(yàn)的反饋結(jié)果，遠(yuǎn)程下載實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。這樣的實(shí)驗(yàn)室比較適合目前的應(yīng)用型高校：

（1）“互聯(lián)網(wǎng)+”環(huán)境下虛擬實(shí)驗(yàn)室基于網(wǎng)絡(luò)形成完善的實(shí)驗(yàn)管理、實(shí)驗(yàn)教學(xué)、實(shí)驗(yàn)交流和反饋的教學(xué)平臺(tái)（見圖1）。網(wǎng)絡(luò)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)包含在線虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、實(shí)驗(yàn)演示、作業(yè)部署、實(shí)驗(yàn)批改和成績(jī)管理等，涵蓋實(shí)驗(yàn)教學(xué)的全過程。

圖1 虛擬實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)平臺(tái)功能Fig.1 Virtual laboratory experiment platform function

（2）“互聯(lián)網(wǎng)+”環(huán)境下虛擬實(shí)驗(yàn)室不需要太多師資儲(chǔ)備[4]。應(yīng)用型高校教師培養(yǎng)學(xué)生的應(yīng)用能力為主，教師應(yīng)將主要的精力放在教學(xué)及教學(xué)應(yīng)用，以使用好虛擬實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目為目的，不必要把精力發(fā)在系統(tǒng)研發(fā)方向上。

（3）“互聯(lián)網(wǎng)+”環(huán)境下虛擬實(shí)驗(yàn)室可以減少實(shí)驗(yàn)資金投入，彌補(bǔ)教學(xué)實(shí)驗(yàn)條件和實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)的缺乏。學(xué)生在互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下進(jìn)入虛擬實(shí)驗(yàn)室開展虛擬實(shí)驗(yàn)，不受時(shí)間、地點(diǎn)、實(shí)驗(yàn)次數(shù)的限制，可以反復(fù)多次實(shí)驗(yàn)，不必?fù)?dān)心實(shí)驗(yàn)儀器超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)而受到嚴(yán)重?fù)p耗，不必考慮實(shí)驗(yàn)耗材的損耗成本，可以提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)的積極性和主動(dòng)性，提高實(shí)踐教學(xué)的效果。

（4）“互聯(lián)網(wǎng)+”環(huán)境下的虛擬實(shí)驗(yàn)室具開放性。虛擬實(shí)驗(yàn)資源是屬于互聯(lián)網(wǎng)模式的電子資源，是具有知識(shí)產(chǎn)權(quán)的數(shù)據(jù)資源，在滿足知識(shí)產(chǎn)權(quán)的利益前提下，該類型的教學(xué)資源能夠滿足教學(xué)資源的開放利用，在互聯(lián)網(wǎng)的環(huán)境下可以高效應(yīng)用，既提高了教學(xué)資源的利用效率，又降低了教學(xué)成本。

（5）“互聯(lián)網(wǎng)+”環(huán)境下虛擬實(shí)驗(yàn)室有共享性[5]。在應(yīng)用型高校的建設(shè)與教學(xué)中，不斷形成一些學(xué)科建設(shè)優(yōu)勢(shì)和資源優(yōu)勢(shì)，學(xué)?？梢耘c一些優(yōu)勢(shì)公司或高校共同開發(fā)教學(xué)資源，開發(fā)成虛擬實(shí)驗(yàn)室的設(shè)色實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，形成教學(xué)資源租用共享的良性發(fā)展模式，適當(dāng)補(bǔ)充資源開發(fā)成本。

目前，虛擬仿實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目已涉及電子、機(jī)械、通信、計(jì)算機(jī)、物理、化學(xué)、醫(yī)學(xué)等學(xué)科。從使用效果上看，高校開展“互聯(lián)網(wǎng)+”環(huán)境下虛擬實(shí)驗(yàn)室，讓學(xué)生不再受外在條件的制約，學(xué)生可以在各種環(huán)境、空間開展虛擬實(shí)驗(yàn)，可以極大的調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，也可以提高學(xué)生的實(shí)踐操作能力、分析和解決問題能力；讓教師虛擬軟件管理平臺(tái)高效、及時(shí)和準(zhǔn)確獲取學(xué)生學(xué)習(xí)情況，提升教學(xué)效果。

4 結(jié)語

把虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)應(yīng)用到高校實(shí)驗(yàn)課堂教學(xué)中是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的創(chuàng)新方法，是深化教學(xué)改革的方向，也是信息化教學(xué)的趨勢(shì)。它改變了學(xué)生的學(xué)習(xí)方式，由被動(dòng)學(xué)習(xí)變?yōu)樽灾鲗W(xué)習(xí)，提高學(xué)習(xí)興趣，提高了學(xué)習(xí)效率。高校應(yīng)選擇適合虛擬實(shí)驗(yàn)室建設(shè)方式，不僅可以高效組織教學(xué)，節(jié)約實(shí)驗(yàn)室辦學(xué)資金，補(bǔ)足辦學(xué)硬件條件補(bǔ)足，提升辦學(xué)效益。但是虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)不能完全取代傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，因?yàn)樗泊嬖趯?shí)驗(yàn)結(jié)果理想化、實(shí)驗(yàn)真實(shí)感知不足等缺點(diǎn)，因此我們?cè)趹?yīng)用教學(xué)中不能極端化，應(yīng)該將兩種實(shí)驗(yàn)方法相結(jié)合，互為補(bǔ)足，取長(zhǎng)補(bǔ)短。