虚拟实验室在大学创新实践教学中的应用研究

朱韶平

(湖南财政经济学院, 湖南长沙 410205)

21世纪将是经济全球化与知识经济时代,新时代给高等教育的发展带来了新的挑战,社会对人才培养提出了更新更高的要求.教育部2010年提出了大力推进高等学校创新创业教育和大学生自主创业工作的政策,并就统筹做好高校创新创业教育、创业基地建设和促进大学生自主创业工作提出了一系列意见.为落实教育部的政策和培养社会需求的高素质创新型人才,如何创新实践教学及培养学生创新能力,是新形势下高校实践教学面临的一重大课题.在培养大学生创新能力的教育中,实践教学与理论教学具有同等重要的地位,尤其是大学创新实践教学更是高校人才培养活动的重要组成部分及提高大学生创新能力的重要手段,创新实践教学是在传统实践教学的基础上,以培养和开发学生的创新精神和创新能力为目标,积极引导和激发学生的创新意识,着重培养学生的创新能力,造就具有创新精神的创新型人才的教育[1].它对提高大学生的综合素质、培养大学生的创新精神与创新能力有着重要且不可替代的作用.传统的实践教学受教学条件限制 “重理论,轻实践”,学生的综合素质、实践能力、科学探究能力以及创新能力难以得到培养和提高.基于虚拟现实技术的虚拟实验室实践教学不受时空限制,可弥补实践教学条件差、教学资源缺乏等方面的不足,改善实践教学环境,创新实践教学模式、内容及方法,提高实践教学质量,激发大学生的创新意识和创新思维,培养大学生的实践能力和创新能力,是大学创新实践教学的有力保障.

1 关键技术

1.1 虚拟现实技术

虚拟现实技术(Virtual Reality Technology)是用计算机生成逼真的三维视觉、听觉和嗅觉等感觉及三维空间的虚拟世界,它综合了计算机仿真技术、计算机图形(CG)技术、显示技术、人工智能、传感技术和网络并行处理等技术,能将计算机获得的复杂数据转换成为人能感受到的具有各种表现形式的多维信息,并将信息进行可视化,形成一个逼真的环境,让使用者如同身临其境.虚拟现实技术具有除一般计算机技术所具有的视觉感知之外,还具有听觉感知、触觉感知、力觉感知、运动感知,甚至包括味觉感知、嗅觉感知等多感知性;用户感到作为主角存在于模拟环境中如同在现实世界中一样的浸没感;用户对模拟环境内物体的实时操作和从环境得到自然反馈等交互性;再现真实存在的环境及随意构想客观不存在的甚至是不可能发生的环境等构想性.它广泛应用在教育、科学可视化、军事、航空航天、医学、CAD/CAM、娱乐等领域,其在大学创新实践教学中的应用具有其它媒体不可比拟的优势和更广阔的应用前景.

1.2 虚拟实验室

虚拟实验室是采用虚拟现实技术在计算机上建立虚拟实验环境,提供可操作的虚拟实验仪器,能模拟真实实验中所使用的实验器材和设备,提供与真实实验相似的虚拟实验环境,使学生完全沉浸在由虚拟实验室所创建的虚拟实验环境中,学生通过虚拟实验室可自主选择实验内容,设计实验方案及通过接近真实的人机交互界面自主完成实验[2].虚拟实验室中各物体运动的设计依据物理运动的规律,为学生提供视觉、听觉、触觉、味觉和力觉等各种自然、逼真等实时感知交互手段,以获得身临其境的感受.它实现了人的临场化,营造了一种 “自主学习”和多样化、个性化及实用化的虚拟实践学习环境,为大学创新实践教学提供了有利条件.

一个完整的虚拟实验系统通常由虚拟实验模块、数据库管理模块和系统管理模块三个主要模块组成[3],如图1.虚拟实验模块是系统的核心模块,包括场景建模、演示性实验、设计性实验、创新性实验和实验交互等模块.它提供了具体的实验界面,用户根据实验目的和实验原理自主搭建虚拟实验环境,完成实验,得出实验结果.系统管理模块包括用户管理、实验管理和实验组件注册三个子模块,用户通过身份认证在互联网或校园网上登录系统,保障系统安全.用户将实验所需的新虚拟实验器件先在客户端或服务器端注册,然后可供用户实验使用.数据库管理模块包括虚拟实验设备和虚拟实验器件两个子模块,虚拟实验设备和虚拟实验器件以文件形式存在相应的数据库中,用户可通过检索快速找到所需相应文件,管理员可对数据库进行增加、删除、修改和查询等操作.虚拟实验室打破了传统实验教学受时空等条件的限制,具有开放性高、真实感强、交互性好和实践性强等优点,有助于提高学生的学习兴趣、激发学生的创新意识、培养学生的实践能力和创新能力,在大学实验教学中具有广阔的应用前景.

图1 虚拟实验室功能结构图

2 虚拟实验室在大学创新实践教学中的应用

基于虚拟现实技术的虚拟实验室在大学创新实践教学中的应用是国内外现代教育技术领域的研究热点和发展趋势[4].相对于传统的实践教学模式,基于虚拟实验室的大学创新实践教学具有可立体化、多视角呈现实践教学内容;可弥补实践教学条件的不足,节约实践教学成本;突破时空限制;降低安全隐患,远离实验伤害;创设个性化的实践学习环境,激发学习学习兴趣等许多优点,是传统实践教学不可比拟的.它是一种新型的实践教学研究模式,是现代教育技术发展的一个飞跃.它营造了 “自主学习”的虚拟实践环境,它取代了传统的以教促学的学习方式,代之以学习者通过自身与信息环境的相互作用来获得知识、技能的新型学习方式.

2.1 创建虚拟实验室,创新实践教学方法和手段,培养学生的创新意识

传统的实践教学需要实验场地、实验器材和实验设备,学生实验只能在实验室进行,受实验条件及时空等条件限制,实验教学方法和手段单一,大多是演示验证型实验,综合创新型实验极少,实验教学效果受到很大影响,创新实践教学难以实现.应用虚拟现实技术创建虚拟实验室,用计算机模拟的虚拟实验仪器代替价格昂贵、操作复杂、容易损坏、修复困难的实验仪器,可弥补传统实验教学条件的不足,还可彻底打破时间与空间的限制,创新实践教学的方法和手段,培养学生的创新意识.大到宇宙天体,小至原子粒子,学生都可以进入这些物体的内部深入观察和了解.如电脑太空旅行、化合物分子结构显示等虚拟实验.一些需要几十年甚至上百年才能观察的变化过程,通过基于虚拟现实技术的虚拟实验室,学生可以在很短时间内通过虚拟实验来观察和学习.例如,生物中的孟德尔遗传定律,用果蝇做实验往往需要几个月的时间,而运用虚拟现实技术在一堂课内就可以实现.基于虚拟现实技术的虚拟实验室在实践教学中的应用创新了实践教学的方法和手段,它用三维实景虚拟现实过程,提供虚拟现实技术展现无法触及的物体和看不见的变化,甚至自然界或现实生活中不可能存在的事件,为培养学生的实践能力和创新意识提供了有利条件.

2.2 创建虚拟实验环境,创新实验教学体系,培养学生的创新精神

虚拟实验室能够为学生创建生动、逼真的虚拟实验环境,学生足不出户便可做各种实验,甚至一些由于受实验场地、设备和经费等硬件条件的限制而无法开出的实验,获得与真实实验一样的体会.运用虚拟实验室进行创新实践教学,建立新型的与课程体系相对应的演示与验证实验、综合与设计实验、创新与前沿实验三层次的实验项目体系,提高学生综合素质,培养学生创新精神和实践能力.例如在虚拟实验室中,学生学习建筑工程知识时可自由地在虚拟建筑物中游历,了解各类建筑设计的特色,通过特定的Web3D功能还可透视建筑物的内部结构,学生可亲身模拟搭建各类建筑的过程.亲身去经历、亲身去感受比空洞抽象的说教更具说服力,主动地去交互比被动地灌输,更能激发学生学习的兴趣和创新意识,培养和提高学生的实践能力和创新能力.在多媒体实验室内,学生可以全方位、多角度观察和了解计算机硬件,还可以通过游戏的方式组装多媒体计算机,实现了寓教于乐的教学境界.这些体验都是在传实验教学中无法实现而学生极感兴趣的,从而可加速和巩固学生对知识的学习,提高学生综合素质,培养学生创新精神和实践能力.

2.3 创建新型的虚拟实践实训基地,创新实践教学内容,培养学生的创新能力

利用虚拟现实技术建立的虚拟实验实训基地,其“设备”与 “部件”多是虚拟的,还可以随时生成许多新设备,实验实训教学内容可以不断充实和更新,使实践训练及时跟上技术的发展,促使单一技能训练向培养学生多项能力转变,加深学生对本专业的认知度,掌握一定的动手能力;虚拟现实技术的沉浸性和交互性,使学生能够在虚拟实验学习环境中扮演一个角色,全身心地投入到实验学习环境中去,把以教师为主体转变成以学生为主体,激发和培养学生的学习兴趣和主动创新意识,引导学生根据实验实训教学大纲自主设计实验方案、安排学习内容和日程,提高学生在实验实训中发现问题、分析问题和解决问题的能力.这非常有利于学生进行各种技能训练.例如教学技能、体育技能、外科手术技能、军事作战技能、汽车驾驶技能、电器维修技能和果树栽培技能等各种职业技能的训练.虚拟的实验训练系统无任何危险,利用虚拟现实技术进行虚拟实验实训可规避风险,在真实实验或操作往往会带来各种危险的实验实训中,学生在虚拟实验实训环境中,可以放心地去做各种危险的实验,可以不厌其烦地反复练习,直至掌握操作技能为止.例如:在虚拟的飞机驾驶训练系统中,学员可以反复操作控制设备,学习在各种天气情况下驾驶飞机起飞、降落,通过反复训练,达到熟练掌握驾驶技术的目的,还可免除学员因操作失误而造成飞机坠毁等的严重事故;在虚拟物理实验实训室学生可做原子核裂变等实验;在虚拟地理实验实训室学生可做火山喷发等危险性实验;在虚拟化学实验实训室学生可做燃烧、爆炸等具有高危险性的实验.这种新型的虚拟实验实训基地为学生提供了无限的虚拟体验,加速和巩固了学生学习知识的过程,培养了学生的实践能力和创新能力,提高了学生的综合素质.

3 结束语

针对传统的实践教学存在以教师为主体且实验内容单一、实验缺乏灵活性,不利于激发学生的学习兴趣和培养学生的实践能力和创新能力等问题,运用基于虚拟现实技术的虚拟实验室进行大学创新实践教学,建立新型的实践教学体系,创新实践教学内容,改变传统的以传授知识为主的封闭式教学,启发学生积极参与讨论,注重培养学生自主学习的能力;引导学生积极思考,敢于想象猜测培养学生创造性地发现问题与解决问题的能力;激发学生的求知欲,培养学生持久的学习兴趣和愉悦的情感体验,使学生有目的地和自觉地进行创新思考和实践活动,培养和提高学生的创新意识和创新能力.通过基于虚拟实验室的大学创新实践实训教学,巩固了学生所学的基础知识,拓宽了知识面,丰富了实践经验,提高了实践能力和创新能力.它以其自身强大的实验教学优势和潜力,将会受到教育工作者的重视和青睐,在教育、培训等领域广泛应用并发挥其重要的作用[5].

[1]郑兴德,邹兆南.创新教育的基本特征与生理基础[J].重庆教育学院学报,2011,(5):77-80.

[2]邓居祁,殷科生,刘文彦.虚拟实验室的功能与特点[J].长沙大学学报,2007,21(5):104-105.

[3]朱韶平.基于Web ActiveX数据控件的网络虚拟实验室构建[J].计算机技术与自动化,2010,(12):104-106.

[4]梁宇涛.虚拟现实技术及其在实验教学中的应用[J].实验技术与管理,2006,(3):81-85.

[5]郭天太.虚拟现实技术在高等教育中的应用及其意义[J].宁波大学学报,2006,25(1):103-106.