基于虚拟现实技术的计算机实践教学方法研究

溪利亚　陈国平

摘要：

为推动实践教学信息化建设，从实践教学环境、管理和互动等环节，分析了信息类学科专业实践教学现状，提出将计算机虚拟现实技术引入实践教学的建设思路。在梳理信息类学科知识结构基础上，重铸了学科实践能力培养体系，构建了基于虚拟仿真技术的实践教学模型，重点介绍了虚实结合的实践教学组织形式、实施方法，以及虚拟仿真实践教学信息化平台建设的主要内容。总结了以虚拟仿真技术为背景开展的模块化、层次化、线上与线下、课内与课外相互协同的实践教学，在人才培养、实验教学资源利用和实践空间拓展中的作用。

关键词：

虚拟现实；虚实结合；实践教学

DOIDOI：10.11907/rjdk.172427

中图分类号：G434

文献标识码：A文章编号文章编号：16727800（2018）003022103

英文摘要Abstract：For effectively promoting the information construction of the practical teaching，this paper analyzes the present situation of information specialty practical teaching form the environment、management and interaction， and puts forward the construction idea of introducing computer virtual reality technology into practice teaching. On the basis of information science knowledge structure， the article recast practical ability cultivation architecture， and construct the practical teaching model based on virtual simulation technology. And it focuses on the organization form and implementation method of practice teaching on combination of virtuality and reality， and the main content of the construction of virtual simulation practice teaching information platform. Finally the paper summarizes the virtual simulation technology to play in talents cultivation， experimental teaching resources and space to expand the role of practice.

英文关键词Key Words： virtual reality； combination of virtuality and reality； practical teaching

1实践教学现状

信息技术在推动教育现代化改革和发展中发挥着至关重要的作用[1]。利用先进的虚拟现实技术，拓展实践、科研、教研空间，构建符合现代学习特征的信息化实践教学体系是时代发展的要求[2]。

在“互联网+”的渗透下，原有的实验教学方式和手段在一定程度上成为限制培养学生实践能力的瓶颈。武昌首义学院信息科学与工程学院立足“大众化、应用型”人才培养定位，研究了光电信息科学与工程、计算机科学与技术、软件工程、通信工程、物联网工程、电子信息工程6个专业特点，总结了开展实践教学中遇到的问题，主要表现在：①实验成本高，实验设备数量不足、损耗大、维护费用高；②综合型、创新型实验项目开展受物理条件限制，设计、实施复杂，周期长。由于设备条件的限制，导致实践或研究工作中断；③实验设备更新缓慢，跟不上技术发展，不能及时支持课程及相应实验的扩展；④物理实验环境中，学生必须在规定的时间到专门的实验室进行实验，实验受时间和地点限制；⑤实验过程管理难，对实验教学中出现的“跟着混”的学习现象缺乏监管；⑥课外实践互动难，由于课内实践学时有限，部分实验需要学生课外自主完成，但學生课外学习情况往往很难落实。

结合高等教育信息化建设要求，在实践教学中引入虚拟仿真技术。其具有直观性、安全性、可重复性、无时间和地域限制、低能耗、低成本、大众性、全面性等特点，可以有效解决上述问题[3]。基于虚拟仿真技术构建实践教学体系，是开展信息类专业实践教学改革，解决实践教学问题的一个有效途径[4]。

2虚拟仿真实践教学体系

以培养“具有创新精神和实践能力的应用型人才”为目标，融合学科特色，梳理知识结构，确立了公共基础、电子技术、计算机技术、信息与信号处理、创新实践5个专业知识模块，建立了程序设计与算法、计算机系统与网络、软件工程与数据库、通信技术、信号与信息系统、光电技术、应用电子技术、物联网8个课程群，构建了跨专业模块化的课程体系。以此为基础，从能力培养出发，构建了“基础—技能—综合—创新”4个实践层次和“基础理论—核心能力—工程应用—创新应用”4个能力层次的“4+4模式”实践能力培养体系[5]，如图1所示。

围绕实践能力培养目标，按照实践教学培养规律，将虚拟仿真技术应用于教学，形成了“5个模块、4种形式、4个层次、3个类别”的渐进式、开放式、虚实结合的实践教学体系，如图2所示。

2.15个专业知识模块

依据实践教学体系，按照信息类学科人才培养的知识、能力和素质要求，与专业知识模块呼应，建立了公共基础、电子技术、计算机技术、信号与信息处理、创新实践5个实践模块。公共基础实践模块主要面向全校开设计算机公共基础课实验，包括计算机概论、计算机网络等课程实验；电子技术实践模块主要面向电子信息工程、物联网工程、通信工程、计算机科学与技术、软件工程等专业，开设数字电路逻辑设计、单片机原理与应用、CPLD/FPGA设计及应用等专业核心课程实验；计算机技术实践模块主要面向计算机科学与技术、软件工程等专业，开设计算机组成原理、面向对象程序设计等专业方向课程实验；信号与信息处理实践模块主要面向通信工程、电子信息工程、光电信息科学与工程、物联网工程等专业，开设信号与系统、数字信号处理、工程光学、数字图像处理、移动通信原理等专业方向课程实验；创新实践模块紧密结合毕业设计、科研项目、学科竞赛、创新创业等实践活动，在掌握基础技能和专业技能后，充分利用综合类实验资源，对学生进行工程应用、创新能力和科研方法训练，培养学生创新设计和系统设计能力，激发学生创新热情和参与创新活动积极性。5个实践模块相互渗透，根据人才培养要求，进行模块化的组合，实现教学内容的开放共享。

2.24种实践教学形式

根据实践项目特点，按照优势互补原则，设计了混合式的实践模式，将动画模拟、实物实验、虚拟仿真实验、远程实验4种形式有机融合，纳入到专业课程的实践教学环节中，实现了虚实结合的实践教学新形式。实施中，根据实验内容，选择不同的实验形式，如运用动画模拟仿真课程中抽象难懂的理论知识，形象生动地展现理论原理；通过虚实结合的方式，在虚拟环境中反复练习，达到熟能生巧的效果。训练实际技能的应用能力，提高实验效率；对于课外或实验较为复杂、实验设备受限的实践，则通过远程实践和虚拟仿真进行，提供不同层次的实践能力培养。

2.34个专业能力层次与3个实验类别

按照“加强基础、巩固技能、提高能力、综合培养”原则， 实验项目分为学科基础、专业技能、综合应用和创新能力4个层次，助学、训练、提高3个类别。在实践环节中，开展分层分类实践教学。助学类虚拟仿真实验，采用形象生动的动画形式，将抽象概念形象化，复杂过程可视化，学习和理解重点难点知识。训练类虚拟仿真实验，将实体实验虚拟化，学生在开展实物实验前先用虚拟仿真实验提前预习。在虚拟环境中通过交互的方式，反复训练，达到孰能生巧的效果，为学生参加实验打下基础。这种先虚后实的实验模式，可以减少实验中因为操作不当而损坏实验设备，避免因为不熟悉仪器设备操作、实验原理而浪费实验时间的现象。对一些难以重现的实验，或是综合型、创新型、不易实施的实验，通过虚拟仿真实验完成。在虚拟环境下，学生可以方便地修正、重组、查验和尝试，既满足了实验的灵活性和有效性，又极大地减少了实验成本和资源消耗。

表1为计算机网络课程中部分实验项目教学安排情况。实验项目按照实验层次、类别和形式进行安排[6]，也可根据实践学时调整项目课内外完成比例。如实验项目（1）和实验项目（4）可采用课外线上虚拟仿真、线下实验完成；实验项目（2）、实验项目（3）和实验项目（5）可采用课外线上完成。这里的线上指通过虚拟仿真信息化平台上完成的实验项目。

3虚拟仿真实践教学平台

为保障不同类型的实验和实践教学顺利开展[7]，构建了互联网+实验平台，开展课内外一体化的实践教学。虚拟仿真信息化实验教学管理平台依托校园网络[8]，其架构如图3所示。平台实现了各类实验的统筹安排，包括实验安排与选课、实验前的相关知识辅助学习与测试、实验平台跳转、实验过程的答疑与指导、虚拟实验结果的自动批改、实验报告的在线填写与管理、实验教学效果评估与分析、师生互动交流和系统安全管理等功能，涵盖整个实验流程，搭建师生交流平台，为课外线上实验的顺利开展提供保障。

4虚拟仿真实验教学作用

（1）引领教学理念的转变。在理论授课和实验室实验之间增加“虚拟实验”教学，把仿真实验平台开放给学生自由使用，教师利用系统安排理论基础测试、虚拟实验、远程实验，监控和辅导学习过程，评价和管理实验成绩，提高了教学的信息化水平，缓解了传统实验教学中实验室建设费用高、建设周期长、实验受时间、空间、人力限制的问题，创新了教学模式，引领了教学理念的转变[9]。

（2）丰富实验教学资源，拓展实践空间。虚拟仿真实践教学体系采用 “理论授课-虚拟实验-实验室教学”的实践教学手段[10]，以“助学、训练、提高”3个内容层次组织实践教学，通过“动画模拟、虚拟仿真、实物实验、远程实验”相互融合的混合式教学形式开展虚实结合的实践教学，构建线上线下、课内课外相互协同的实践教学新模式，丰富了实验教学资源，拓展了实践空间，为学生独立自主学习与实践创造良好的条件。

（3）增强实践创新能力。利用虚拟仿真技术开设有特色的自主实验和创新实验，提升了学生对专业技能的掌握程度；利用信息化技术开展远程虚拟实验，适应学习移动化、碎片化特征，学生在课余时间进行实验，营造了随时学习、无限次练习的氛围，实现了更大范围的资源共享，提升了学生的学习兴趣与设计能力。

（4）提升专业建设水平。虚拟仿真实验教学平台既是仿真实验平台，也是教研、科研和创新的实践平台。平台的建设促进了大数据技术、云计算、虚拟化和信息安全技术在教学中的应用，“个性学习”的应用研究带动了教研工作的开展，开辟了虚拟实践为先、科研支持教学、教学服务科研的实践教学模式。

5结语

实践教学中，以优势互补为原则，引入虚拟化技术，构建的“5个模块、4种形式、4个层次、3个类别”的虚拟仿真实践教学体系，做到了以“实”为目标，以“虚”为手段，扬长避短，“虚”加强理论知识与实际操作的联系，“实”提高学生解决实际问题的能力，将虚拟实验与理论课程相结合、与实体实验相结合、与工程实践相结合、与学科竞赛相结合、与校企合作相结合、与科研项目相结合，做到基础知识、专业技能、综合能力、创新能力培养4年不间断，不断提升学生的专业核心能力、工程应用能力与创新能力，推动了虚实结合的实践教学理念在人才培养中的应用，推进了实践教学的信息化发展进程。

参考文献参考文献：

[1]教育信息化十年發展规划（2011—2020年）[EB/OL].http：∥www. moe. edu. cn / ewebeditor / uploadfile / 2012 /03 / 29 /20120329140800968. doc.

[2]教育部高等教育司.关于开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知（教高司函〔2013〕94号）[Z].2013.

[3]蒲丹，周舟.多层次综合性虚拟仿真实验教学中心建设经验初探[J].实验技术与管理，2014，31（3）：58.

[4]李平，毛昌杰，徐进.开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设提高高校实验教学信息化水平[J].实验室研究与探索，2013，32（11）：58.

[5]杜月林，黄刚，王峰，等.建设虚拟仿真实验平台探索创新人才培养模式[J].实验技术与管理，2015，32（12）：2629.

[6]王卫国.虚拟仿真实验教学中心建设思考与建议[J].实验室研究与探索，2013，32（12）：58.

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[8]周世杰，吉家成，王华.虚拟仿真实验教学中心建设与实践[J].计算机教育，2015（9）：511.

[9]胡今鸿，李鸿飞，黄涛.高校虚拟仿真实验教学资源开放共享机制探究[J].实验室研究与探索，2015，34（2）：140201.

[10]李炎锋，杜修力，纪金豹，等.土木类专业建设虚拟仿真实验教学中心的探索与实践[J].中国大学教学，2014（9）：8285.

责任编辑（责任编辑：杜能钢）