虚拟现实技术在“大学计算机基础”课程中应用

徐杏芳

摘要：针对当前实验实训教学效率低下等问题，探索加强学生工程及创新能力培养的实验实践教学模式的改革。建设以数字化学习资源、虚拟仪器、虚拟实验等辅助教学为内容的实践教学平台，以此形成一个新型虚实结合实验学习环境。搭建满足学生自主学习需要的资源丰富、特色鲜明的自主学习服务，激发学生在实验实训过程中以“验证”为主向以“创新”为主转移。

关键词：自主学习;实验教学;虚拟实验

中图分类号：TP393        文献标识码：A

文章编号：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

实验教学改革是研究探索型教学、基于问题学习的突破口，实践能力培养为创新型高素质工程人才培养的着力点。传统的计算机控制技术实验设备存在着投入成本高、使用率低等问题。随着通信和计算机技术发展，基于网络的虚拟实验平台和远程实验操作平台建设由于不受时间和空间的限制，具有得天独厚的开放、共享性，是未来发展的重要趋势。虚拟实验[1]是指借助于多媒体网络技术、仿真和虚拟现实等技术，在计算机上对传统实验各操作环节的模拟和仿真，实现基于虚拟仪器的开放的虚拟实验系统的设计和实践。能为不同年级、专业、不同兴趣和爱好的学生提供更宽广的实验平台和支撑协同创新、虚实结合的自主实验环境，成为工程人才培养的重要支撑平台。开放式虚拟实验对于强化学生的动手能力和工程适应能力，全面提升学生工程技术的综合素质具有重要意义[2]。

1 架构体系

本文以提升学生工程能力、创新能力和综合能力为目标，创新工程人才培养模式，重點开展融入信息化技术的工程人才理论教学、实验和实践教学以及综合育人模式的改革，实现信息化与工程教育的深度融合，支持学生自主知识构建，支持协作式、探究式、移动式和研究性学习，重视课前教学、强化课中教学、拓展课后教学，提供课程教案获取、答疑、移动访问的交流沟通，加强知识关联，提供个性化推送服务，建设自主开放、虚实结合的实验和实践教学平台。从而提升学生的工程能力、创新能力和综合能力;在以信息化技术提升创新型工程人才培养的方面进行改革、实践并取得突破。

为了实现培养模式改革的目标，需要在资源库等方面给予支撑，构建涵盖虚拟仪器资源、文献资源、精品课程和实验资源的优质共享数字资源库为主要内容，已各类在线学习服务、虚拟社区为自主学习平台的架构体系，如图1所示。

与传统教学方式完全不同，开放式虚拟实验对于强化学生的动手能力和工程适应能力，全面提升学生工程技术的综合素质具有重要意义。运行平台建设是实验室信息化建设过程中的一项基础性工作，优质实验资源库建设、平台开放共享服务是资源开放共享的深入阶段，虚拟实验构建和实验模式创新是实验室信息化建设的高级阶段[3]。熟练使用信息化教育教学手段也是信息类专业学生实践能力培养的重要组成部分。

2 开放式虚拟实验环境构建

2.1 实验资源库构建

充实更新教学资源内容开发，按学科或其他内在关系形成资源库，以课程为组织单位，实现全库搜索查询及数据挖掘，完善教学资源元数据编建工作，为校际及区域共享做准备。加大校内外各种教学资源的积累与整合，建立教学资源库，积极寻求校际、区域间的资源共享;突出学生在学习过程中的自主地位，为本科教学工作提供一个手段多样内容丰富的统一教学平台。如文献[3]对电子电路实验教学资源进行了构建。杭州电子科技大学依托学校各类实验教学示范中心，遴选典型实验项目、科研成果资源，以学科为线索，按专业分类，构建专业实验项目虚拟库、远程控制实验、数字化实验室，完成信息类新兴产业专业教学典型实验资源库构建。资源库将依托云计算子系统和云存储子系统建设，将海量资源放置于云存储系统上，为校内的业务部门提供统一的资源共享和交流平台。

2.2 基于虚拟仪器技术的实验平台

借助网络虚拟实验平台，学生通过网络系统远程登录，采用虚拟仪器平台开发模拟的实验系统，开展各种仿真模拟实验，虚拟仪器模拟显示实验设备，具备软件即为硬件设备的功能;学生利用个人计算机进行控制算法仿真，再经过网络传送给真实的实验装置，并通过远程实验系统获   实时测量数据，以验证控制算法和技术的可行性、先进性，以开展创新性学习;学生可以通过网络进入真实的实验装置，通过视频信息和在线数据处理系统，实时观测实验过程，得到真实的实验结果;学生甚至可以通过远程控制技术，对实验仪器设备进行操作，并远程观测实验过程与结果，并实时采集实验数据，在客户端计算机上完成数据分析和处理[4]。

改变以往固定实验箱教学模式，按课程由教师建立网络元件库和实体元件库，教师在网上布置实验要求，学生通过网络选择元器件自主设计实验并仿真，经教师确认后学生选好实验时间到指定的实验室领取元器件独立完成实验。基于网络的虚拟实验平台可以满足科研教学对分布式实验系统的要求，还可以解决实验设备、实验场地等实验教学资源不足的问题。

2.3互助式的虚拟实验社区平台

实验室信息化建设为实验兴趣教学、实验创新教学、实验开发应用教学提供广阔的空间，适应大众化办学时代、开放性办学趋势。在学校实验室与大型仪器开放共享管理系统下，让学科专业精英引导同学自主、研究型学习;以强化工程能力为导向，通过网上实验项目建设以及在线能力测评系统的开发和应用，构建交互式网络实验教学环境，精讲多练，融理论教学与实践教学之中，在“做中学、做中研”以及“基于项目的学习”，提高学生的创新实践能力和学习主动性。建设管理内容包括实验课程资源、竞赛专题、积分排名、学科专业精英等[5]。

3 支持自主学习的开放式社区

3.1在线自主学习服务

探索融入信息化技术的工程人才培养教学模式的改革，通过构建一个网上网下、课内课外和理论实验互动的一体化综合学习社区[6]。

搭建满足学生自主学习需要的功能全面、资源丰富、科学有效、特色鲜明的网络自主学习服务。充分利用现代信息技术向自主学习个体提供多样化的数字化学习资源，以及自主学习所需的知识管理及学习过程管理服务，结合教育社交网络在校园范围内实现促进教学资源的创建、分享、整合，并试点数字化课程教材，突破时空限制，满足学生全方位的自主学习需求。

以杭州电子科技大学程序设计在线自主学习与评测系统（简称HDOJ，即HDU Online Judge）为例，系统上线以来一直应用于我校高级语言程序设计课程的教学（包括C语言程序设计、C++程序设计、Java程序设计、ACM程序设计等相关课程），平台题库题目5300多道，注册用户数量30万多个，课件下载数量16万多次，系统总提交量1500万多次。除应用于课堂教学外，平台还承载了众多的程序设计竞赛。该平台能够对程序代码进行评判，同时提供海量题库供学生练习不仅可以自动生成需要的试卷，而且可以自动评判编程题;不仅支持判断题和选择题等客观题的自动评测，也支持程序填空题和程序设计题等传统的主观题的自动评测。通过自主学习平台，彻底改变传统的程序设计类课程的编程练习和考试模式。

3.2 基于社交网络的学习社区平台

社交型学习社区的建设，旨在利用运用社交网络整合学校各方资源与服务，提供一个让学校活动的各类参与者平等交流互动的平台。而具体运用到学习活动的开展上，最具体的实践应用即是能让学生在课堂之外讨论跟课堂内容相关的话题。使用年轻群体喜闻乐见的社交媒体形式进行这类互动往往没有课堂的严肃，刻板，以及对时间的限制，可以让学生在一种自由，放松的状态下发表自己的看法，分享自己的信息，在无形中对所学内容做一个复习，拓展和深入。以往在传统教学中，缺少一种强大的机制，让学生之间能在课后还聚在一起就某个话题进行深入讨论。而且基于某个课堂话题的讨论针对性更强，因为它们实际上是属于教师在线下发起一个话题，意犹未尽的学生在线上讨论补充，而且假如未来教育社交网络健康发展，那么理想情况下还会有教师在下一次课对线上信息的总结和呈现，构成一个从线下到线上再到线下的良性循环[7]。

3.3 基于云计算的社区移动

移動学习的实现主要通过社区平台的移动接入建成[8]。社区平台将配套开发建设移动版及专用移动客户端，实现学生用户对社区平台的跨平台多终端无缝接入，在线或离线方式获取使用社区平台在云端整合提供的各类教学资源及服务，进行自主学习计划和事务办理，通过社区参与交流与分享等。而其他社区用户，比如管理部门则可以通过移动客户端进行重要通知公告等信息的发布推送，教师用户也可以将课程知识点做成适合移动网络分发的移动课件通过客户端向学生用户进行推送，在线指导学生进行学习，在线与学生进行交流等。

移动学习的开展不仅将为学生提供一种新型的学习方式，让学校的教学质量得到提高，让教学资源的利用效率得到提升，还可以提升学校对学生的服务质量，使学校管理水平迈上新的台阶。

4 结束语

通过面向自主学习的虚拟实验学习环境的有效构建，进一步将实验实训从以“验证”为主向以“创新”为主转移，进一步强化学生的动手能力和工程适应能力，全面提升学生工程技术的综合素质。探索和推广实验资源精品化、实验资源网络化、实验活动远程化、实验管理信息化为特征的实验教育信息化模式，凝练实验教学个性化、实验学习自主化、多学科实验协作化的现代工程实验教育品质，打造高校实验室建设管理信息化品牌。我校对实验教学创新模式进行了探索，大力推广“以学生的学习为中心、关注课内外一体化学习、关注学生的学习效果”的课程教学理念，努力促进实验教学由单一实验向综合性实验的转变;实物实验向虚拟实验与实物实验相结合的转变;由实验室向互联网场所的转变。

参考文献：

[1] 吕新颖，余文胜.国家级虚拟仿真实验教学项目建设与思考[J].教育教学论坛，2020（10）：389-390.

[2] 李鹏.自主学习的在线学习系统研究和发展[J].电脑知识与技术，2016，12（16）：60-61.

[3] 王永慧，马学条，郑雪峰.电子技术在线虚拟仿真实验教学项目建设研究[J].无线互联科技，2020，17（3）：121-122.

[4] 王秀萍，张方.虚实结合扩大大型仪器设备对本科实验教学开放[J].实验技术与管理，2014，31（4）：237-239.

[5] 张宁，赵毅强，兰馗博，等.“新工科”背景下关于虚拟仿真实验的几点思考和建议[J].实验技术与管理，2020，37（3）：185-188.

[6] 李滢潞，朱志强，张山，等.基于雨课堂和项目驱动的数字电子技术混合式教学模式的探究[J].中国现代教育装备，2020（11）：79-83.

[7] 杨海宁，张微微.开放大学与社区教育资源共建共享平台设计——以江苏终身学习资源库为例[J].电脑知识与技术，2020，16（4）：123-125.

[8] 石英.嬗变与守望——互联网时代下微—移动社区学习平台发展策略[J].新闻研究导刊，2019，10（19）：35-36.

【通联编辑：王力】