虛擬實驗教學的探索與實踐

孫燕蓮　文福安

【摘要】隨著信息技術的發展，作為傳統實驗教學的一種有效的補充，虛擬實驗教學已經成為加強實踐教學、提高教學質量的重要手段。根據我校實驗教學改革的實際經驗，介紹了自主設計開發的計算機網絡虛擬實驗系統，探討了網絡教育中虛擬實驗教學模式的分層次教學實施方案，并對虛擬實驗的教學實踐進行了總結和分析。

【關鍵詞】虛擬實驗；實驗教學；網絡教育

【中圖分類號】G420 【文獻標識碼】B 【論文編號】1009—8097（2009）04—0131—02

“十一五”期間，我國科技人才培養，進入了鞏固成果、深化改革、提高質量、持續發展的關鍵時期。人才培養必須堅持以強化實踐教學為著力點，加強實踐教學環節，改革實踐教學內容，完善實踐教學體系；必須堅持以信息技術的應用作為提高教學質量的重要手段，推進教學方法的改革，重點突破實驗教學環節，提高學生和勞動者的動手實踐能力。

在我國，受教育的人口眾多，許多高等學校不具備充足的實驗場地和現代化的實驗設備。此外，大量的接受網絡教育的學生無法進行實驗操作和練習。在這樣的背景下，虛擬實驗系統及其應用的相關問題正是應當大力研究和發展的課題。隨著信息技術的發展，虛擬實驗教學作為傳統實驗教學的一種有效的補充，已經成為加強實踐教學、提高教學質量的重要手段，它不僅可以在一定程度上代替傳統的實驗教學，而且可以克服傳統實驗的各種制約和弊端，從而有效地解決目前實驗教學中存在的諸多問題。

一 計算機通信網虛擬實驗系統

虛擬實驗是指在計算機系統中采用虛擬現實技術實現的各種虛擬實驗環境，實驗者可以像在真實的環境中一樣完成各種預定的實驗項目，所取得的學習或訓練效果等價于甚至優于在真實環境中所取得的效果。它是計算機技術、虛擬現實技術、人機交互技術結合的產物，也是教育領域應用信息技術的一種創新。

虛擬實驗教學可以節約成本，突破實驗教學在時間和空間上的限制，提高學習者的自主性和創新性，充分發揮計算機技術網絡的優勢，成為對傳統教學方式的有力補充。利用計算機圖形技術、虛擬現實技術、網絡技術等可以仿真出可視化的實驗環境，引入多種多樣先進、昂貴的實驗儀器設備，同時降低誤操作的危害與損失，為學生和勞動者提供實用的知識與技能。

在我校開設的計算機網絡、計算機通信網、Linux操作系統等工科課程中，實驗教學環節必不可少。我們選取了虛擬實驗教學方式，以達到讓學生多練習、多模擬、多實踐的目的。2007年6月在國家“十五”重大科技攻關項目“面向中小學的遠程教育關鍵技術及示范”的“國產基礎軟件技術培訓系統研制與課程開發”（編號2005BA115A03）項目資助下，我們自主開發完成了面向互聯網應用的虛擬實驗系統，包含一個虛擬實驗平臺，及與之配套的網上虛擬實驗管理系統。

計算機通信網虛擬實驗平臺仿真了計算機、路由器、集線器、交換機等4類常用儀器設備，其中計算機又包含Windows與Linux兩種操作系統的界面和功能。學生可以從器材欄選擇需要的設備添加到實驗區，相同的設備可以選擇多臺，利用這些仿真設備搭建虛擬的計算機網絡，進行參數設置與實驗操作。系統界面如圖1所示。

虛擬實驗管理系統可以提供實驗管理、報告管理、個人消息、在線論壇、用戶管理等功能。系統分為教師、學生和管理員三種角色，不同角色擁有不同權限。(1)學生：完成實驗任務、在線提交實驗報告、保存實驗結果，查看教師給出的成績與批語、進行自主實驗等；(2)教師：進行教學管理（新建典型實驗、進行實驗安排、批改實驗、發布實驗成績等）；(3)管理員：進行課程管理（設置實驗課程、進行授課安排）和教學論壇的管理與實驗用戶的管理、學校管理和權限管理。同時這三種角色還擁有參與教學論壇、站內消息的功能。

二 虛擬實驗教學的實施方案

利用自主開發的虛擬實驗平臺，開展計算機通信網等課程的實驗教學，是由基本實驗、綜合實驗和設計實驗三個層次構成。基本實驗是由常用的計算機網絡配置等實驗組成，側重于網絡應用操作能力的訓練；綜合實驗為DHCP、HTTP服務器等配置實驗，側重于網絡服務操作能力的訓練；設計實驗為學生提供了一個開放的實驗平臺，讓學生自由搭建網絡，側重于網絡規劃設計能力的訓練，增強創新精神。

對于單門課程，每學期在網上發布一定量的實驗作業，如圖2所示。公布實驗要求與報告格式，由學生操作完成之后，直接通過網絡提交實驗結果與實驗報告。教師直接在網上批改并可利用網上實驗管理系統進行成績統計。最后將成績按照一定比例計入學生的總評成績。以計算機通信網課程為例，每學期發布2個必做實驗，由基本實驗構成；2個選做實驗，學生在教師發布的5個實驗范圍內，選擇2個完成，以綜合實驗為主。最終的實驗成績計入學生總評成績的20%。此外學生也可以自由設計實驗，完成后提交給教師。如果學生做的非常優秀，可以給以5%的加分成績。

三 虛擬實驗教學的實踐

我校實驗教學改革走過了一段漫長的路程。2005年9月開始研制虛擬實驗系統。2007年研制完成后，經歷了1年時間的完善和修改。在2008年初投入實際教學，在Linux操作系統、計算機網絡、計算機通信網等課程中進行應用，已完成2個完整學期的教學工作。第一個學期是小規模使用，選擇了一個百人左右的班級。第二個學期在全年級推廣使用，進行實驗操作的學生總計超過2000人，并取得了良好效果。在對學生的問卷調查中，有90%以上的學生支持虛擬實驗教學方式。85%以上的學生認為在虛擬實驗教學中獲得了很大收獲。可以說，虛擬實驗教學模式的使用，解決在網絡教育中開展實驗教學的難題，有利于提高學習效率，有利于發揮學習個體的主動性，促進個性化的發展，有利于在教學中實施素質教育。

在虛擬實驗教學實踐中，我們也發現了一些問題。最主要的問題是實驗成績評定，教師工作量很大。我校網絡教育學生每年招生約2000人，一位教師可以開設課程布置實驗，但是批改的時候，面對數以千計的實驗報告和實驗結果，負擔比較重。今后在實驗結果的保存、實驗批改流程方面需要改進，力爭實現自動批改。

本文提出了一種新的虛擬實驗教學模式，采用自主研發的虛擬實驗系統，針對多門課程開展網上虛擬實驗教學，取得了較好的教學效果。2008年9月，虛擬實驗相關課程“計算機通信網”被評為2008年度國家網絡教育精品課程。

參考文獻

[1] 李春霞,楊樹國.高等數學分層次教學的探索與實踐[J].教育與現代化,2007,(3).

[2] 張志敏,李賢敏.基于網絡的虛擬實驗室的研究[J].實驗技術與管理,2008,(4).