虛擬實驗室在大學創新實踐教學中的應用研究

朱韶平

(湖南財政經濟學院, 湖南長沙 410205)

21世紀將是經濟全球化與知識經濟時代,新時代給高等教育的發展帶來了新的挑戰,社會對人才培養提出了更新更高的要求.教育部2010年提出了大力推進高等學校創新創業教育和大學生自主創業工作的政策,并就統籌做好高校創新創業教育、創業基地建設和促進大學生自主創業工作提出了一系列意見.為落實教育部的政策和培養社會需求的高素質創新型人才,如何創新實踐教學及培養學生創新能力,是新形勢下高校實踐教學面臨的一重大課題.在培養大學生創新能力的教育中,實踐教學與理論教學具有同等重要的地位,尤其是大學創新實踐教學更是高校人才培養活動的重要組成部分及提高大學生創新能力的重要手段,創新實踐教學是在傳統實踐教學的基礎上,以培養和開發學生的創新精神和創新能力為目標,積極引導和激發學生的創新意識,著重培養學生的創新能力,造就具有創新精神的創新型人才的教育[1].它對提高大學生的綜合素質、培養大學生的創新精神與創新能力有著重要且不可替代的作用.傳統的實踐教學受教學條件限制 “重理論,輕實踐”,學生的綜合素質、實踐能力、科學探究能力以及創新能力難以得到培養和提高.基于虛擬現實技術的虛擬實驗室實踐教學不受時空限制,可彌補實踐教學條件差、教學資源缺乏等方面的不足,改善實踐教學環境,創新實踐教學模式、內容及方法,提高實踐教學質量,激發大學生的創新意識和創新思維,培養大學生的實踐能力和創新能力,是大學創新實踐教學的有力保障.

1 關鍵技術

1.1 虛擬現實技術

虛擬現實技術(Virtual Reality Technology)是用計算機生成逼真的三維視覺、聽覺和嗅覺等感覺及三維空間的虛擬世界,它綜合了計算機仿真技術、計算機圖形(CG)技術、顯示技術、人工智能、傳感技術和網絡并行處理等技術,能將計算機獲得的復雜數據轉換成為人能感受到的具有各種表現形式的多維信息,并將信息進行可視化,形成一個逼真的環境,讓使用者如同身臨其境.虛擬現實技術具有除一般計算機技術所具有的視覺感知之外,還具有聽覺感知、觸覺感知、力覺感知、運動感知,甚至包括味覺感知、嗅覺感知等多感知性;用戶感到作為主角存在于模擬環境中如同在現實世界中一樣的浸沒感;用戶對模擬環境內物體的實時操作和從環境得到自然反饋等交互性;再現真實存在的環境及隨意構想客觀不存在的甚至是不可能發生的環境等構想性.它廣泛應用在教育、科學可視化、軍事、航空航天、醫學、CAD/CAM、娛樂等領域,其在大學創新實踐教學中的應用具有其它媒體不可比擬的優勢和更廣闊的應用前景.

1.2 虛擬實驗室

虛擬實驗室是采用虛擬現實技術在計算機上建立虛擬實驗環境,提供可操作的虛擬實驗儀器,能模擬真實實驗中所使用的實驗器材和設備,提供與真實實驗相似的虛擬實驗環境,使學生完全沉浸在由虛擬實驗室所創建的虛擬實驗環境中,學生通過虛擬實驗室可自主選擇實驗內容,設計實驗方案及通過接近真實的人機交互界面自主完成實驗[2].虛擬實驗室中各物體運動的設計依據物理運動的規律,為學生提供視覺、聽覺、觸覺、味覺和力覺等各種自然、逼真等實時感知交互手段,以獲得身臨其境的感受.它實現了人的臨場化,營造了一種 “自主學習”和多樣化、個性化及實用化的虛擬實踐學習環境,為大學創新實踐教學提供了有利條件.

一個完整的虛擬實驗系統通常由虛擬實驗模塊、數據庫管理模塊和系統管理模塊三個主要模塊組成[3],如圖1.虛擬實驗模塊是系統的核心模塊,包括場景建模、演示性實驗、設計性實驗、創新性實驗和實驗交互等模塊.它提供了具體的實驗界面,用戶根據實驗目的和實驗原理自主搭建虛擬實驗環境,完成實驗,得出實驗結果.系統管理模塊包括用戶管理、實驗管理和實驗組件注冊三個子模塊,用戶通過身份認證在互聯網或校園網上登錄系統,保障系統安全.用戶將實驗所需的新虛擬實驗器件先在客戶端或服務器端注冊,然后可供用戶實驗使用.數據庫管理模塊包括虛擬實驗設備和虛擬實驗器件兩個子模塊,虛擬實驗設備和虛擬實驗器件以文件形式存在相應的數據庫中,用戶可通過檢索快速找到所需相應文件,管理員可對數據庫進行增加、刪除、修改和查詢等操作.虛擬實驗室打破了傳統實驗教學受時空等條件的限制,具有開放性高、真實感強、交互性好和實踐性強等優點,有助于提高學生的學習興趣、激發學生的創新意識、培養學生的實踐能力和創新能力,在大學實驗教學中具有廣闊的應用前景.

圖1 虛擬實驗室功能結構圖

2 虛擬實驗室在大學創新實踐教學中的應用

基于虛擬現實技術的虛擬實驗室在大學創新實踐教學中的應用是國內外現代教育技術領域的研究熱點和發展趨勢[4].相對于傳統的實踐教學模式,基于虛擬實驗室的大學創新實踐教學具有可立體化、多視角呈現實踐教學內容;可彌補實踐教學條件的不足,節約實踐教學成本;突破時空限制;降低安全隱患,遠離實驗傷害;創設個性化的實踐學習環境,激發學習學習興趣等許多優點,是傳統實踐教學不可比擬的.它是一種新型的實踐教學研究模式,是現代教育技術發展的一個飛躍.它營造了 “自主學習”的虛擬實踐環境,它取代了傳統的以教促學的學習方式,代之以學習者通過自身與信息環境的相互作用來獲得知識、技能的新型學習方式.

2.1 創建虛擬實驗室,創新實踐教學方法和手段,培養學生的創新意識

傳統的實踐教學需要實驗場地、實驗器材和實驗設備,學生實驗只能在實驗室進行,受實驗條件及時空等條件限制,實驗教學方法和手段單一,大多是演示驗證型實驗,綜合創新型實驗極少,實驗教學效果受到很大影響,創新實踐教學難以實現.應用虛擬現實技術創建虛擬實驗室,用計算機模擬的虛擬實驗儀器代替價格昂貴、操作復雜、容易損壞、修復困難的實驗儀器,可彌補傳統實驗教學條件的不足,還可徹底打破時間與空間的限制,創新實踐教學的方法和手段,培養學生的創新意識.大到宇宙天體,小至原子粒子,學生都可以進入這些物體的內部深入觀察和了解.如電腦太空旅行、化合物分子結構顯示等虛擬實驗.一些需要幾十年甚至上百年才能觀察的變化過程,通過基于虛擬現實技術的虛擬實驗室,學生可以在很短時間內通過虛擬實驗來觀察和學習.例如,生物中的孟德爾遺傳定律,用果蠅做實驗往往需要幾個月的時間,而運用虛擬現實技術在一堂課內就可以實現.基于虛擬現實技術的虛擬實驗室在實踐教學中的應用創新了實踐教學的方法和手段,它用三維實景虛擬現實過程,提供虛擬現實技術展現無法觸及的物體和看不見的變化,甚至自然界或現實生活中不可能存在的事件,為培養學生的實踐能力和創新意識提供了有利條件.

2.2 創建虛擬實驗環境,創新實驗教學體系,培養學生的創新精神

虛擬實驗室能夠為學生創建生動、逼真的虛擬實驗環境,學生足不出戶便可做各種實驗,甚至一些由于受實驗場地、設備和經費等硬件條件的限制而無法開出的實驗,獲得與真實實驗一樣的體會.運用虛擬實驗室進行創新實踐教學,建立新型的與課程體系相對應的演示與驗證實驗、綜合與設計實驗、創新與前沿實驗三層次的實驗項目體系,提高學生綜合素質,培養學生創新精神和實踐能力.例如在虛擬實驗室中,學生學習建筑工程知識時可自由地在虛擬建筑物中游歷,了解各類建筑設計的特色,通過特定的Web3D功能還可透視建筑物的內部結構,學生可親身模擬搭建各類建筑的過程.親身去經歷、親身去感受比空洞抽象的說教更具說服力,主動地去交互比被動地灌輸,更能激發學生學習的興趣和創新意識,培養和提高學生的實踐能力和創新能力.在多媒體實驗室內,學生可以全方位、多角度觀察和了解計算機硬件,還可以通過游戲的方式組裝多媒體計算機,實現了寓教于樂的教學境界.這些體驗都是在傳實驗教學中無法實現而學生極感興趣的,從而可加速和鞏固學生對知識的學習,提高學生綜合素質,培養學生創新精神和實踐能力.

2.3 創建新型的虛擬實踐實訓基地,創新實踐教學內容,培養學生的創新能力

利用虛擬現實技術建立的虛擬實驗實訓基地,其“設備”與 “部件”多是虛擬的,還可以隨時生成許多新設備,實驗實訓教學內容可以不斷充實和更新,使實踐訓練及時跟上技術的發展,促使單一技能訓練向培養學生多項能力轉變,加深學生對本專業的認知度,掌握一定的動手能力;虛擬現實技術的沉浸性和交互性,使學生能夠在虛擬實驗學習環境中扮演一個角色,全身心地投入到實驗學習環境中去,把以教師為主體轉變成以學生為主體,激發和培養學生的學習興趣和主動創新意識,引導學生根據實驗實訓教學大綱自主設計實驗方案、安排學習內容和日程,提高學生在實驗實訓中發現問題、分析問題和解決問題的能力.這非常有利于學生進行各種技能訓練.例如教學技能、體育技能、外科手術技能、軍事作戰技能、汽車駕駛技能、電器維修技能和果樹栽培技能等各種職業技能的訓練.虛擬的實驗訓練系統無任何危險,利用虛擬現實技術進行虛擬實驗實訓可規避風險,在真實實驗或操作往往會帶來各種危險的實驗實訓中,學生在虛擬實驗實訓環境中,可以放心地去做各種危險的實驗,可以不厭其煩地反復練習,直至掌握操作技能為止.例如:在虛擬的飛機駕駛訓練系統中,學員可以反復操作控制設備,學習在各種天氣情況下駕駛飛機起飛、降落,通過反復訓練,達到熟練掌握駕駛技術的目的,還可免除學員因操作失誤而造成飛機墜毀等的嚴重事故;在虛擬物理實驗實訓室學生可做原子核裂變等實驗;在虛擬地理實驗實訓室學生可做火山噴發等危險性實驗;在虛擬化學實驗實訓室學生可做燃燒、爆炸等具有高危險性的實驗.這種新型的虛擬實驗實訓基地為學生提供了無限的虛擬體驗,加速和鞏固了學生學習知識的過程,培養了學生的實踐能力和創新能力,提高了學生的綜合素質.

3 結束語

針對傳統的實踐教學存在以教師為主體且實驗內容單一、實驗缺乏靈活性,不利于激發學生的學習興趣和培養學生的實踐能力和創新能力等問題,運用基于虛擬現實技術的虛擬實驗室進行大學創新實踐教學,建立新型的實踐教學體系,創新實踐教學內容,改變傳統的以傳授知識為主的封閉式教學,啟發學生積極參與討論,注重培養學生自主學習的能力;引導學生積極思考,敢于想象猜測培養學生創造性地發現問題與解決問題的能力;激發學生的求知欲,培養學生持久的學習興趣和愉悅的情感體驗,使學生有目的地和自覺地進行創新思考和實踐活動,培養和提高學生的創新意識和創新能力.通過基于虛擬實驗室的大學創新實踐實訓教學,鞏固了學生所學的基礎知識,拓寬了知識面,豐富了實踐經驗,提高了實踐能力和創新能力.它以其自身強大的實驗教學優勢和潛力,將會受到教育工作者的重視和青睞,在教育、培訓等領域廣泛應用并發揮其重要的作用[5].

[1]鄭興德,鄒兆南.創新教育的基本特征與生理基礎[J].重慶教育學院學報,2011,(5):77-80.

[2]鄧居祁,殷科生,劉文彥.虛擬實驗室的功能與特點[J].長沙大學學報,2007,21(5):104-105.

[3]朱韶平.基于Web ActiveX數據控件的網絡虛擬實驗室構建[J].計算機技術與自動化,2010,(12):104-106.

[4]梁宇濤.虛擬現實技術及其在實驗教學中的應用[J].實驗技術與管理,2006,(3):81-85.

[5]郭天太.虛擬現實技術在高等教育中的應用及其意義[J].寧波大學學報,2006,25(1):103-106.