虛擬仿真教學的發展現狀

晁政 劉鴻宇 黃武 黎人華 康勇

【摘要】傳統教學中存在學生多、資金不足、場地不足等的缺點，結合虛擬仿真技術建立虛擬實驗教學平臺可以彌補不足并提高學生主動思考和動手能力。介紹了虛擬仿真教學的設計原則、主要技術、國內外現狀以及對未來發展的展望。

【關鍵詞】傳統教學;虛擬仿真;平臺;展望

The Current Situation and Development of Virtual Simulation Teaching

North University of China ?Chao Zheng ?Liu Hong-yu

Chengdu Taimeng Software Co.LTD ?Huang Wu ?Li Ren-hua ?Kangyong

Abstract：There are disadvantages of traditional teaching，such as lots of students，lack of funds，Insufficient space and so on.The establishment of virtual experiment teaching platform with virtual simulation technology would make up for deficiencies and to improve the active learning that gets students thinking practical ability.This paper introduces the design principle，main technology，present situation at home and abroad，prospect of future development of virtual simulation teaching.

Key Word：traditional teaching;virtual simulation;platform;prospect

一、引言

隨著計算機和網絡技術的飛速發展，教育也在發生著深刻的變化。以網絡為基礎的各種知識學習逐漸成為世界教學發展的一種趨勢。傳統教學存在的局限性與實驗室建設規模嚴重滯后于迅速增大的學生隊伍使得教學質量面臨嚴峻的挑戰[1]-[4]，2013年8月13日，國家教育部高教司下文在全國構建國家級的虛擬實驗教學中心，分年度建設一批具有示范、引領作用的虛擬仿真實驗教學中心，持續推進實驗教學信息化建設，推動高等學校實驗教學改革與創新[5]。

二、虛擬仿真實驗教學

1.概述

虛擬仿真實驗教學是高等教育信息化建設和實驗教學示范中心建設的重要內容，是學科專業與信息技術深度融合的產物。虛擬仿真實驗教學中心建設工作 堅持“科學規劃、共享資源、突出重點、提高效益、持續發展”的指導思想，以全面提高高校學生創新精神和實踐能力為宗旨，以共享優質實驗教學資源為核心，以建設信息化實驗教學資源為重點[5]。

2.虛擬仿真教學中心設計原則

虛擬仿真教學中心是通過傳統教學與多媒體結合、虛實結合的方式克服現有困難使學生與實驗互動，從而達到提升教學質量的目的，因而學生能否達到預期學習效果取決于實驗本身對演示實驗采取的教學策略以及對教學過程的設計，虛擬仿真教學中心設計原則意義重大，總原則為虛實結合、相互補充、能實不虛，還包括：

（1）方便性原則

由于課堂上可以利用的時間和空間有限，因此學生課余課后的預習與復習尤其重要。結合目前學生擁有各種通訊設備和多媒體設備的現狀，虛擬仿真教學中心應該能在手機、pad、mp4等多媒體設備上運行，從而使學生隨時隨地都可以查看，同時老師能隨時隨地上傳或修改虛擬仿真教學中的內容[6]。

（2）直觀性原則

針對傳統教學中存在的枯燥、死板的教學模式以及各種危險實驗對學生產生的抵觸學習的情緒，虛擬仿真教學中心中的內容應該具有對視覺的沖擊力以及對實驗中各個重難點的詳細展示，從而讓學生對實驗產生興趣，間接提高動手能力。

（3）互動性原則

互動性包括學生與實驗的互動和老師與學生間的互動。前者體現在學生在觀看實驗過程中可以思考并參與實驗的推進，后者體現在學生實驗操作完畢對實驗結果的評價與統計。

（4）共享性原則

建設具有擴展性、兼容性、前瞻性的管理和共享平臺，高效管理實驗教學資源，實現校內外、本地區及更廣范圍內的實驗教學資源共享，滿足多地區、多學校和多學科專業的虛擬仿真實驗教學的需求，避免資源重復與浪費。

3.主流的三中種虛擬現實技術

目前虛擬現實技術多種多樣，包括VRML，Java和Flash等，開發中應該結合各種技術的優缺點選擇合適的技術[7]。

（1）VRML

VRML（Virtual Reality Modeling Language）即虛擬現實建模語言，是一種逼真的模擬人在自然環境中視覺、聽覺及運動等行為的人機界面技術。VRML以ASCII碼編寫腳本程序，將三維虛擬世界中的各個對象描述為節點元素，程序文件小而精煉，在網絡寬帶不足的情況下也能順暢傳送，客戶機通過瀏覽器程序解釋該腳本后，再現出相應的虛擬場景并具有平臺無關性，是目前Internet上基于萬維網的三維互動網站制作的主流語言[8]。

（2）Java

JavaEE是由SUN公司推出的面向企業級應用的分布式體系規范。它提供了一個基于構件來設計、開發、裝配及部署企業級應用的體系。J2EE系統一般由客戶層、Web層、業務層和數據庫層構成的多層系統。具有很強的可移植性、擴展性以及數據處理能力[9]。

（3）Flash

Flash作為一種矢量多媒體技術是為創作網絡交瓦式動畫所開發的，由于其采用了矢量圖形技術，所生成的動畫體積很小，可直接在網絡上運行。交互式F1ash技術用于網絡虛擬實驗室的開發具有開發速度快、界面美觀、視覺沖擊效果強、體積小、不需要安裝、可直接在瀏覽器中進行操作等特點。交互性不如VRML，數據處理能力不如JAVA，但比較適合演示性虛擬實驗[10]。

三、國內外現狀

虛擬實驗室概念的提出至今僅為10余年的時間，但因其誘人的應用前景，各國均在大力開發，已經取得了很大的進展。

1.國外現狀

美國麻省理工學院的Web Lab遠程實驗室于1998年開發并投入使用，允許學生在自己的電腦上設計并修改電路模型，然后通過用Java激活的Web瀏覽器使用在遠程實驗室里的昂貴的測試設備來獲取測試數據，驗證自己的設計;美國俄勒岡大學物理系主辦的物理實驗網站包含了天體物理、能量與環境、力學、熱學等方面的幾十種虛擬實驗;西班牙大學電子系開發了電子儀器虛擬工作平臺;意大利帕瓦多大學建立了遠程虛擬教育實驗室。新加坡國立大學開發了遠程示波器實驗和壓力容器實驗，在遠程控制實驗方面取得很大的成果[11]。

2.國內現狀

在國內，從網上可以查到清華大學、北京大學、上海交通大學、華南理工大學等高校已陸續在網上設立了自己的電子教室[];成都泰盟軟件科技有限公司開發了VMC-100醫學虛擬仿真實驗教學中心平臺;上海夢之路數字科技有限公司開發設計了虛擬醫學實驗技術平臺;南京醫科大學也建設了自己的醫學仿真實驗室等等[12]。

四、結束語

傳統教育模式有著不可避免的局限性，結合虛擬仿真教學中心可以達到比較好的效果。但是各個學校及公司建立的虛擬仿真實驗室往往是封閉的、不可共享的、甚至是重復的，本著節省資源、避免浪費、資源共享的原則，應該建立一個虛擬仿真教學平臺，這個平臺的內容是共享的、互動的，每個學校和公司都可以將自己特有的教學資源、技術資源上傳，達到資源的有效利用，而學生之間以及學生老師之間都可以有良性的互動，及時彌補各自的不足。

參考文獻

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