理工類虛擬實驗建設(shè)問題初探

張?zhí)O　楊海峰　丁雷

摘 要：在教育網(wǎng)絡(luò)化的時代背景下，虛擬實驗課程建設(shè)是各大高校積極推進的方向。文章對理工類虛擬實驗建設(shè)的重要性進行了闡述，并針對其建設(shè)過程中出現(xiàn)的一些問題進行了思考和方法探索。

關(guān)鍵詞：虛擬實驗；網(wǎng)絡(luò)平臺；高校教育

中圖分類號：G482 文獻標志碼：A 文章編號：2095-9214（2016）01-0141-01

一、前言

近年來隨著高等教育信息化改革地推進，作為高校教育的重要組成實驗教學(xué)也自然進行了網(wǎng)絡(luò)化改革。基于Web的虛擬化實驗教學(xué)正在成為當今諸多高校積極開發(fā)的重要內(nèi)容，并在飛速更新的信息技術(shù)支持下日趨完善、成熟[1]。

二、虛擬實驗建設(shè)的重要性

傳統(tǒng)的理工類實驗教學(xué)主要依賴大量昂貴的實驗設(shè)備，存在經(jīng)費投入大、維修頻繁、占地廣、不宜搬動等問題。這導(dǎo)致了許多實驗項目更新太慢、方法陳舊，無法適應(yīng)社會發(fā)展的需要，同時影響學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，而虛擬實驗恰好能解決這些問題。虛擬實驗是在計算機環(huán)境下生成的一種可以創(chuàng)建和體驗虛擬世界的系統(tǒng)[2]。其核心是模擬現(xiàn)實技術(shù)進行虛擬環(huán)境下的實驗操作，實驗者可以像玩網(wǎng)絡(luò)游戲一樣運用各種虛擬實驗器械和設(shè)備，完成多項預(yù)定的實驗項目。一些優(yōu)秀的虛擬實驗軟件由于其逼真的場景和靈活的互動性能吸引了眾多師生的目光，極大地提高了他們的教學(xué)和學(xué)習(xí)的積極性。在提高師生學(xué)習(xí)興趣的同時，虛擬實驗也將極大優(yōu)化和豐富高校實驗教學(xué)資源，對培養(yǎng)學(xué)生的實踐、研究、創(chuàng)新能力起到不可估量的作用。但建設(shè)虛擬實驗項目對許多高校工作者來說是一項全新的挑戰(zhàn)，需要不斷地去改進和完善。

三、虛擬實驗建設(shè)中的問題及解決方法

1、虛擬實驗網(wǎng)絡(luò)平臺的建設(shè)

目前，我校已建成覆蓋整個校園的計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。虛擬實驗網(wǎng)絡(luò)平臺就可以在此基礎(chǔ)上展開建設(shè)。因為虛擬實驗不光是一項單純的教學(xué)活動，還包括完整的實驗網(wǎng)絡(luò)教學(xué)管理體系。比如虛擬實驗教學(xué)進度安排、教學(xué)講義、學(xué)生作業(yè)提交、老師批改及師生教學(xué)互動都需要通過此平臺來完成。目前有許多開源式軟件支持這項工作，比如Xenservere， NS3等[3，4]。

2、虛擬實驗軟件的制作

虛擬實驗像游戲軟件一樣需要專人去開發(fā)制作，而且在許多方面比之游戲開發(fā)更復(fù)雜。因為不同的高校有著不同的專業(yè)特色，為了使虛擬實驗內(nèi)容更適合學(xué)生的培養(yǎng)目標，一定程度上需要定制式的制作，這需要學(xué)校、任課老師、制作公司的三方配合[5]。建設(shè)期間經(jīng)費可能會增加、老師工作量也無形加重，如果沒有妥善解決這些問題，那么軟件制作就可能會被無限期推后或者成品過于粗糙，極大影響教學(xué)效果。較好的運作方式是先購買其他高校在用的類似軟件，然后以項目的形式分配到責任老師頭上，讓老師與公司溝通一起修改軟件。這在一些高校已經(jīng)實施，并取得了較好的效果。

3、虛擬與現(xiàn)實實驗的有效結(jié)合

虛擬實驗雖然新穎，吸引了師生的目光。但目前的虛擬實驗普遍存在著實驗真實感不強，學(xué)生無法深切體會實驗中出現(xiàn)各種操作偏差之后的結(jié)果。對實驗儀器會產(chǎn)生的各種問題不能及實體會，限制了學(xué)生實踐能力水平的提高。因此“虛實結(jié)合，互為補充”是將來諸多高校堅持的一項教學(xué)原則[4]。比如材料中的拉升實驗，老師可以先帶學(xué)生實體體驗一次金屬被拉斷的過程，然后通過虛擬實驗在不同條件下對金屬或高分子材料進行拉升實驗。這一方面減少了機器購買數(shù)量及耗材損耗，另一方面又讓學(xué)生體驗了各種拉升狀況，達到了較好的實驗教學(xué)效果。

4、虛擬實驗的經(jīng)費支持

虛擬實驗是一項正在發(fā)展的新型教學(xué)項目，它的建設(shè)及日常的維護管理都處于摸索階段。許多人認為花大力建成之后，日常維持經(jīng)費相對實體實驗可以少一些。其實，它的正常運作也需要不小的經(jīng)費支持。有些學(xué)校因為前期投入資金較大，導(dǎo)致后期維護困難，嚴重影響了教學(xué)效果。因為虛擬實驗中硬件的維護、軟件的定期更新、教師學(xué)生的定期培訓(xùn)等都需要經(jīng)費開支，平均一個專業(yè)需要每年7萬的維持經(jīng)費來支持運作。為了降低運營成本，在購買公司設(shè)備和軟件時，盡可能在采購合同中將維保條款羅列仔細，比如延長保修期、增加培訓(xùn)量及贈送軟件更新次數(shù)等。另外，為了籌措更多資金，學(xué)校可以向中央與地方申請共建項目經(jīng)費支持、呼吁相關(guān)企業(yè)及校友進行投資建設(shè)。只有這樣，才能在有限的經(jīng)費開支中，保障虛擬實驗教學(xué)的正常進行。

四、結(jié)束語

虛擬實驗是一項很好、也很重要的實驗教學(xué)內(nèi)容。隨著全球信息技術(shù)的飛速發(fā)展，其必將展現(xiàn)更加驚人的教學(xué)力量。在這場教學(xué)改革中，我們只能樹立“虛實結(jié)合、互為補充”的原則不斷提高自身的科技和教學(xué)水平。也只有這樣，我們才能培養(yǎng)出真正具有社會競爭力的理工人才。將專業(yè)實驗課程和虛擬軟件結(jié)合起來，對加速培養(yǎng)高質(zhì)量的技術(shù)人才和應(yīng)用人才產(chǎn)生了深遠影響。

（作者單位：海南大學(xué)材料與化工學(xué)院材料系）

基金項目：海南大學(xué)教育教學(xué)研究項目（項目編號：hdjy1334）；海南省高等學(xué)校教育教學(xué)改革研究項目（項目編號：Hnjg2015-4 ）；海南大學(xué)教育教學(xué)改革研究項目（項目編號：hdjy1512）；海南大學(xué)重點課程項目資助（項目編號：01J1N0008001001）

參考文獻：

[1]湯躍明.虛擬現(xiàn)實技術(shù)在教育中的應(yīng)用[M].科學(xué)出版社，2007

[2]劉慧中.虛擬實驗在醫(yī)學(xué)化學(xué)實驗中的應(yīng)用[J].實驗室科學(xué)，2013（1）：98-100.

[3]張光勇.基于XenServer的高校數(shù)據(jù)中心虛擬化應(yīng)用[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2015（5）：44-45.

[4]李昌國，張曉林，譚良，周霞，吳田峰，楊春.基于GIS和VIRTOOLS技術(shù)的虛擬校園漫游開發(fā)方法的研究[J].計算機工程與設(shè)計，2007，28（13）：3223-3226.

[5]Graham C.Emulation-Based Virtual Laboratories：A Low-Cost Alternative to Physical Experiments in Control Engineering Education[J].IEEE TRANSACTIONS ON EDUCATION.2011，54（1）： 48-55.