基于虛擬現實技術的計算機實踐教學方法研究

溪利亞　陳國平

摘要：

為推動實踐教學信息化建設，從實踐教學環境、管理和互動等環節，分析了信息類學科專業實踐教學現狀，提出將計算機虛擬現實技術引入實踐教學的建設思路。在梳理信息類學科知識結構基礎上，重鑄了學科實踐能力培養體系，構建了基于虛擬仿真技術的實踐教學模型，重點介紹了虛實結合的實踐教學組織形式、實施方法，以及虛擬仿真實踐教學信息化平臺建設的主要內容?？偨Y了以虛擬仿真技術為背景開展的模塊化、層次化、線上與線下、課內與課外相互協同的實踐教學，在人才培養、實驗教學資源利用和實踐空間拓展中的作用。

關鍵詞：

虛擬現實；虛實結合；實踐教學

DOIDOI：10.11907/rjdk.172427

中圖分類號：G434

文獻標識碼：A文章編號文章編號：16727800（2018）003022103

英文摘要Abstract：For effectively promoting the information construction of the practical teaching，this paper analyzes the present situation of information specialty practical teaching form the environment、management and interaction， and puts forward the construction idea of introducing computer virtual reality technology into practice teaching. On the basis of information science knowledge structure， the article recast practical ability cultivation architecture， and construct the practical teaching model based on virtual simulation technology. And it focuses on the organization form and implementation method of practice teaching on combination of virtuality and reality， and the main content of the construction of virtual simulation practice teaching information platform. Finally the paper summarizes the virtual simulation technology to play in talents cultivation， experimental teaching resources and space to expand the role of practice.

英文關鍵詞Key Words： virtual reality； combination of virtuality and reality； practical teaching

1實踐教學現狀

信息技術在推動教育現代化改革和發展中發揮著至關重要的作用[1]。利用先進的虛擬現實技術，拓展實踐、科研、教研空間，構建符合現代學習特征的信息化實踐教學體系是時代發展的要求[2]。

在“互聯網+”的滲透下，原有的實驗教學方式和手段在一定程度上成為限制培養學生實踐能力的瓶頸。武昌首義學院信息科學與工程學院立足“大眾化、應用型”人才培養定位，研究了光電信息科學與工程、計算機科學與技術、軟件工程、通信工程、物聯網工程、電子信息工程6個專業特點，總結了開展實踐教學中遇到的問題，主要表現在：①實驗成本高，實驗設備數量不足、損耗大、維護費用高；②綜合型、創新型實驗項目開展受物理條件限制，設計、實施復雜，周期長。由于設備條件的限制，導致實踐或研究工作中斷；③實驗設備更新緩慢，跟不上技術發展，不能及時支持課程及相應實驗的擴展；④物理實驗環境中，學生必須在規定的時間到專門的實驗室進行實驗，實驗受時間和地點限制；⑤實驗過程管理難，對實驗教學中出現的“跟著混”的學習現象缺乏監管；⑥課外實踐互動難，由于課內實踐學時有限，部分實驗需要學生課外自主完成，但學生課外學習情況往往很難落實。

結合高等教育信息化建設要求，在實踐教學中引入虛擬仿真技術。其具有直觀性、安全性、可重復性、無時間和地域限制、低能耗、低成本、大眾性、全面性等特點，可以有效解決上述問題[3]。基于虛擬仿真技術構建實踐教學體系，是開展信息類專業實踐教學改革，解決實踐教學問題的一個有效途徑[4]。

2虛擬仿真實踐教學體系

以培養“具有創新精神和實踐能力的應用型人才”為目標，融合學科特色，梳理知識結構，確立了公共基礎、電子技術、計算機技術、信息與信號處理、創新實踐5個專業知識模塊，建立了程序設計與算法、計算機系統與網絡、軟件工程與數據庫、通信技術、信號與信息系統、光電技術、應用電子技術、物聯網8個課程群，構建了跨專業模塊化的課程體系。以此為基礎，從能力培養出發，構建了“基礎—技能—綜合—創新”4個實踐層次和“基礎理論—核心能力—工程應用—創新應用”4個能力層次的“4+4模式”實踐能力培養體系[5]，如圖1所示。

圍繞實踐能力培養目標，按照實踐教學培養規律，將虛擬仿真技術應用于教學，形成了“5個模塊、4種形式、4個層次、3個類別”的漸進式、開放式、虛實結合的實踐教學體系，如圖2所示。

2.15個專業知識模塊

依據實踐教學體系，按照信息類學科人才培養的知識、能力和素質要求，與專業知識模塊呼應，建立了公共基礎、電子技術、計算機技術、信號與信息處理、創新實踐5個實踐模塊。公共基礎實踐模塊主要面向全校開設計算機公共基礎課實驗，包括計算機概論、計算機網絡等課程實驗；電子技術實踐模塊主要面向電子信息工程、物聯網工程、通信工程、計算機科學與技術、軟件工程等專業，開設數字電路邏輯設計、單片機原理與應用、CPLD/FPGA設計及應用等專業核心課程實驗；計算機技術實踐模塊主要面向計算機科學與技術、軟件工程等專業，開設計算機組成原理、面向對象程序設計等專業方向課程實驗；信號與信息處理實踐模塊主要面向通信工程、電子信息工程、光電信息科學與工程、物聯網工程等專業，開設信號與系統、數字信號處理、工程光學、數字圖像處理、移動通信原理等專業方向課程實驗；創新實踐模塊緊密結合畢業設計、科研項目、學科競賽、創新創業等實踐活動，在掌握基礎技能和專業技能后，充分利用綜合類實驗資源，對學生進行工程應用、創新能力和科研方法訓練，培養學生創新設計和系統設計能力，激發學生創新熱情和參與創新活動積極性。5個實踐模塊相互滲透，根據人才培養要求，進行模塊化的組合，實現教學內容的開放共享。

2.24種實踐教學形式

根據實踐項目特點，按照優勢互補原則，設計了混合式的實踐模式，將動畫模擬、實物實驗、虛擬仿真實驗、遠程實驗4種形式有機融合，納入到專業課程的實踐教學環節中，實現了虛實結合的實踐教學新形式。實施中，根據實驗內容，選擇不同的實驗形式，如運用動畫模擬仿真課程中抽象難懂的理論知識，形象生動地展現理論原理；通過虛實結合的方式，在虛擬環境中反復練習，達到熟能生巧的效果。訓練實際技能的應用能力，提高實驗效率；對于課外或實驗較為復雜、實驗設備受限的實踐，則通過遠程實踐和虛擬仿真進行，提供不同層次的實踐能力培養。

2.34個專業能力層次與3個實驗類別

按照“加強基礎、鞏固技能、提高能力、綜合培養”原則， 實驗項目分為學科基礎、專業技能、綜合應用和創新能力4個層次，助學、訓練、提高3個類別。在實踐環節中，開展分層分類實踐教學。助學類虛擬仿真實驗，采用形象生動的動畫形式，將抽象概念形象化，復雜過程可視化，學習和理解重點難點知識。訓練類虛擬仿真實驗，將實體實驗虛擬化，學生在開展實物實驗前先用虛擬仿真實驗提前預習。在虛擬環境中通過交互的方式，反復訓練，達到孰能生巧的效果，為學生參加實驗打下基礎。這種先虛后實的實驗模式，可以減少實驗中因為操作不當而損壞實驗設備，避免因為不熟悉儀器設備操作、實驗原理而浪費實驗時間的現象。對一些難以重現的實驗，或是綜合型、創新型、不易實施的實驗，通過虛擬仿真實驗完成。在虛擬環境下，學生可以方便地修正、重組、查驗和嘗試，既滿足了實驗的靈活性和有效性，又極大地減少了實驗成本和資源消耗。

表1為計算機網絡課程中部分實驗項目教學安排情況。實驗項目按照實驗層次、類別和形式進行安排[6]，也可根據實踐學時調整項目課內外完成比例。如實驗項目（1）和實驗項目（4）可采用課外線上虛擬仿真、線下實驗完成；實驗項目（2）、實驗項目（3）和實驗項目（5）可采用課外線上完成。這里的線上指通過虛擬仿真信息化平臺上完成的實驗項目。

3虛擬仿真實踐教學平臺

為保障不同類型的實驗和實踐教學順利開展[7]，構建了互聯網+實驗平臺，開展課內外一體化的實踐教學。虛擬仿真信息化實驗教學管理平臺依托校園網絡[8]，其架構如圖3所示。平臺實現了各類實驗的統籌安排，包括實驗安排與選課、實驗前的相關知識輔助學習與測試、實驗平臺跳轉、實驗過程的答疑與指導、虛擬實驗結果的自動批改、實驗報告的在線填寫與管理、實驗教學效果評估與分析、師生互動交流和系統安全管理等功能，涵蓋整個實驗流程，搭建師生交流平臺，為課外線上實驗的順利開展提供保障。

4虛擬仿真實驗教學作用

（1）引領教學理念的轉變。在理論授課和實驗室實驗之間增加“虛擬實驗”教學，把仿真實驗平臺開放給學生自由使用，教師利用系統安排理論基礎測試、虛擬實驗、遠程實驗，監控和輔導學習過程，評價和管理實驗成績，提高了教學的信息化水平，緩解了傳統實驗教學中實驗室建設費用高、建設周期長、實驗受時間、空間、人力限制的問題，創新了教學模式，引領了教學理念的轉變[9]。

（2）豐富實驗教學資源，拓展實踐空間。虛擬仿真實踐教學體系采用 “理論授課-虛擬實驗-實驗室教學”的實踐教學手段[10]，以“助學、訓練、提高”3個內容層次組織實踐教學，通過“動畫模擬、虛擬仿真、實物實驗、遠程實驗”相互融合的混合式教學形式開展虛實結合的實踐教學，構建線上線下、課內課外相互協同的實踐教學新模式，豐富了實驗教學資源，拓展了實踐空間，為學生獨立自主學習與實踐創造良好的條件。

（3）增強實踐創新能力。利用虛擬仿真技術開設有特色的自主實驗和創新實驗，提升了學生對專業技能的掌握程度；利用信息化技術開展遠程虛擬實驗，適應學習移動化、碎片化特征，學生在課余時間進行實驗，營造了隨時學習、無限次練習的氛圍，實現了更大范圍的資源共享，提升了學生的學習興趣與設計能力。

（4）提升專業建設水平。虛擬仿真實驗教學平臺既是仿真實驗平臺，也是教研、科研和創新的實踐平臺。平臺的建設促進了大數據技術、云計算、虛擬化和信息安全技術在教學中的應用，“個性學習”的應用研究帶動了教研工作的開展，開辟了虛擬實踐為先、科研支持教學、教學服務科研的實踐教學模式。

5結語

實踐教學中，以優勢互補為原則，引入虛擬化技術，構建的“5個模塊、4種形式、4個層次、3個類別”的虛擬仿真實踐教學體系，做到了以“實”為目標，以“虛”為手段，揚長避短，“虛”加強理論知識與實際操作的聯系，“實”提高學生解決實際問題的能力，將虛擬實驗與理論課程相結合、與實體實驗相結合、與工程實踐相結合、與學科競賽相結合、與校企合作相結合、與科研項目相結合，做到基礎知識、專業技能、綜合能力、創新能力培養4年不間斷，不斷提升學生的專業核心能力、工程應用能力與創新能力，推動了虛實結合的實踐教學理念在人才培養中的應用，推進了實踐教學的信息化發展進程。

參考文獻參考文獻：

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責任編輯（責任編輯：杜能鋼）