開放教育計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)課程VR資源建設(shè)

基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，搭建開放教育計(jì)算機(jī)類實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源平臺，并通過課程設(shè)計(jì)與實(shí)施、教學(xué)效果評估和應(yīng)用案例分析，探索效果，為開放教育計(jì)算機(jī)類實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源建設(shè)與應(yīng)用提供理論依據(jù)與現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)。

開放教育以一種實(shí)現(xiàn)全民教育及推動高等教育朝著大眾化、普及化方向發(fā)展的重要形式呈現(xiàn)。而計(jì)算機(jī)類實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐性較強(qiáng)，對設(shè)備依賴性頗高，使得開放教育學(xué)生在深刻理解理論知識以及有效提升自身實(shí)踐能力上遭遇困境。虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）技術(shù)憑借其具有的沉浸性、交互性以及多感知性，為開放教育計(jì)算機(jī)類實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的建設(shè)開創(chuàng)了新的可能性。借助虛擬化設(shè)備以及仿真操作，VR技術(shù)能夠突破傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)面臨的場地與設(shè)備限制，減少設(shè)備所產(chǎn)生的損耗，營造出安全且靈活的實(shí)踐環(huán)境，以助力學(xué)生更加直觀地理解設(shè)備運(yùn)行原理以及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。學(xué)生可根據(jù)自身的實(shí)訓(xùn)需求，在滿足獨(dú)立桌面操作體驗(yàn)的基礎(chǔ)上，登錄平臺，對教師已上傳的課件進(jìn)行預(yù)習(xí)、實(shí)操、實(shí)訓(xùn)。平臺支持學(xué)生根據(jù)自身個(gè)性化的實(shí)驗(yàn)教學(xué)場景需求，靈活、快速地切換操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)課堂、獨(dú)立學(xué)習(xí)、創(chuàng)研環(huán)境、遠(yuǎn)程教育等多種實(shí)驗(yàn)教學(xué)場景的應(yīng)用。通過虛擬設(shè)備的交互操作，學(xué)生能夠清晰地理解計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及運(yùn)行原理，掌握復(fù)雜系統(tǒng)的配置與調(diào)試過程。本文以“計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)原理”課程為例，對基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的開放教育計(jì)算機(jī)類實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源建設(shè)進(jìn)行研究，旨在通過提供交互式沉浸體驗(yàn)，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，提升學(xué)生的實(shí)踐動手能力，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，并且推動開放教育實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新。

基于VR技術(shù)的開放教育計(jì)算機(jī)類實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源建設(shè)

虛擬現(xiàn)實(shí)作為一個(gè)跨學(xué)科的技術(shù)領(lǐng)域，將算法架構(gòu)、圖形圖像處理以及智能系統(tǒng)、人機(jī)界面連同物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等諸多核心要素予以整合，同時(shí)把行為科學(xué)原理與工程學(xué)方法論進(jìn)行融合。從當(dāng)前開放教育計(jì)算機(jī)類實(shí)驗(yàn)教學(xué)的具體需求出發(fā)，基于云計(jì)算思想與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，搭建開放教育計(jì)算機(jī)類實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源平臺。計(jì)算機(jī)類實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源平臺基于豐富的計(jì)算機(jī)類VR技術(shù)實(shí)訓(xùn)資源庫（如計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備拆裝、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渑渲谩⒎?wù)器搭建、路由器和交換機(jī)調(diào)試等）而創(chuàng)建，是大型的在線虛擬現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)式實(shí)驗(yàn)課程資源系統(tǒng)，是集交互式實(shí)操體驗(yàn)、多媒體資源學(xué)習(xí)等多功能于一體的立體化數(shù)字課程環(huán)境。平臺通過用戶管理系統(tǒng)、實(shí)驗(yàn)管理系統(tǒng)、資源管理系統(tǒng)、資源門戶系統(tǒng)、VR課件編輯系統(tǒng)5個(gè)功能模塊，為開放教育計(jì)算機(jī)類專業(yè)學(xué)生提供全天候的交互式實(shí)操體驗(yàn)。面向開放教育的計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源平臺可為“計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)原理”課程提供常態(tài)化在線實(shí)驗(yàn)與輔助學(xué)習(xí)服務(wù)。

一是實(shí)驗(yàn)場景布局。在進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)，實(shí)驗(yàn)場景的布局是關(guān)鍵環(huán)節(jié)。“計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)原理”課程的虛擬實(shí)驗(yàn)場景需以“網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室”為核心，結(jié)合課程特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。場景布局的構(gòu)建以真實(shí)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室為原型，通過Unity 3D軟件實(shí)現(xiàn)虛擬化創(chuàng)建，在設(shè)計(jì)過程中，注重體現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的結(jié)構(gòu)布局與實(shí)際操作的交互需求，合理分布路由器、交換機(jī)、服務(wù)器等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，確保功能區(qū)劃分明確且符合實(shí)驗(yàn)流程。通過優(yōu)化視角設(shè)置，用戶能夠清晰觀察設(shè)備的整體結(jié)構(gòu)與細(xì)節(jié)。同時(shí)，燈光與材質(zhì)的選擇需貼近現(xiàn)實(shí)，增強(qiáng)沉浸感與真實(shí)性，避免因光線或材質(zhì)問題影響實(shí)驗(yàn)效果。在虛擬實(shí)驗(yàn)場景布局中，鑒于實(shí)驗(yàn)所提出的各類相關(guān)需求，各功能區(qū)應(yīng)以模塊化設(shè)計(jì)的方式呈現(xiàn)，保障學(xué)生能夠在虛擬實(shí)驗(yàn)室環(huán)境里順利地完成拓?fù)渑渲靡约霸O(shè)備調(diào)試等一系列至關(guān)重要的實(shí)驗(yàn)任務(wù)。

二是實(shí)驗(yàn)設(shè)備建模。基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)原理課程中，虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)備建模是核心環(huán)節(jié)。VR場景中的設(shè)備模型作為物理實(shí)體的數(shù)字化仿真，無需完全復(fù)刻現(xiàn)實(shí)設(shè)備的微觀細(xì)節(jié)，其設(shè)計(jì)需兼顧虛擬環(huán)境的非實(shí)在性特征與現(xiàn)實(shí)設(shè)備的功能一致性，通過精準(zhǔn)映射設(shè)備核心功能以滿足教學(xué)需求。模型評估應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注符號系統(tǒng)的現(xiàn)實(shí)意義表征能力及對實(shí)驗(yàn)問題解決的支撐作用。

實(shí)驗(yàn)室環(huán)境的構(gòu)建以墻面與地面的建模為基礎(chǔ)，通過劃定場景邊界強(qiáng)化沉浸感。在Unity3D平臺中，墻面與地面通常采用拖拽方式快速生成，但該方法易導(dǎo)致接縫問題，影響環(huán)境完整性。為提升場景真實(shí)感，基于Vector3方法設(shè)定參數(shù)生成墻面結(jié)構(gòu)，結(jié)合材質(zhì)貼圖賦予物理質(zhì)感，使用布爾運(yùn)算將墻面與地面整合為統(tǒng)一實(shí)體。該方法在保證建模效率的同時(shí)，優(yōu)化了虛擬場景的視覺呈現(xiàn)與操作體驗(yàn)。設(shè)備模型的功能仿真需突破物理細(xì)節(jié)限制，通過虛擬化重構(gòu)實(shí)現(xiàn)操作邏輯與物理實(shí)體的等效映射。實(shí)驗(yàn)環(huán)境的無縫化處理通過算法優(yōu)化彌補(bǔ)了引擎工具的局限性，進(jìn)一步增強(qiáng)了虛擬實(shí)驗(yàn)的沉浸性與教學(xué)適用性。

三是實(shí)驗(yàn)設(shè)備功能實(shí)現(xiàn)。在“計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)原理”課程虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，系統(tǒng)功能架構(gòu)由交互模塊、反饋機(jī)制以及判定邏輯構(gòu)成，也是構(gòu)成虛擬實(shí)驗(yàn)平臺的核心要素。交互機(jī)制技術(shù)的實(shí)現(xiàn)依賴于對特定算法的調(diào)用以及編寫代碼腳本等方式，通過程序化邏輯對實(shí)驗(yàn)進(jìn)程的環(huán)境變化加以調(diào)控。作為針對學(xué)習(xí)者操作成效所構(gòu)建的一種具備程序化特征的評估體系而言，判定模塊的技術(shù)核心蘊(yùn)含著路徑邏輯分析算法這一關(guān)鍵要素。交互機(jī)制、反饋響應(yīng)以及評估算法的協(xié)同運(yùn)作情況之下，使得虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺得以構(gòu)建起高度還原的實(shí)驗(yàn)場景，同時(shí)還能夠提供即時(shí)的操作指導(dǎo)。此技術(shù)框架顯著增強(qiáng)了學(xué)習(xí)過程的沉浸感，并且對實(shí)踐教學(xué)的質(zhì)量與成效也起到了有效提高的作用。

基于VR技術(shù)的開放教育計(jì)算機(jī)類實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源應(yīng)用

一是課程設(shè)計(jì)實(shí)施。基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的計(jì)算機(jī)類實(shí)驗(yàn)課程設(shè)計(jì)與實(shí)施，是構(gòu)建高效教學(xué)體系的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。“計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)原理”的課程設(shè)計(jì)以教學(xué)目標(biāo)為出發(fā)點(diǎn)，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)課程的實(shí)際需求，充分利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的沉浸性和交互性，將其有效融入課程項(xiàng)目的不同環(huán)節(jié)。教師利用VR技術(shù)，從文獻(xiàn)調(diào)研與需求分析入手，開展開放教育計(jì)算機(jī)類實(shí)驗(yàn)教學(xué)課設(shè)計(jì)。實(shí)踐課程設(shè)計(jì)依托Unity3D開發(fā)平臺，完成實(shí)驗(yàn)室模型構(gòu)建以及具備能與學(xué)生操作行為實(shí)時(shí)交互特性的交互功能設(shè)計(jì)制作。在完成交互功能制作后，借助IdeaVR2019平臺進(jìn)行運(yùn)行測試，提供一種沉浸式體驗(yàn)操作環(huán)境，供穿戴虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備的學(xué)生在仿真環(huán)境里完成設(shè)備連接與調(diào)試、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渑渲门c優(yōu)化等實(shí)驗(yàn)操作內(nèi)容。

二是教學(xué)效果評估。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在開放教育計(jì)算機(jī)類實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的應(yīng)用效能優(yōu)化提升，需依托科學(xué)的教學(xué)效果評估體系進(jìn)行驗(yàn)證。這一評估體系是由學(xué)習(xí)者成效解析與教育者評價(jià)反饋雙維度構(gòu)成，而基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、調(diào)研問卷以及學(xué)習(xí)行為記錄等多種具備不同模態(tài)的數(shù)據(jù)源，針對知識習(xí)得效果展開具有多維特征的量化分析工作，其中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)所產(chǎn)出的結(jié)果能夠較為客觀地反映知識被內(nèi)化的程度。調(diào)研表明，應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)且面向開放教育的計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，在師生群體中收獲較高認(rèn)可。

三是應(yīng)用案例分析。針對開放教育計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)成效驗(yàn)證這一復(fù)雜過程中，起到?jīng)Q定性作用的是實(shí)證研究。例如，某高校計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程所完成的虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)平臺整合部署工作涵蓋三大核心模塊，分別為拓?fù)浼軜?gòu)規(guī)劃、硬件參數(shù)設(shè)置以及報(bào)文傳輸模擬。拓?fù)浼軜?gòu)規(guī)劃模塊可支持學(xué)習(xí)者于三維空間之中自主開展通信節(jié)點(diǎn)與鏈路部署，且該功能將網(wǎng)絡(luò)形態(tài)的動態(tài)演變以及信息流路徑的可視化追蹤成功實(shí)現(xiàn)。硬件參數(shù)設(shè)置單元構(gòu)建起沉浸式設(shè)備操控界面，支持對路由交換設(shè)備進(jìn)行精細(xì)化參數(shù)調(diào)整以及故障診斷訓(xùn)練，通過這種實(shí)踐模式對設(shè)備運(yùn)行機(jī)制與配置邏輯的認(rèn)知深度進(jìn)行有效強(qiáng)化。報(bào)文傳輸模擬環(huán)節(jié)憑借數(shù)據(jù)封裝解析的動態(tài)演示，將幀結(jié)構(gòu)生成、信道傳輸以及終端解析的全生命周期完整加以呈現(xiàn)，顯著提升了對于網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議與數(shù)據(jù)傳輸原理的掌握程度。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，以虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)作為支撐基礎(chǔ)的計(jì)算機(jī)類實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)于多項(xiàng)指標(biāo)層面均呈現(xiàn)出相較于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方式更優(yōu)的態(tài)勢，平均實(shí)驗(yàn)完成時(shí)間縮短 30% ，系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)效率方面的顯著提高，平均實(shí)驗(yàn)得分提升 22.86% ·學(xué)生對于知識掌握狀況的明顯增強(qiáng)，參與度增長 38.46% ，顯示了VR實(shí)驗(yàn)在對學(xué)習(xí)興趣的強(qiáng)大激發(fā)作用方面，而實(shí)驗(yàn)操作錯(cuò)誤率降低 40% 系統(tǒng)在提升操作準(zhǔn)確性方面具有顯著優(yōu)勢。學(xué)生滿意度提升 21.33% ，進(jìn)一步對虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)領(lǐng)域卓越的應(yīng)用效果進(jìn)行了驗(yàn)證，并且為教學(xué)模式的創(chuàng)新與優(yōu)化提供有力的支持。

以“計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)原理”課程為例，VR技術(shù)能夠通過虛擬場景中的設(shè)備配置、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)傳輸仿真等實(shí)驗(yàn)過程，實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐的高效整合，使抽象網(wǎng)絡(luò)原理與復(fù)雜操作流程以更直觀的方式呈現(xiàn)，增強(qiáng)學(xué)習(xí)效果，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，同時(shí)提高實(shí)驗(yàn)操作的精準(zhǔn)性與效率。此類創(chuàng)新應(yīng)用不僅提升了學(xué)習(xí)效果，還推動了實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)模式的變革，為培養(yǎng)符合現(xiàn)代技術(shù)需求的高技能人才奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

基金項(xiàng)目：山東開放大學(xué)2024年度科研發(fā)展項(xiàng)目“基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的開放教育計(jì)算機(jī)類實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源建設(shè)與研究”（2024092JQ）。（楊姣，山東開放大學(xué)講師。）