基于虛擬實(shí)驗(yàn)室的計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)實(shí)踐教學(xué)改革研究

朱韶平，肖永良

（湖南財(cái)政經(jīng)濟(jì)學(xué)院信息管理系長(zhǎng)沙410205）

一、引言

隨著經(jīng)濟(jì)和科技的飛速發(fā)展，社會(huì)對(duì)計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)的人才培養(yǎng)提出了更新更高的要求，市場(chǎng)需求大批具有實(shí)踐性、創(chuàng)造性、能直接服務(wù)于社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的應(yīng)用型人才。計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)應(yīng)用型人才應(yīng)具有計(jì)算思維能力、基本操作能力、算法分析與編程能力、系統(tǒng)綜合開(kāi)發(fā)能力、應(yīng)用能力、工作能力和創(chuàng)新能力，即應(yīng)用計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)知識(shí)解決實(shí)際專(zhuān)業(yè)問(wèn)題的能力和跨職業(yè)的能力。應(yīng)用能力的培養(yǎng)需要計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)理論知識(shí)的支撐，更需要理論聯(lián)系實(shí)踐，奠定學(xué)生堅(jiān)實(shí)的實(shí)踐基礎(chǔ)。實(shí)踐是檢驗(yàn)知識(shí)、發(fā)展思維、培養(yǎng)能力和鍛造人才的必由之路。

傳統(tǒng)的實(shí)踐教學(xué)由于受教學(xué)環(huán)境、教學(xué)條件和教學(xué)模式等的局限，實(shí)踐教學(xué)很大程度上仍然停留在教學(xué)方法單一、枯燥和低效的教師教、學(xué)生學(xué)的層次上，知識(shí)學(xué)習(xí)和實(shí)踐動(dòng)手操作相互分離，學(xué)生缺乏學(xué)習(xí)主動(dòng)性和創(chuàng)造性，不能有效地培養(yǎng)和鍛煉學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)造能力，人才培養(yǎng)與社會(huì)需求脫節(jié)。為適應(yīng)社會(huì)對(duì)計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)人才需求改變的新形勢(shì)，培養(yǎng)人文素質(zhì)高、專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)扎實(shí)、實(shí)踐能力強(qiáng)的高級(jí)應(yīng)用型人才，計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)實(shí)踐教學(xué)改革勢(shì)在必行[1]。

為了改善計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)實(shí)踐教學(xué)條件、改革實(shí)踐教學(xué)方法和教學(xué)內(nèi)容、提高計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)實(shí)踐教學(xué)課程的開(kāi)設(shè)水平，把虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)引入計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)已成為一種必然趨勢(shì)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一種強(qiáng)有力的輔助教學(xué)手段，它能改革傳統(tǒng)的實(shí)踐教學(xué)模式，解決傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)中存在的問(wèn)題，加快學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握與深化，有利于培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)造能力。

二、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)

（一）虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)是基于計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)、人機(jī)接口技術(shù)、多媒體技術(shù)以及傳感技術(shù)的沉浸式交互環(huán)境，它與傳統(tǒng)的模擬技術(shù)完全不同，是模擬環(huán)境、視景系統(tǒng)和仿真系統(tǒng)三者的有機(jī)結(jié)合。對(duì)該技術(shù)的研究始于20世紀(jì)60年代，進(jìn)入90年代，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)開(kāi)始作為一門(mén)較完整的體系備受人們的關(guān)注。目前，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已廣泛應(yīng)用于軍事、航空航天、工程建筑、城市規(guī)劃、醫(yī)學(xué)、機(jī)械制造、教育、科研、金融、娛樂(lè)等領(lǐng)域。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有沉浸性、交互性、多感知性、構(gòu)想性和實(shí)體自主性，在計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用具有其他媒體不可比擬的優(yōu)勢(shì)。

（二）虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)

虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)是一種運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)模擬真實(shí)實(shí)驗(yàn)的計(jì)算機(jī)教學(xué)軟件。它采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在計(jì)算機(jī)上建立虛擬實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，提供可操作的虛擬實(shí)驗(yàn)儀器，使學(xué)生在互聯(lián)網(wǎng)上通過(guò)接近真實(shí)的人機(jī)交互界面完成實(shí)驗(yàn)，同時(shí)提供網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)一體化管理等功能[2]。虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)由身份認(rèn)證模塊、分支門(mén)戶(hù)模塊、虛擬實(shí)驗(yàn)室、安全管理模塊、系統(tǒng)管理模塊等主要模塊組成，其系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

身份認(rèn)證模塊可根據(jù)登陸的用戶(hù)名，判別用戶(hù)的身份，賦予其相應(yīng)的權(quán)限等功能。虛擬實(shí)驗(yàn)室是系統(tǒng)的核心模塊具有自主學(xué)習(xí)、網(wǎng)上實(shí)驗(yàn)及網(wǎng)上實(shí)驗(yàn)教學(xué)、實(shí)驗(yàn)報(bào)告評(píng)閱等功能。安全管理模塊具有實(shí)驗(yàn)維護(hù)、參數(shù)維護(hù)及傳輸加密等功能。系統(tǒng)管理模塊具有系統(tǒng)初始化、權(quán)限管理和實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理等功能[3]。

虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)能模擬真實(shí)實(shí)驗(yàn)中所使用的實(shí)驗(yàn)器材和設(shè)備，提供與真實(shí)實(shí)驗(yàn)相似的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，使學(xué)生完全沉浸在由虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)所創(chuàng)建的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，如對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)儀器和設(shè)備進(jìn)行操作等。虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)中物體運(yùn)動(dòng)的設(shè)計(jì)依據(jù)物理運(yùn)動(dòng)定律，為學(xué)習(xí)者提供諸如視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)和味覺(jué)等各種直觀而又自然的實(shí)時(shí)感知交互手段，以獲得身臨其境的感受，它實(shí)現(xiàn)了人的臨場(chǎng)化，營(yíng)造了一種“自主學(xué)習(xí)”和多樣化、實(shí)用化和個(gè)性化的學(xué)習(xí)環(huán)境。

虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)融合了計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)和多媒體等技術(shù)具有虛擬設(shè)備和設(shè)施易于升級(jí)、優(yōu)化和功能全、低成本、無(wú)危險(xiǎn)、網(wǎng)絡(luò)化等諸多優(yōu)點(diǎn)，是今后實(shí)踐教學(xué)研究的一種新型模式。基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)應(yīng)用于實(shí)踐教學(xué)可以解決以下幾方面的問(wèn)題：在信息展示方式上打破時(shí)間和空間的限制，學(xué)生可以不受時(shí)空限制進(jìn)行課程實(shí)驗(yàn)；虛擬實(shí)驗(yàn)室可以避免真實(shí)實(shí)驗(yàn)或操作中的危險(xiǎn)環(huán)節(jié)所帶來(lái)的各種危險(xiǎn)；虛擬實(shí)驗(yàn)室可以節(jié)約教學(xué)成本，充分利用教學(xué)資源；有利于挖掘?qū)嵺`教學(xué)的潛能。采用基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)能改善實(shí)踐教學(xué)環(huán)境，優(yōu)化實(shí)踐教學(xué)過(guò)程，增加具有高新技術(shù)的實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容，引導(dǎo)學(xué)生接觸新知識(shí)、新技術(shù)，開(kāi)發(fā)學(xué)生的智能，增強(qiáng)跨學(xué)科研究的意識(shí)和創(chuàng)新能力，提高實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)適應(yīng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求的計(jì)算機(jī)應(yīng)用型人才。

三、基于虛擬實(shí)驗(yàn)室的計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)實(shí)踐教學(xué)改革

（一）改革思路

1.以培養(yǎng)實(shí)踐能力與創(chuàng)新能力為目標(biāo)，將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)的實(shí)踐教學(xué)，改善實(shí)踐教學(xué)環(huán)境，優(yōu)化實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容，改革實(shí)踐教學(xué)的方法和手段，構(gòu)建科學(xué)的計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)實(shí)踐教學(xué)體系[4][5]。

2.進(jìn)一步加強(qiáng)計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)，加大虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)和虛擬實(shí)驗(yàn)儀器等的研發(fā)力度，應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)創(chuàng)建設(shè)備先進(jìn)、管理規(guī)范、與時(shí)俱進(jìn)的開(kāi)放式虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，建設(shè)內(nèi)容先進(jìn)、受益面大的實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，以先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容帶動(dòng)虛擬實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)。

3.加強(qiáng)以計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)重點(diǎn)學(xué)科帶頭人及教授、博士為學(xué)術(shù)帶頭人的實(shí)踐教學(xué)團(tuán)隊(duì)建設(shè)，營(yíng)造濃厚的實(shí)驗(yàn)教學(xué)和學(xué)術(shù)研究氛圍，采取有效措施引導(dǎo)理論課程教師積極參與實(shí)驗(yàn)教學(xué)與改革研究，建立實(shí)驗(yàn)教師培訓(xùn)制度，有計(jì)劃地加強(qiáng)對(duì)實(shí)驗(yàn)教師專(zhuān)業(yè)技能培訓(xùn)，加快實(shí)驗(yàn)教師的知識(shí)更新，提高實(shí)驗(yàn)教師的整體素質(zhì)和實(shí)踐教學(xué)水平。

4.構(gòu)建基于網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境下的實(shí)驗(yàn)教學(xué)、實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)、實(shí)驗(yàn)預(yù)約及實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量保證體系[6]，對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程進(jìn)行嚴(yán)格管理、監(jiān)控和考核，確保實(shí)驗(yàn)教學(xué)達(dá)到預(yù)期效果。

（二）改革方案

1.改革實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建的開(kāi)放式虛擬實(shí)驗(yàn)室，為學(xué)生營(yíng)造一種“自主學(xué)習(xí)”及多樣化、實(shí)用化和個(gè)性化的實(shí)踐環(huán)境，學(xué)生可以在網(wǎng)上自主選擇實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和實(shí)驗(yàn)時(shí)間，自主參與及完成開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新研究性實(shí)驗(yàn)等，實(shí)現(xiàn)全開(kāi)放式實(shí)踐教學(xué)。改革傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)受教學(xué)環(huán)境、教學(xué)條件和教學(xué)模式等的局限，構(gòu)建以學(xué)生為主體、教師為主導(dǎo)、實(shí)驗(yàn)為主線、能力為目的及個(gè)性化教育的實(shí)踐教學(xué)模式，突出應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

2.改革實(shí)踐教學(xué)的內(nèi)容。利用虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，可靈活方便地融合多門(mén)專(zhuān)業(yè)課程知識(shí)，將關(guān)聯(lián)課程的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)進(jìn)行集成和優(yōu)化，設(shè)計(jì)難度適中、內(nèi)容豐富、可擴(kuò)展性和操作性強(qiáng)、并與實(shí)際工作接軌的模塊化的實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容分階段地在多門(mén)課程的實(shí)踐教學(xué)中展開(kāi)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和創(chuàng)造性，提高綜合應(yīng)用的能力。如融合“Java程序設(shè)計(jì)技術(shù)”與“嵌入式系統(tǒng)”的課程知識(shí)，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用及業(yè)界動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)基于移動(dòng)計(jì)算平臺(tái)的應(yīng)用系統(tǒng)等適合學(xué)生的實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容，將實(shí)踐教學(xué)變成一項(xiàng)富有趣味性、挑戰(zhàn)性和實(shí)用性的工作，分階段培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)造能力。

3.改革實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法和手段。通過(guò)利用虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，把實(shí)驗(yàn)技術(shù)和教師科研的最新成果應(yīng)用到計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)當(dāng)中，采用課內(nèi)授課與課外實(shí)踐相結(jié)合的方式，增加具有高新技術(shù)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，加強(qiáng)綜合性、設(shè)計(jì)性和創(chuàng)新研究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)。引導(dǎo)學(xué)生接觸新知識(shí)、新技術(shù)，開(kāi)闊學(xué)生的視野，開(kāi)發(fā)學(xué)生的智能，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和創(chuàng)造性。如通過(guò)實(shí)驗(yàn)課程、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、研究課題和實(shí)驗(yàn)資源的開(kāi)放，鼓勵(lì)和吸引更多的學(xué)生開(kāi)展大學(xué)生研究性學(xué)習(xí)和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃項(xiàng)目等課外科技活動(dòng)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和科學(xué)探究能力。鼓勵(lì)學(xué)生參加省級(jí)、國(guó)家級(jí)的程序設(shè)計(jì)大賽等，提高學(xué)生的算法分析和編程能力。

運(yùn)用虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，創(chuàng)建有利于學(xué)生個(gè)性化發(fā)展的開(kāi)放式虛擬實(shí)踐教學(xué)環(huán)境，教師和學(xué)生通過(guò)網(wǎng)絡(luò)在線訪問(wèn)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)創(chuàng)作、網(wǎng)上實(shí)驗(yàn)教學(xué)及實(shí)驗(yàn)報(bào)告評(píng)閱、自主學(xué)習(xí)、實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)、網(wǎng)上實(shí)驗(yàn)等。做到實(shí)驗(yàn)前有預(yù)習(xí)、實(shí)驗(yàn)操作有指導(dǎo)、實(shí)驗(yàn)步驟有演示、實(shí)驗(yàn)結(jié)果有監(jiān)管等多手段提高實(shí)踐教學(xué)效果，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行研究式學(xué)習(xí)，著力培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和綜合素質(zhì)。

4.改革實(shí)驗(yàn)教學(xué)考核方式。建立對(duì)學(xué)生訓(xùn)練效果多元化的綜合考核方式，增加實(shí)驗(yàn)操作、實(shí)踐技能的考核比重，突出對(duì)能力的考核，并針對(duì)不同課程的要求和特點(diǎn)，將實(shí)驗(yàn)平時(shí)成績(jī)、實(shí)驗(yàn)報(bào)告和實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新成績(jī)進(jìn)行綜合考慮。注重對(duì)學(xué)生綜合運(yùn)用知識(shí)能力和創(chuàng)新能力的考核，增加對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程的評(píng)價(jià)，主要包括實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)、實(shí)驗(yàn)操作、實(shí)驗(yàn)結(jié)果和實(shí)驗(yàn)報(bào)告等方面，通過(guò)學(xué)習(xí)效果評(píng)價(jià)方式的轉(zhuǎn)變，創(chuàng)造一個(gè)良好、寬松、和諧的學(xué)習(xí)環(huán)境，在學(xué)習(xí)過(guò)程的評(píng)價(jià)中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題，培養(yǎng)學(xué)生的思維能力和創(chuàng)新能力。

四、結(jié)論

針對(duì)傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)中存在的“重理論，輕實(shí)踐，學(xué)生應(yīng)用能力差，實(shí)踐能力薄弱”等問(wèn)題，從培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力出發(fā)，提出了基于虛擬實(shí)驗(yàn)室的計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)實(shí)踐教學(xué)改革的思路和方案。基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的虛擬實(shí)驗(yàn)室為學(xué)生創(chuàng)造了良好的實(shí)踐環(huán)境，它優(yōu)化了實(shí)踐教學(xué)的內(nèi)容及過(guò)程，能有效地調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性，提高學(xué)生觀察、分析及解決問(wèn)題的能力，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)造能力。其在計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)的實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用對(duì)改善實(shí)踐環(huán)境，優(yōu)化教學(xué)過(guò)程，提高實(shí)踐教學(xué)水平，培養(yǎng)具有實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的高級(jí)應(yīng)用型人才將會(huì)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

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