虛擬實驗室在大學(xué)創(chuàng)新實踐教學(xué)中的應(yīng)用研究

朱韶平

(湖南財政經(jīng)濟(jì)學(xué)院, 湖南長沙 410205)

21世紀(jì)將是經(jīng)濟(jì)全球化與知識經(jīng)濟(jì)時代,新時代給高等教育的發(fā)展帶來了新的挑戰(zhàn),社會對人才培養(yǎng)提出了更新更高的要求.教育部2010年提出了大力推進(jìn)高等學(xué)校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育和大學(xué)生自主創(chuàng)業(yè)工作的政策,并就統(tǒng)籌做好高校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育、創(chuàng)業(yè)基地建設(shè)和促進(jìn)大學(xué)生自主創(chuàng)業(yè)工作提出了一系列意見.為落實教育部的政策和培養(yǎng)社會需求的高素質(zhì)創(chuàng)新型人才,如何創(chuàng)新實踐教學(xué)及培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力,是新形勢下高校實踐教學(xué)面臨的一重大課題.在培養(yǎng)大學(xué)生創(chuàng)新能力的教育中,實踐教學(xué)與理論教學(xué)具有同等重要的地位,尤其是大學(xué)創(chuàng)新實踐教學(xué)更是高校人才培養(yǎng)活動的重要組成部分及提高大學(xué)生創(chuàng)新能力的重要手段,創(chuàng)新實踐教學(xué)是在傳統(tǒng)實踐教學(xué)的基礎(chǔ)上,以培養(yǎng)和開發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力為目標(biāo),積極引導(dǎo)和激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識,著重培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力,造就具有創(chuàng)新精神的創(chuàng)新型人才的教育[1].它對提高大學(xué)生的綜合素質(zhì)、培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新精神與創(chuàng)新能力有著重要且不可替代的作用.傳統(tǒng)的實踐教學(xué)受教學(xué)條件限制 “重理論,輕實踐”,學(xué)生的綜合素質(zhì)、實踐能力、科學(xué)探究能力以及創(chuàng)新能力難以得到培養(yǎng)和提高.基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的虛擬實驗室實踐教學(xué)不受時空限制,可彌補實踐教學(xué)條件差、教學(xué)資源缺乏等方面的不足,改善實踐教學(xué)環(huán)境,創(chuàng)新實踐教學(xué)模式、內(nèi)容及方法,提高實踐教學(xué)質(zhì)量,激發(fā)大學(xué)生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新思維,培養(yǎng)大學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新能力,是大學(xué)創(chuàng)新實踐教學(xué)的有力保障.

1 關(guān)鍵技術(shù)

1.1 虛擬現(xiàn)實技術(shù)

虛擬現(xiàn)實技術(shù)(Virtual Reality Technology)是用計算機生成逼真的三維視覺、聽覺和嗅覺等感覺及三維空間的虛擬世界,它綜合了計算機仿真技術(shù)、計算機圖形(CG)技術(shù)、顯示技術(shù)、人工智能、傳感技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)并行處理等技術(shù),能將計算機獲得的復(fù)雜數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成為人能感受到的具有各種表現(xiàn)形式的多維信息,并將信息進(jìn)行可視化,形成一個逼真的環(huán)境,讓使用者如同身臨其境.虛擬現(xiàn)實技術(shù)具有除一般計算機技術(shù)所具有的視覺感知之外,還具有聽覺感知、觸覺感知、力覺感知、運動感知,甚至包括味覺感知、嗅覺感知等多感知性;用戶感到作為主角存在于模擬環(huán)境中如同在現(xiàn)實世界中一樣的浸沒感;用戶對模擬環(huán)境內(nèi)物體的實時操作和從環(huán)境得到自然反饋等交互性;再現(xiàn)真實存在的環(huán)境及隨意構(gòu)想客觀不存在的甚至是不可能發(fā)生的環(huán)境等構(gòu)想性.它廣泛應(yīng)用在教育、科學(xué)可視化、軍事、航空航天、醫(yī)學(xué)、CAD/CAM、娛樂等領(lǐng)域,其在大學(xué)創(chuàng)新實踐教學(xué)中的應(yīng)用具有其它媒體不可比擬的優(yōu)勢和更廣闊的應(yīng)用前景.

1.2 虛擬實驗室

虛擬實驗室是采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)在計算機上建立虛擬實驗環(huán)境,提供可操作的虛擬實驗儀器,能模擬真實實驗中所使用的實驗器材和設(shè)備,提供與真實實驗相似的虛擬實驗環(huán)境,使學(xué)生完全沉浸在由虛擬實驗室所創(chuàng)建的虛擬實驗環(huán)境中,學(xué)生通過虛擬實驗室可自主選擇實驗內(nèi)容,設(shè)計實驗方案及通過接近真實的人機交互界面自主完成實驗[2].虛擬實驗室中各物體運動的設(shè)計依據(jù)物理運動的規(guī)律,為學(xué)生提供視覺、聽覺、觸覺、味覺和力覺等各種自然、逼真等實時感知交互手段,以獲得身臨其境的感受.它實現(xiàn)了人的臨場化,營造了一種 “自主學(xué)習(xí)”和多樣化、個性化及實用化的虛擬實踐學(xué)習(xí)環(huán)境,為大學(xué)創(chuàng)新實踐教學(xué)提供了有利條件.

一個完整的虛擬實驗系統(tǒng)通常由虛擬實驗?zāi)K、數(shù)據(jù)庫管理模塊和系統(tǒng)管理模塊三個主要模塊組成[3],如圖1.虛擬實驗?zāi)K是系統(tǒng)的核心模塊,包括場景建模、演示性實驗、設(shè)計性實驗、創(chuàng)新性實驗和實驗交互等模塊.它提供了具體的實驗界面,用戶根據(jù)實驗?zāi)康暮蛯嶒炘碜灾鞔罱ㄌ摂M實驗環(huán)境,完成實驗,得出實驗結(jié)果.系統(tǒng)管理模塊包括用戶管理、實驗管理和實驗組件注冊三個子模塊,用戶通過身份認(rèn)證在互聯(lián)網(wǎng)或校園網(wǎng)上登錄系統(tǒng),保障系統(tǒng)安全.用戶將實驗所需的新虛擬實驗器件先在客戶端或服務(wù)器端注冊,然后可供用戶實驗使用.數(shù)據(jù)庫管理模塊包括虛擬實驗設(shè)備和虛擬實驗器件兩個子模塊,虛擬實驗設(shè)備和虛擬實驗器件以文件形式存在相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫中,用戶可通過檢索快速找到所需相應(yīng)文件,管理員可對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行增加、刪除、修改和查詢等操作.虛擬實驗室打破了傳統(tǒng)實驗教學(xué)受時空等條件的限制,具有開放性高、真實感強、交互性好和實踐性強等優(yōu)點,有助于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識、培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新能力,在大學(xué)實驗教學(xué)中具有廣闊的應(yīng)用前景.

圖1 虛擬實驗室功能結(jié)構(gòu)圖

2 虛擬實驗室在大學(xué)創(chuàng)新實踐教學(xué)中的應(yīng)用

基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的虛擬實驗室在大學(xué)創(chuàng)新實踐教學(xué)中的應(yīng)用是國內(nèi)外現(xiàn)代教育技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點和發(fā)展趨勢[4].相對于傳統(tǒng)的實踐教學(xué)模式,基于虛擬實驗室的大學(xué)創(chuàng)新實踐教學(xué)具有可立體化、多視角呈現(xiàn)實踐教學(xué)內(nèi)容;可彌補實踐教學(xué)條件的不足,節(jié)約實踐教學(xué)成本;突破時空限制;降低安全隱患,遠(yuǎn)離實驗傷害;創(chuàng)設(shè)個性化的實踐學(xué)習(xí)環(huán)境,激發(fā)學(xué)習(xí)學(xué)習(xí)興趣等許多優(yōu)點,是傳統(tǒng)實踐教學(xué)不可比擬的.它是一種新型的實踐教學(xué)研究模式,是現(xiàn)代教育技術(shù)發(fā)展的一個飛躍.它營造了 “自主學(xué)習(xí)”的虛擬實踐環(huán)境,它取代了傳統(tǒng)的以教促學(xué)的學(xué)習(xí)方式,代之以學(xué)習(xí)者通過自身與信息環(huán)境的相互作用來獲得知識、技能的新型學(xué)習(xí)方式.

2.1 創(chuàng)建虛擬實驗室,創(chuàng)新實踐教學(xué)方法和手段,培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識

傳統(tǒng)的實踐教學(xué)需要實驗場地、實驗器材和實驗設(shè)備,學(xué)生實驗只能在實驗室進(jìn)行,受實驗條件及時空等條件限制,實驗教學(xué)方法和手段單一,大多是演示驗證型實驗,綜合創(chuàng)新型實驗極少,實驗教學(xué)效果受到很大影響,創(chuàng)新實踐教學(xué)難以實現(xiàn).應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)創(chuàng)建虛擬實驗室,用計算機模擬的虛擬實驗儀器代替價格昂貴、操作復(fù)雜、容易損壞、修復(fù)困難的實驗儀器,可彌補傳統(tǒng)實驗教學(xué)條件的不足,還可徹底打破時間與空間的限制,創(chuàng)新實踐教學(xué)的方法和手段,培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識.大到宇宙天體,小至原子粒子,學(xué)生都可以進(jìn)入這些物體的內(nèi)部深入觀察和了解.如電腦太空旅行、化合物分子結(jié)構(gòu)顯示等虛擬實驗.一些需要幾十年甚至上百年才能觀察的變化過程,通過基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的虛擬實驗室,學(xué)生可以在很短時間內(nèi)通過虛擬實驗來觀察和學(xué)習(xí).例如,生物中的孟德爾遺傳定律,用果蠅做實驗往往需要幾個月的時間,而運用虛擬現(xiàn)實技術(shù)在一堂課內(nèi)就可以實現(xiàn).基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的虛擬實驗室在實踐教學(xué)中的應(yīng)用創(chuàng)新了實踐教學(xué)的方法和手段,它用三維實景虛擬現(xiàn)實過程,提供虛擬現(xiàn)實技術(shù)展現(xiàn)無法觸及的物體和看不見的變化,甚至自然界或現(xiàn)實生活中不可能存在的事件,為培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新意識提供了有利條件.

2.2 創(chuàng)建虛擬實驗環(huán)境,創(chuàng)新實驗教學(xué)體系,培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神

虛擬實驗室能夠為學(xué)生創(chuàng)建生動、逼真的虛擬實驗環(huán)境,學(xué)生足不出戶便可做各種實驗,甚至一些由于受實驗場地、設(shè)備和經(jīng)費等硬件條件的限制而無法開出的實驗,獲得與真實實驗一樣的體會.運用虛擬實驗室進(jìn)行創(chuàng)新實踐教學(xué),建立新型的與課程體系相對應(yīng)的演示與驗證實驗、綜合與設(shè)計實驗、創(chuàng)新與前沿實驗三層次的實驗項目體系,提高學(xué)生綜合素質(zhì),培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神和實踐能力.例如在虛擬實驗室中,學(xué)生學(xué)習(xí)建筑工程知識時可自由地在虛擬建筑物中游歷,了解各類建筑設(shè)計的特色,通過特定的Web3D功能還可透視建筑物的內(nèi)部結(jié)構(gòu),學(xué)生可親身模擬搭建各類建筑的過程.親身去經(jīng)歷、親身去感受比空洞抽象的說教更具說服力,主動地去交互比被動地灌輸,更能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和創(chuàng)新意識,培養(yǎng)和提高學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新能力.在多媒體實驗室內(nèi),學(xué)生可以全方位、多角度觀察和了解計算機硬件,還可以通過游戲的方式組裝多媒體計算機,實現(xiàn)了寓教于樂的教學(xué)境界.這些體驗都是在傳實驗教學(xué)中無法實現(xiàn)而學(xué)生極感興趣的,從而可加速和鞏固學(xué)生對知識的學(xué)習(xí),提高學(xué)生綜合素質(zhì),培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神和實踐能力.

2.3 創(chuàng)建新型的虛擬實踐實訓(xùn)基地,創(chuàng)新實踐教學(xué)內(nèi)容,培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力

利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)建立的虛擬實驗實訓(xùn)基地,其“設(shè)備”與 “部件”多是虛擬的,還可以隨時生成許多新設(shè)備,實驗實訓(xùn)教學(xué)內(nèi)容可以不斷充實和更新,使實踐訓(xùn)練及時跟上技術(shù)的發(fā)展,促使單一技能訓(xùn)練向培養(yǎng)學(xué)生多項能力轉(zhuǎn)變,加深學(xué)生對本專業(yè)的認(rèn)知度,掌握一定的動手能力;虛擬現(xiàn)實技術(shù)的沉浸性和交互性,使學(xué)生能夠在虛擬實驗學(xué)習(xí)環(huán)境中扮演一個角色,全身心地投入到實驗學(xué)習(xí)環(huán)境中去,把以教師為主體轉(zhuǎn)變成以學(xué)生為主體,激發(fā)和培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主動創(chuàng)新意識,引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)實驗實訓(xùn)教學(xué)大綱自主設(shè)計實驗方案、安排學(xué)習(xí)內(nèi)容和日程,提高學(xué)生在實驗實訓(xùn)中發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力.這非常有利于學(xué)生進(jìn)行各種技能訓(xùn)練.例如教學(xué)技能、體育技能、外科手術(shù)技能、軍事作戰(zhàn)技能、汽車駕駛技能、電器維修技能和果樹栽培技能等各種職業(yè)技能的訓(xùn)練.虛擬的實驗訓(xùn)練系統(tǒng)無任何危險,利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)進(jìn)行虛擬實驗實訓(xùn)可規(guī)避風(fēng)險,在真實實驗或操作往往會帶來各種危險的實驗實訓(xùn)中,學(xué)生在虛擬實驗實訓(xùn)環(huán)境中,可以放心地去做各種危險的實驗,可以不厭其煩地反復(fù)練習(xí),直至掌握操作技能為止.例如:在虛擬的飛機駕駛訓(xùn)練系統(tǒng)中,學(xué)員可以反復(fù)操作控制設(shè)備,學(xué)習(xí)在各種天氣情況下駕駛飛機起飛、降落,通過反復(fù)訓(xùn)練,達(dá)到熟練掌握駕駛技術(shù)的目的,還可免除學(xué)員因操作失誤而造成飛機墜毀等的嚴(yán)重事故;在虛擬物理實驗實訓(xùn)室學(xué)生可做原子核裂變等實驗;在虛擬地理實驗實訓(xùn)室學(xué)生可做火山噴發(fā)等危險性實驗;在虛擬化學(xué)實驗實訓(xùn)室學(xué)生可做燃燒、爆炸等具有高危險性的實驗.這種新型的虛擬實驗實訓(xùn)基地為學(xué)生提供了無限的虛擬體驗,加速和鞏固了學(xué)生學(xué)習(xí)知識的過程,培養(yǎng)了學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新能力,提高了學(xué)生的綜合素質(zhì).

3 結(jié)束語

針對傳統(tǒng)的實踐教學(xué)存在以教師為主體且實驗內(nèi)容單一、實驗缺乏靈活性,不利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新能力等問題,運用基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的虛擬實驗室進(jìn)行大學(xué)創(chuàng)新實踐教學(xué),建立新型的實踐教學(xué)體系,創(chuàng)新實踐教學(xué)內(nèi)容,改變傳統(tǒng)的以傳授知識為主的封閉式教學(xué),啟發(fā)學(xué)生積極參與討論,注重培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力;引導(dǎo)學(xué)生積極思考,敢于想象猜測培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造性地發(fā)現(xiàn)問題與解決問題的能力;激發(fā)學(xué)生的求知欲,培養(yǎng)學(xué)生持久的學(xué)習(xí)興趣和愉悅的情感體驗,使學(xué)生有目的地和自覺地進(jìn)行創(chuàng)新思考和實踐活動,培養(yǎng)和提高學(xué)生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力.通過基于虛擬實驗室的大學(xué)創(chuàng)新實踐實訓(xùn)教學(xué),鞏固了學(xué)生所學(xué)的基礎(chǔ)知識,拓寬了知識面,豐富了實踐經(jīng)驗,提高了實踐能力和創(chuàng)新能力.它以其自身強大的實驗教學(xué)優(yōu)勢和潛力,將會受到教育工作者的重視和青睞,在教育、培訓(xùn)等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用并發(fā)揮其重要的作用[5].

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[3]朱韶平.基于Web ActiveX數(shù)據(jù)控件的網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室構(gòu)建[J].計算機技術(shù)與自動化,2010,(12):104-106.

[4]梁宇濤.虛擬現(xiàn)實技術(shù)及其在實驗教學(xué)中的應(yīng)用[J].實驗技術(shù)與管理,2006,(3):81-85.

[5]郭天太.虛擬現(xiàn)實技術(shù)在高等教育中的應(yīng)用及其意義[J].寧波大學(xué)學(xué)報,2006,25(1):103-106.