遠程教育虛擬實驗體系構建研究——以工程類專業為例

?

遠程教育虛擬實驗體系構建研究——以工程類專業為例

翁艷，岑美，康凌，劉鴻霆

(四川廣播電視大學，成都610072)

【摘要】利用虛擬實驗輔助教學已經成為一種趨勢，在遠程教育的實驗教學中，尤其成為一種必然。文章探討了遠程教育工程類專業虛擬實驗室體系的構建，通過調查研究分析了遠程教育學習者的特點、學習習慣和學習需求。然后從需求出發，分析了遠程教育工程類專業虛擬實驗室應具備的必要功能。最后設計出虛擬實驗室的框架體系，并分析了各模塊的詳細構成及實現的具體功能。對于遠程教育高校工程類專業虛擬實驗室的建立有一定的借鑒意義。

【關鍵詞】遠程教育;工程類專業;虛擬實驗;構建

一、虛擬實驗

虛擬實驗室是利用網絡技術，將真實實驗虛擬化，用信息化的教學資源，創造信息化教學情境，實現“學員為主體”的自主學習模式。虛擬實驗建立在一個虛擬的實驗環境(平臺仿真)之上，而注重的是實驗操作的交互性和實驗結果的仿真性。虛擬實驗起步較晚，發展卻很快，從投入的經費來講，沒有實驗室建設經費那么龐大，而且最大的優勢是虛擬實驗室不受時間及空間的限制，可以利用網絡教育提高教學效率。虛擬實驗虛擬環境適合于開展網上教學，網上遠程實驗，實現教學手段現代化。遠程教育的學生學習特點之一是工學矛盾突出，虛擬實驗正好可以滿足他們足不出戶，在家就能利用網絡完成實驗。

二、遠程教育工程類專業特點

工程類專業學科的普遍特點是具有抽象性，理論晦澀難懂，工藝流程復雜繁瑣。遠程教育學生的特點是基礎參差不齊，特別對于沒有從事過相關行業的學生來說，晦澀的理論，復雜的工藝、工序，他們學起來都比較困難。實驗、實踐或者實訓課程可以彌補理論學習當中的不足。但是對于大多數遠程教育院校來說，實訓類課程大都開設了，但是未真正去指導學生完成實訓，主要的原因之一是工學矛盾突出，很難統一組織實訓;另一方面，工程類專業的實驗，大都涉及較大型的設備，學校不僅購置設備需要花費大量的資金，而且購買后需要建設實驗室，培訓教師，設備養護等，支出較大，對于很多成人高校存在實驗經費不足的問題。所以遠程教育工程類專業更有必要建立虛擬實驗室。虛擬實驗室的構建，不能只是簡單地將書上的實驗搬到電腦上，應當充分考慮遠程教育學習者的需求，從需求出發，考慮虛擬實驗應具有的功能及框架體系，從而完成虛擬實驗室的構建。

三、需求分析

筆者為了了解遠程教育工程類專業學生對虛擬實驗的學習需求，專門做了一個調查，調查涉及的學生有土建大類學生、機械大類學生、電氣大類學生。從收集的調查結果來看，絕大部分學生認為自己專業增設虛擬實驗是很有必要的(問題:您覺得您的專業有無必要增設虛擬實驗?見圖1)。遠程教育虛擬實驗不受時間及地點的限制，符合學習者的學習需求。

圖1　虛擬實驗增設必要性調查

其次，對于虛擬實驗所開設的內容，學生們的選擇也比較集中，主要為:熟悉一些抽象的原理、了解儀器設備的構造、熟悉某種工序的操作流程、熟悉某種制造工藝。(見圖2)

圖2　虛擬實驗開設的實驗內容

因為這些正是學習者在學習中遇到的困難，而且通過教師的理論講解仍然不能理解透的知識，如果學生以前沒有見過儀器設備，沒有體驗過工藝流程，那么就很有必要借助虛擬實驗來幫助他們足不出戶了解和熟悉相關的知識。通過調查我們覺得不是一定要把所有書本上涉及的知識都做成虛擬實驗，虛擬實驗本身就是用來解決一些較難講解透徹、較抽象的原理，復雜的工藝流程。如果是一些較簡單的理論或者操作，學生能通過講解和學習就掌握的知識就沒有必要做成虛擬實驗。

從課程分類來看，原理類課程、較抽象類課程及操作類課程制作虛擬實驗，較受學生歡迎。原理類及抽象類課程，學習起來比較枯燥，借助虛擬實驗不僅能幫助學生加深對原理的理解，而且能提高學生的學習興趣。操作類課程學生本身比較感興趣，但是教師講起來較費勁，學生如沒有真正接觸過儀器或者工藝，學起來也較費勁。虛擬實驗可以解決教與學兩方面的困難，一方面教師可以借助虛擬實驗課堂講解儀器設備原理及工藝操作流程，另方面學生課下可以自己練習達到熟悉課程內容的目的。

遠程教育工程類專業的實訓課程操作一般有兩種方式，一種是學生自行聯系單位或者在自己的單位進行相關的實訓，一種是學校統一組織，但是第二種方式要實現較困難，學生很難統一時間。第一種方式比較靈活，但是學生不一定能系統地按照規定要求完成實訓。在調查的過程中，絕大部分學生有意愿用虛擬實驗代替實訓(見圖3問題:您是否愿意用虛實驗代替課程實訓?)，這樣可以靈活地運用虛擬實驗較系統地完成實訓要求。

圖3　虛擬實驗能否代替實訓調查

由調查結果總結出，遠程教育工程類專業的虛擬實驗，與一般的虛擬實驗有一定的區別，包括在虛擬實驗開設的課程，開設的內容，與實訓結合等等，結合學生的學習需求進行虛擬實驗體系設計才能更好地滿足學生的要求。

四、功能分析

虛擬實驗本質是為教學服務，為學生服務，在分析了學生的需求之后，就應當對虛擬實驗應實現的功能進行定位。

1.交互良好，方便使用

學生操作虛擬實驗時，要求操作簡便易行，指示明確，界面友好，避免枯燥，要有一定的可視性和趣味性。讓學生不受時間和地點的限制，對各種虛擬實驗進行操作。從目前的形勢來看，網絡版是必需的，在網絡版的基礎上，能開發出手機版是必要的，目前碎片化學習已經成為潮流，手機也成為人們離不開的工具，虛擬實驗如果能做成手機應用App，學生隨時隨地可以進行操作及碎片化學習，更能提高學習效率。

2.整合多專業多學科的實驗內容，滿足實驗教學的需要

虛擬實驗是為了讓學生更加快速方便地學習實驗原理，掌握實驗方法，訓練實驗技能。對于一個學校而言，一般不會是一個專業甚至一門課程就開發一個虛擬實驗平臺，從可行性和經濟性來說，虛擬實驗平臺應當整合多專業多學科的內容，通過網絡技術搭建一個資源整合平臺，實現資源的共享和管理。

3.結合實訓，方便管理

從學生的學習需求來看，虛擬實驗代替實訓是一個趨勢。虛擬實驗可以從兩方面出發設計，一方面就是幫助學生理解和掌握一些抽象原理及工藝、工序流程;另一方面就是結合實訓內容，設計出能夠滿足實訓要求的虛擬實驗。第一方面的內容可不需進行評價，學生通過操作學習理解原理即可;第二個方面的內容，既然是與實訓結合，必然涉及評分，要求虛擬實驗的內容是可判斷正誤并且可以自動評分，分數可以自動計入學生登錄的賬戶，進入教務系統，這樣就可代替實訓。虛擬實驗的內容要實現學生完成并自動評分，最好能按照工藝、工序的操作流程進行設計，這樣學生不僅熟悉了完整的操作流程，評判上也較容易，根據工藝、工序的操作步驟依次給分，實現考評管理。

五、框架體系

虛擬實驗平臺的框架體系在進行需求分析及功能分析之后根據實際情況搭建如下:

圖4　虛擬實驗平臺框架體系

1.登錄管理

虛擬實驗平臺的登錄人員主要有兩類，一類是學生，一類是教師，根據角色的不同，登錄進去后的功能也有不同。學生登錄進去后，可以進行實驗預約及實驗選擇，完成實驗并且教師評分后可以查閱成績，該成績可以作為學生的實訓成績，進入教務系統。查閱成績這個模塊有條件的話，可以包含一個查看錯誤及重做的模塊，因為學生完成實驗后，如果評分較低，或許他們想查看一下錯誤的地方在哪里，也許還想重新操作一遍(注:這個重新操作不一定會重新評分，但是對于學生來說，真正掌握實驗內容才是最重要的)，這樣對于他們的學習效果有較大的提高。教師登錄進去后，根據所分班級的學生完成的實驗，進行實驗報告批改，并給出最后分數，提交到教務系統。

2.實驗室分類

實驗室分類模塊是虛擬實驗平臺的核心模塊，包含若干實驗室，如電工電子技術實驗室、建筑施工技術實驗室、建筑測量實驗室等等，每個實驗室下面可以包含若干個小實驗，若干個綜合實驗。每個實驗包含實驗原理及任務書，學生通過自主學習了解實驗的原理及步驟，需要完成的實驗的要求和內容。學生完成交互實驗后，提交實驗報告，最終完成實驗。小實驗的作用，要求著重實驗原理的練習，可以是綜合實驗的步驟拆解，小實驗不建議評分，可以當學生的熱身或者練習。綜合實驗，一般是一個大型實驗，是這門課程中最重要的核心課程內容，一般是以某個綜合練習為藍本，如用全站儀完成二級導線測量，這里面包含了全站儀的使用原理，導線測量的步驟，邊長測量的原理，角度測量的原理，角度及坐標計算的原理等內容，可以作為一個綜合實驗，能夠較全面地考察學生的綜合能力，通過實驗步驟的一步步進行，按步驟評分，學生完成實驗并提交報告供教師批改后即可獲得實訓成績。每門課程的綜合實驗可以有若干個，側重點可以不同，但要求體現“綜合”二字，要求包含若干個小的知識點或者小實驗，全面考查學生對這門課程的掌握。

3.公告及論壇

此模塊包含了實驗室公告，由管理員及教師發布，學生通過公告可以隨時了解實驗室的實時動態。論壇可以建立起教師和學生，學生和學生之間的溝通的橋梁。學生有問題可以和教師交流溝通，也可以和同學們交流實驗心得。教師可以在論壇里引導一些主題討論，提一些思考性的問題，激發學生的學習興趣，在討論中，增加對實驗的進一步理解，進一步熟悉原理和操作步驟。教師還可以提出虛擬實驗和現實當中的實驗的區別，實驗和實際工作當中的區別在哪里，讓學生明白，便于實際操作。

4.幫助

此模塊包含虛擬實驗平臺的使用說明，可以是文字說明，可以圖文并茂，甚至有動畫演示，幫助學生盡快上手，掌握實驗步驟。此外，可以提供搜索幫助功能，學生根據關鍵字搜索可以快速定位到需要的幫助信息。有條件的話，還可以開通在線幫助，論壇求助等功能，讓學生遇到困難時可以及時解決。

六、結束語

遠程教育工程類專業虛擬實驗室的構建，從學生的需求調查出發，論述了虛擬實驗室的功能和框架體系。虛擬實驗室的建設，對于遠程教育院校來說，十分有必要，也很有意義?？梢詳[脫大部分實訓課程開而不上的尷尬局面，也可以幫助學生提高觀察推理能力，提高實踐技能，提高遠程教學的效果。虛擬實驗的發展前景是非常良好的，也必將在遠程教育工程類專業的教學中發揮重要的作用。

【參考文獻】

［1］吳曉南．高校虛擬實驗室的構建［J］．國外電子測量，2006，(25)．

［2］叢文靜，朱璽寶，趙敏．工程制圖虛擬實驗室的建設及應用［J］．實驗技術與管理，2011，(11)．

［3］萬桂怡，崔建軍，張振果．高校虛擬實驗平臺的設計及實踐［J］．實驗室研究與探索，2011，(3)．

［4］葉步偉，馬德?。摂M實驗技術及其在遠程教育當中的應用［J］．繼續教育研究，2011，(6)．

［5］高潤喜．構建虛擬實驗室及其實踐教學的研究［J］．湖南人文科技學院學報，2007，(4)．

［6］程天寶．發揮虛擬實驗室在高職高專實驗中的作用［J］．成都大學學報:教育科學版，2007，(5)．

［7］宋小軟，趙俊蘭，王獻云．土木工程專業網絡虛擬實驗室建設探討［J］．結構工程:第27卷增刊，2011，(1)．

(編輯/趙曉東)

The Study on Virtual Laboratory System Construction in Distance Education——Taking the Example of Engineering Majors

WENG Yan，CEN Mei，KANG Ling，LIU Hong-ting

(Sichuan Radio and TV University，Chengdu 610072，China)

【Abstract】It is a trend that virtual experiment assists teaching，especially in the experimental teaching in the distance education．This paper discusses the engineering virtual laboratory system construction in the distance education．First of all，the learners' characteristic，learning habit and learning requirement are analyzed through questionnaires．Then，the necessary functions of the virtual laboratory of the engineering majors are analyzed from the results．Lastly，the frame system of virtual laboratory is designed，the constitution and function of all modules are also analyzed．It could provide references for the virtual laboratory system construction of the engineering majors in distance education．

【Key words】distance education; engineering majors; virtual laboratory; constitution

【作者簡介】翁艷(1981—)，女，四川宜賓人，副教授，研究方向為工程項目管理、橋梁結構健康監測。

【基金項目】四川廣播電視大學2014—2015青年教改項目，編號為XM2014001Q

【收稿日期】2015-09-06

doi:10．3969/j．issn．1001-8794．2015．11．011

【文章編號】1001-8794(2015)11-0039-04

【文獻標識碼】A

【中圖分類號】G728