虛擬實驗在高校計算機實踐教學中的應用

劉博宇 黃敏 李森林

摘要：隨著虛擬現實（VR）技術的發展，其在高校計算機實踐教學中得到應用。本文簡要分析了不同教學模式的利弊，并給出了虛擬現實技術硬件設施以及相關技術和虛擬實驗場景。最后總結了虛擬實驗在計算機實踐教學中的應用方法。

關鍵詞：虛擬實驗;教學模式;計算機實踐教學

中圖分類號：G434? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）19-0180-02

隨著信息時代的到來，互聯網+教育的教學模式的出現日益影響著高校的教育教學方式，并逐漸改變高校教師的教學理念和學生獲取信息的渠道。其中虛擬現實（VR）技術給高校的計算機實踐教學注入了新的活力和動力，虛擬實驗把計算機中的虛擬技術和現實中的計算機實踐教學相結合，這對于提高教學效果和改善教學質量都起到很大作用，并進一步促進了大學生的實踐動手能力和創新精神，符合高校教育中的信息化教學的要求。

1 不同教學模式

1.1傳統教學模式

教學模式是在一定教學思想或教學理論指導下建立起來的較為穩定的教學活動結構框架和活動程序。傳統的教學模式是一種以老師、書本和課堂為中心的教學模式。往往形成了老師單向灌輸、學生被動接受的局面，使得認知主體的學生在整個教學過程中始終處于被動地接受知識的地位，學生學習的主動性被忽視。這與現代社會對人才培養的要求是不相符合的，這種模式擔負不了培養高素質的創造性人才的重擔，因此，改變傳統教學模式，打造適應新課改要求的高效模式勢在必行。

1.2 VR虛擬教學模式

隨著計算機各種相關技術的發展，尤其網絡技術和VR技術的發展，為教育模式的改變提供了技術支持。 VR技術在教育方面，有著無可限量的潛力，在VR虛擬教室中，VR技術不僅可以在基于傳統的教育模式上的改變發揮著重要的作用，還可以通過VR技術的本身特性，增加新的教學模式，通過虛擬教室教學，VR技術可以提供豐富的教學器材，適合教學課程的場景，以及先進的教學課件，充分的提高了教學的豐富性，也激發了學生們對于學習的興趣，這對于創新式教育有著很大的幫助。

2 虛擬現實技術

2.1簡介

VR技術作為計算機研究的一個新的研究分支，主要包括傳感器、仿真技術、多媒體技術、網絡技術、人工智能技術、人機接口技術術等[1]。其中傳感技術是VR實驗的重要組成部分，常見的設備VR一體機中，采用頭部追蹤和眼球追蹤相結合為基礎條件，配以各種傳感器、鏡片以及屏幕讓人有著身臨其境的體驗。其中重力傳感、磁場傳感、光距離傳感、溫度傳感是一個基本的視覺沉浸感。再加以揚聲器制造的3D音效，更能讓人感覺到虛擬環境的真實感。視覺與音效體驗相結合制造的虛擬環境，交互性強且自然程度高。

2.2虛擬實驗場景

虛擬現實技術是利用各種技術集成生成一種逼真的虛擬環境[2];虛擬實驗是利用虛擬技術使得人能夠與虛擬環境進行互動，并對虛擬對象進行感知操控。在虛擬實驗中，用戶能夠通過虛擬技術實現信息、軟件以及設備等資源的共享和互動操作，提高了設備利用率和用戶自主性。

計算機實踐教學的虛擬實驗建設主要包括：計算機網絡、服務器設備、虛擬終端、虛擬實驗管理等子系統。在實踐教學中用戶可以利用終端，通過網絡實現對虛擬實驗站點的訪問，選擇實驗環境和設備、配置參數、啟動虛擬環境，完成對實驗內容的操作。實驗完成后，再通過虛擬實驗系統將實驗結果數據反饋給用戶。基于虛擬現實的虛擬實驗具有較強的交互性，虛擬主機通過分時系統完成對用戶的及時響應。虛擬實驗系統的模塊可分選取實驗內容、啟動實驗環境、操作實驗、實驗報告與評估、實驗跟蹤與反饋和成績統計等。下面就實驗報告子模塊展開闡述（其他雷同不再闡述），進入實驗報告模塊，教師和學生皆可以完成不同的任務。由于師生權限原因，教師用戶所能查看實驗任務可分為已完成與未完成兩類，教師發布實驗任務前可以根據知識點對實驗過程進行分點要求通過虛擬實驗系統發布于實驗過程中，在學生完成實驗后教師能夠在虛擬實驗系統中對學生的實驗完成情況有一個完整的了解（如：完成時間，具體方式）從中進行對學生加以指導，學生登錄后利用該模塊可以查看自己的學習記錄如圖1所示，可以在記錄中獲得教師的細節指導（分點要求的具體實現過程），并能夠查看實驗報告或下載以及啟動實驗環境進行修改，與其余模塊聯動呈現更好的實驗反饋促進學習。

3 虛擬實驗在實踐教學中應用

下面從虛擬實驗角度，對計算機實驗中的應用方法進行分析探究。

3.1 用虛擬實驗理念改善計算機實踐教學模式

基于虛擬實驗的計算機實踐教學已經得到高校教育管理部門和二級教學單位的高度重視。主要有以下原因：1）虛擬技術有助于提高學生的學習興趣和促進學生對實驗內容的理解和認識。2）虛擬技術方便教師利用網絡資源例題來講解實踐教學內容，有助于學生充分認識和理解計算機實驗的操作過程和具體步驟，保證了實驗實訓課程的教學效果。通過虛擬實驗教學，學生在實驗過程中有條不紊、嚴謹、一點點的深入開展實驗和有目標學習，能全面培養學生的自我學習意識、創新思維和計算機實踐操作能力。

3.2 充分利用好虛擬實驗平臺，促進計算機實踐教學效果

目前高校在虛擬實驗的建設中，投入巨大，比如我校建立了云服務實驗平臺。虛擬實驗平臺的建設大大緩解了高校計算機部分實驗開設的瓶頸，如網絡工程實驗、大數據實驗等，這些實驗需要建立在虛擬的空間上才能很好地模擬完成，開展云服務網絡虛擬實驗突破了傳統實驗對“時、空”的限制，從根本上改變了實驗實踐教學的方式方法[3]，老師可以自由選擇時間進行實驗備課，學生也可以自由選擇時間進行網絡實驗操作，隨時隨地上網能很好解決學生在實驗課堂完成的實驗內容，課下去完成。虛擬實驗環境的建設對老師布置實驗和學生操作實驗提供了一個開放的平臺，大量實驗內容能夠進入到實踐教學中，這樣可以進一步提高學生的各種能力，如動手能力、思維能力、創新能力和綜合素質。

4 虛擬實驗的意義

4.1 有助理論理解

虛擬實驗是利用虛擬實驗設備構建實驗平臺，并完成實驗過程的仿真實現。具體能讓學生在實驗之前，通過計算機網絡進入虛擬實驗環境熟悉實驗相關工作，如實驗設計設備、參數配置、實驗具體內容、實驗過程等，通過預習實驗，可以驗證實驗理論推導的準確性，并能夠完成創新性或設計性高質量的實驗內容。在實驗過程中，對遇到的難題，通過搜集、實操、測試等環節，讓學生對整個實驗的系統設計和實施有了全新的認識。通過這些互動，無論對教學和科研都具有重要促進作用。

4.2 彌補傳統實驗不足

傳統實驗中，高校學院根據實驗內容購買不同的實驗設備，費用高、使用率低。學生做實驗受到時間和空間的限制，不能根據自身的安排實時進行實驗實踐操作，并且實驗設備的使用故障率高，導致學生心情郁悶，興趣降低，達不到實驗教學效果。而虛擬實驗環境的建立是通過虛擬VR技術，完全彌補了以上方面的不足。學生在使用虛擬實驗環境進行實踐操作，根據操作中的實際情況如出現配置錯誤，可以重復及時還原到原始狀態，能加快實驗操作過程，激起學生實驗的興趣。學生通過自我學習，解決問題的過程逐漸積累學習的信心、積極性和主觀能動性。這將有力的激發學生的創造精神。

5 結論

VR技術的快速發展，有力地推動了其在教育、游戲、購物等領域的應用。基于VR技術的虛擬實驗實踐教學能充分利用計算機實驗內容的特點，構建適合計算機實踐教學的實驗環境，從而克服傳統實踐教學的不足，促進教師和學生在實踐教學中的主動地位和提高教學效果，并全面提升學生的實踐能動性和創新性。

參考文獻：

[1] 趙沁平， 周彬， 李甲， 等. 虛擬現實技術研究進展[J]. 科技導報， 2016，34（14）：71-75.

[2] 朱敏， 張際平. 虛擬實驗室及其教學應用[J]. 實驗室研究與探索， 2006， 25（5）：626-628.

[3] 孫燕蓮， 文福安. 虛擬實驗教學的探索與實踐[J]. 現代教育技術， 2009， 19（4）：131-132.

[4] 文福安. 虛擬實驗教學系統的研究與應用[J]. 中國教育信息化， 2008（21）：37-39.

【通聯編輯：王力】