基于虛擬仿真實驗平臺的課程教學模式研究

劉芳 林琳 肖紅 趙婭 解紅濤 王穎

[摘 要]該文通過分析傳統實驗教學模式存在的問題，構建了基于虛擬仿真的實驗教學平臺的教育技術學專業實驗課程教學模式，該平臺節約了人力、物力、財力，打破了時空的限制，對提高學生的創新意識有著極為重要的意義。

[關鍵詞]虛擬仿真;實驗教學平臺;教育技術學

[基金項目]2019年度東北石油大學的黑龍江省教改項目“基于虛擬仿真實驗平臺的教育技術學專業實驗課程教學改革探索與應用”（SJGY20190098）;2020年度東北石油大學引導性創新基金“基于學習者模型的在線學習資源個性化推薦方法研究”（2020YDL-11）;2018-2020年度黑龍江省教育廳“基于學生視角的大學生創業能力評價模型研究”（GBD1317016）

[作者簡介]劉 芳（1983—），女，黑龍江大慶人，東北石油大學計算機與信息技術學院副教授，東北石油大學地球科學學院礦產普查與勘探專業在讀博士研究生，研究方向為多媒體與現代教育技術、計算機視覺、地質三維建模及分析;林 琳（1982—），女，黑龍江大慶人，碩士，東北石油大學計算機與信息技術學院講師（通信作者），主要從事虛擬現實與現代教育技術研究。

[中圖分類號] G642.0[文獻標識碼] A[文章編號] 1674-9324（2020）33-0389-02[收稿日期] 2020-03-19

實驗教學是鞏固和加深理論知識的必要教學手段和教學環節，充分利用現代化教學手段，重視虛擬仿真實驗教學資源的建設，有效實現虛擬仿真與現實設備的互動，已成為高等學校實驗教學中心內涵建設的必然方向和行之有效的途徑，對于拓展實踐領域、豐富教學內容、降低教學成本和風險、全面提高學生的工程實踐能力和集成創新意識均具有重要意義[1]。

一、傳統實驗教學模式存在的問題

在高等教育格外注重學生素質教育、動手能力與創新能力培養的今天，雖然一直積極增加投入，以改善實驗教學條件，但仍然滿足不了實驗教學的需求，現實狀況與實驗教學目標需求的矛盾依然存在。（1）實驗場地和實驗設備不足。學生只能利用有限的實驗課堂時間完成實驗，難以提供學生重復實驗的機會，不能有效地開展實驗的預習和復習工作。（2）實驗經費不足。實驗器材無法及時更新，無法購買較為昂貴的實驗設備，學生不能接觸到具有高難度、高技術的實驗。（3）師資力量缺乏。隨著學生數量的不斷增長，實驗教學老師的教學任務也在逐年增加，老師給每位學生的平均指導時間在下降。對于不好理解的新實驗學生往往只能按實驗步驟機械地完成了事，達不到實驗教學的真正目的。（4）受場地和時間的制約[2]。傳統的實驗教學都是在相應時間和相應場地完成實驗，不可能做到對學生隨時隨地開放。學生在學習過程中的一些創新性的思路得不到及時的實驗驗證，客觀上也影響了對學生創新思維和實踐能力的培養[3]。

二、虛擬仿真實驗教學平臺的構建

先以影視節目編導與制作和攝影基礎兩門課的實驗教學為背景，進行虛擬仿真實驗平臺資源庫的研發。旨在突破實驗教學時空瓶頸，體現和落實以學生為中心的教育教學理念[4]。

（一）基于虛擬仿真實驗平臺的實驗教學新模式

基于虛擬仿真實驗的實驗教學模式的理論基礎，結合教育技術專業課程實驗的實際情況，設計基于虛擬仿真實驗平臺的實驗教學模式。具體流程如下。

（1）實驗導入：學生瀏覽實驗過程動畫視頻，通過視頻演示、字幕提示及聲音講解，調動學生學習實驗內容的積極性和學習興趣，激發和刺激學生的學習欲望，明確學習任務，鼓勵其下一步正式參與實驗內容學習。

（2）實驗理論知識學習：本環節正式展開實驗內容學習，旨在向學生提供具體的實驗流程指導及詳細的理論知識基礎，包括實驗目的、實驗內容、實驗要求、實驗準備知識及實驗具體步驟等，細致學習虛擬實驗操作所需知識點。

（3）虛擬實驗互動操作演練：學生對仿真虛擬實驗進行交互演練，通過仿真操作，對實驗內容進行模擬練習。通過構建高度還原的虛擬實驗環境和實驗器材保證與真實實驗環境的相似性，學生在仿真演練過程中掌握實驗內容，為實現知識從虛擬環境到真實環境的正向遷移做好充分準備[5]。

（4）實驗測評：針對每個實驗項目準備自我測試題目，學生通過答題檢測自身對實驗理論知識和操作環節的理論方面的掌握程度，針對薄弱部分進行有針對性的學習，促進知識的鞏固和內化。

（5）上傳實驗作品：學生在實驗學習結束之后進行實際操作，呈現自己的作品，也可在網站內瀏覽其他同學的作品，學生之間及師生之間產生互動交流，將虛擬實驗與真實實驗相結合，實現知識的反饋。與此同時，教師對學生作品的點評和鼓勵，有助于學生獲得學習的成就感。

（二）實驗設備、拍攝環境、人物的三維建模

采用虛擬現實中的三維建模技術，利用三維建模軟件3DS Max對實驗中需要的工具設備、實驗環境等進行三維模型構建，主要實驗設備模型包括攝像機各組成部件模型、照相機各組成部件模型、支架模型、非線性編輯儀器等;用于練習的拍攝環節包括室外場地、實驗教室等;人物建模包括場景漫游導覽、學生、老師以及用于拍攝的石油工人等。

（三）實驗過程的虛擬仿真交互演練

利用三維游戲引擎軟件Unity3D創建虛擬仿真實驗場景，在三維仿真實驗場景中，實現視角的控制、攝像機顯示功能、照相機顯示功能等功能[6]。

（四）實驗過程中的虛擬仿真考評

虛擬考評不僅可以讓學生了解自己對實驗內容的掌握程度，還可以給教師提供學生實驗課前預習的效果數據，針對每項實驗內容學生的得分情況，在線下課堂可以有目的性、針對性、準確型地進行講解，以便調整講解重點，達到更好教學的目的。

（五）移動端虛擬仿真實驗的研發

采用基于Android的App開發技術，開發移動端虛擬仿真實驗平臺，在移動平臺中實現虛擬仿真實驗，實現隨時隨地進行實驗學習。

（六）實驗過程的三維動畫演示視頻開發

采用非線性視頻編輯技術，制作三維動畫視頻。使用虛擬實驗平臺時，首先學習實驗過程動畫視頻，了解基本實驗過程，然后再通過交互操作練習實驗過程，提高學習效果[7]。

（七）虛擬仿真實驗教學平臺網站的創建

利用網絡編程技術、多媒體技術等創建一個易維護、易擴展的虛擬仿真實驗教學網站，包括實驗資源的管理、交流互動、虛擬實驗操作、視頻演示實驗過程、作品提交及在線審批等功能。

三、虛擬仿真實驗平臺的優勢

基于虛擬仿真實驗平臺的教育技術學專業實驗課程教學模式與傳統課堂相比有著顯著的不同，在實驗方案的設計上，教學設計更加新穎、教學方法更加全面、評價體系更加完備、教學效果更加顯著，充分體現了教學技術學專業本身的開放性、多元性、創新性、實踐性的專業特點。學生在不斷實踐的過程中提出一些新的思路和想法，通過利用虛擬實驗平臺的實驗進行驗證，不斷促進新思路的提升和升華，對提高學生的創新意識有著極為重要的意義[8]。

四、結語

以影視節目編導與制作和攝影基礎兩門教育技術學專業的實驗教學為背景，以培養學生的實踐能力、創新能力為核心，引入虛擬仿真技術，構建的虛擬仿真實驗平臺，突破了時空限制，解決了學生實驗實踐創新活動機會少的難題，提高了教育技術學專業的實驗教學質量，形成了一個真正的基于互聯網的優質的高等教育實驗平臺。

參考文獻

[1]張志賓，劉云海，謝宗波，等.“新工科”建設背景下地方普通高校化工虛擬仿真實驗教學體系的探討[J].教育現代化，2019， 6（55）：97-98.

[2]李平，毛昌杰，徐進.開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設提高高校實驗教學信息化水平[J].實驗室研究與探索，2013， 32（11）：5-8.

[3]畢欣宇，劉芳，周凱，等.影視節目拍攝虛擬仿真實驗系統的設計與開發[J].系統仿真技術，2019，15（4）：247-252.

[4]劉海波，沈晶，王革思，等.工程教育視域下的虛擬仿真實驗教學資源平臺建設[J].實驗技術與管理，2019，36（12）：19-22+35.

[5]師亞媛.基于Unity 3D的高職院校虛擬實驗系統的開發與應用研究[D].陜西師范大學，2018.

[6]劉霞，左長輝，劉東東，等.Unity平臺下的交互式虛擬演播場景設計[J].電視技術，2018，42（8）：97-99.

[7]魏育坤.基于Unity3D的虛擬現實交互系統的設計與實現[J].電子技術與軟件工程，2018，（14）：45-46.

[8]強彥，趙涓涓，吳俊霞，等.虛擬仿真實驗教學體系中的幾點問題思考[J].計算機教育，2020，（2）：72-75.

Research on Course Teaching Model Based on Virtual Simulation Experiment Platform：

Taking the Experimental Teaching of Educational Technology Major as an Example

LIU Fang， LIN Lin， XIAO Hong， ZHAO Ya， XIE Hong-tao， WANG Ying

（School of Computer and Information Technology， Northeast Petroleum University，

Daqing， Heilongjiang 163318， China）

Abstract： By analyzing the problems existing in the traditional experimental teaching model， this paper constructs the experimental course teaching model of educational technology specialty based on the virtual simulation experimental teaching platform， which saves manpower， material resources and financial resources， breaks the limitation of time and space， and is of great significance for improving students' innovation consciousness.

Key words： virtual simulation; experimental teaching platform; education technology