網上虛擬仿真實驗在遠程教育中的應用

黃宇坤

[摘 要]實驗教學是現代遠程中的一個重要教學環節，做好實驗教學工作可以有效確保乃至提升整體教學質量。然而從當前的實驗教學狀況來看，由于其尚且難以適應遠程教育的教學模式，因而已經成為制約遠程教育教學質量提升的一個重要因素。該文在對虛擬仿真網絡平臺這一概念進行簡要分析的基礎上，又進一步分析了其優勢、模塊功能以及主要目標，以期更好地推動網上虛擬仿真實驗在遠程教育中的應用。

[關鍵詞]虛擬仿真實驗;遠程教育;優勢;模塊功能;目標

[中圖分類號] G642[文獻標識碼] A[文章編號] 1674-9324（2020）48-0-02[收稿日期] 2020-10-02

實踐性教學環境對于現代遠程教育而言有著十分重要的意義，作為理論教學的有益增補，其可以有效培養學習者分析與解決問題的能力，直接關乎培養目標的實現，而實驗教學便是實踐教學環節中的一大重要組成部分。從當前的遠程教育實踐性教學工作狀況來看，其主要存在以下兩方面問題：一是遠程教育學習者難以單獨到達學校實驗室，獨立完成實驗;二是當前的實驗教學與遠程教育教學模式不相適應，因而已經成為制約后者教學質量的重要因素。由此看來，改革實踐性教學環節的教學模式勢在必行。接下來，實踐性教學環節的首要研究方向便成了為遠程教育學習者提供“個性化”“自主式”“交互式”且“實時的”的實驗環境[1]，而利用計算機網絡為學習者提供虛擬仿真實驗環境即將成為現代遠程教育技術應用的一大發展趨勢，同時也將成為各大高等院校開展遠程教育工作的一大目標。

一、虛擬仿真實驗網絡平臺

虛擬技術能夠為學習者提供一種可交互更迭的環境，學習者通過人機界面與該環境產生交互，即從個人精神感覺層面“進入”到該環境當中。而仿真則主要是指，從原來的真實系統中所提煉出的抽象模型既能夠如實反映系統的靜態結構和動態結構，同時也能夠如實體現存在于原系統中的人機交互關系。整個的虛擬仿真實驗網絡平臺是由以下幾個部分組成：服務器、教師客戶機、學生客戶機，以及網絡數據庫。其中，服務器是教師客戶機和學生客戶機的中心，擔負著為師生進行身份驗證和傳遞信息的職責，而有如師生信息和各項實驗信息等資料則存儲在管理信息庫當中。此外，教師客戶機的主要任務是負責對學生信息和實驗信息進行遠程管理。

二、虛擬仿真實驗網絡平臺的優勢

（一）虛擬網絡技術和計算機仿真技術的結合體

虛擬仿真實驗網絡平臺充分結合了虛擬網絡技術和計算機仿真技術這兩種技術，主要表現出了如下三點具體優勢：（1）能夠真實反映實驗者技能。從某種程度上來說，實驗者在虛擬實驗環境中進行各項實驗操作，與其在真實的實驗環境中完成各種實驗任務并無不同，而且，虛擬現實外設的引入又進一步縮小了其二者間的差距。因此我們可以說，實驗者在虛擬環境下所得出的實驗結果即是其技能的真實反映。（2）測評結果信度極高。由于計算機程序是實驗成績的評定者，因此，對于每一個實驗者而言，評分都是唯一的，信度極高。（3）實驗技能測評周期短、成本低。由于實驗技能測評是依托于計算機來進行的，因此組織十分方便，整個測評過程的周期將會大大縮短，總體成本也將大幅度降低。

（二）實驗系統本身所具有的優勢

除了前述幾點，實驗系統本身也具有極大優勢，具體來說主要包括以下幾點：（1）虛擬實驗安全性高。實驗者在真實的實驗環境中做實驗時有可能遭遇危險，比如在做化學實驗時有可能遭遇爆炸，但在虛擬實驗環境當中，由于實驗者都是在虛擬的實驗平臺上進行操作，因此可以有效避免各種危險狀況的發生。（2）虛擬實驗避免了一次性物品消耗。在真實的實驗操作過程中，如物理實驗所需的感光材料等一次性消耗品是必須要使用的，而若在基于計算機仿真的虛擬實驗平臺上進行操作，則完全無須做這方面的投入。（3）虛擬實驗省去了準備時間。實驗者若想在真實的實驗環境中進行實驗操作，那么必須要在實驗開始之前進行大量的準備工作，比如準備藥品和實驗儀器等，但做虛擬實驗的話則完全不需要實驗者花費大量時間去做這些準備工作。

三、虛擬仿真實驗平臺的模塊及其功能

總體來說，虛擬仿真實驗平臺主要包括以下三大模塊：教師模塊、學生模塊以及系統自動測評模塊。這些模塊相互獨立，不僅有著不同的適用群體，且還有著不同的功能。

（一）教師模塊

在獲得系統管理員的授權后，教師即可進入系統管理和輔導學生進行實驗。教師登錄成功以后，系統會首先對教師的身份進行驗證，教師在通過身份驗證后即可進入到教師模塊。該模塊的功能主要包括：（1）修改密碼和個人資料。教師可以在該模塊當中修改自己的密碼和個人資料。（2）學生注冊。可以以班級為單位為學生進行注冊，且也只有在籍學生有權進入虛擬仿真實驗平臺。（3）管理實驗課程。該模塊不僅可以增刪實驗課程、制訂實驗報告模板和實驗結果標準數據，且還可以維護實驗項目、管理實驗演示文件和實驗測試題等。（4）開設有留言板與討論區。教師可以在此發布公告、與學生進行交流。（5）批改實驗報告并公布學生成績。（6）進行數據統計。教師可以在該模塊當中進行相關數據（如每個實驗的應完成實驗學生數和已完成實驗學生數等）統計。

（二）學生模塊

在教師代為注冊授權之后，學生才可以進入到系統當中參與實驗。該模塊的功能主要包括以下幾個方面：（1）修改個人密碼。（2）瀏覽設備使用說明，復習課本知識。（3）在線觀看實驗操作流程演示視頻。（4）于實驗前完成預習題測試，測評合格者可于其中下載實驗報告模板。（5）查詢個人成績。（6）留言或參與討論。

（三）系統自動測評模塊

在學生進行實驗的過程中，計算機可以為其記錄包括個人實驗過程、協同工作過程以及實驗操作結果等在內的整個實驗過程，并根據既有的評分規則和主體操作過程、操作結果給出一個客觀評價。由于自動測評模塊中的評分主要涉及實驗者的操作結果和操作序列兩部分內容，因此自動評分的算法也相應地包括以下兩種：一是基于操作結果進行評分;二是基于操作序列進行評分[2]。前者比較簡單，實質上就是對相關屬性進行對比分析，現主要就后一種算法加以描述。

從理論上來說，操作序列自動評分算法的工作條件為答案操作序列和主體操作序列表示方法的確定，也即只要確定了這兩種序列的方法，操作序列自動評分算法就能正常展開其工作。然而從實際角度來說，由于操作序列中動作的先后順序并不影響其評分的正確性，因此要表示正確的操作序列便有了很大的難度。為解決這一問題，我們特意引入“時序約束網絡”思想來表示答案操作序列，也即利用動作發生的時間和動作的信息這兩部分數據來表示該序列，并以此為前提，采用“時間代入算法”進行自動評分。這一操作的基本思想如下：（1）檢查正確答案中所要求的那些動作是否出現;（2）檢查與動作有關的參數是否正確;（3）把動作的時間段代入到正確答案中的相應“時序約束網絡”當中，如若二者相符，則說明操作無誤。接下來，便可以開始構建基于操作序列的評分算法了：一是簡化實驗者的操作序列，也即歸類并合并操作序列;二是檢查實驗者的操作序列中是否具備了正確答案中所規定的全部直接事件，并確定實驗操作發生的時間是否與答案中的“時序約束網絡”相符。

四、虛擬仿真實驗教學平臺的主要目標

概括而言，設計虛擬仿真實驗教學平臺的主要目標包括以下幾點：（1）在不脫離課程教學大綱的前提下，參照傳統實驗教學流程盡可能地滿足學習者的個性化學習需求;（2）以教學大綱為依據，設置和更新實驗項目，設置和查詢學生信息，依托于網絡平臺批改學生實驗報告和反饋學生成績，并管理平臺公告和留言;（3）設置實驗常用儀器設備功能簡介和基于實物完成的演示實驗;（4）判定學生是否具備參與實驗的各項基本條件;（5）于實驗結束后進行系統自動測評，并將成績及時反饋給學生。

五、結語

綜上所述，虛擬仿真實驗教學課程的研發，的確大有利于遠程教育的發展。值得一提的是，教師除了要以教學要求為據來精心設計課程結構，還應注重網絡環境實際，選用適當的多媒體素材進行編輯、組織和壓縮，充分利用聲音和視頻等載體來增強教學效果、增加學生在虛擬實驗中的沉浸感。

參考文獻

[1]李世收.網絡實驗室的設計與實現[J].鄭州大學學報，2002（3）： 66-68.

[2]孫波.用戶操作序列分析在Office技能測評中的應用[J].中國電化教育，2004（3）：42-47.