面向自主學習的虛擬實驗體系構建探索

翁振雷

摘要：針對當前實驗實訓教學效率低下等問題，探索加強學生工程及創新能力培養的實驗實踐教學模式的改革。建設以數字化學習資源、虛擬儀器、虛擬實驗等輔助教學為內容的實踐教學平臺，以此形成一個新型虛實結合實驗學習環境。搭建滿足學生自主學習需要的資源豐富、特色鮮明的自主學習服務，激發學生在實驗實訓過程中以“驗證”為主向以“創新”為主轉移。

關鍵詞：自主學習;實驗教學;虛擬實驗

中圖分類號：TP393? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）14-0132-02

Abstract： In view of the low efficiency problems of experimental teaching， we explore the reform of the experimental practice teaching mode to strengthen the training of students' engineering and innovation ability. The paper proposes to construct teaching platform with digital learning resources， virtual instrument， virtual experiment teaching content， so as to form a new type of combining virtual learning environment. Building the autonomous learning services to meet the needs of students' autonomous learning with rich resources and distinctive features， we inspire the students motivation transfer from "verifying" to "innovation" in the process of experimental training.

Key words： autonomous learning; experiment teaching; virtual experiment

實驗教學改革是研究探索型教學、基于問題學習的突破口，實踐能力培養為創新型高素質工程人才培養的著力點。傳統的計算機控制技術實驗設備存在著投入成本高、使用率低等問題。隨著通信和計算機技術發展，基于網絡的虛擬實驗平臺和遠程實驗操作平臺建設由于不受時間和空間的限制，具有得天獨厚的開放、共享性，是未來發展的重要趨勢。虛擬實驗[1]是指借助于多媒體網絡技術、仿真和虛擬現實等技術，在計算機上對傳統實驗各操作環節的模擬和仿真，實現基于虛擬儀器的開放的虛擬實驗系統的設計和實踐。能為不同年級、專業、不同興趣和愛好的學生提供更寬廣的實驗平臺和支撐協同創新、虛實結合的自主實驗環境，成為工程人才培養的重要支撐平臺。開放式虛擬實驗對于強化學生的動手能力和工程適應能力，全面提升學生工程技術的綜合素質具有重要意義[2]。

1 架構體系

本文以提升學生工程能力、創新能力和綜合能力為目標，創新工程人才培養模式，重點開展融入信息化技術的工程人才理論教學、實驗和實踐教學以及綜合育人模式的改革，實現信息化與工程教育的深度融合，支持學生自主知識構建，支持協作式、探究式、移動式和研究性學習，重視課前教學、強化課中教學、拓展課后教學，提供課程教案獲取、答疑、移動訪問的交流溝通，加強知識關聯，提供個性化推送服務，建設自主開放、虛實結合的實驗和實踐教學平臺。從而提升學生的工程能力、創新能力和綜合能力;在以信息化技術提升創新型工程人才培養的方面進行改革、實踐并取得突破。

為了實現培養模式改革的目標，需要在資源庫等方面給予支撐，構建涵蓋虛擬儀器資源、文獻資源、精品課程和實驗資源的優質共享數字資源庫為主要內容，已各類在線學習服務、虛擬社區為自主學習平臺的架構體系，如圖1所示。

與傳統教學方式完全不同，開放式虛擬實驗對于強化學生的動手能力和工程適應能力，全面提升學生工程技術的綜合素質具有重要意義。運行平臺建設是實驗室信息化建設過程中的一項基礎性工作，優質實驗資源庫建設、平臺開放共享服務是資源開放共享的深入階段，虛擬實驗構建和實驗模式創新是實驗室信息化建設的高級階段[3]。熟練使用信息化教育教學手段也是信息類專業學生實踐能力培養的重要組成部分。

2 開放式虛擬實驗環境構建

2.1 實驗資源庫構建

充實更新教學資源內容開發，按學科或其他內在關系形成資源庫，以課程為組織單位，實現全庫搜索查詢及數據挖掘，完善教學資源元數據編建工作，為校際及區域共享做準備。加大校內外各種教學資源的積累與整合，建立教學資源庫，積極尋求校際、區域間的資源共享;突出學生在學習過程中的自主地位，為本科教學工作提供一個手段多樣內容豐富的統一教學平臺。如文獻[3]對電子電路實驗教學資源進行了構建。杭州電子科技大學依托學校各類實驗教學示范中心，遴選典型實驗項目、科研成果資源，以學科為線索，按專業分類，構建專業實驗項目虛擬庫、遠程控制實驗、數字化實驗室，完成信息類新興產業專業教學典型實驗資源庫構建。資源庫將依托云計算子系統和云存儲子系統建設，將海量資源放置于云存儲系統上，為校內的業務部門提供統一的資源共享和交流平臺。

2.2 基于虛擬儀器技術的實驗平臺

借助網絡虛擬實驗平臺，學生通過網絡系統遠程登錄，采用虛擬儀器平臺開發模擬的實驗系統，開展各種仿真模擬實驗，虛擬儀器模擬顯示實驗設備，具備軟件即為硬件設備的功能;學生利用個人計算機進行控制算法仿真，再經過網絡傳送給真實的實驗裝置，并通過遠程實驗系統獲? ?實時測量數據，以驗證控制算法和技術的可行性、先進性，以開展創新性學習;學生可以通過網絡進入真實的實驗裝置，通過視頻信息和在線數據處理系統，實時觀測實驗過程，得到真實的實驗結果;學生甚至可以通過遠程控制技術，對實驗儀器設備進行操作，并遠程觀測實驗過程與結果，并實時采集實驗數據，在客戶端計算機上完成數據分析和處理[4]。

改變以往固定實驗箱教學模式，按課程由教師建立網絡元件庫和實體元件庫，教師在網上布置實驗要求，學生通過網絡選擇元器件自主設計實驗并仿真，經教師確認后學生選好實驗時間到指定的實驗室領取元器件獨立完成實驗。基于網絡的虛擬實驗平臺可以滿足科研教學對分布式實驗系統的要求，還可以解決實驗設備、實驗場地等實驗教學資源不足的問題。

2.3互助式的虛擬實驗社區平臺

實驗室信息化建設為實驗興趣教學、實驗創新教學、實驗開發應用教學提供廣闊的空間，適應大眾化辦學時代、開放性辦學趨勢。在學校實驗室與大型儀器開放共享管理系統下，讓學科專業精英引導同學自主、研究型學習;以強化工程能力為導向，通過網上實驗項目建設以及在線能力測評系統的開發和應用，構建交互式網絡實驗教學環境，精講多練，融理論教學與實踐教學之中，在“做中學、做中研”以及“基于項目的學習”，提高學生的創新實踐能力和學習主動性。建設管理內容包括實驗課程資源、競賽專題、積分排名、學科專業精英等[5]。

3 支持自主學習的開放式社區

3.1在線自主學習服務

探索融入信息化技術的工程人才培養教學模式的改革，通過構建一個網上網下、課內課外和理論實驗互動的一體化綜合學習社區[6]。

搭建滿足學生自主學習需要的功能全面、資源豐富、科學有效、特色鮮明的網絡自主學習服務。充分利用現代信息技術向自主學習個體提供多樣化的數字化學習資源，以及自主學習所需的知識管理及學習過程管理服務，結合教育社交網絡在校園范圍內實現促進教學資源的創建、分享、整合，并試點數字化課程教材，突破時空限制，滿足學生全方位的自主學習需求。

以杭州電子科技大學程序設計在線自主學習與評測系統（簡稱HDOJ，即HDU Online Judge）為例，系統上線以來一直應用于我校高級語言程序設計課程的教學（包括C語言程序設計、C++程序設計、Java程序設計、ACM程序設計等相關課程），平臺題庫題目5300多道，注冊用戶數量30萬多個，課件下載數量16萬多次，系統總提交量1500萬多次。除應用于課堂教學外，平臺還承載了眾多的程序設計競賽。該平臺能夠對程序代碼進行評判，同時提供海量題庫供學生練習不僅可以自動生成需要的試卷，而且可以自動評判編程題;不僅支持判斷題和選擇題等客觀題的自動評測，也支持程序填空題和程序設計題等傳統的主觀題的自動評測。通過自主學習平臺，徹底改變傳統的程序設計類課程的編程練習和考試模式。

3.2 基于社交網絡的學習社區平臺

社交型學習社區的建設，旨在利用運用社交網絡整合學校各方資源與服務，提供一個讓學校活動的各類參與者平等交流互動的平臺。而具體運用到學習活動的開展上，最具體的實踐應用即是能讓學生在課堂之外討論跟課堂內容相關的話題。使用年輕群體喜聞樂見的社交媒體形式進行這類互動往往沒有課堂的嚴肅，刻板，以及對時間的限制，可以讓學生在一種自由，放松的狀態下發表自己的看法，分享自己的信息，在無形中對所學內容做一個復習，拓展和深入。以往在傳統教學中，缺少一種強大的機制，讓學生之間能在課后還聚在一起就某個話題進行深入討論。而且基于某個課堂話題的討論針對性更強，因為它們實際上是屬于教師在線下發起一個話題，意猶未盡的學生在線上討論補充，而且假如未來教育社交網絡健康發展，那么理想情況下還會有教師在下一次課對線上信息的總結和呈現，構成一個從線下到線上再到線下的良性循環[7]。

3.3 基于云計算的社區移動

移動學習的實現主要通過社區平臺的移動接入建成[8]。社區平臺將配套開發建設移動版及專用移動客戶端，實現學生用戶對社區平臺的跨平臺多終端無縫接入，在線或離線方式獲取使用社區平臺在云端整合提供的各類教學資源及服務，進行自主學習計劃和事務辦理，通過社區參與交流與分享等。而其他社區用戶，比如管理部門則可以通過移動客戶端進行重要通知公告等信息的發布推送，教師用戶也可以將課程知識點做成適合移動網絡分發的移動課件通過客戶端向學生用戶進行推送，在線指導學生進行學習，在線與學生進行交流等。

移動學習的開展不僅將為學生提供一種新型的學習方式，讓學校的教學質量得到提高，讓教學資源的利用效率得到提升，還可以提升學校對學生的服務質量，使學校管理水平邁上新的臺階。

4 結束語

通過面向自主學習的虛擬實驗學習環境的有效構建，進一步將實驗實訓從以“驗證”為主向以“創新”為主轉移，進一步強化學生的動手能力和工程適應能力，全面提升學生工程技術的綜合素質。探索和推廣實驗資源精品化、實驗資源網絡化、實驗活動遠程化、實驗管理信息化為特征的實驗教育信息化模式，凝練實驗教學個性化、實驗學習自主化、多學科實驗協作化的現代工程實驗教育品質，打造高校實驗室建設管理信息化品牌。我校對實驗教學創新模式進行了探索，大力推廣“以學生的學習為中心、關注課內外一體化學習、關注學生的學習效果”的課程教學理念，努力促進實驗教學由單一實驗向綜合性實驗的轉變;實物實驗向虛擬實驗與實物實驗相結合的轉變;由實驗室向互聯網場所的轉變。

參考文獻：

[1] 呂新穎，余文勝.國家級虛擬仿真實驗教學項目建設與思考[J].教育教學論壇，2020（10）：389-390.

[2] 李鵬.自主學習的在線學習系統研究和發展[J].電腦知識與技術，2016，12（16）：60-61.

[3] 王永慧，馬學條，鄭雪峰.電子技術在線虛擬仿真實驗教學項目建設研究[J].無線互聯科技，2020，17（3）：121-122.

[4] 王秀萍，張方.虛實結合擴大大型儀器設備對本科實驗教學開放[J].實驗技術與管理，2014，31（4）：237-239.

[5] 張寧，趙毅強，蘭馗博，等.“新工科”背景下關于虛擬仿真實驗的幾點思考和建議[J].實驗技術與管理，2020，37（3）：185-188.

[6] 李瀅潞，朱志強，張山，等.基于雨課堂和項目驅動的數字電子技術混合式教學模式的探究[J].中國現代教育裝備，2020（11）：79-83.

[7] 楊海寧，張微微.開放大學與社區教育資源共建共享平臺設計——以江蘇終身學習資源庫為例[J].電腦知識與技術，2020，16（4）：123-125.

[8] 石英.嬗變與守望——互聯網時代下微—移動社區學習平臺發展策略[J].新聞研究導刊，2019，10（19）：35-36.

【通聯編輯：王力】