大數(shù)據(jù)在虛擬仿真實驗教學中的應用

王小娟 周宏元 李秀杰 石南南 劉元坤

摘 ?要：隨著網(wǎng)絡信息技術的發(fā)展，虛擬仿真技術開始應用于各行各業(yè)，伴隨著虛擬仿真技術的不斷提高，應用成本逐漸降低，虛擬仿真實驗教學為高校培養(yǎng)高素質(zhì)人才提供了重要途徑。文章主要探討大數(shù)據(jù)庫依托下的虛擬仿真實驗教學改進方法。首先描述了虛擬仿真實驗教學的特點和教學過程中出現(xiàn)的主要問題，然后分析了大數(shù)據(jù)處理技術的潛在價值，詳細闡述了大數(shù)據(jù)在虛擬仿真實驗教學中的應用，最后提出了大數(shù)據(jù)應用虛擬仿真實驗課程改革中面對的挑戰(zhàn)和應對策略。應用大數(shù)據(jù)技術的虛擬仿真實驗教學能有效提高整體教學效果，有利于為社會培養(yǎng)創(chuàng)新型人才。

關鍵詞：虛擬仿真實驗;大數(shù)據(jù);實驗教學

中圖分類號：G642 ? ? ? 文獻標志碼：A ? ? ? ? ?文章編號：2096-000X（2021）18-0096-06

Abstract： With the development of network information technology， virtual simulation technology has been widely applied in many fields. Continuous development of virtual simulation technology provides an economic way for the experiment teaching， and virtual simulation experiment teaching has gradually become an important way for colleges and universities for student cultivation. This paper more focuses on the improvement of virtual simulation teaching method by taking advantages of large database. Firstly， the characteristics of the virtual simulation experiment teaching and the main problems in the teaching process are described， and the potential value of big data processing technology is analyzed， then big data in the application of virtual simulation experiment teaching is detailed discussed， the challenges and coping strategies of the big data in the application of virtual simulation experiment curriculum reform is stated in the final. In the era of big data， virtual simulation experiment teaching with big data processing technology is able to improve the overall teaching effect and is conducive to training innovative talents.

Keywords： virtual simulation experiment; big data; experiment teaching

為提高高等教育綜合實力和國際競爭力，我國自2015年開始實施“雙一流”教育政策，目的是在21世紀中葉建成高等教育強國，具體體現(xiàn)在提高教學質(zhì)量，培養(yǎng)高素質(zhì)人才，加快高等教育發(fā)展，實現(xiàn)教學管理現(xiàn)代化等方面。在深化人才培養(yǎng)過程中，虛擬仿真教學成為了教學改革的熱點之一。2013年8月，教育部開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作，充分體現(xiàn)了虛擬仿真教學在高校實踐教學體系中的重要地位[1]。為了更好地發(fā)揮虛擬仿真實驗的優(yōu)點，本文提出將當下十分熱門的大數(shù)據(jù)分析技術應用到虛擬仿真實驗中，以大數(shù)據(jù)資源為核心，大數(shù)據(jù)理念為引導，充分挖掘和釋放實驗中數(shù)據(jù)資源的潛在價值，完善教育體系，使學生更快速、更有效、更準確地掌握實驗知識。

一、虛擬仿真實驗教學的特點

傳統(tǒng)理論教學和實驗教學一般采用面授形式，教學方式較為單一，實驗經(jīng)費有限，實驗設施更新緩慢，學生的自學空間狹小，學生學習積極性不高，已嚴重影響了學習效果。隨著網(wǎng)絡信息技術的發(fā)展，虛擬仿真技術開始逐步應用于各行各業(yè)，應用成本不斷降低，為提高高校教學質(zhì)量，高效培養(yǎng)高素質(zhì)人才提供了新手段。虛擬仿真實驗教學是指利用虛擬現(xiàn)實技術和多媒體技術等多種技術手段，模擬各種實驗教學環(huán)節(jié)，學生可以在虛擬實驗環(huán)境中自主探索完成實驗，能夠有效地解決高校實驗設備資源有限的問題。此外，學生可以通過設置不同參數(shù)模擬各種工況開展實驗，進一步自行探索，學生學習積極性提高，學習效果得到提升。虛擬仿真實驗教學方法符合我國注重培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的要求，為高校實驗教學提供新手段。虛擬仿真實驗具有以下幾個特點：

（一）提高高校教學質(zhì)量，完善課程教學資源

隨著虛擬仿真技術的迅猛發(fā)展和普遍應用，高校虛擬仿真實驗室建設得到了國家、各大高校的高度重視，通過近幾年的建設已經(jīng)取得了大量卓越的成果。虛擬仿真實驗教學中，學生可以在虛擬環(huán)境中多次模擬實驗過程，自主探索，然后再進行實物操作，虛實結(jié)合，高校能夠有效地提高實驗教學質(zhì)量。此外，虛擬仿真實驗教學充分整合了多種信息化的先進實驗教學資源，擴充課程教學資源。許多高校開展了多種多樣的虛擬仿真實驗，隨著各高校對虛擬仿真實驗的重視，越來越多的學科都融入了虛擬仿真實驗教學項目，其中一些高校開展了與土木工程專業(yè)緊密相關的虛擬仿真實驗，如中南大學的土木工程結(jié)構(gòu)分析與設計虛擬仿真實驗平臺、同濟大學的基坑施工及性態(tài)虛擬仿真實驗平臺以及北京工業(yè)大學的鋼筋混凝土簡支梁正截面虛擬仿真實驗平臺，圖1為北京工業(yè)大學土木工程國家級虛擬仿真實驗室。

（二）提升學生學習效果

傳統(tǒng)的教學實驗內(nèi)容一般是固定的驗證性實驗，學生只需機械地按照參考步驟進行實驗，限制了學生思維散發(fā)及創(chuàng)新。虛擬仿真實驗教學中，學生可以自主設計實驗形式與步驟，調(diào)節(jié)各種參數(shù)進行對比，激發(fā)了學生的學習自主性、創(chuàng)新性、實踐性，并且能夠更加深刻地理解實驗內(nèi)容和原理。此外，虛擬仿真實驗教學使教師隊伍的教學能力提高，豐富了教學內(nèi)容與形式，增加了實驗的趣味性，創(chuàng)造了教師與學生積極互動的氛圍，提升了學生的學習效果，為了研究虛擬仿真實驗的教學效果，作者將北京工業(yè)大學土木工程專業(yè)60名學生分為兩組：A組和B組，每組30人，分別采用兩種不同的教學方式進行混凝土正截面受彎承載力實驗授課，其中A組采用虛擬仿真實驗教學，B組采用傳統(tǒng)實驗教學，然后進行實驗小測試并統(tǒng)計分數(shù)，滿分為100分，圖2、圖3為兩組考核成績結(jié)果。如圖2、圖3所示，A組成績在90分以上的人數(shù)比B組多7人，80分以上人數(shù)比B組多6人，由此看出，使用虛擬仿真實驗教學方法，學生對實驗的掌握程度更好更全面，知識點的記憶更深刻。虛擬仿真實驗教學方法能夠提升學生學習效果，培養(yǎng)了學生的創(chuàng)新精神、思考能力、實踐能力與自主學習能力。

（三）打破教學條件約束，減少教學成本

利用虛擬仿真實驗教學方法，可以有效解決學生在傳統(tǒng)實驗過程中出現(xiàn)的實驗分組人數(shù)過多、實驗周期過長、效率低下的問題，學生們可以同時登錄系統(tǒng)，自主高效地完成實驗，學生參與度高，有效地避免了傳統(tǒng)實驗過程中出現(xiàn)的只有個別學生動手參與實驗的問題。其次，一些高污染高消耗高成本高風險的實驗，因傳統(tǒng)教學實驗的教學條件有限而無法實現(xiàn)，虛擬仿真教學可以輕易打破這些約束條件，充分體現(xiàn)其優(yōu)勢。此外，傳統(tǒng)實驗教學的實驗試件大部分是教師提前準備好的，學生無法感受其制作過程，虛擬仿真實驗教學方法可以有效解決此問題，學生可以在虛擬環(huán)境中自行操作完成實驗試塊的制作，無形中提高了學生的實踐動手能力，因此虛擬仿真實驗教學對于提高學生實驗參與度，低成本完成多種土木工程經(jīng)典實驗發(fā)揮了巨大作用。圖4為鋼筋混凝土簡支梁正截面受彎承載力虛擬仿真實驗教學示意圖，學生參與度高，積極性強，且實驗周期短，學生們均能同時參與實驗，能夠使用最小的成本得到良好的教學效果。圖5是鋼筋混凝土簡支梁正截面受彎承載力傳統(tǒng)實驗教學示意圖，學生需分組分批進入實驗室，且每組只需按照教師指定的步驟操作完成實驗，得出數(shù)據(jù)，學生無法探索創(chuàng)新，限制了學生思維活躍性，學生積極性不高，試件數(shù)目有限且每組實驗都要破壞一個試件，成本大，教學效果一般。

二、目前虛擬仿真實驗現(xiàn)狀及存在的主要問題

隨著網(wǎng)絡信息時代的迅速發(fā)展，虛擬仿真實驗教學為高校培養(yǎng)土木工程專業(yè)創(chuàng)新型人才提供了新渠道，學校充分利用虛擬仿真實驗平臺，結(jié)合原有的實驗教學條件，提高了實驗教學質(zhì)量。但通過長時間開展虛擬仿真的教學經(jīng)驗來看，虛擬仿真教學仍存在諸多問題，比如：

（一）數(shù)據(jù)資源庫有待進一步豐富

盡管許多高校都開展了虛擬仿真實驗教學平臺建設，但各高校虛擬仿真實驗教學建設與教學都是自主的，彼此之間缺乏交流溝通，沒有統(tǒng)一的標準與規(guī)則，資源共享性差，造成了極大的資源浪費。此外，數(shù)據(jù)庫資源主要來自于開發(fā)廠家與任課教師，數(shù)據(jù)信息有待豐富，數(shù)據(jù)來源有待擴寬。目前虛擬仿真實驗平臺實驗資源庫的資源內(nèi)容、資源庫來源相對單一，這就造成虛擬仿真實驗教學內(nèi)容的訂制與設計不能滿足不同層次不同專業(yè)的教學目標要求[2]。

（二）部分高校與教師對虛擬仿真認識不足，觀念保守

土木類專業(yè)教師的虛擬仿真技術開發(fā)能力、網(wǎng)絡多媒體技術水平是影響虛擬仿真實驗教學平臺建設水平的一個主要因素[3]。虛擬仿真實驗教學平臺的開發(fā)大多由高校與校外企業(yè)合作完成，企業(yè)對教學了解不足，如果教師對于平臺建設參與度不夠的話，開發(fā)的實驗平臺適用性必定會受到影響，學生的使用感受和學習效果也會受到影響，但仍有部分教師不適應新型教育手段改革，對虛擬仿真認識不足，平臺開發(fā)參與度不高，教師們普遍不適應教學方式的轉(zhuǎn)變。

（三）實驗項目有限，且內(nèi)容單一

目前虛擬仿真教學資源的建設主要是針對虛擬仿真軟件、硬件、數(shù)據(jù)及平臺的建設，但一些高校受基礎設施條件約束，不具備開發(fā)建設能力，所以開展虛擬仿真實驗教學的建設力度不夠，進行的實驗項目屈指可數(shù)，且實驗內(nèi)容與實驗流程單一，大多是根據(jù)任課教師的想法設定，無法根據(jù)學生的想法靈活調(diào)整，缺少多元化。

三、大數(shù)據(jù)在虛擬仿真實驗中的應用

虛擬仿真實驗教學方式在完善教學機制，提升學生學習效果方面取得了顯著成效。在大數(shù)據(jù)時代背景下，如何利用大數(shù)據(jù)處理技術得到更好的學習反饋，靈活調(diào)整教學方案，動態(tài)調(diào)整教學內(nèi)容，有效提高仿真模擬教學效果成為了我們需要關注的關鍵問題。本文提出了大數(shù)據(jù)處理技術在虛擬仿真平臺系統(tǒng)中對不同平臺的應用，基于大數(shù)據(jù)分析的虛擬仿真實驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。

（一）大數(shù)據(jù)在虛擬仿真實驗數(shù)據(jù)庫建設上的應用

大數(shù)據(jù)在教學資源平臺建設上的應用主要體現(xiàn)在大數(shù)據(jù)的大量資源將極大擴充實驗教學體系，在虛擬仿真實驗平臺中，所有數(shù)據(jù)都源于真實的實驗記錄，因此可以將各高校相應的實驗數(shù)據(jù)都上傳到同一個網(wǎng)絡平臺，進而拓寬實驗類型及數(shù)據(jù)規(guī)模，搭建虛擬仿真實驗平臺的學校可以不斷更新仿真實驗中所需的數(shù)據(jù)，比如鋼筋混凝土正截面受彎承載力實驗，就可以通過大數(shù)據(jù)庫不斷更新鋼筋尺寸、配筋率、荷載等級、應力應變曲線、破壞形態(tài)及裂縫開展過程等數(shù)據(jù)，圖7為北京工業(yè)大學的鋼筋混凝土簡支梁正截面虛擬仿真實驗界面示意圖，圖中的數(shù)據(jù)包括梁類型、破壞階段、荷載-撓度曲線、荷載-應變曲線等，這些數(shù)據(jù)均可從數(shù)據(jù)庫中提取，實驗完成后實驗數(shù)據(jù)也可共享到數(shù)據(jù)庫中去。虛擬仿真技術、數(shù)據(jù)庫技術和網(wǎng)絡信息技術相結(jié)合，虛擬仿真實驗項目數(shù)量逐漸增多，數(shù)據(jù)資源庫逐漸完備，各個學科領域最新最前沿的知識將進入課堂，進入教學中去，共同搭建更加豐富、完整的虛擬仿真實驗平臺。

（二）大數(shù)據(jù)在虛擬仿真實驗智能分析模塊中的應用

大數(shù)據(jù)在虛擬仿真實驗智能分析模塊中的應用主要體現(xiàn)在采集實驗數(shù)據(jù)，進行歸類、總結(jié)、分析，在實驗過程中智能分析學生在操作過程中出現(xiàn)的問題，給予提示或幫助，讓學生能夠順利完成實驗，并及時補全自己沒有掌握的知識點，然后將實驗數(shù)據(jù)及分析結(jié)果反饋給教師，幫助教師及時掌握學生學習情況，動態(tài)改變教學內(nèi)容、教學方法、教學安排。此外，智能分析模塊能夠智能分析各個參數(shù)的影響和對比分析，能夠幫助學生對實驗原理理解的更加透徹，圖8為北京工業(yè)大學虛擬仿真實驗分析模塊示意圖，此模塊可以分析不同參數(shù)對實驗結(jié)果的影響，幫助學生更加深刻地理解實驗過程。推進虛擬仿真實驗教學信息化有助于提升土木類學生的關鍵知識點掌握和綜合實踐能力，大數(shù)據(jù)的應用能夠完善虛擬仿真實驗平臺，使其更加具備實用性和適用性。

利用數(shù)據(jù)挖掘和數(shù)據(jù)分析技術還可以對虛擬仿真實驗分析模塊進行升級改造，比如：

1. 學生在實驗平臺操作的過程中，遇到不懂的問題，平臺可以隨時為學生提供需要的輔助知識，學生可根據(jù)實驗平臺窗口彈出的知識貼士，對所遇到的困難進行解決及總結(jié)。

2. 平臺可以隨時記錄學生在操作實驗過程中遇到的問題及解決的方法，將記錄數(shù)據(jù)存儲于大數(shù)據(jù)庫，不斷修正智能分析模型，通過數(shù)據(jù)挖掘技術分析在各個實驗過程中學生常見的問題，并對這些數(shù)據(jù)進行自動聚類，根據(jù)聚類結(jié)果自動從網(wǎng)絡中獲取相關知識，供學生在實驗過程中使用[4]。

3. 利用機器學習算法從云平臺的歷史操作數(shù)據(jù)對各個實驗過程進行建模，可以根據(jù)學生歷史實驗操作數(shù)據(jù)分析其存在的問題，如實驗參數(shù)數(shù)據(jù)輸入不當、實驗操作步驟有誤、錯誤的實驗操作所導致的結(jié)果等，并實時反饋給任課教師以及學生，幫助教師了解教學情況。學生如果在進行某個實驗操作過程中系統(tǒng)總是提示錯誤導致實驗無法繼續(xù)進行，平臺系統(tǒng)應該及時發(fā)送信息到教師端，教師可根據(jù)系統(tǒng)提示對學生進行專業(yè)指導，平臺也將記錄本次產(chǎn)生的錯誤及解決方法，并對平臺系統(tǒng)中的實驗貼士進行改進。

（三）大數(shù)據(jù)在虛擬仿真實驗教學管理模塊中的應用

在虛擬仿真實驗教學過程中實現(xiàn)信息化管理，虛擬仿真實驗教學管理模塊主要包括實驗教學管理、實驗教務管理與實驗教學資源管理。此模塊可以通過大數(shù)據(jù)和云計算，分析用戶的學習行為數(shù)據(jù)，針對用戶行為作出有效及時的反饋。教師根據(jù)教學管理模塊得到反饋信息，及時掌握每個學生的實驗學習情況，并加強多媒體、網(wǎng)絡技術的應用，提出實現(xiàn)多階段、多層次實驗的開放教學、管理具體實施方案?；诙嗝襟w虛擬現(xiàn)實技術，結(jié)合大數(shù)據(jù)庫，擴展虛擬平臺的理論知識講解、計算公式說明等專業(yè)知識的介紹模塊，以及儀器參數(shù)、工作流程的介紹，完善實驗教學與理論的緊密結(jié)合，探索虛實結(jié)合的具體實施方案。比如：

1. 設置多層次開放模式：（1）教學實驗室定期、預約開放;（2）虛擬實驗無限時開放;（3）創(chuàng)新基地全天候開放。

2. 設置各種考核要求：（1）過程性考核：實驗過程中嵌入關于實驗原理、實驗方法、操作步驟等方面的題目，旨在考察學生對該實驗項目的掌握情況。學生需按要求操作并正確解答上述所有題目后才能順利完成該實驗項目。（2）實驗報告：實驗結(jié)束后，學生需按照要求完成并上傳實驗報告，以考察學生對實驗原理、實驗內(nèi)容和操作方法等的掌握情況。過程性考核均為客觀題目，由預設程序自動批改;學生需在線提交實驗報告，由后臺教師進行批改并在系統(tǒng)里反饋成績。

（四）大數(shù)據(jù)在虛擬仿真實驗平臺的應用

大數(shù)據(jù)技術的使用使得虛擬仿真實驗平臺的數(shù)據(jù)庫逐漸呈現(xiàn)多元化，用戶可利用該平臺數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)數(shù)字化工程設計，通過參數(shù)設置調(diào)整模擬施工現(xiàn)場以及各種實驗儀器設備，并且通過智能終端對關注的數(shù)據(jù)迅捷地采集、歸類、匯總、存儲、挖掘、分析。圖9為北京工業(yè)大學虛擬仿真多個實驗平臺，以北京工業(yè)大學鋼筋混凝土簡支梁正截面虛擬仿真實驗為例，系統(tǒng)可以進行鋼筋混凝土少筋梁、適筋梁、超筋梁三種破壞形態(tài)的實驗模擬，學生可以在虛擬實驗場景中改變實驗工況和參數(shù)，對每種試件設置截面尺寸、構(gòu)件長度、配筋等參數(shù)模型，改變包含支座形式、分配梁、加載點控制、應變片布設、位移計布設條件完成多次實驗，動態(tài)顯示加載曲線，動態(tài)顯示加載曲線和試件的破壞情況，從而完成多種工況的模擬實驗，彌補真實實驗中實驗條件的限制。將高水平科研成果融入虛擬仿真實驗平臺，虛擬仿真實驗項目范圍擴大，且安全性能夠得到保障，學生可以更快速、更有效、更準確地掌握實驗知識。基于虛擬仿真技術，結(jié)合大數(shù)據(jù)庫，擴展虛擬平臺理論知識講解、計算公式說明等專業(yè)知識的介紹模塊，以及儀器參數(shù)、工作流程的介紹，從而達到培養(yǎng)學生自主模擬實驗、學習理論知識、掌握經(jīng)驗、靈活運用的目的。

四、大數(shù)據(jù)應用虛擬仿真實驗課程改革中的挑戰(zhàn)及應對策略

（一）對教師的挑戰(zhàn)及應對策略

大數(shù)據(jù)時代下，傳統(tǒng)的教學手段已逐漸不再適應新的教學模式，教師可以脫離講臺，學生可以在虛擬環(huán)境中自主學習，自主探索。教師應逐漸適應、熟悉、精通新型混合式教學手段，既要精通專業(yè)知識，又要不斷學習計算機和統(tǒng)計學新理論，此外，大數(shù)據(jù)應用下的虛擬仿真實驗教學對教師的實踐能力也有一定的要求，這無疑是對教師的教學素養(yǎng)提出了更高的要求。如果教師不能適應大數(shù)據(jù)時代變革極有可能會影響教學質(zhì)量。對此，高校應做到：

1. 鼓勵教師成立相關課程組，及時交流與探討。

2. 定期組織教師集體學習運用大數(shù)據(jù)技術。

3. 健全案例教學數(shù)據(jù)及資源，為教師及時提供豐富的教學資料。

4. 組建土木工程實驗室專業(yè)團隊專門與校外企業(yè)對接，開發(fā)更多適用性更強，貼合度更高的實驗項目。

（二）對學生的挑戰(zhàn)及應對策略

面對大數(shù)據(jù)時代下虛擬仿真實驗教學改革過程中的互動教學，自主學習，要求學生充分掌握基礎知識，及時轉(zhuǎn)變學習習慣，并且進行大量的課外學習，掌握現(xiàn)代數(shù)據(jù)應用技能。此外，在新的教學形式下，對學生的心理素養(yǎng)，接納能力提出了更高的要求。

1. 學生應努力提高自己的專業(yè)知識儲備，學習計算機及數(shù)據(jù)應用新理論。

2. 學生應提高自己的心智素養(yǎng)，接納不斷更新的數(shù)據(jù)和方式，積極創(chuàng)新，勇于探索，更快地融入不斷革新的虛擬仿真實驗課程。

五、結(jié)束語

隨著信息技術的發(fā)展，我們正逐漸步入大數(shù)據(jù)時代，大數(shù)據(jù)沖擊著各行各業(yè)，高校人才培養(yǎng)與社會需求之間已存在突出矛盾，越來越多的創(chuàng)新型人才被需要，教育信息化是未來發(fā)展趨勢也是現(xiàn)實需求。以大數(shù)據(jù)為依托，對虛擬仿真實驗教學進行改進，通過讓學生在高度仿真的場景中進行實驗操作，同時利用大數(shù)據(jù)分析模塊調(diào)整現(xiàn)有虛擬仿真平臺的功能，不僅可以節(jié)省大量時間和費用，避免操作實際設備帶來的危險，還提升了學生的學習效果，為提高高等教育教學質(zhì)量、實驗教學改革和解決社會對創(chuàng)新型人才的需求發(fā)揮了重要作用。

參考文獻：

[1]柳洪潔，宋月鵬，馬蘭婷.國內(nèi)外虛擬仿真教學的發(fā)展現(xiàn)狀[J].教育教學論壇，2020（17）：124-126.

[2]王勇，張婷.基于大數(shù)據(jù)分析的計算機網(wǎng)絡課程的虛擬仿真試驗教學研究[J].科技視野，2019（12）：124-126.

[3]李炎鋒，杜修力，紀金豹，等.土木類專業(yè)建設虛擬仿真實驗教學中心的探索與實踐[J].中國大學教學，2014（9）：82-85.

[4]琚生根，孫界平，陳黎，等.大數(shù)據(jù)下計算機網(wǎng)絡虛擬實驗智能分析平臺設計框架[J].實驗室研究與探索，2017，36（12）：113-115+120.

基金項目：北京工業(yè)大學教育教學研究項目“土木工程虛擬仿真實驗教學優(yōu)質(zhì)資源共享與教學模式研究”（編號：ER2020B023）

作者簡介：王小娟（1982-），女，漢族，湖南常德人，博士，副教授，碩士研究生導師，研究方向：混凝土結(jié)構(gòu)教學科研。