應(yīng)用型高校在“互聯(lián)網(wǎng)+”背景下虛擬實驗室構(gòu)建模式應(yīng)用

張杰 周偉 朱珺

1.攀枝花學(xué)院網(wǎng)絡(luò)與計算機(jī)中心；2.攀枝花市電化教育（技術(shù)裝備）中心

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的廣泛應(yīng)用與發(fā)展,基于“互聯(lián)網(wǎng)+”模式下的虛擬實驗室遠(yuǎn)程教學(xué)方式越來越受歡迎，虛擬實驗室構(gòu)建成為近年來的熱點。本文從虛擬實驗室的技術(shù)特點入手分析了應(yīng)用教學(xué)的優(yōu)點,提出了“互聯(lián)網(wǎng)+”模式下高校建設(shè)虛擬實驗室構(gòu)建方案、構(gòu)建模式極其構(gòu)建效果，為今后應(yīng)用型高校建設(shè)虛擬實驗室給予借鑒和幫助。

近年來隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的廣泛應(yīng)用與發(fā)展，基于“互聯(lián)網(wǎng)+”模式下的虛擬實驗室遠(yuǎn)程教學(xué)以一種全新的教學(xué)方式越來越受歡迎。由于虛擬實驗的開放性、共享性和便捷性特點不斷顯現(xiàn)，因此“互聯(lián)網(wǎng)+”模式下的基于“互聯(lián)網(wǎng)+”模式下的虛擬實驗室建設(shè)是對目前興起的計算機(jī)遠(yuǎn)程實驗教學(xué)的一個發(fā)展，能夠使學(xué)生在互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下通過實驗室平臺實現(xiàn)更加便捷、深入地學(xué)習(xí)實踐教學(xué)課程內(nèi)容。

1 虛擬實驗室的發(fā)展現(xiàn)狀及問題

高校最初發(fā)展的傳統(tǒng)型虛擬實驗室，是開發(fā)虛擬實驗軟件對一些物理、化學(xué)、生物現(xiàn)象和行為過程進(jìn)行模擬的實驗。仿真實驗在教學(xué)應(yīng)用中的優(yōu)越性體現(xiàn)在仿真環(huán)境比真實環(huán)境更具有操作性、可控性，主要表現(xiàn)在：

（1）虛擬實驗室集成了較為完善實驗實踐教學(xué)內(nèi)容[1]。虛擬實驗室包含各學(xué)科教學(xué)常規(guī)實驗，其中實驗中使用的儀器設(shè)備、實驗使用的藥品、實驗的具體操作方法及流程、實驗的背景知識、實驗的基本原理、實驗使用的儀器詳細(xì)構(gòu)造及特點、實驗注意問題和事項等實踐內(nèi)容均包含。學(xué)生通過實驗操作便于全面了解和掌握實驗的內(nèi)容和要點，起到教學(xué)輔助和促進(jìn)作用。

（2）虛擬實驗具有仿真性、實踐性和直觀性的特點。采用計算機(jī)仿真模擬技術(shù)開發(fā)的虛擬實驗，可以讓學(xué)生有機(jī)會了解到價值高、品類新的儀器設(shè)備，較為真實的觀察儀器設(shè)備內(nèi)部構(gòu)造，甚至可以高倍數(shù)高清顯示實驗現(xiàn)象，例如，展示顯微鏡下的實驗圖像、醫(yī)學(xué)解剖過程及解剖部位的圖像等。較直接實驗更直觀、更方便；具有優(yōu)質(zhì)的多媒體效果，將音樂、聲效、動畫相融合，具有高品質(zhì)的過程動態(tài)效果，易于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。

（3）虛擬實驗便于實驗的評價和成果積累[2]。虛擬實驗通過計算機(jī)完成，可以有效記錄學(xué)生實驗操作的全部過程，便于評判實驗操作的正確性，正確記錄實驗的數(shù)據(jù)和成果，便于學(xué)生進(jìn)行后期實驗分析和實驗報告的完成，可以記錄和保存全套的實驗成果資料。

但是，多數(shù)高校是基于傳統(tǒng)型虛擬實驗室的特點和構(gòu)建，高校投資大，課件資源不豐富，利用率不高，后期技術(shù)保障和服務(wù)支撐不足，制約虛擬實驗室的快速發(fā)展。分析虛擬實驗室發(fā)展的瓶頸，主要有：

（1）教學(xué)資源建設(shè)內(nèi)容單一，系統(tǒng)性不強(qiáng)。由于虛擬實驗的教學(xué)優(yōu)勢明顯，很多教學(xué)中的教師積極參與虛擬實驗的資源建設(shè)，但是由于建設(shè)的資金局限，多數(shù)為教學(xué)教研項目資金、科研資金和學(xué)校專項建設(shè)資金，資金的經(jīng)費一般不太充足，結(jié)果是開發(fā)的教學(xué)資源單一，不完整，系統(tǒng)性不強(qiáng)；另外，參與開發(fā)的教師資源不是很完善，一般是相同學(xué)科的部分教師參與或是一個教研室參與，開發(fā)力量一般顯得很單薄。

（2）軟件的開發(fā)能力和維護(hù)能力不足。開發(fā)虛擬實驗系統(tǒng)軟件，一般是采用項目組中計算機(jī)能力較強(qiáng)的專業(yè)教師、在校研究生、外聘技術(shù)人員等參與系統(tǒng)開發(fā)，系統(tǒng)開發(fā)的周期較短，開發(fā)的軟件產(chǎn)品顯得不是很成熟，軟件的應(yīng)用中缺乏后期維護(hù)人員和維護(hù)經(jīng)費支撐，導(dǎo)致虛擬實驗系統(tǒng)軟件應(yīng)用效果不好。

（3）資源缺乏運營和共享機(jī)制，開發(fā)熱情不高。一般高校開發(fā)的虛擬實驗系統(tǒng)缺乏較好的運營和共享機(jī)制，開發(fā)的產(chǎn)品缺乏良性的軟件生命周期，產(chǎn)品缺乏運營和共享，不能保證開發(fā)者的軟件權(quán)益，讓開發(fā)者獲得教學(xué)資源建設(shè)的相應(yīng)利益，產(chǎn)品缺乏后期的調(diào)試、維護(hù)、升級、更新，最終讓虛擬實驗系統(tǒng)難以更好發(fā)展。

2 開發(fā)適應(yīng)新時代的虛擬實驗系統(tǒng)

如今，高校需要不斷豐富和發(fā)展用于實驗教學(xué)的虛擬實驗顯得非常必要，為了快速提高使用效果明顯，一些高校、科研院所及軟件公司等諸多力量共同參與計算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)資源建設(shè)，以“互聯(lián)網(wǎng)+”為基本環(huán)境，開發(fā)新模式下虛擬實驗室，為教學(xué)提供技術(shù)保障和服務(wù)支撐，創(chuàng)造創(chuàng)新、發(fā)展、共享、開放的教學(xué)資源開發(fā)和應(yīng)用環(huán)境，促進(jìn)虛擬實驗系統(tǒng)進(jìn)入良性化發(fā)展道路。

建設(shè)適合新時代的虛擬實驗系統(tǒng)的建設(shè)方法和路徑：

（1）建設(shè)基于互聯(lián)網(wǎng)模式的虛擬實驗室。將傳統(tǒng)模式的虛擬實驗室進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)模式的應(yīng)用和升級，將極大地提升軟件的應(yīng)用效果，提升軟件的適應(yīng)環(huán)境，提高軟件的應(yīng)用價值。學(xué)生可以在互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下任一時間、任一地點使用軟件做虛擬實驗，不受實驗課排課、實驗教室等因素干擾，易于與師生互動，易于教學(xué)管理；方便教學(xué)資源共享，一套實驗系統(tǒng)可以多高校、多校區(qū)、多地區(qū)共同使用，提升應(yīng)用效率，提高教育資源的有效價值。

（2）建設(shè)功能復(fù)合型的虛擬實驗室[3]。傳統(tǒng)模式的虛擬實驗室構(gòu)建方案有專門型、混用型或廣泛型虛擬實驗室，這些實驗室的建設(shè)是基于專業(yè)需求建設(shè)，比較單一，隨著信息化發(fā)展，在傳統(tǒng)模式下的虛擬實驗室將朝著復(fù)合型實驗室變革，以傳統(tǒng)的實驗室為基礎(chǔ)，開發(fā)基于互聯(lián)網(wǎng)模式的虛擬實驗室，輔助學(xué)生完成實踐教育環(huán)節(jié)，是極大的補(bǔ)充了傳統(tǒng)實驗室的不足。

（3）建設(shè)融合型虛擬實驗室。目前，受社會經(jīng)濟(jì)的影響，對培養(yǎng)學(xué)生的要求提出的標(biāo)準(zhǔn)和要求，需要培養(yǎng)知識體系較為全面的高素質(zhì)學(xué)生。傳統(tǒng)的高校專業(yè)設(shè)置出現(xiàn)了重疊化和邊緣化，高校專業(yè)需要整合，對學(xué)生的專業(yè)技術(shù)培養(yǎng)需要專業(yè)融合，因此在實驗環(huán)節(jié)的培養(yǎng)需要構(gòu)建更為科學(xué)的專業(yè)融合虛擬實驗室，以滿足學(xué)科整合和融合的需求。

從目前的建設(shè)模式來看，有大致自建模式、購買模式、租用模式、共享模式等。自建模式是完全由學(xué)校組織人員各專業(yè)技術(shù)人員自行開發(fā)軟件平臺及教學(xué)資源庫；購買模式即資金采購模式，一般情況是學(xué)校根據(jù)需求情況購買虛擬軟件平臺及需要的教學(xué)實驗資源庫；租用模式即購買虛擬實驗室軟件平臺及需要的教學(xué)實驗資源庫的使用期限；共享模式即為高校間合作、高校與企業(yè)合作共同開發(fā)建設(shè)虛擬實驗室軟件平臺及教學(xué)實驗資源庫。各建設(shè)模式的特點見表1虛擬實驗室構(gòu)建模式特點表。

表1 虛擬實驗室構(gòu)建模式特點表Tab.1 Characteristic table of virtual laboratory construction mode

從表中數(shù)據(jù)來看，高校在選擇虛擬實驗室的建設(shè)模式的時候，需要綜合考慮學(xué)校的實際情況，要根據(jù)高校的教師技術(shù)實力、經(jīng)費情況、基礎(chǔ)投資、維護(hù)成本等情況綜合分析，選擇適合自己的建設(shè)模式。作為應(yīng)用型高校，考慮到教師的開發(fā)技術(shù)能力不是很強(qiáng)，經(jīng)費不是太充裕，建設(shè)和后期維護(hù)成本等因素，建設(shè)虛擬實驗室目的在于讓師生使用好軟件及資源，建議采用租用模式或共享模式。租用模式優(yōu)點在于不用太多前期投入，不用考慮后期維護(hù)，選擇適合學(xué)校的軟件及教學(xué)資源模塊即可。共享模式則是采用校校合作、校企合作模式共同開發(fā)軟件及教學(xué)資源模塊，擁有共享的知識產(chǎn)權(quán)。優(yōu)點是共建共享的建設(shè)過程中，培養(yǎng)了教師的技術(shù)水平，建設(shè)了適合學(xué)校的教學(xué)資源或特色教學(xué)資源，適當(dāng)節(jié)約資金，也加強(qiáng)了校際交流與合作，同時還擁有共享知識產(chǎn)權(quán)。當(dāng)然，學(xué)校也可采用混合模式，如前期使用為租用模式，后期采用共享模式，根據(jù)學(xué)校的應(yīng)用實際開發(fā)一些綜合性的實驗和新開實驗項目。但無論高校采用哪種建設(shè)模式，均應(yīng)以提高教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效果為目的。

3 “互聯(lián)網(wǎng)+”環(huán)境下虛擬實驗室構(gòu)建

“互聯(lián)網(wǎng)+”環(huán)境下虛擬實驗室屬于遠(yuǎn)程操作類虛擬實驗，學(xué)生可以通過Internet遠(yuǎn)程做實驗時，實驗包含遠(yuǎn)程設(shè)備控制、虛擬現(xiàn)實實驗等，學(xué)生完全可以正常地設(shè)置和修改實驗參數(shù)，觀察實驗的反饋結(jié)果，遠(yuǎn)程下載實驗數(shù)據(jù)。這樣的實驗室比較適合目前的應(yīng)用型高校：

（1）“互聯(lián)網(wǎng)+”環(huán)境下虛擬實驗室基于網(wǎng)絡(luò)形成完善的實驗管理、實驗教學(xué)、實驗交流和反饋的教學(xué)平臺（見圖1）。網(wǎng)絡(luò)的實驗教學(xué)包含在線虛擬實驗項目、實驗演示、作業(yè)部署、實驗批改和成績管理等，涵蓋實驗教學(xué)的全過程。

圖1 虛擬實驗室實驗平臺功能Fig.1 Virtual laboratory experiment platform function

（2）“互聯(lián)網(wǎng)+”環(huán)境下虛擬實驗室不需要太多師資儲備[4]。應(yīng)用型高校教師培養(yǎng)學(xué)生的應(yīng)用能力為主，教師應(yīng)將主要的精力放在教學(xué)及教學(xué)應(yīng)用，以使用好虛擬實驗室的實驗項目為目的，不必要把精力發(fā)在系統(tǒng)研發(fā)方向上。

（3）“互聯(lián)網(wǎng)+”環(huán)境下虛擬實驗室可以減少實驗資金投入，彌補(bǔ)教學(xué)實驗條件和實驗經(jīng)費的缺乏。學(xué)生在互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下進(jìn)入虛擬實驗室開展虛擬實驗，不受時間、地點、實驗次數(shù)的限制，可以反復(fù)多次實驗，不必?fù)?dān)心實驗儀器超負(fù)荷運轉(zhuǎn)而受到嚴(yán)重?fù)p耗，不必考慮實驗耗材的損耗成本，可以提高學(xué)生實驗的積極性和主動性，提高實踐教學(xué)的效果。

（4）“互聯(lián)網(wǎng)+”環(huán)境下的虛擬實驗室具開放性。虛擬實驗資源是屬于互聯(lián)網(wǎng)模式的電子資源，是具有知識產(chǎn)權(quán)的數(shù)據(jù)資源，在滿足知識產(chǎn)權(quán)的利益前提下，該類型的教學(xué)資源能夠滿足教學(xué)資源的開放利用，在互聯(lián)網(wǎng)的環(huán)境下可以高效應(yīng)用，既提高了教學(xué)資源的利用效率，又降低了教學(xué)成本。

（5）“互聯(lián)網(wǎng)+”環(huán)境下虛擬實驗室有共享性[5]。在應(yīng)用型高校的建設(shè)與教學(xué)中，不斷形成一些學(xué)科建設(shè)優(yōu)勢和資源優(yōu)勢，學(xué)校可以與一些優(yōu)勢公司或高校共同開發(fā)教學(xué)資源，開發(fā)成虛擬實驗室的設(shè)色實驗教學(xué)資源，形成教學(xué)資源租用共享的良性發(fā)展模式，適當(dāng)補(bǔ)充資源開發(fā)成本。

目前，虛擬仿實驗項目已涉及電子、機(jī)械、通信、計算機(jī)、物理、化學(xué)、醫(yī)學(xué)等學(xué)科。從使用效果上看，高校開展“互聯(lián)網(wǎng)+”環(huán)境下虛擬實驗室，讓學(xué)生不再受外在條件的制約，學(xué)生可以在各種環(huán)境、空間開展虛擬實驗，可以極大的調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，也可以提高學(xué)生的實踐操作能力、分析和解決問題能力；讓教師虛擬軟件管理平臺高效、及時和準(zhǔn)確獲取學(xué)生學(xué)習(xí)情況，提升教學(xué)效果。

4 結(jié)語

把虛擬實驗技術(shù)應(yīng)用到高校實驗課堂教學(xué)中是實驗教學(xué)的創(chuàng)新方法，是深化教學(xué)改革的方向，也是信息化教學(xué)的趨勢。它改變了學(xué)生的學(xué)習(xí)方式，由被動學(xué)習(xí)變?yōu)樽灾鲗W(xué)習(xí)，提高學(xué)習(xí)興趣，提高了學(xué)習(xí)效率。高校應(yīng)選擇適合虛擬實驗室建設(shè)方式，不僅可以高效組織教學(xué)，節(jié)約實驗室辦學(xué)資金，補(bǔ)足辦學(xué)硬件條件補(bǔ)足，提升辦學(xué)效益。但是虛擬實驗技術(shù)不能完全取代傳統(tǒng)的實驗教學(xué)，因為它也存在實驗結(jié)果理想化、實驗真實感知不足等缺點，因此我們在應(yīng)用教學(xué)中不能極端化，應(yīng)該將兩種實驗方法相結(jié)合，互為補(bǔ)足，取長補(bǔ)短。