開放教育計算機實驗課程VR資源建設(shè)

基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)，搭建開放教育計算機類實驗教學資源平臺，并通過課程設(shè)計與實施、教學效果評估和應(yīng)用案例分析，探索效果，為開放教育計算機類實驗教學資源建設(shè)與應(yīng)用提供理論依據(jù)與現(xiàn)實指導。

開放教育以一種實現(xiàn)全民教育及推動高等教育朝著大眾化、普及化方向發(fā)展的重要形式呈現(xiàn)。而計算機類實驗教學實踐性較強，對設(shè)備依賴性頗高，使得開放教育學生在深刻理解理論知識以及有效提升自身實踐能力上遭遇困境。虛擬現(xiàn)實（VR）技術(shù)憑借其具有的沉浸性、交互性以及多感知性，為開放教育計算機類實驗教學資源的建設(shè)開創(chuàng)了新的可能性。借助虛擬化設(shè)備以及仿真操作，VR技術(shù)能夠突破傳統(tǒng)實驗教學面臨的場地與設(shè)備限制，減少設(shè)備所產(chǎn)生的損耗，營造出安全且靈活的實踐環(huán)境，以助力學生更加直觀地理解設(shè)備運行原理以及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。學生可根據(jù)自身的實訓需求，在滿足獨立桌面操作體驗的基礎(chǔ)上，登錄平臺，對教師已上傳的課件進行預習、實操、實訓。平臺支持學生根據(jù)自身個性化的實驗教學場景需求，靈活、快速地切換操作系統(tǒng)，實現(xiàn)實驗課堂、獨立學習、創(chuàng)研環(huán)境、遠程教育等多種實驗教學場景的應(yīng)用。通過虛擬設(shè)備的交互操作，學生能夠清晰地理解計算機網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及運行原理，掌握復雜系統(tǒng)的配置與調(diào)試過程。本文以“計算機網(wǎng)絡(luò)原理”課程為例，對基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的開放教育計算機類實驗教學資源建設(shè)進行研究，旨在通過提供交互式沉浸體驗，優(yōu)化實驗教學資源，提升學生的實踐動手能力，激發(fā)學生的學習興趣，并且推動開放教育實驗教學模式實現(xiàn)創(chuàng)新。

基于VR技術(shù)的開放教育計算機類實驗教學資源建設(shè)

虛擬現(xiàn)實作為一個跨學科的技術(shù)領(lǐng)域，將算法架構(gòu)、圖形圖像處理以及智能系統(tǒng)、人機界面連同物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等諸多核心要素予以整合，同時把行為科學原理與工程學方法論進行融合。從當前開放教育計算機類實驗教學的具體需求出發(fā)，基于云計算思想與虛擬現(xiàn)實技術(shù)，搭建開放教育計算機類實驗教學資源平臺。計算機類實驗教學資源平臺基于豐富的計算機類VR技術(shù)實訓資源庫（如計算機網(wǎng)絡(luò)設(shè)備拆裝、網(wǎng)絡(luò)拓撲配置、服務(wù)器搭建、路由器和交換機調(diào)試等）而創(chuàng)建，是大型的在線虛擬現(xiàn)實體驗式實驗課程資源系統(tǒng)，是集交互式實操體驗、多媒體資源學習等多功能于一體的立體化數(shù)字課程環(huán)境。平臺通過用戶管理系統(tǒng)、實驗管理系統(tǒng)、資源管理系統(tǒng)、資源門戶系統(tǒng)、VR課件編輯系統(tǒng)5個功能模塊，為開放教育計算機類專業(yè)學生提供全天候的交互式實操體驗。面向開放教育的計算機實驗教學資源平臺可為“計算機網(wǎng)絡(luò)原理”課程提供常態(tài)化在線實驗與輔助學習服務(wù)。

一是實驗場景布局。在進行虛擬實驗設(shè)計時，實驗場景的布局是關(guān)鍵環(huán)節(jié)。“計算機網(wǎng)絡(luò)原理”課程的虛擬實驗場景需以“網(wǎng)絡(luò)實驗室”為核心，結(jié)合課程特點進行設(shè)計。場景布局的構(gòu)建以真實網(wǎng)絡(luò)實驗室為原型，通過Unity 3D軟件實現(xiàn)虛擬化創(chuàng)建，在設(shè)計過程中，注重體現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的結(jié)構(gòu)布局與實際操作的交互需求，合理分布路由器、交換機、服務(wù)器等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，確保功能區(qū)劃分明確且符合實驗流程。通過優(yōu)化視角設(shè)置，用戶能夠清晰觀察設(shè)備的整體結(jié)構(gòu)與細節(jié)。同時，燈光與材質(zhì)的選擇需貼近現(xiàn)實，增強沉浸感與真實性，避免因光線或材質(zhì)問題影響實驗效果。在虛擬實驗場景布局中，鑒于實驗所提出的各類相關(guān)需求，各功能區(qū)應(yīng)以模塊化設(shè)計的方式呈現(xiàn)，保障學生能夠在虛擬實驗室環(huán)境里順利地完成拓撲配置以及設(shè)備調(diào)試等一系列至關(guān)重要的實驗任務(wù)。

二是實驗設(shè)備建模。基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)構(gòu)建的計算機網(wǎng)絡(luò)原理課程中，虛擬實驗設(shè)備建模是核心環(huán)節(jié)。VR場景中的設(shè)備模型作為物理實體的數(shù)字化仿真，無需完全復刻現(xiàn)實設(shè)備的微觀細節(jié)，其設(shè)計需兼顧虛擬環(huán)境的非實在性特征與現(xiàn)實設(shè)備的功能一致性，通過精準映射設(shè)備核心功能以滿足教學需求。模型評估應(yīng)重點關(guān)注符號系統(tǒng)的現(xiàn)實意義表征能力及對實驗問題解決的支撐作用。

實驗室環(huán)境的構(gòu)建以墻面與地面的建模為基礎(chǔ)，通過劃定場景邊界強化沉浸感。在Unity3D平臺中，墻面與地面通常采用拖拽方式快速生成，但該方法易導致接縫問題，影響環(huán)境完整性。為提升場景真實感，基于Vector3方法設(shè)定參數(shù)生成墻面結(jié)構(gòu)，結(jié)合材質(zhì)貼圖賦予物理質(zhì)感，使用布爾運算將墻面與地面整合為統(tǒng)一實體。該方法在保證建模效率的同時，優(yōu)化了虛擬場景的視覺呈現(xiàn)與操作體驗。設(shè)備模型的功能仿真需突破物理細節(jié)限制，通過虛擬化重構(gòu)實現(xiàn)操作邏輯與物理實體的等效映射。實驗環(huán)境的無縫化處理通過算法優(yōu)化彌補了引擎工具的局限性，進一步增強了虛擬實驗的沉浸性與教學適用性。

三是實驗設(shè)備功能實現(xiàn)。在“計算機網(wǎng)絡(luò)原理”課程虛擬實驗環(huán)境中，系統(tǒng)功能架構(gòu)由交互模塊、反饋機制以及判定邏輯構(gòu)成，也是構(gòu)成虛擬實驗平臺的核心要素。交互機制技術(shù)的實現(xiàn)依賴于對特定算法的調(diào)用以及編寫代碼腳本等方式，通過程序化邏輯對實驗進程的環(huán)境變化加以調(diào)控。作為針對學習者操作成效所構(gòu)建的一種具備程序化特征的評估體系而言，判定模塊的技術(shù)核心蘊含著路徑邏輯分析算法這一關(guān)鍵要素。交互機制、反饋響應(yīng)以及評估算法的協(xié)同運作情況之下，使得虛擬仿真實驗平臺得以構(gòu)建起高度還原的實驗場景，同時還能夠提供即時的操作指導。此技術(shù)框架顯著增強了學習過程的沉浸感，并且對實踐教學的質(zhì)量與成效也起到了有效提高的作用。

基于VR技術(shù)的開放教育計算機類實驗教學資源應(yīng)用

一是課程設(shè)計實施。基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的計算機類實驗課程設(shè)計與實施，是構(gòu)建高效教學體系的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。“計算機網(wǎng)絡(luò)原理”的課程設(shè)計以教學目標為出發(fā)點，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)課程的實際需求，充分利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)的沉浸性和交互性，將其有效融入課程項目的不同環(huán)節(jié)。教師利用VR技術(shù)，從文獻調(diào)研與需求分析入手，開展開放教育計算機類實驗教學課設(shè)計。實踐課程設(shè)計依托Unity3D開發(fā)平臺，完成實驗室模型構(gòu)建以及具備能與學生操作行為實時交互特性的交互功能設(shè)計制作。在完成交互功能制作后，借助IdeaVR2019平臺進行運行測試，提供一種沉浸式體驗操作環(huán)境，供穿戴虛擬現(xiàn)實設(shè)備的學生在仿真環(huán)境里完成設(shè)備連接與調(diào)試、網(wǎng)絡(luò)拓撲配置與優(yōu)化等實驗操作內(nèi)容。

二是教學效果評估。虛擬現(xiàn)實技術(shù)在開放教育計算機類實驗教學資源的應(yīng)用效能優(yōu)化提升，需依托科學的教學效果評估體系進行驗證。這一評估體系是由學習者成效解析與教育者評價反饋雙維度構(gòu)成，而基于實驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計、調(diào)研問卷以及學習行為記錄等多種具備不同模態(tài)的數(shù)據(jù)源，針對知識習得效果展開具有多維特征的量化分析工作，其中實驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計所產(chǎn)出的結(jié)果能夠較為客觀地反映知識被內(nèi)化的程度。調(diào)研表明，應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)且面向開放教育的計算機實驗教學資源，在師生群體中收獲較高認可。

三是應(yīng)用案例分析。針對開放教育計算機實驗教學資源的虛擬現(xiàn)實技術(shù)成效驗證這一復雜過程中，起到?jīng)Q定性作用的是實證研究。例如，某高校計算機網(wǎng)絡(luò)課程所完成的虛擬現(xiàn)實實驗平臺整合部署工作涵蓋三大核心模塊，分別為拓撲架構(gòu)規(guī)劃、硬件參數(shù)設(shè)置以及報文傳輸模擬。拓撲架構(gòu)規(guī)劃模塊可支持學習者于三維空間之中自主開展通信節(jié)點與鏈路部署，且該功能將網(wǎng)絡(luò)形態(tài)的動態(tài)演變以及信息流路徑的可視化追蹤成功實現(xiàn)。硬件參數(shù)設(shè)置單元構(gòu)建起沉浸式設(shè)備操控界面，支持對路由交換設(shè)備進行精細化參數(shù)調(diào)整以及故障診斷訓練，通過這種實踐模式對設(shè)備運行機制與配置邏輯的認知深度進行有效強化。報文傳輸模擬環(huán)節(jié)憑借數(shù)據(jù)封裝解析的動態(tài)演示，將幀結(jié)構(gòu)生成、信道傳輸以及終端解析的全生命周期完整加以呈現(xiàn)，顯著提升了對于網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議與數(shù)據(jù)傳輸原理的掌握程度。

根據(jù)實驗結(jié)果可知，以虛擬現(xiàn)實技術(shù)作為支撐基礎(chǔ)的計算機類實驗教學系統(tǒng)于多項指標層面均呈現(xiàn)出相較于傳統(tǒng)實驗方式更優(yōu)的態(tài)勢，平均實驗完成時間縮短 30% ，系統(tǒng)在實驗效率方面的顯著提高，平均實驗得分提升 22.86% ·學生對于知識掌握狀況的明顯增強，參與度增長 38.46% ，顯示了VR實驗在對學習興趣的強大激發(fā)作用方面，而實驗操作錯誤率降低 40% 系統(tǒng)在提升操作準確性方面具有顯著優(yōu)勢。學生滿意度提升 21.33% ，進一步對虛擬現(xiàn)實技術(shù)在實驗教學領(lǐng)域卓越的應(yīng)用效果進行了驗證，并且為教學模式的創(chuàng)新與優(yōu)化提供有力的支持。

以“計算機網(wǎng)絡(luò)原理”課程為例，VR技術(shù)能夠通過虛擬場景中的設(shè)備配置、網(wǎng)絡(luò)拓撲設(shè)計及數(shù)據(jù)傳輸仿真等實驗過程，實現(xiàn)理論與實踐的高效整合，使抽象網(wǎng)絡(luò)原理與復雜操作流程以更直觀的方式呈現(xiàn)，增強學習效果，激發(fā)學習興趣，同時提高實驗操作的精準性與效率。此類創(chuàng)新應(yīng)用不僅提升了學習效果，還推動了實驗課程教學模式的變革，為培養(yǎng)符合現(xiàn)代技術(shù)需求的高技能人才奠定了堅實基礎(chǔ)。

基金項目：山東開放大學2024年度科研發(fā)展項目“基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的開放教育計算機類實驗教學資源建設(shè)與研究”（2024092JQ）。（楊姣，山東開放大學講師。）