開放教育計算機實驗課程VR資源建設

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

開放教育以一種實現全民教育及推動高等教育朝著大眾化、普及化方向發展的重要形式呈現。而計算機類實驗教學實踐性較強，對設備依賴性頗高，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。虛擬現實（VR）技術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開創了新的可能性。借助虛擬化設備以及仿真操作，VR技術能夠突破傳統實驗教學面臨的場地與設備限制，減少設備所產生的損耗，營造出安全且靈活的實踐環境，以助力學生更加直觀地理解設備運行原理以及網絡結構。學生可根據自身的實訓需求，在滿足獨立桌面操作體驗的基礎上，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，實現實驗課堂、獨立學習、創研環境、遠程教育等多種實驗教學場景的應用。通過虛擬設備的交互操作，學生能夠清晰地理解計算機網絡設備的內部結構及運行原理，掌握復雜系統的配置與調試過程。本文以“計算機網絡原理”課程為例，對基于虛擬現實技術的開放教育計算機類實驗教學資源建設進行研究，旨在通過提供交互式沉浸體驗，優化實驗教學資源，提升學生的實踐動手能力，激發學生的學習興趣，并且推動開放教育實驗教學模式實現創新。

基于VR技術的開放教育計算機類實驗教學資源建設

虛擬現實作為一個跨學科的技術領域，將算法架構、圖形圖像處理以及智能系統、人機界面連同物聯網技術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，基于云計算思想與虛擬現實技術，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技術實訓資源庫（如計算機網絡設備拆裝、網絡拓撲配置、服務器搭建、路由器和交換機調試等）而創建，是大型的在線虛擬現實體驗式實驗課程資源系統，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字課程環境。平臺通過用戶管理系統、實驗管理系統、資源管理系統、資源門戶系統、VR課件編輯系統5個功能模塊，為開放教育計算機類專業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“計算機網絡原理”課程提供常態化在線實驗與輔助學習服務。

一是實驗場景布局。在進行虛擬實驗設計時，實驗場景的布局是關鍵環節。“計算機網絡原理”課程的虛擬實驗場景需以“網絡實驗室”為核心，結合課程特點進行設計。場景布局的構建以真實網絡實驗室為原型，通過Unity 3D軟件實現虛擬化創建，在設計過程中，注重體現網絡設備的結構布局與實際操作的交互需求，合理分布路由器、交換機、服務器等網絡設備，確保功能區劃分明確且符合實驗流程。通過優化視角設置，用戶能夠清晰觀察設備的整體結構與細節。同時，燈光與材質的選擇需貼近現實，增強沉浸感與真實性，避免因光線或材質問題影響實驗效果。在虛擬實驗場景布局中，鑒于實驗所提出的各類相關需求，各功能區應以模塊化設計的方式呈現，保障學生能夠在虛擬實驗室環境里順利地完成拓撲配置以及設備調試等一系列至關重要的實驗任務。

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

實驗室環境的構建以墻面與地面的建模為基礎，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，影響環境完整性。為提升場景真實感，基于Vector3方法設定參數生成墻面結構，結合材質貼圖賦予物理質感，使用布爾運算將墻面與地面整合為統一實體。該方法在保證建模效率的同時，優化了虛擬場景的視覺呈現與操作體驗。設備模型的功能仿真需突破物理細節限制，通過虛擬化重構實現操作邏輯與物理實體的等效映射。實驗環境的無縫化處理通過算法優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。

三是實驗設備功能實現。在“計算機網絡原理”課程虛擬實驗環境中，系統功能架構由交互模塊、反饋機制以及判定邏輯構成，也是構成虛擬實驗平臺的核心要素。交互機制技術的實現依賴于對特定算法的調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境變化加以調控。作為針對學習者操作成效所構建的一種具備程序化特征的評估體系而言，判定模塊的技術核心蘊含著路徑邏輯分析算法這一關鍵要素。交互機制、反饋響應以及評估算法的協同運作情況之下，使得虛擬仿真實驗平臺得以構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。此技術框架顯著增強了學習過程的沉浸感，并且對實踐教學的質量與成效也起到了有效提高的作用。

基于VR技術的開放教育計算機類實驗教學資源應用

一是課程設計實施。基于虛擬現實技術的計算機類實驗課程設計與實施，是構建高效教學體系的關鍵環節。“計算機網絡原理”的課程設計以教學目標為出發點，結合網絡課程的實際需求，充分利用虛擬現實技術的沉浸性和交互性，將其有效融入課程項目的不同環節。教師利用VR技術，從文獻調研與需求分析入手，開展開放教育計算機類實驗教學課設計。實踐課程設計依托Unity3D開發平臺，完成實驗室模型構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境，供穿戴虛擬現實設備的學生在仿真環境里完成設備連接與調試、網絡拓撲配置與優化等實驗操作內容。

二是教學效果評估。虛擬現實技術在開放教育計算機類實驗教學資源的應用效能優化提升，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成，而基于實驗數據統計、調研問卷以及學習行為記錄等多種具備不同模態的數據源，針對知識習得效果展開具有多維特征的量化分析工作，其中實驗數據統計所產出的結果能夠較為客觀地反映知識被內化的程度。調研表明，應用虛擬現實技術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。

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

根據實驗結果可知，以虛擬現實技術作為支撐基礎的計算機類實驗教學系統于多項指標層面均呈現出相較于傳統實驗方式更優的態勢，平均實驗完成時間縮短 30% ，系統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作用方面，而實驗操作錯誤率降低 40% 系統在提升操作準確性方面具有顯著優勢。學生滿意度提升 21.33% ，進一步對虛擬現實技術在實驗教學領域卓越的應用效果進行了驗證，并且為教學模式的創新與優化提供有力的支持。

以“計算機網絡原理”課程為例，VR技術能夠通過虛擬場景中的設備配置、網絡拓撲設計及數據傳輸仿真等實驗過程，實現理論與實踐的高效整合，使抽象網絡原理與復雜操作流程以更直觀的方式呈現，增強學習效果，激發學習興趣，同時提高實驗操作的精準性與效率。此類創新應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，為培養符合現代技術需求的高技能人才奠定了堅實基礎。

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