虛擬實驗教學(xué)系統(tǒng)

趙滿旭,嚴(yán)麗霞

(運城學(xué)院公共計算機教學(xué)部,山西運城044000)

我國高等教育的主要任務(wù)是培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神和實踐能力的高級專門人才,造就數(shù)以億計的高素質(zhì)勞動者、數(shù)以千萬計的專門人才和一大批拔尖創(chuàng)新人才來適應(yīng)知識經(jīng)濟時代和我國社會主義建設(shè)事業(yè)的需要[1]。創(chuàng)新人才是指具有創(chuàng)新意識、創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力的人才,創(chuàng)新思維是創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力的基礎(chǔ),培養(yǎng)創(chuàng)新人才的關(guān)鍵是培養(yǎng)創(chuàng)新思維,創(chuàng)新能力是在不斷解決實踐問題的過程中鍛煉和培養(yǎng)出來的。因此實踐教學(xué)環(huán)節(jié)是創(chuàng)新教育體系的基礎(chǔ)和載體,建立創(chuàng)新實踐教學(xué)環(huán)節(jié)是搞好創(chuàng)新教育的重要舉措。實驗教學(xué)是實踐教學(xué)最重要的形式,對培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)意識、鍛煉動手能力具有重要作用?，F(xiàn)有的實驗教學(xué)模式存在的問題主要體現(xiàn)在:(1)演示性、驗證性實驗內(nèi)容較多;(2)實驗內(nèi)容千篇一律,沒有層次性和側(cè)重點;(3)實驗效率低,運行成本高;(4)實驗設(shè)備陳舊,手段落后;(5)實驗結(jié)果可控性差,教學(xué)效果受限。使用虛擬實驗教學(xué)系統(tǒng)可以營造培養(yǎng)創(chuàng)新意識和能力的環(huán)境;可以降低實驗成本,避免各種風(fēng)險;可以確保綜合性、設(shè)計性、創(chuàng)新性、障礙性實驗的正常開設(shè);可以適應(yīng)學(xué)科發(fā)展,突破時空限制;虛擬實驗功能全,實驗效率高。

一、系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)

虛擬實驗教學(xué)系統(tǒng)是一個基于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的實驗教學(xué)系統(tǒng),為學(xué)生搭建一個類似于實際實驗的虛擬環(huán)境[2]。與實驗室中的實物原型實驗相比,該系統(tǒng)可以突破硬件的限制,當(dāng)實驗內(nèi)容確定后,可以通過調(diào)用不同的虛擬實驗加工單元,組成不同的實驗,而不用增加耗資巨大、造價昂貴的大型實驗設(shè)備。因此,在大大節(jié)省資源的同時,學(xué)生可以選擇實驗項目,提高學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性,激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣?？梢哉f,虛擬實驗教學(xué)系統(tǒng)的主要任務(wù)是實現(xiàn)虛擬實驗功能,同時還應(yīng)具有一定的輔助實驗教學(xué)的功能,并能通過網(wǎng)絡(luò)方便地訪問遠程教學(xué)系統(tǒng)中的相應(yīng)資源。

虛擬實驗教學(xué)系統(tǒng)應(yīng)實現(xiàn)以下目標(biāo):(1)能夠為實驗人員提供高度逼真的虛擬實驗環(huán)境;(2)實驗人員在高度逼真的環(huán)境下可對所用的虛擬實驗設(shè)備、虛擬實驗儀器和虛擬實驗對象任意搭接和操作;(3)能夠?qū)嶒瀮?nèi)容、過程進行實時仿真;(4)具有良好的開放性,用戶可根據(jù)需要擴展實驗對象、實驗設(shè)備和實驗儀器數(shù)據(jù)庫,定制實驗內(nèi)容等;(5)具有與實驗教學(xué)要求相適應(yīng)的輔助功能,如自主學(xué)習(xí)和預(yù)習(xí)功能、實驗指導(dǎo)和演示功能、實驗報告提交和評閱功能、考核和評價功能、實驗資料檢索功能等。

二、系統(tǒng)的功能

(一)系統(tǒng)功能圖

虛擬實驗教學(xué)系統(tǒng)從邏輯上分為教師平臺、學(xué)生平臺和系統(tǒng)管理員平臺,主要由三類用戶組成:管理員、教師和學(xué)生。其中,管理員主要負(fù)責(zé)用戶管理、安全策略管理和系統(tǒng)的管理與配置;教師主要負(fù)責(zé)實驗教學(xué)資源的制作和管理,實驗項目的生成和管理,實驗儀器、實驗設(shè)備及實驗對象數(shù)據(jù)庫管理和維護,實驗過程和實驗結(jié)果的監(jiān)控和評價;學(xué)生進入虛擬實驗教學(xué)系統(tǒng)主要選擇實驗項目,進行實驗的相關(guān)操作。虛擬實驗教學(xué)系統(tǒng)的總體功能設(shè)計如圖1所示。

(二)系統(tǒng)功能圖說明

1.系統(tǒng)管理員功能。系統(tǒng)信息管理:實驗教學(xué)課件、實驗項目、實驗教學(xué)資源、實驗指導(dǎo)教師等方面的介紹,信息的增加、刪除和更新等功能。用戶信息管理:用戶注冊,建立用戶(學(xué)生、教師和管理員)檔案,用戶登錄認(rèn)證、賬號管理、用戶權(quán)限設(shè)置等功能。數(shù)據(jù)庫維護:各種數(shù)據(jù)庫的備份、恢復(fù)等。

圖1 虛擬實驗教學(xué)系統(tǒng)功能

2.教師功能。實驗教學(xué)資源管理:實驗教學(xué)課件的增加、刪除和維護,實驗演示課件的制作和維護,相關(guān)實驗資料的征集、評價、更新和補充,實驗儀器、實驗設(shè)備及實驗對象的介紹。實驗項目管理:描述實驗原理、內(nèi)容和目的,介紹實驗所需的儀器、設(shè)備及對象,闡述實驗過程和儀器設(shè)備操作步驟。實驗系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫管理:實驗儀器、實驗設(shè)備和實驗對象數(shù)據(jù)庫的更新和補充。實驗過程監(jiān)控與評價:監(jiān)控學(xué)生實驗操作過程,提供在線咨詢,參加交互學(xué)習(xí),解答學(xué)生實驗過程中的疑難問題。實驗結(jié)果分析與考核:審閱實驗數(shù)據(jù)和結(jié)果,考核實驗報告。

3.學(xué)生功能?；拘畔⒃O(shè)置:設(shè)置學(xué)生個人的基本信息,安全信息。實驗學(xué)習(xí):實驗開始前,也就是實驗準(zhǔn)備階段,觀看實驗教學(xué)課件和實驗演示課件,熟悉實驗?zāi)康摹⒃?、?nèi)容和實驗所需的儀器、設(shè)備及實驗對象;了解實驗過程和實驗儀器、設(shè)備的操作步驟;查閱相關(guān)實驗資料。實驗設(shè)計與操作:設(shè)計實驗項目,選擇實驗儀器、設(shè)備及實驗對象并對其進行搭建和操作,實時仿真實驗內(nèi)容和過程,記錄實驗數(shù)據(jù)和結(jié)果。實驗報告上傳與反饋:分析實驗數(shù)據(jù)和結(jié)果,撰寫提交實驗報告,查看教師評定。

交互式學(xué)習(xí):學(xué)習(xí)者可申請創(chuàng)建學(xué)習(xí)小組,根據(jù)個人興趣參加學(xué)習(xí)小組進行交流;發(fā)表學(xué)習(xí)意見,上傳學(xué)習(xí)資源等?？稍O(shè)立積分制激發(fā)交流興趣。教師可根據(jù)實驗項目設(shè)立答疑室,解答問題。

學(xué)生是這個系統(tǒng)的主體,占據(jù)著中心地位。該系統(tǒng)設(shè)計的最終目的就是為學(xué)生提供一個良好的實驗平臺,鍛煉學(xué)生的動手實踐能力,培養(yǎng)學(xué)生分析和解決問題的能力,提高學(xué)生創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力;同時,計算機可以把教師從簡單的重復(fù)性智力勞動中解放出來,更多關(guān)注實驗過程中的一些高級診斷、管理、推理性工作?？梢哉f,教師在系統(tǒng)中依然占據(jù)著主導(dǎo)地位,虛擬實驗的開設(shè)與實施都需要教師通過教學(xué)平臺積極的參與。同時,也只有教師通過教學(xué)平臺在對實驗教學(xué)資源開發(fā)、充實并不斷更新實驗教學(xué)資源相關(guān)內(nèi)容的基礎(chǔ)上,學(xué)生才能通過學(xué)習(xí)平臺對具體的實驗項目展開有效的實踐學(xué)習(xí)。而系統(tǒng)管理員的作用是更好的輔助學(xué)生的學(xué)和教師的教、維護系統(tǒng)的正常運行、做好系統(tǒng)的安全以及數(shù)據(jù)備份等工作。實驗過程仿真、實驗內(nèi)容虛擬、實驗結(jié)果顯示與分析、實驗報告生成等事宜都由系統(tǒng)內(nèi)部處理。

三、系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模型

(一)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模型

虛擬實驗教學(xué)系統(tǒng)主要采用虛擬現(xiàn)實技術(shù),為學(xué)習(xí)者提供一個虛擬的實驗環(huán)境,在該環(huán)境中學(xué)生可以設(shè)計實驗項目,選擇實驗儀器、設(shè)備及對象并對其進行搭建和操作,可以觀察實驗數(shù)據(jù)和結(jié)果;通過系統(tǒng)的輔助教學(xué)系統(tǒng),學(xué)生可以學(xué)習(xí)實驗項目的目的、原理及有關(guān)信息,觀看實驗的演示過程和實驗儀器設(shè)備的操作步驟。教師通過該系統(tǒng)可以更改實驗教學(xué)資源,管理和維護虛擬實驗儀器、設(shè)備及對象,可以與學(xué)生交互學(xué)習(xí)并對實驗過程進行監(jiān)控和評價實驗結(jié)果。該模型的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

其中,虛擬實驗仿真模塊是建立該系統(tǒng)的關(guān)鍵構(gòu)件,主要是利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)為學(xué)習(xí)者提供實驗項目的仿真實驗過程和實驗結(jié)果仿真,監(jiān)控和指導(dǎo)學(xué)習(xí)者的實驗過程,反饋實驗結(jié)果和實驗數(shù)據(jù)。

圖2 虛擬實驗教學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

(二)各模塊的說明

1.學(xué)生平臺。(1)學(xué)習(xí)實驗教學(xué)課件,了解實驗的目的及原理;觀看實驗演示過程,了解實驗儀器、設(shè)備的操作步驟;對整個實驗有一個感性認(rèn)識。(2)設(shè)計實驗項目,選擇實驗儀器、設(shè)備及對象,觀察實驗仿真過程,分析實驗結(jié)果和數(shù)據(jù),提交實驗報告并查看教師評定,進行交互式學(xué)習(xí),提出問題。

2.教師平臺。制作實驗教學(xué)課件和實驗演示課件,更新和補充實驗資料;管理和維護虛擬實驗對象、儀器和設(shè)備數(shù)據(jù)庫;修改和更新實驗條件及實驗結(jié)果數(shù)據(jù)庫;監(jiān)控實驗過程和回答疑難問題;分析實驗結(jié)果和考核實驗報告。

3.虛擬實驗仿真模塊。依據(jù)學(xué)習(xí)者選擇的實驗對象、儀器及設(shè)備,根據(jù)實驗條件,仿真實驗過程和實驗結(jié)果。

4.實驗教學(xué)資源庫。存放實驗教學(xué)課件和實驗演示課件;存放實驗項目的相關(guān)資料;存放實驗儀器、設(shè)備及對象的介紹資料,由教師進行管理和維護,學(xué)生可以瀏覽但不可修改。

5.虛擬實驗對象、儀器及設(shè)備庫。存放實驗項目所需虛擬實驗對象、虛擬實驗設(shè)備和虛擬實驗儀器。允許學(xué)生選擇和操作,由教師進行維護和更新。

6.實驗條件和結(jié)果庫。貯存實驗條件和實驗結(jié)果,由教師進行設(shè)定和維護。在實驗過程中,虛擬實驗仿真模塊進行訪問和修改。

四、系統(tǒng)的過程模型

在虛擬實驗活動過程中,學(xué)生的自我監(jiān)控能力至關(guān)重要,但是這種能力不是先天就有的,而是在長期的學(xué)習(xí)活動中逐漸形成發(fā)展的。虛擬實驗環(huán)境中的自我監(jiān)控既與學(xué)生的知識、動機、學(xué)習(xí)信念和認(rèn)知過程有關(guān),又受到虛擬實驗系統(tǒng)自身的限制(如系統(tǒng)的真實性、穩(wěn)定性、反饋環(huán)節(jié)、探索空間等)。因此,在虛擬實驗環(huán)境中,對學(xué)生的自我監(jiān)控能力的培養(yǎng)既要結(jié)合學(xué)生的個性特點,又要考慮環(huán)境因素。從個人角度考慮,在元認(rèn)知方面,要善于對實驗過程的不同階段進行計劃、組織、自我指導(dǎo),提高自我觀察、自我判斷的能力和調(diào)節(jié)能力;在動機方面,應(yīng)端正實驗態(tài)度,把自己視為有能力、自我有效和自律者;在行為方面,積極主動參與實驗,使實驗過程能夠有效地進行。從環(huán)境角度考慮,由于虛擬實驗教學(xué)系統(tǒng)本身既是一種實驗環(huán)境,同時又充當(dāng)著教師指導(dǎo)的角色,因此在為學(xué)生提供豐富的想象空間和協(xié)作互助的實驗氛圍的同時,要注重激發(fā)學(xué)生內(nèi)在的學(xué)習(xí)動機,并提供豐富的資源以便學(xué)生遇到問題時能有效地找到解決方法,滿足學(xué)生的成就動機。虛擬實驗教學(xué)系統(tǒng)過程模型應(yīng)由以下幾個方面組成。

1.用戶界面。虛擬實驗系統(tǒng)不同于真實的實驗室環(huán)境,實驗者是通過用戶界面與之交互作用的。因此,界面的設(shè)計既要方便友好、易于操作,又要使得實驗者感覺處于一種解決實際問題的情境中。即使面對的是科學(xué)家們早己熟知的資料以及已有確定答案的問題,隨著問題的逐步進展,學(xué)生依然能體驗到發(fā)現(xiàn)問題、尋求解決問題方案過程的成就感?？梢哉f,虛擬實驗系統(tǒng)的真實性可以豐富學(xué)生在虛擬情境中的體驗,智能化表現(xiàn)在實驗過程中跟蹤學(xué)生的實驗進度,并適時為其提出指導(dǎo)性建議。

2.情景設(shè)置。實驗指導(dǎo)教師(可以是教師,也可以是系統(tǒng))依據(jù)學(xué)生的經(jīng)驗、知識背景及需求,提出具體的實驗?zāi)繕?biāo),呈現(xiàn)融于仿真過程中的概念。在利用虛擬實驗教學(xué)的過程中,應(yīng)有意識地安排一些省略(這種省略可以是一個實驗計劃,可以是某一實驗中控制某一因素的方法,可以是從所給資料中得出的結(jié)淪,也可以是用來解釋所給資料的一個假設(shè))、空白或者令人感到新奇之處,讓學(xué)生把它們填補出來,以激發(fā)學(xué)生的興趣。

3.過程仿真。虛擬實驗過程仿真階段,學(xué)生通過觀察、分析實驗現(xiàn)象,處理實驗數(shù)據(jù),并根據(jù)反饋調(diào)整策略、澄清錯誤概念,檢驗自己的假設(shè)和實驗設(shè)計方案,這有助于提高學(xué)生的反應(yīng)能力以及對因果關(guān)系的敏感性。另外,在虛擬實驗過程中,學(xué)生必須有意識地關(guān)注自己的經(jīng)驗,明確敘述實驗結(jié)果,并用現(xiàn)有的思想綜合它們。通過這種力式,使自己的想法重新組合成新的、更強有力的形式。

4.總結(jié)評價分析。分析虛擬實驗的進程,描述自己的感覺和反應(yīng),以判斷自己掌握概念以及分析問題和解決能力,意識到自己存在的問題和不足,并尋求新的解決方法。同時,把虛擬情境與真實世界相比較,把虛擬實驗和實際應(yīng)用聯(lián)系起來,將在虛擬情境中掌握的概念和解決問題的方法運用于實際情境中,提高學(xué)生的自信心和靈活性。

圖3 虛擬實驗教學(xué)系統(tǒng)過程模型

虛擬實驗教學(xué)系統(tǒng)的過程模型如圖3所示。從圖中可看出,虛擬實驗教學(xué)系統(tǒng)的四個方面構(gòu)成了一個較完整的休系,使用者通過真實智能化的界面與系統(tǒng)交互,系統(tǒng)根據(jù)用戶的實際情況做出反應(yīng)(根據(jù)實驗者所設(shè)定的參數(shù),將實驗過程中發(fā)生的變化和實驗結(jié)果直觀地呈現(xiàn)出來,將實驗者的誤操作及時予以反饋,在必要時給予提示和幫助),以便實驗者對自己的操作有一個整體的把握,這有利于培養(yǎng)學(xué)生的獨立性、判斷決策能力和應(yīng)用能力。

五、總結(jié)

虛擬實驗教學(xué)系統(tǒng)可以激發(fā)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)興趣,培養(yǎng)學(xué)習(xí)者的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新精神,提高學(xué)習(xí)者的創(chuàng)新能力和實踐能力。文中主要從系統(tǒng)設(shè)計目標(biāo)、系統(tǒng)各功能模塊、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型及系統(tǒng)過程模型等方面闡述了虛擬實驗教學(xué)系統(tǒng)。

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