基于Web的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)研究

武佳寧

（陜西學(xué)前師范學(xué)院實(shí)驗(yàn)室與網(wǎng)絡(luò)管理處，陜西西安,710100）

國家中長期教育改革與發(fā)展規(guī)劃中，明確提出高等教育要“強(qiáng)化實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)”，實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)是教育改革的一項(xiàng)重點(diǎn)任務(wù)。虛擬實(shí)驗(yàn)室作為實(shí)驗(yàn)教學(xué)的輔助工具已被廣泛關(guān)注，并且應(yīng)用于部分高校的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。它的應(yīng)用提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量、緩解了實(shí)驗(yàn)教學(xué)壓力，大大提高了學(xué)生實(shí)際操作能力，對于培養(yǎng)學(xué)生的思維創(chuàng)新能力十分有效。目前開發(fā)的虛擬實(shí)驗(yàn)室及虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)大多數(shù)是面向某一門學(xué)科的，如何解決各類虛擬實(shí)驗(yàn)課程資源整合，如何將它與高校的實(shí)驗(yàn)室管理結(jié)合，達(dá)到統(tǒng)一平臺和可通用可擴(kuò)展的目標(biāo)，成為尚待解決的問題。

1 基于Web的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)

開發(fā)基于Web技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)相結(jié)合的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，對于現(xiàn)代高等教育開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)，提高素質(zhì)教育，保證實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量起著巨大的作用。通過Web技術(shù)把虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)構(gòu)建在網(wǎng)絡(luò)之上，開發(fā)各學(xué)科具有不同特色的虛擬實(shí)驗(yàn)室，借助網(wǎng)絡(luò)平臺設(shè)計出不受時間、空間、人力、設(shè)備等限制的實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源。這種開放式的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)與實(shí)驗(yàn)室管理信息系統(tǒng)相結(jié)合的解決方案，把豐富的網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源統(tǒng)一整合，并且可以做到輔助教學(xué)信息化和實(shí)驗(yàn)室管理智能化?；赪eb虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)采用B/S結(jié)構(gòu)，以Web的形式提供管理服務(wù)，它由Web服務(wù)器、虛擬實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用服務(wù)器和客戶端組成。Web為虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)提供了基礎(chǔ)平臺，它讓用戶不管在實(shí)驗(yàn)室、教室，還是在辦公室宿舍中都能通過Web平臺進(jìn)行實(shí)驗(yàn)、教學(xué)或管理?？傊赪eb虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)是面向教師、學(xué)生和實(shí)驗(yàn)管理人員的信息化系統(tǒng)，為其提供各種虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)和管理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的功能。

2 虛擬實(shí)驗(yàn)室的主要構(gòu)建類型

基于Web的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)由Web管理平臺和虛擬實(shí)驗(yàn)室組成。Web管理平臺中包含許多不同學(xué)科的虛擬實(shí)驗(yàn)，有些學(xué)科的實(shí)驗(yàn)以二維空間演示為主，有些學(xué)科的實(shí)驗(yàn)需要以交互操作為主，有些學(xué)科則需要逼真的三維空間仿真模擬實(shí)驗(yàn)，還有些學(xué)科需要遠(yuǎn)程控制實(shí)物的網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)。

2.1 采用Flash技術(shù)構(gòu)建的二維虛擬演示型實(shí)驗(yàn)

Flash技術(shù)比較適合演示型虛擬實(shí)驗(yàn)，演示型虛擬實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)參數(shù)和實(shí)驗(yàn)過程不能改變，系統(tǒng)只對實(shí)驗(yàn)的原理和過程進(jìn)行動畫演示，在演示實(shí)驗(yàn)過程中學(xué)生是觀眾，只能觀看實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。其實(shí)目前的Flash 5.0和F1ashMX版本加入了腳本語言，通過編程可開發(fā)出具有一定交互式功能的網(wǎng)絡(luò)動畫，但僅限于簡單的交互虛擬實(shí)驗(yàn)。Flash技術(shù)開發(fā)周期短，成本低，開發(fā)速度快，制作出的實(shí)驗(yàn)動畫體積小，適合網(wǎng)絡(luò)播放并且可以直接在瀏覽器中進(jìn)行操作。

2.2 基于VRML技術(shù)三維仿真的網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)

對于交互操作型虛擬實(shí)驗(yàn)，使用VRML技術(shù)構(gòu)建的三維仿真網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。它是運(yùn)行在Web上實(shí)現(xiàn)的虛擬現(xiàn)實(shí)關(guān)鍵性技術(shù)，它是一種三維造型和渲染的圖形描述性語言。VRML技術(shù)創(chuàng)建的三維立體圖像在視覺上不如3DMAX等專業(yè)的三維軟件制作的造型逼真，但是由它制作的模型文件小，靈活度高，易于和Web結(jié)合，并適合網(wǎng)絡(luò)傳輸。將VRML技術(shù)與Java或JavaScript語言編寫的腳本程序結(jié)合應(yīng)用，可拓展其交互操作功能，彌補(bǔ)VRML對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理方面的不足。學(xué)生可以親自參與實(shí)驗(yàn)，選擇實(shí)驗(yàn)儀器耗材，設(shè)計實(shí)驗(yàn)對象的參數(shù)，在這個過程中學(xué)生成為實(shí)驗(yàn)主導(dǎo)者。

2.3 遠(yuǎn)程控制型網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)

例如生物化學(xué)或者工程控制領(lǐng)域的學(xué)科需要用到一些大型貴重精密儀器，計算機(jī)不能做到完全的仿真模擬，就用到了遠(yuǎn)程控制型網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)。這種遠(yuǎn)程控制下的實(shí)驗(yàn)是與真實(shí)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備相互連接，把能夠仿真的部分用虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)仿真，無法做到的部分與真實(shí)儀器對接，既解決了貴重資源的共享利用問題，又有很強(qiáng)的真實(shí)感。但是由于實(shí)際儀器設(shè)備的稀缺，這種虛擬實(shí)驗(yàn)無法做到多人同時在線，每時段只允許一個學(xué)生操作真實(shí)實(shí)驗(yàn)設(shè)備。

3 基于Web的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的功能模塊設(shè)計

根據(jù)需求分析以及網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的特點(diǎn)，我們把系統(tǒng)分為實(shí)驗(yàn)教學(xué)和實(shí)驗(yàn)管理兩大模塊。主要結(jié)構(gòu)如圖1。實(shí)驗(yàn)教學(xué)模塊包含虛擬實(shí)驗(yàn)平臺和實(shí)驗(yàn)教材實(shí)驗(yàn)報告等內(nèi)容，實(shí)驗(yàn)管理模塊具有一系列輔助功能并且為實(shí)驗(yàn)管理人員提供了維護(hù)平臺。實(shí)驗(yàn)管理模塊為虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與參與實(shí)驗(yàn)的人員提供了溝通的渠道，這些輔助功能更好地幫助教師完成實(shí)驗(yàn)教學(xué)，幫助學(xué)生完成了實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)，也實(shí)現(xiàn)了管理虛擬實(shí)驗(yàn)信息化的目標(biāo)。

圖1 系統(tǒng)功能模塊結(jié)構(gòu)圖

3.1 實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)模塊

實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)模塊一部分是包括實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)要求、實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)等實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)材料中的內(nèi)容電子化，統(tǒng)一歸納在實(shí)驗(yàn)教學(xué)文檔模塊中，以供學(xué)生隨時查閱課本知識，采用的是文本呈現(xiàn)模式。充分預(yù)習(xí)理論知識后，進(jìn)入實(shí)驗(yàn)儀器介紹模塊中，熟悉實(shí)驗(yàn)儀器，要求掌握儀器的主要性能、操作方法和使用功能。該模塊通過對實(shí)驗(yàn)虛擬場地、器材的Flash二維動畫演示，讓學(xué)生直觀的對實(shí)驗(yàn)中儀器場景熟悉掌握。利用Flash技術(shù)或者VRML技術(shù)對實(shí)驗(yàn)原理過程進(jìn)行多媒體技術(shù)呈現(xiàn)，同時鞏固實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?nèi)容、器材等實(shí)驗(yàn)知識。

3.2 實(shí)驗(yàn)操作模塊

實(shí)驗(yàn)操作子模塊是整個實(shí)驗(yàn)教學(xué)模塊的核心內(nèi)容，在線虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)K更是核心中的核心。該模塊具備虛擬性、交互性、開放性、實(shí)踐性、共享性、可復(fù)用性等特點(diǎn)，可以與多種虛擬實(shí)驗(yàn)開法技術(shù)“對接”，并支持多用戶實(shí)時在線。可以不斷增加的新的虛擬實(shí)驗(yàn)課程，具有良好的可擴(kuò)展功能。網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)可以讓教學(xué)和實(shí)驗(yàn)不分離，可以在實(shí)驗(yàn)中邊學(xué)習(xí)邊實(shí)踐，不僅提高了實(shí)驗(yàn)效率輕松做到一人一組，還能激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的精神。教學(xué)演示子模塊有兩種演示方案，一種是系統(tǒng)內(nèi)部的調(diào)用演示，一種是教師實(shí)時的在線演示。教師可以把虛擬實(shí)驗(yàn)先示范一遍并通過該模塊進(jìn)行視頻存儲，發(fā)送給實(shí)驗(yàn)學(xué)生，學(xué)生就可以隨時隨地就像在課堂上一樣看示范和聽講。儀器展示與實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)中的儀器介紹模塊功能類似。實(shí)驗(yàn)幫助是在學(xué)生做實(shí)驗(yàn)過程中可以提示講解的功能模塊。

3.3 實(shí)驗(yàn)報告模塊

實(shí)驗(yàn)報告子模塊是承擔(dān)的是實(shí)驗(yàn)中的數(shù)據(jù)收集的工作，它收集學(xué)生撰寫的實(shí)驗(yàn)報告文本數(shù)據(jù)，也自動記錄實(shí)驗(yàn)過程中的初始狀態(tài)的數(shù)據(jù)、實(shí)驗(yàn)過程記錄、實(shí)驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計等。其存儲的數(shù)據(jù)包括文本、實(shí)驗(yàn)測試數(shù)據(jù)、觀測實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、實(shí)驗(yàn)圖形等等。實(shí)驗(yàn)報告子模塊同時承擔(dān)對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行判斷和分析的功能，也就是在線批改。教師也可以通過網(wǎng)絡(luò)自行調(diào)閱有選擇的批改學(xué)生的實(shí)驗(yàn)報告和各類實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并提出意見。

3.4 教師、學(xué)生、實(shí)驗(yàn)管理員操作管理界面

實(shí)驗(yàn)管理模塊是基于Web虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的另一個重要組成部分。它包含了教師、學(xué)生、實(shí)驗(yàn)管理員三大操作管理界面模塊。該系統(tǒng)可以向?qū)W生提供的實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)、在線指導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果評價等功能；教師則可以通過教學(xué)系統(tǒng)搭建典型實(shí)驗(yàn)或調(diào)取實(shí)驗(yàn)案例，還能向?qū)W生統(tǒng)一發(fā)布實(shí)驗(yàn)任務(wù)，指定實(shí)驗(yàn)時間并在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后查看機(jī)器給出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果或者自己批改實(shí)驗(yàn)；對于實(shí)驗(yàn)室管理人員則可大大減輕工作量，減少實(shí)驗(yàn)設(shè)備準(zhǔn)備及維護(hù)工作強(qiáng)度，減少因?qū)嶒?yàn)場地及設(shè)備不足造成的矛盾。

與目前多數(shù)實(shí)驗(yàn)管理系統(tǒng)相比，虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)中的管理功能具備教師自主開發(fā)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生實(shí)驗(yàn)不受時間空間限制的特點(diǎn)。在教師界面模塊中，教師可以通過管理系統(tǒng)自主搭建典型實(shí)驗(yàn)或調(diào)取實(shí)驗(yàn)資源，形成符合教學(xué)目標(biāo)的實(shí)驗(yàn)然后發(fā)布，在學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)后對自動批改的成績發(fā)布或者自行批改實(shí)驗(yàn)。學(xué)生則更加靈活的安排自己的學(xué)習(xí)，不受時間地點(diǎn)的限制，不受實(shí)驗(yàn)器材的限制。只要有網(wǎng)絡(luò)就可以登錄做實(shí)驗(yàn)并完成實(shí)驗(yàn)報告，想完成幾次就完成幾次直到做熟做會為止，在實(shí)踐中拓寬眼界和動手能力。在做實(shí)驗(yàn)的同時還可以通過實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)模塊接受幫助和指導(dǎo)，這樣的實(shí)驗(yàn)室才是真正意義上的開放式實(shí)驗(yàn)室。目前的實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)多數(shù)停留在教學(xué)安排、器材管理、開放預(yù)約等方面，多數(shù)針對實(shí)驗(yàn)管理人員幫助較多，而基于Web虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)在滿足了以前這些功能的前提下更多是解決了如計算機(jī)、電子、通信、物理化學(xué)等學(xué)科中的實(shí)驗(yàn)教學(xué)問題。基于Web的虛擬實(shí)驗(yàn)管理可以有效地提高虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)在教學(xué)上的應(yīng)用效果，還完善現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。

4 基于Web的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的優(yōu)勢及問題

4.1 基于Web的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的優(yōu)勢

將虛擬實(shí)驗(yàn)室與校園網(wǎng)相結(jié)合，讓學(xué)生們不受時間、地點(diǎn)以及教學(xué)資源限制；實(shí)驗(yàn)安排靈活方便，只要是校園網(wǎng)絡(luò)覆蓋的地方就可以動手自主實(shí)驗(yàn)，教師同樣可以不受限制的批改指導(dǎo)學(xué)生實(shí)驗(yàn)，大大方便了師生學(xué)習(xí)授課。虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)使得實(shí)驗(yàn)設(shè)備不足的壓力得到緩解。對于個別專業(yè)人數(shù)大幅增加時，虛擬實(shí)驗(yàn)就可以解決實(shí)驗(yàn)儀器短缺的壓力，在虛擬實(shí)驗(yàn)和真實(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)合的情況下，保證教學(xué)質(zhì)量，完成教學(xué)任務(wù)?；赪eb的虛擬實(shí)驗(yàn)幾乎不需要耗材，大大降低了實(shí)驗(yàn)成本，不再需要分組實(shí)驗(yàn)，每個人都有動手的機(jī)會，一些高危實(shí)驗(yàn)和高成本實(shí)驗(yàn)也可以重復(fù)多次實(shí)驗(yàn)，全面提高了學(xué)生興趣和素質(zhì)。虛擬實(shí)驗(yàn)可減少實(shí)驗(yàn)設(shè)備的維護(hù)強(qiáng)度，減低實(shí)驗(yàn)室管理人員的工作強(qiáng)度，提高工作效率。

4.2 虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)需要注意的問題

實(shí)際實(shí)驗(yàn)和虛擬實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，這就是虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)需要注意的問題。書非借不能讀也，能夠反復(fù)多次實(shí)驗(yàn)，可能會讓學(xué)生產(chǎn)生放松心態(tài)。只有本著多做虛擬實(shí)驗(yàn)是為了在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中少出錯，減少疏漏，才能鍛煉出學(xué)生的技術(shù)，之后在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中，才能更專注認(rèn)真分析觀察，在實(shí)踐中得到真知。學(xué)生利用虛擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行課前預(yù)習(xí)，也有利于在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中保護(hù)儀器設(shè)備，減少因誤操作引起的設(shè)備損壞和耗材浪費(fèi)。在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中教師可以更直接的指導(dǎo)學(xué)生，師生面對面互動講授是不可動搖的教育根本，網(wǎng)絡(luò)授課只是起到輔助功能。所以虛擬實(shí)驗(yàn)并不可能完全代替實(shí)際實(shí)驗(yàn)，只有實(shí)現(xiàn)這種開放的網(wǎng)絡(luò)化的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)和實(shí)際實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有機(jī)融合，才能解決各類學(xué)科中的實(shí)驗(yàn)教學(xué)問題，從而完善現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，提高實(shí)驗(yàn)教育學(xué)質(zhì)量。

[1]宋春紅，趙麗.建筑材料參與型演示實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)課件的開發(fā)[J].現(xiàn)代教育技術(shù),2012.（9）

[2]文福安.虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的研究與應(yīng)用[J].中國教育信息化，2008.（21）

[3]武佳寧.計算機(jī)實(shí)驗(yàn)室集中運(yùn)行與信息化管理模式探討[J].現(xiàn)代交際,2013.(4)