淺談虛擬現(xiàn)實技術(shù)在計算機(jī)教學(xué)中的應(yīng)用

王靜蕾

（鄭州旅游職業(yè)學(xué)院，河南 鄭州 450009）

一、計算機(jī)實驗教學(xué)中存在的問題

計算機(jī)專業(yè)是一個既注重理論知識又注重實踐經(jīng)驗的專業(yè),此專業(yè)的學(xué)生既要學(xué)習(xí)好理論知識，還要加強(qiáng)自身動手實踐能力的培養(yǎng)。然而在筆者多年的計算機(jī)教學(xué)實踐中發(fā)現(xiàn)，計算機(jī)實驗教學(xué)中普遍存在的一些問題。主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

第一，計算機(jī)實驗涉及很多抽象的原理、定義和協(xié)議的知識。這些知識學(xué)生們學(xué)習(xí)起來比較困難，要準(zhǔn)確掌握它們的動態(tài)運(yùn)行過程更是難上加難。在傳統(tǒng)的計算機(jī)實驗中，往往是以教師為中心來實施的。教師講解理論知識在做實驗展示，學(xué)生們看教師把課本上的實驗步驟演示一遍，再在課下把這一實驗過程按部就班地寫成實驗報告。在這個過程中，學(xué)生們既沒有和教師互動的環(huán)節(jié)，也沒有自己動手的機(jī)會。

第二，計算機(jī)實驗教學(xué)中必須的實驗設(shè)備缺乏或不能及時更新。由于計算機(jī)實驗中所需要的設(shè)備一般價格都比較昂貴，或者一些網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和產(chǎn)品更新?lián)Q代的周期比較短，比如說網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分析和路由器等這些實驗設(shè)備價格就比較高。由于學(xué)校往往出現(xiàn)經(jīng)費(fèi)不足的現(xiàn)象，學(xué)校不能及時更新?lián)Q代一些技術(shù)和產(chǎn)品，從而導(dǎo)致計算機(jī)實驗所必需的硬件和軟件缺失。

第三，管理計算機(jī)實驗環(huán)境的工作比較繁重。由于計算機(jī)實驗過程中需要不同的軟件和操作系統(tǒng)，因此學(xué)生們在進(jìn)行實驗時需要不斷地設(shè)置和修改系統(tǒng)。一些非故意的操作錯誤就會對系統(tǒng)產(chǎn)生不同程度的破壞或?qū)嶒灜h(huán)境造成一定的影響，這都會進(jìn)一步導(dǎo)致維護(hù)和管理計算機(jī)實驗的工作量增加。

第四，學(xué)生不能靈活掌握計算機(jī)實驗的時間和空間。由于計算機(jī)實驗一般都要在傳統(tǒng)機(jī)房中進(jìn)行，學(xué)生們必須按照課程安排才能進(jìn)入機(jī)房，并且不能隨便改動機(jī)房中的軟硬件設(shè)備，這就不能滿足計算機(jī)這門學(xué)科對學(xué)生們動手能力的要求。教師在講授計算機(jī)實驗過程中，有時需要學(xué)生們進(jìn)行重新裝置系統(tǒng)的練習(xí)，有時需要他們格式化分區(qū)，有時需要練習(xí)路由器設(shè)置等等。一旦學(xué)生們私自改動，就會破壞實驗環(huán)境的秩序，而這種不靈活的傳統(tǒng)實驗環(huán)境不利于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)的積極性和主動性，限制了學(xué)生的動手能力和創(chuàng)新思維的培養(yǎng)。不得不直視的是，這個矛盾在大部分高職院校中都普遍存在。

第五，學(xué)生們在進(jìn)行計算機(jī)實驗過程中存在著一些安全隱患。安全是各個院校在教學(xué)工作中的重中之重，是每位操作者和學(xué)生不可忽視的問題。然而，在計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實驗的過程中往往會存在一些不可避免的安全隱患，這些隱患一旦發(fā)生，就會帶來不可逆轉(zhuǎn)的重大損失。

因此，高職院校應(yīng)該引進(jìn)新的計算機(jī)實驗教學(xué)模式。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步和發(fā)展，計算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)與教育的關(guān)系越來越緊密，為發(fā)展現(xiàn)代教育也帶來了機(jī)遇和挑戰(zhàn)。虛擬現(xiàn)實技術(shù)就是這樣的一種新的計算機(jī)實驗教學(xué)模式，它象征著信息化教育的發(fā)展方向和前景，為計算機(jī)教學(xué)帶來了美好的發(fā)展未來。

二、虛擬現(xiàn)實技術(shù)

1.虛擬現(xiàn)實技術(shù)

所謂“虛擬機(jī)”，就是將虛擬技術(shù)應(yīng)用到計算機(jī)上所模擬出來的具有相對獨立性的邏輯計算機(jī)。這種邏輯計算機(jī)和物理計算機(jī)具備相似的屬性，它完全是由軟件模擬創(chuàng)造，又能完全實現(xiàn)物理計算機(jī)的各項功能。每臺虛擬機(jī)不僅擁有一套完備的硬件裝置，而且還有互相獨立的應(yīng)用程序和操作系統(tǒng)，每臺虛擬機(jī)可以單獨運(yùn)行系統(tǒng)而不被其他機(jī)器所干擾。學(xué)生們可以在虛擬機(jī)上像在計算機(jī)上一樣進(jìn)行格式化練習(xí)，安裝軟件和系統(tǒng)等操作。在虛擬系統(tǒng)失效后，可以直接將其刪除而不對本機(jī)系統(tǒng)產(chǎn)生影響，同樣本機(jī)系統(tǒng)失效后可以通過重裝來恢復(fù)以前的虛擬系統(tǒng)。不同的操作系統(tǒng)可以通過虛擬機(jī)在同一臺電腦上使用，甚至多個虛擬機(jī)也可以在同一臺電腦上運(yùn)行。

2.虛擬現(xiàn)實技術(shù)的特征

和傳統(tǒng)的物理計算機(jī)相比較，虛擬現(xiàn)實技術(shù)的特征主要表現(xiàn)在以下幾個方面：有“身臨其境”的體驗感；有“置身其中”的感知性；有友好的人機(jī)互動性；有引發(fā)人聯(lián)想的構(gòu)想性。

基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的上述特征，使用者可以將虛擬系統(tǒng)和仿真的環(huán)境進(jìn)行順暢的互動。操作者可結(jié)合自身對事物的認(rèn)知管理和感知能力，充分發(fā)揮想象力和動手能力，在虛擬系統(tǒng)中充分地練習(xí)計算機(jī)教材中的內(nèi)容。

3.虛擬現(xiàn)實技術(shù)的分類

根據(jù)虛擬現(xiàn)實技術(shù)的不同功能，可以開發(fā)出不同的虛擬系統(tǒng)。主要有桌面式虛擬系統(tǒng)、沉浸式虛擬系統(tǒng)、分布式虛擬系統(tǒng)這三個類型。在高職計算機(jī)教學(xué)中使用最多的是桌面式虛擬系統(tǒng)。

桌面式虛擬系統(tǒng)是通過軟件的編程在計算機(jī)顯示器上展現(xiàn)一個三維的場景，學(xué)生們可以用鼠標(biāo)、鍵盤燈設(shè)備和這個虛擬的場景進(jìn)行互動。這一系統(tǒng)的優(yōu)點在于，其成本比較低、結(jié)構(gòu)比較簡單，學(xué)習(xí)和使用起來比較容易。更為重要的是，它可以突破傳統(tǒng)計算機(jī)實驗教學(xué)在時間和空間上的限制，拓展計算機(jī)實驗的廣度和深度，避免操作者和學(xué)生在計算機(jī)實驗過程中可能造成的傷害，也減少對計算機(jī)實驗環(huán)境和實驗設(shè)備造成的損失；而其缺點在于，由于學(xué)生們要通過屏幕和顯示器上的虛擬世界進(jìn)行互動，所以因受到外部環(huán)境的影響而不能全身心地投入其中，從而影響學(xué)習(xí)效率。

三、虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用

1.虛擬技術(shù)在計算機(jī)實驗中的應(yīng)用

虛擬技術(shù)在計算機(jī)實驗中的應(yīng)用主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）基礎(chǔ)系統(tǒng)實驗：比如說BIOS設(shè)置、分區(qū)格式化、DOS命令；Windows、Unix等操作系統(tǒng)的使用和配置等以及使用、安裝和測試不同的應(yīng)用程序。

（2）信息安全實驗：Windows中基本的安全實驗；木馬、病毒等攻防類的實驗、掃描端口和漏洞等。其中包括操作查找病毒的工具、殺毒防火墻的軟件等實驗等。

（3）計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實驗：配置局域網(wǎng)，如控制桌面遠(yuǎn)程和共享、共享不同操作系統(tǒng)之間的資源；配置服務(wù)器，如訪問和配置文件服務(wù)器的實驗、訪問和配飾DNS服務(wù)器的實驗、訪問和配置Web和FTP的實驗等。

（4）配置網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的實驗：測試盒配置交換機(jī)，劃分交換機(jī)上的VLAN，測試盒配置交換機(jī)上的VTP、VLAN等參數(shù)；操作路由器的實驗；遠(yuǎn)程訪問等基本實驗等。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)還可以虛擬學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中提出的各種假設(shè)模型，將他們假設(shè)的效果和結(jié)果在虛擬系統(tǒng)中直接地展現(xiàn)出來，便于他們修改和觀察。通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)在計算機(jī)實驗以上幾個方面的運(yùn)用，可以有效提高學(xué)生們的創(chuàng)造能力，并激發(fā)他們的創(chuàng)造性思維。

運(yùn)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)進(jìn)行計算機(jī)實驗，可以大大減少實驗的時間，學(xué)生們通過虛擬實驗對抽象的原理結(jié)構(gòu)和不可重組的精密裝備進(jìn)行仿真實驗，既有利于獲得真實直觀的使用效果，又有利于減少真實實驗的損失。另外，虛擬實驗具有很大的共享性和科學(xué)性，使得教學(xué)項目的改變較容易，實驗技術(shù)和教學(xué)內(nèi)容能夠及時更新。但是，計算機(jī)虛擬實驗并不能完全取代真實的計算機(jī)實驗，因為虛擬實驗畢竟是虛擬的實驗，學(xué)生們在操作的過程中缺乏實物感。就像在網(wǎng)上看書和看真實的書一樣，人們一般會感覺看真書更有實在感。在虛擬實驗中，學(xué)生們雖然可以進(jìn)行基礎(chǔ)系統(tǒng)實驗、信息安全實驗、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實驗、配置網(wǎng)絡(luò)設(shè)備實驗等多個方面的實驗練習(xí)。但在現(xiàn)實生活中他們接觸到這些設(shè)備時往往還有力不從心的感覺，不知該從何處下手。因此在具體的計算機(jī)實驗教學(xué)過程中，教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生虛實相結(jié)合，并有目的地安排學(xué)生在真實環(huán)境中進(jìn)行計算機(jī)實驗。只有對實驗的設(shè)備有親身的體會，才能加深他們對實驗的記憶，從而提高計算機(jī)實驗教學(xué)的實效性。

2.虛擬技術(shù)在計算機(jī)教學(xué)上的應(yīng)用

（1）將計算機(jī)課堂上抽象的原理、定義形象化

計算機(jī)這門學(xué)科本身就擁有邏輯性強(qiáng)和實踐性強(qiáng)的特征，學(xué)生們對教材上的知識點理解起來比較困難。因此，授課教師可以用3D虛擬技術(shù)來準(zhǔn)備課件，從而很好解決學(xué)生們難理解這一問題。

比如說，在講授《計算機(jī)組裝與維護(hù)》時，這一部分內(nèi)容的難點和重點是讓學(xué)生們了解計算機(jī)內(nèi)部各個組件的結(jié)構(gòu)并熟悉組裝計算機(jī)的過程。在傳統(tǒng)的教學(xué)過程中，教師往往一邊講解教學(xué)內(nèi)容一邊播放資料圖片，這種方法直觀性比較差，學(xué)生們往往只記住了某個硬件設(shè)備的側(cè)面，而不能完全呈現(xiàn)整個計算機(jī)組裝的動態(tài)過程。有的教師還會用實物來進(jìn)行講解，然而這種教學(xué)方法忽略了培養(yǎng)學(xué)生們實際動手的能力，甚至坐在后排的學(xué)生無法完全看到教師的實物展示過程。有的教師用播放視頻的方式來進(jìn)行教學(xué)，然而在整個視頻播放過程中，學(xué)生和教師互動的機(jī)會比較少。因此，教師可以3D虛擬技術(shù)準(zhǔn)備課件，將動畫、聲音、圖片等表現(xiàn)形式有機(jī)結(jié)合起來，設(shè)計出互動性強(qiáng)、生動形象且富有感染力的課件，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和積極性，滿足學(xué)生提高實踐能力的需求。

又比如說，在講授《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》這一個部分內(nèi)容時，由于計算常用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的算法比較抽象，學(xué)生學(xué)習(xí)和理解起來比較困難。教師就可以利用3D虛擬技術(shù)將一部分內(nèi)容制作成直觀形象、容易理解的課件。如遞歸算法需要用函數(shù)或子過程來實現(xiàn)，學(xué)生們理解起來比較困難。3D虛擬技術(shù)就可以把這一內(nèi)部情況形象、直觀、動態(tài)的表現(xiàn)出來，這樣學(xué)生們理解起來就比較容易了。另外，教師在講解樹和圖的遍歷這一部分的內(nèi)容時，也可以通過3D虛擬技術(shù)從可視的角度來引導(dǎo)學(xué)生們觀察遍歷的順序，讓學(xué)生們對這一過程有更生動的觀察，從而加深對這一內(nèi)容的記憶。Hanoi塔、樹和二叉樹概念的區(qū)別等問題都可以通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)將其更形象生動地展現(xiàn)出來，從而有利于教師的講解和學(xué)生們的理解和記憶。運(yùn)用3D虛擬技術(shù)不僅能使得計算機(jī)教學(xué)工作變得輕松有趣，而且有利于提高計算機(jī)課堂的實效性。

（2）為計算機(jī)實驗教學(xué)提供便利

上文中提到傳統(tǒng)的計算機(jī)實驗中往往存在必需的實驗設(shè)備缺乏或不能及時更新、管理計算機(jī)實驗環(huán)境的工作比較繁重、學(xué)生能不能靈活掌握計算機(jī)實驗的時間和空間等方面的弊端。而虛擬現(xiàn)實技術(shù)在計算機(jī)實驗中的廣泛應(yīng)用，可以在很大程度上緩解以上難題。

比如說，機(jī)房管理人員或者教師可以將虛擬技術(shù)安裝到實驗室的計算機(jī)上，或者指導(dǎo)學(xué)生們將虛擬程序安裝在學(xué)生個人電腦上。當(dāng)學(xué)生們再需要進(jìn)行電腦重組、格式化分區(qū)、路由器安裝等練習(xí)時，可以用安裝在計算機(jī)上的虛擬程序來取代實物練習(xí)，或者學(xué)生可以根據(jù)自己的時間安排在自己的計算機(jī)上進(jìn)行練習(xí)。虛擬現(xiàn)實技術(shù)在計算機(jī)實驗教學(xué)中的應(yīng)用，既減少了學(xué)校實驗和管理成本，又提高了學(xué)生們計算機(jī)實驗學(xué)習(xí)效率。

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