遠程教育虛擬實驗體系構(gòu)建研究——以工程類專業(yè)為例

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遠程教育虛擬實驗體系構(gòu)建研究——以工程類專業(yè)為例

翁艷，岑美，康凌，劉鴻霆

(四川廣播電視大學(xué)，成都610072)

【摘要】利用虛擬實驗輔助教學(xué)已經(jīng)成為一種趨勢，在遠程教育的實驗教學(xué)中，尤其成為一種必然。文章探討了遠程教育工程類專業(yè)虛擬實驗室體系的構(gòu)建，通過調(diào)查研究分析了遠程教育學(xué)習(xí)者的特點、學(xué)習(xí)習(xí)慣和學(xué)習(xí)需求。然后從需求出發(fā)，分析了遠程教育工程類專業(yè)虛擬實驗室應(yīng)具備的必要功能。最后設(shè)計出虛擬實驗室的框架體系，并分析了各模塊的詳細構(gòu)成及實現(xiàn)的具體功能。對于遠程教育高校工程類專業(yè)虛擬實驗室的建立有一定的借鑒意義。

【關(guān)鍵詞】遠程教育;工程類專業(yè);虛擬實驗;構(gòu)建

一、虛擬實驗

虛擬實驗室是利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將真實實驗虛擬化，用信息化的教學(xué)資源，創(chuàng)造信息化教學(xué)情境，實現(xiàn)“學(xué)員為主體”的自主學(xué)習(xí)模式。虛擬實驗建立在一個虛擬的實驗環(huán)境(平臺仿真)之上，而注重的是實驗操作的交互性和實驗結(jié)果的仿真性。虛擬實驗起步較晚，發(fā)展卻很快，從投入的經(jīng)費來講，沒有實驗室建設(shè)經(jīng)費那么龐大，而且最大的優(yōu)勢是虛擬實驗室不受時間及空間的限制，可以利用網(wǎng)絡(luò)教育提高教學(xué)效率。虛擬實驗虛擬環(huán)境適合于開展網(wǎng)上教學(xué)，網(wǎng)上遠程實驗，實現(xiàn)教學(xué)手段現(xiàn)代化。遠程教育的學(xué)生學(xué)習(xí)特點之一是工學(xué)矛盾突出，虛擬實驗正好可以滿足他們足不出戶，在家就能利用網(wǎng)絡(luò)完成實驗。

二、遠程教育工程類專業(yè)特點

工程類專業(yè)學(xué)科的普遍特點是具有抽象性，理論晦澀難懂，工藝流程復(fù)雜繁瑣。遠程教育學(xué)生的特點是基礎(chǔ)參差不齊，特別對于沒有從事過相關(guān)行業(yè)的學(xué)生來說，晦澀的理論，復(fù)雜的工藝、工序，他們學(xué)起來都比較困難。實驗、實踐或者實訓(xùn)課程可以彌補理論學(xué)習(xí)當(dāng)中的不足。但是對于大多數(shù)遠程教育院校來說，實訓(xùn)類課程大都開設(shè)了，但是未真正去指導(dǎo)學(xué)生完成實訓(xùn)，主要的原因之一是工學(xué)矛盾突出，很難統(tǒng)一組織實訓(xùn);另一方面，工程類專業(yè)的實驗，大都涉及較大型的設(shè)備，學(xué)校不僅購置設(shè)備需要花費大量的資金，而且購買后需要建設(shè)實驗室，培訓(xùn)教師，設(shè)備養(yǎng)護等，支出較大，對于很多成人高校存在實驗經(jīng)費不足的問題。所以遠程教育工程類專業(yè)更有必要建立虛擬實驗室。虛擬實驗室的構(gòu)建，不能只是簡單地將書上的實驗搬到電腦上，應(yīng)當(dāng)充分考慮遠程教育學(xué)習(xí)者的需求，從需求出發(fā)，考慮虛擬實驗應(yīng)具有的功能及框架體系，從而完成虛擬實驗室的構(gòu)建。

三、需求分析

筆者為了了解遠程教育工程類專業(yè)學(xué)生對虛擬實驗的學(xué)習(xí)需求，專門做了一個調(diào)查，調(diào)查涉及的學(xué)生有土建大類學(xué)生、機械大類學(xué)生、電氣大類學(xué)生。從收集的調(diào)查結(jié)果來看，絕大部分學(xué)生認為自己專業(yè)增設(shè)虛擬實驗是很有必要的(問題:您覺得您的專業(yè)有無必要增設(shè)虛擬實驗?見圖1)。遠程教育虛擬實驗不受時間及地點的限制，符合學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)需求。

圖1　虛擬實驗增設(shè)必要性調(diào)查

其次，對于虛擬實驗所開設(shè)的內(nèi)容，學(xué)生們的選擇也比較集中，主要為:熟悉一些抽象的原理、了解儀器設(shè)備的構(gòu)造、熟悉某種工序的操作流程、熟悉某種制造工藝。(見圖2)

圖2　虛擬實驗開設(shè)的實驗內(nèi)容

因為這些正是學(xué)習(xí)者在學(xué)習(xí)中遇到的困難，而且通過教師的理論講解仍然不能理解透的知識，如果學(xué)生以前沒有見過儀器設(shè)備，沒有體驗過工藝流程，那么就很有必要借助虛擬實驗來幫助他們足不出戶了解和熟悉相關(guān)的知識。通過調(diào)查我們覺得不是一定要把所有書本上涉及的知識都做成虛擬實驗，虛擬實驗本身就是用來解決一些較難講解透徹、較抽象的原理，復(fù)雜的工藝流程。如果是一些較簡單的理論或者操作，學(xué)生能通過講解和學(xué)習(xí)就掌握的知識就沒有必要做成虛擬實驗。

從課程分類來看，原理類課程、較抽象類課程及操作類課程制作虛擬實驗，較受學(xué)生歡迎。原理類及抽象類課程，學(xué)習(xí)起來比較枯燥，借助虛擬實驗不僅能幫助學(xué)生加深對原理的理解，而且能提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。操作類課程學(xué)生本身比較感興趣，但是教師講起來較費勁，學(xué)生如沒有真正接觸過儀器或者工藝，學(xué)起來也較費勁。虛擬實驗可以解決教與學(xué)兩方面的困難，一方面教師可以借助虛擬實驗課堂講解儀器設(shè)備原理及工藝操作流程，另方面學(xué)生課下可以自己練習(xí)達到熟悉課程內(nèi)容的目的。

遠程教育工程類專業(yè)的實訓(xùn)課程操作一般有兩種方式，一種是學(xué)生自行聯(lián)系單位或者在自己的單位進行相關(guān)的實訓(xùn)，一種是學(xué)校統(tǒng)一組織，但是第二種方式要實現(xiàn)較困難，學(xué)生很難統(tǒng)一時間。第一種方式比較靈活，但是學(xué)生不一定能系統(tǒng)地按照規(guī)定要求完成實訓(xùn)。在調(diào)查的過程中，絕大部分學(xué)生有意愿用虛擬實驗代替實訓(xùn)(見圖3問題:您是否愿意用虛實驗代替課程實訓(xùn)?)，這樣可以靈活地運用虛擬實驗較系統(tǒng)地完成實訓(xùn)要求。

圖3　虛擬實驗?zāi)芊翊鎸嵱?xùn)調(diào)查

由調(diào)查結(jié)果總結(jié)出，遠程教育工程類專業(yè)的虛擬實驗，與一般的虛擬實驗有一定的區(qū)別，包括在虛擬實驗開設(shè)的課程，開設(shè)的內(nèi)容，與實訓(xùn)結(jié)合等等，結(jié)合學(xué)生的學(xué)習(xí)需求進行虛擬實驗體系設(shè)計才能更好地滿足學(xué)生的要求。

四、功能分析

虛擬實驗本質(zhì)是為教學(xué)服務(wù)，為學(xué)生服務(wù)，在分析了學(xué)生的需求之后，就應(yīng)當(dāng)對虛擬實驗應(yīng)實現(xiàn)的功能進行定位。

1.交互良好，方便使用

學(xué)生操作虛擬實驗時，要求操作簡便易行，指示明確，界面友好，避免枯燥，要有一定的可視性和趣味性。讓學(xué)生不受時間和地點的限制，對各種虛擬實驗進行操作。從目前的形勢來看，網(wǎng)絡(luò)版是必需的，在網(wǎng)絡(luò)版的基礎(chǔ)上，能開發(fā)出手機版是必要的，目前碎片化學(xué)習(xí)已經(jīng)成為潮流，手機也成為人們離不開的工具，虛擬實驗如果能做成手機應(yīng)用App，學(xué)生隨時隨地可以進行操作及碎片化學(xué)習(xí)，更能提高學(xué)習(xí)效率。

2.整合多專業(yè)多學(xué)科的實驗內(nèi)容，滿足實驗教學(xué)的需要

虛擬實驗是為了讓學(xué)生更加快速方便地學(xué)習(xí)實驗原理，掌握實驗方法，訓(xùn)練實驗技能。對于一個學(xué)校而言，一般不會是一個專業(yè)甚至一門課程就開發(fā)一個虛擬實驗平臺，從可行性和經(jīng)濟性來說，虛擬實驗平臺應(yīng)當(dāng)整合多專業(yè)多學(xué)科的內(nèi)容，通過網(wǎng)絡(luò)技術(shù)搭建一個資源整合平臺，實現(xiàn)資源的共享和管理。

3.結(jié)合實訓(xùn)，方便管理

從學(xué)生的學(xué)習(xí)需求來看，虛擬實驗代替實訓(xùn)是一個趨勢。虛擬實驗可以從兩方面出發(fā)設(shè)計，一方面就是幫助學(xué)生理解和掌握一些抽象原理及工藝、工序流程;另一方面就是結(jié)合實訓(xùn)內(nèi)容，設(shè)計出能夠滿足實訓(xùn)要求的虛擬實驗。第一方面的內(nèi)容可不需進行評價，學(xué)生通過操作學(xué)習(xí)理解原理即可;第二個方面的內(nèi)容，既然是與實訓(xùn)結(jié)合，必然涉及評分，要求虛擬實驗的內(nèi)容是可判斷正誤并且可以自動評分，分數(shù)可以自動計入學(xué)生登錄的賬戶，進入教務(wù)系統(tǒng)，這樣就可代替實訓(xùn)。虛擬實驗的內(nèi)容要實現(xiàn)學(xué)生完成并自動評分，最好能按照工藝、工序的操作流程進行設(shè)計，這樣學(xué)生不僅熟悉了完整的操作流程，評判上也較容易，根據(jù)工藝、工序的操作步驟依次給分，實現(xiàn)考評管理。

五、框架體系

虛擬實驗平臺的框架體系在進行需求分析及功能分析之后根據(jù)實際情況搭建如下:

圖4　虛擬實驗平臺框架體系

1.登錄管理

虛擬實驗平臺的登錄人員主要有兩類，一類是學(xué)生，一類是教師，根據(jù)角色的不同，登錄進去后的功能也有不同。學(xué)生登錄進去后，可以進行實驗預(yù)約及實驗選擇，完成實驗并且教師評分后可以查閱成績，該成績可以作為學(xué)生的實訓(xùn)成績，進入教務(wù)系統(tǒng)。查閱成績這個模塊有條件的話，可以包含一個查看錯誤及重做的模塊，因為學(xué)生完成實驗后，如果評分較低，或許他們想查看一下錯誤的地方在哪里，也許還想重新操作一遍(注:這個重新操作不一定會重新評分，但是對于學(xué)生來說，真正掌握實驗內(nèi)容才是最重要的)，這樣對于他們的學(xué)習(xí)效果有較大的提高。教師登錄進去后，根據(jù)所分班級的學(xué)生完成的實驗，進行實驗報告批改，并給出最后分數(shù)，提交到教務(wù)系統(tǒng)。

2.實驗室分類

實驗室分類模塊是虛擬實驗平臺的核心模塊，包含若干實驗室，如電工電子技術(shù)實驗室、建筑施工技術(shù)實驗室、建筑測量實驗室等等，每個實驗室下面可以包含若干個小實驗，若干個綜合實驗。每個實驗包含實驗原理及任務(wù)書，學(xué)生通過自主學(xué)習(xí)了解實驗的原理及步驟，需要完成的實驗的要求和內(nèi)容。學(xué)生完成交互實驗后，提交實驗報告，最終完成實驗。小實驗的作用，要求著重實驗原理的練習(xí)，可以是綜合實驗的步驟拆解，小實驗不建議評分，可以當(dāng)學(xué)生的熱身或者練習(xí)。綜合實驗，一般是一個大型實驗，是這門課程中最重要的核心課程內(nèi)容，一般是以某個綜合練習(xí)為藍本，如用全站儀完成二級導(dǎo)線測量，這里面包含了全站儀的使用原理，導(dǎo)線測量的步驟，邊長測量的原理，角度測量的原理，角度及坐標(biāo)計算的原理等內(nèi)容，可以作為一個綜合實驗，能夠較全面地考察學(xué)生的綜合能力，通過實驗步驟的一步步進行，按步驟評分，學(xué)生完成實驗并提交報告供教師批改后即可獲得實訓(xùn)成績。每門課程的綜合實驗可以有若干個，側(cè)重點可以不同，但要求體現(xiàn)“綜合”二字，要求包含若干個小的知識點或者小實驗，全面考查學(xué)生對這門課程的掌握。

3.公告及論壇

此模塊包含了實驗室公告，由管理員及教師發(fā)布，學(xué)生通過公告可以隨時了解實驗室的實時動態(tài)。論壇可以建立起教師和學(xué)生，學(xué)生和學(xué)生之間的溝通的橋梁。學(xué)生有問題可以和教師交流溝通，也可以和同學(xué)們交流實驗心得。教師可以在論壇里引導(dǎo)一些主題討論，提一些思考性的問題，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，在討論中，增加對實驗的進一步理解，進一步熟悉原理和操作步驟。教師還可以提出虛擬實驗和現(xiàn)實當(dāng)中的實驗的區(qū)別，實驗和實際工作當(dāng)中的區(qū)別在哪里，讓學(xué)生明白，便于實際操作。

4.幫助

此模塊包含虛擬實驗平臺的使用說明，可以是文字說明，可以圖文并茂，甚至有動畫演示，幫助學(xué)生盡快上手，掌握實驗步驟。此外，可以提供搜索幫助功能，學(xué)生根據(jù)關(guān)鍵字搜索可以快速定位到需要的幫助信息。有條件的話，還可以開通在線幫助，論壇求助等功能，讓學(xué)生遇到困難時可以及時解決。

六、結(jié)束語

遠程教育工程類專業(yè)虛擬實驗室的構(gòu)建，從學(xué)生的需求調(diào)查出發(fā)，論述了虛擬實驗室的功能和框架體系。虛擬實驗室的建設(shè)，對于遠程教育院校來說，十分有必要，也很有意義?？梢詳[脫大部分實訓(xùn)課程開而不上的尷尬局面，也可以幫助學(xué)生提高觀察推理能力，提高實踐技能，提高遠程教學(xué)的效果。虛擬實驗的發(fā)展前景是非常良好的，也必將在遠程教育工程類專業(yè)的教學(xué)中發(fā)揮重要的作用。

【參考文獻】

［1］吳曉南．高校虛擬實驗室的構(gòu)建［J］．國外電子測量，2006，(25)．

［2］叢文靜，朱璽寶，趙敏．工程制圖虛擬實驗室的建設(shè)及應(yīng)用［J］．實驗技術(shù)與管理，2011，(11)．

［3］萬桂怡，崔建軍，張振果．高校虛擬實驗平臺的設(shè)計及實踐［J］．實驗室研究與探索，2011，(3)．

［4］葉步偉，馬德?。摂M實驗技術(shù)及其在遠程教育當(dāng)中的應(yīng)用［J］．繼續(xù)教育研究，2011，(6)．

［5］高潤喜．構(gòu)建虛擬實驗室及其實踐教學(xué)的研究［J］．湖南人文科技學(xué)院學(xué)報，2007，(4)．

［6］程天寶．發(fā)揮虛擬實驗室在高職高專實驗中的作用［J］．成都大學(xué)學(xué)報:教育科學(xué)版，2007，(5)．

［7］宋小軟，趙俊蘭，王獻云．土木工程專業(yè)網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室建設(shè)探討［J］．結(jié)構(gòu)工程:第27卷增刊，2011，(1)．

(編輯/趙曉東)

The Study on Virtual Laboratory System Construction in Distance Education——Taking the Example of Engineering Majors

WENG Yan，CEN Mei，KANG Ling，LIU Hong-ting

(Sichuan Radio and TV University，Chengdu 610072，China)

【Abstract】It is a trend that virtual experiment assists teaching，especially in the experimental teaching in the distance education．This paper discusses the engineering virtual laboratory system construction in the distance education．First of all，the learners' characteristic，learning habit and learning requirement are analyzed through questionnaires．Then，the necessary functions of the virtual laboratory of the engineering majors are analyzed from the results．Lastly，the frame system of virtual laboratory is designed，the constitution and function of all modules are also analyzed．It could provide references for the virtual laboratory system construction of the engineering majors in distance education．

【Key words】distance education; engineering majors; virtual laboratory; constitution

【作者簡介】翁艷(1981—)，女，四川宜賓人，副教授，研究方向為工程項目管理、橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測。

【基金項目】四川廣播電視大學(xué)2014—2015青年教改項目，編號為XM2014001Q

【收稿日期】2015-09-06

doi:10．3969/j．issn．1001-8794．2015．11．011

【文章編號】1001-8794(2015)11-0039-04

【文獻標(biāo)識碼】A

【中圖分類號】G728