虚拟实验室环境下计算机本科专业应用型人才培养研究

朱韶平,肖永良



虚拟实验室环境下计算机本科专业应用型人才培养研究

朱韶平*,肖永良

(湖南财政经济学院 信息管理系,湖南 长沙, 401205)

针对当前高校人才培养普遍存在适应能力差、实践能力薄弱等问题, 结合社会对计算机专业人才需求改变的新形势, 提出了基于虚拟实验室的计算机本科专业应用型人才培养的方法. 通过利用虚拟实验室改善实践教学环境、改革实践教学模式、优化实践教学内容, 提高实践教学水平, 培养学生综合应用知识的能力、实践能力和创新能力.

虚拟实验室; 实践教学; 应用型人才培养

随着计算机科学与技术的发展, 社会需求大批计算机专业精通的高技能应用型人才, 因此对高校计算机专业的人才培养提出了更高的要求. 目前我国高校培养的计算机专业人才应用能力差, 实践能力薄弱, 人才培养与社会需求脱节是当前高等教育普遍存在的问题. 社会十分缺乏高技能的计算机专业应用型人才, 其直接原因在于受教育教学环境、教学条件的影响, 教学手段落后和教学方法单一, 尤其是实践教学. 如何奠定学生坚实的实践基础, 培养学生的应用能力和实践能力, 满足社会经济发展对计算机专业应用型人才的需求, 是我国当前高等教育人才培养工程面临的重大而现实的课题[1].

计算机本科专业应用型人才应能熟练运用本专业的理论知识解决实际的应用问题, 应具有计算思维能力、算法分析与编程能力、系统综合开发与应用能力、工作与创新能力等[2]. 工作与创新能力需要具备扎实的理论功底和丰富的专业知识, 工作与创新能力的培养需要理论联系实践, 并在实践中能够不断检验知识、提升能力. 因此, 计算机本科专业应用型人才的培养需要通过实践使学生获得更多的与应用能力相关的学科性及检验性知识和实践性知识, 培养学生相关学科知识的综合应用能力和创新能力.

基于虚拟现实技术的虚拟实验室能在改善和优化实践教学环境、丰富和拓广实践教学内容、提高实践教学水平等方面发挥重要的作用，是培养具有实践动手能力、综合应用能力和创新能力的应用型人才的有效途径.为了培养专业基础扎实、实践动手能力和应用能力强、具有一定创新能力的高级应用型人才, 在计算机本科专业实践教学环节中引入虚拟现实技术已成为一种必然趋势[3], 基于虚拟现实技术的虚拟实验室应用于计算机本科专业实践教学, 是提高计算机本科专业应用型人才培养规格和质量的迫切要求.

1 虚拟现实技术与虚拟实验室

1.1 虚拟现实技术

虚拟现实(VR, Virtual Reality)是一门集成了VR界面由计算机生成三维虚拟世界的人与信息的科学. 它是模拟环境、视景系统和仿真系统三者的有机结合, 具有高沉浸性、多感知性、强交互性和构想性及实体自主性. 虚拟现实技术是对现实世界进行全面仿真的技术, 它能够创建与现实世界类似的环境, 满足学习媒体的情景化及自然交互性的要求, 是一种强有力的辅助教学手段, 其在计算机专业实践教学中的应用具有其它媒体不可比拟的优势[4].

1.2 虚拟实验室

虚拟实验室是一种基于Web技术和虚拟现实技术的网络化开放式虚拟实验教学系统, 是虚拟化与数字化的教学实验室[5]. 虚拟实验室由虚拟实验平台、虚拟实验器材库和开放式实验室管理系统等组成. 虚拟实验平台是虚拟实验室系统与用户的接口界面, 一般由学生实验、实验管理及系统管理等功能模块组成, 并与系统数据库相连[6](图1).

图1 虚拟实验室系统逻辑结构

学生实验模块包括在线实验预习、实验预约、在线实验、实验报告、在线讨论与答疑、最新实验课程与最新实验资源展示、站内邮件等功能.

实验管理模块包括实验课程管理、实验内容管理、实验报告及成绩管理、学科管理、专业管理、实验教师、在线答疑、实验通知发布等功能, 其中实验课管理包括实验课程的增加与删除、实验课程审核等, 实验内容管理包括实验内容的添加、修改与删除等.

系统管理模块即系统信息的维护,它包括对虚拟实验教学系统的初始化、数据库的备份与还原、字典的恢复、在线课堂实验人数的设置、用户管理、密码修改等.

实验超级管理员认证登录实验室管理总后台, 能够发布实验通知与实验安排、添加实验课程以及课程管理密码等, 他具有最高权限. 实验指导老师能够发布课件、多媒体资料(视频、flash等). 而学生是虚拟实验室的最终收益者, 他几乎没有权限, 但所有的服务都是为他提供.

虚拟实验室采用虚拟现实和多媒体等技术相结合的方法, 构建出了一种多样化、实用化及个性化的能自主学习的虚拟实践环境, 其在计算机本科专业实践教学中的应用能使实践教学环境得到有效改善, 丰富实践教学的内容和优化实践教学的过程, 充分发挥教师为主导和学生为主体的教与学的能动作用, 是今后实践教学研究的一种新型模式.

2 虚拟实验室环境下计算机本科专业应用型人才培养

计算机本科专业应用型人才培养是以学科为支撑, 以专业为基础, 以能力为核心, 它强调的是知识的综合应用能力、实践能力和创新能力的培养. 虚拟实验室融合了虚拟现实、多媒体及计算机网络等技术, 虚拟实验设备易于创建和改造, 易于优化和升级, 具有功能全、成本低、无危险和网络化等许多优点. 虚拟实验室应用于计算机本科专业实践教学可以解决高校实践教学条件差, 实验教学资源缺乏, 学生实验受时空限制等问题; 在虚拟实验室学生可以自主创建甚至改造虚拟实验设备, 能加深学生对专业知识的理解及增强跨学科的意识, 提高学生的实践动手能力、综合应用能力和创新能力, 是培养计算机本科专业应用型人才的有效途径[7].

2.1 综合应用知识能力的培养

实践教学的主要目的是通过学生动手实践, 加深和巩固学生对所学理论知识的理解和综合应用, 是理论教学过程的延伸和拓展. 传统的计算机专业实践教学内容大都是从简单基础的验证型实践开始, 逐步提升到设计型的综合实践, 但由于受实验条件及课程课时数的局限, 不重视课程后期的综合性实践教学, 实践教学内容相对简单、深度欠缺, 学生综合应用知识的能力不能有效地得到锻炼提高[8]. 为培养学生综合应用知识的能力, 需改善实践教学的条件, 提高计算机本科专业各课程设计型等综合性实践在整个实践教学环节中的比重.

虚拟实验室可方便地集成和优化计算机本科专业各课程现有的实践教学内容, 加大设计型等综合性实践的比重, 有效地解决教学内容与有限学时之间的矛盾；解决由于资金匮乏实践条件差等问题; 实现在加强学生对专业基础知识理解和掌握的同时, 提高其综合应用知识的能力. 虚拟实验系统的可扩展性使虚拟实验设备的创建和改造变得容易, 使实践教学内容的规划、调整和整合变得灵活方便, 从而可设计内容丰富、综合性强且难度适中的并与实际工作接轨的模块化的实践教学内容, 在多门计算机专业课程的实践教学中分阶段地展开, 实现分阶段地培养学生的综合应用能力. 例如在学习了Java语言和J2ME的基础知识后, 通过实践教学使学生掌握嵌入式程序设计的要领, 在此基础上进一步提高实践教学内容的深度, 要求学生以MVC架构设计实现手机游戏的设计, 实现单机版的人机对战模式, 进一步通过蓝牙或红外的无线传输实现多机联网模式等; 结合实际应用及业界动态, 融合“嵌入式系统原理与设计”和“Java程序设计技术”等多门计算机专业课程的知识, 设计开发基于移动计算平台的应用系统等内容丰富且综合性强并适合学生的实践教学内容, 使实践教学变得富有趣味性和挑战性, 激发学生学习的主动性和创造性, 提高学生综合应用知识的能力.

2.2 实践动手能力的培养

实践动手能力是应用已有知识和技能去解决实际问题的能力, 实践动手能力的发展和培养只能靠实践来完成[9]. 计算机本科专业的许多课程都是重要的技术课程, 具有很强的实践性和先进性. 实践性是指学生学习这些课程重在于应用, 并将所学技术应用于本专业和发展本专业. 教学上要求理论联系实践, 并重视实践教学; 先进性是指计算机技术发展十分迅速且应用非常广泛, 各行各业特别是许多新的科技领域都与其有着密切的联系, 它与其他学科的交叉与渗透能产生许多的高新科技成果和高科技产品. 各种新技术、新方法和新产品的涌现, 正不断充实着计算机本科专业各课程的教学内容, 尤其是实践教学的内容.

实践教学是有效开展实践活动培养学生实践动手能力的平台, 要搭建一个良好的实践教学平台, 要求不断加强实验室建设, 实验设备和实验内容要不断更新, 实验管理和与实验有关的技术支持要不断加强, 实验室软硬件方面的投入要不断加大. 虚拟实验室最大的优点是高效率、低成本, 同时具备与现实的一致性、高度交互性和实时反馈等的基本特征. 为了节约建设资金及实验成本, 将虚拟现实技术引入计算机本科专业实践教学, 搭建虚拟实验室系统, 在保证实践教学效果的前提下, 减少了实验设备、仪器等经费的投人, 极大地节省了教学成本.

虚拟实验室为学生提供了生动、逼真的实践环境, 具有强大的交互功能, 学生与实践对象可以进行三维交互, 成为虚拟环境中的参与者, 获得与真实实验等同的体验, 即获得现场操作的临场感觉. 它突破了实践教学的重点和难点, 使得常规实践教学手段难以完成的操作技术及演示实验等能完全得到模拟, 能使微观问题宏观化、使复杂问题简单化、使抽象问题具体化, 加深学生对所学知识的记忆和理解, 培养学生的动手操作技能和研发兴趣. 例如在学习信息安全知识时, 通过信息安全虚拟实验室能进行信息安全相关技术演示, 允许学生实际操作和配置网络防火墙、网络攻击、加密软件、网络监控系统及入侵检测系统等信息安全产品, 使学生获得相关知识和实际动手操作的经验, 培养学生的实践动手能力.

2.3 创新能力的培养

创新能力是指个人提出新概念、新理论或发明新产品和新技术的能力[10]. 创新始于问题、源于实践, 为提高大学生的创新能力, 必须强化实践育人的意识, 切实加强综合性和研究性的实践教学. 传统的实践教学是按单门课程设置的并以验证性实验为主的保姆式实践教学模式, 学生创新能力很难得到培养和提高. 随着知识更新周期的不断加快, 新知识层出不穷, 各专业特别是计算机专业各学科之间存在着分化和综合, 传统的实验室实践教学已经不能满足应用型人才培养的要求, 根据计算机本科专业各学科的特点, 理论联系实际, 探索灵活多样的课内外及校内外技能训练, 探究综合性及研究性较强的课程设计等的实践教学新模式, 是增强学生专业实践知识、提高学生专业实践能力和创新能力的有效途径.

虚拟实验室为实践教学搭建了一个先进而又灵活的实践教学平台, 能十分方便地增设综合性、设计性和研究性等实验项目, 学生可早日参与科学研究活动, 养成主动学习和独立思考问题及科学思维的良好习惯, 培养学生不断追求新知识的精神和勇于实践及敢于创新的能力. 基于虚拟实验室的教学模式是一种新型的研究性的实践教学模式, 教师通过虚拟实验室把实验新技术和最新科研成果应用到计算机工程项目实训教学当中, 从学生的知识基础和认知结构等实际出发, 采用启发式的实践教学方法, 引导学生积极思维和主动获取知识, 发展学生的智能, 加强多层次的工程项目实训, 培养学生的团队精神和创新能力. 通过虚拟实验室教师可增设高新技术的综合研究性实验项目, 加强创新研究性的实验教学, 鼓励和吸引更多的学生积极参加全国大学生程序设计大赛及大学生电子设计大赛等, 积极开展DSP、ARM单片机等软硬件系统的研发活动, 引导学生进行创新研究性学习, 提高学生的电子设计能力及软件和算法的开发水平, 培养学生的科学探究的能力和创新能力

3 总结

本文根据社会对人才需求改变的新形势, 从培养大学生综合应用知识能力、实践动手能力和创新能力出发, 提出了在虚拟实验室环境下计算机本科专业应用型人才培养的新方法, 有效解决了我国高等教育和人才培养中普遍存在的“应用能力差, 实践能力薄弱”等问题. 基于虚拟实验室的实践教学是一种新型的实践教学模式, 其在计算机本科专业实践教学中的应用能有效提高计算机专业实践教学的水平, 培养实践动手能力和综合应用能力强且具有一定创新能力、满足社会需求的计算机专业应用型人才. 因此, 研究虚拟实验室环境下计算机本科专业应用型人才的培养, 对于推动新世纪高等院校实践教学的改革与创新, 解决我国高等教育和人才培养面临的问题, 具有十分重要的现实意义和深远的历史意义.

[1] 何炎祥. IT发展与创新人才培养[J]. 计算机教育, 2009(2): 9—14.

[2] 蔡敬民, 魏朱宝. 应用型本科人才培养的战略思考[J]. 中国高等教育, 2008(12): 58—60.

[3] 赵士滨, 吴秋峰. 虚拟现实技术进入高校实验教学的研究[J]. 教育发展研究, 2000 (8): 77—80.

[4] 梁宇涛. 虚拟现实技术及其在实验教学中的应用[J]. 实验技术与管理, 2006(3): 81—85.

[5] 林川, 刘胜永, 潘盛辉. 基于Web的虚拟实验系统的设计[J]. 软件导刊, 2007: 39—40.

[6] 朱韶平. 基于Web ActiveX数据控件的网络虚拟实验室构建[J]. 计算机技术与自动化, 2010(12): 104—106.

[7] 武俊鹏, 孙建国, 张国印. 虚拟现实技术在计算机实验教学中的应用[J]. 计算机育, 2007(24): 34—36.

[8] 王志英. 计算机科学与技术专业实践教学体系研究[J]. 计算机教育, 2008(3): 18—20.

[9] 贾历程, 林小峰. 应用型专业知识实践能力培养策略探讨[J]. 教育探索, 2013(06): 96—98.

[10] 严薇, 袁云松. 大学生实践创新能力培养的探索与实践[J]. 中国大学教学, 2012(09): 78—80.

Study of computer undergraduate applied talents cultivation under virtual laboratory environment

ZHU ShaoPing, XIAO YongLiang

(Department of Information Management,Hunan University of Finance and Economics, Changsha 4101205, China)

At present, majority of collegestudents have some shortcomings such as poor application ability, weak practice ability. In order to resolve the above questions, combining with social demand for computer professionals in the new situation,a new method was proposed to train computer undergraduate applied talents. Using the virtual laboratory, the practice teaching environment was improved, the practice teaching mode was reformed, the practice content was optimized. The level of practice teaching was improved. Students' comprehensive ability of applying knowledge, practical ability and innovation ability was cultivated.

virtual laboratory; practice teaching; practical talents training

10.3969/j.issn.1672-6146.2014.04.016

G 642.0

1672-6146(2014)04-0065-04

email:zhushaoping_cz@163.com.

2013-09-08

湖南省教育科学“十二五”规划课题(课题号XJK012CGD022, XJK013CGD083); 湖南省普通高等学校教学改革研究资助课题(湘教通【2012】401号544).

(责任编校:刘刚毅)