基于Web3D技术的大学创新实践教学研究

朱韶平

（湖南财政经济学院信息管理系,湖南长沙4101205）

一、引言

21世纪是经济全球化与知识经济时代，随着社会经济的飞速发展，社会对人才培养的要求越来越高，期望培育出满足社会需求的具有创新精神和创新能力的创新型人才。教育部也提出了关于大力推进高等学校创新创业教育和大学生自主创业工作的意见。加强大学生实践能力与创新能力培养，造就大批基础扎实、专业面宽、具有创新精神与创新能力的高素质创新型人才成为知识经济时代大学教育的历史使命。受社会环境、教育理念、教学方法和管理模式等因素的影响，“重理论，轻实践”、教学方法单一、理论学习和实践操作相分离等是传统大学教学普遍存在的问题，实践教学尤其是创新实践教学一直是我国高等教育的薄弱环节。学生实际动手操作能力普遍较差，缺乏学习的主动性和创造性，尤其缺乏综合运用知识进行设计和创新探究的能力,学生的实践能力、科学探究能力以及创新能力等难以得到培养和提高，人才培养与社会需求脱节。大学生创新能力的培养是高等学校实践教学面临的一重大课题。为培养专业理论基础扎实、实践能力强具有创新精神的创新型人才，满足社会对创新型人才的需求，改革传统的大学实践教学，实施创新实践教学刻不容缓。

大学创新实践教学是一种以问题为中心的新颖的实践教学模式。它要求改革传统的单边实践教学模式，确立学生在大学实践教学活动中的学习主体地位；要求改变传统的系统传授知识的课堂设计，把书本知识和现实问题结合起来，所传授的知识能解决现实生活中实际存在的问题，引导学生积极探索，勇于创新，激发学生学习的热情。它是培养学生综合应用知识能力、实践能力和创新能力的一种重要手段，是创新人才培养的有效途径。

基于Web3D技术的虚拟实验室能改革传统的实践教学环境及实践教学模式，实现实践教学模式、内容及方法和手段的创新。运用基于Web3D技术的虚拟实验室进行大学实践教学时一种创新性的实践教学，它极大地丰富学生的实践经验，是培养学生的实践能力和创新能力的有效途径。论文从创新实践教学的模式、内容、方法和手段入手，结合大学实践教学和学生创新能力培养，把Web3D技术引入大学创新实践教学[1]，构建基于Web3D技术的虚拟实验室，着重提高大学创新实践教学的水平，培养学生的创新能力。

二、Web3D技术与虚拟实验室

（一）Web3D技术

Web3D技术是基于Internet和依靠软件技术来实现的桌面级虚拟现实技术[2]。它综合了计算机仿真技术、多媒体技术及智能网络等主要技术，能将计算机获得的数字化信息转换成为人能感受到的具有各种表现形式的多维信息，是虚拟现实技术的一种实现形式。虚拟现实技术能创建具有高沉浸性、交互性、多感知性、构想性等酷似客观的虚拟环境，是模拟环境、视觉系统和仿真系统三者的有机结合。成熟实用的Web3D核心技术主要有基于VRML、Java、XML和基于动画脚本语言等技术，它提供了灵活方便的网络教学资源及网络教学活动空间，在教育、科研、金融、娱乐、数字城市建设和军事模拟等领域广泛应用。其在大学创新实践教学中的应用具有其他媒体不可比拟的优势。建模技术、显示技术和交互技术三大部分技术是Web3D的主要实现技术。其中建模技术是Web3D实现技术的关键，它采用虚拟现实建模语言（VRML），在Internet上建立3D多媒体和共享虚拟世界的一个开放标准，具有与平台无关性、分布式处理、三维交互功能和多媒体集成等基本特征；显示技术是把建立的三维模型描述转换成人们所见到的图像；Web3D技术实现用户和三维场景之间的交互是非常丰富的，在三维交互场景中，还能实现用户和用户的交流。

（二）基于Web3D技术的虚拟实验室

基于Web3D技术的虚拟实验室是一种由Web3D技术和VR虚拟现实技术模拟真实实验环境进行虚拟实验的实验教学系统。它采用Web3D技术和虚拟现实技术通过虚拟实验教学系统在计算机上建立虚拟实践实训环境，为用户提供可操作的虚拟实验仪器、虚拟设备及实验信息资源等，是各种实际教学实验室的数字化和虚拟化[3]。基于Web3D技术的虚拟实验室由学生实验模块、实验管理模块和系统管理等主要功能模块组成，其系统功能结构如图1。

系统管理模块包括用户注册管理、系统权限管理及系统安全管理等主要功能[4]。实验管理模块是系统的核心模块，具有虚拟仪器编辑、虚拟仪器管理、软件组件管理、实验生成与管理和实验教学与管理等主要功能。学生实验模块包括学生实验预习和实验预约、实验操作与实验报告提交、成绩查询与打印等功能。

基于Web3D技术的虚拟实验室是一种全新的实践教学环境，能模拟各种真实的实验台及各种真实的实验仪器和实验设备，提供与真实的实验环境酷似的虚拟实验实训环境。虚拟实验中实验对象在信号源的作用下依据实验原理产生相关实验状态和实验结果，学生通过各种自然、直观的诸于视觉、听觉等实时感知交互手段，能获得身临其境的感受。学生在虚拟实验室中可自主选择实验内容及设计实验方案，通过虚拟实验台可自己动手配置、连接、调节和使用虚拟实验仪器设备自主完成实验，教师通过虚拟实验室利用虚拟器材库中的虚拟实验器材可自由搭建任意合理的综合性、创新性实验案例，为大学创新实践教学提供了有利条件。

图1 虚拟实验室功能结构图

三、基于Web3D技术的大学创新实践教学

基于Web3D技术的虚拟实验室融合了Web3D技术、智能网络技术、多媒体技术和计算机仿真技术等多种技术。虚拟实验室系统易于升级与优化，虚拟实验仪器和虚拟设备及设施易于更新与优化，具有功能全、成本低和无危险等诸多优点，为开设各种实践教学课程提供了一种全新的开放式实践教学环境。基于虚拟实验室的大学实践教学可以解决学生实验受时空限制，真实实验或操作中的危险环节所带来的各种危险，教学条件差，教学资源缺乏等方面的问题。它能改善实践环境，创新实践教学模式、内容及方法，提高实践教学水平，是一种创新性的实践教学。它有助于增强学生跨学科的研究意识和创新意识，培养学生的实践能力、科学探究能力和创新能力。

（一）实践教学模式的创新

基于Web3D技术的虚拟实验室能为学生提供生动、逼真的感性学习材料，激发学生的学习兴趣及学习智能，其应用于大学生创新实践教学具有真实实验室实践教学不可比拟的优势，是一种新型的实践教学模式。如在学习地理知识时，通过基于Web3D技术的虚拟实验室，学生如同亲临北极可尽情领略那里的自然风光；在学习物理知识时，利用Web3D技术可向学生展示半导体导电机理等复杂物理现象，以供学生观察学习；在学习建筑工程知识时，通过Web3D技术，学生可自由地在虚拟建筑物中游历，了解各类建筑设计的特色，通过特定的Web3D功能还可透视建筑物的内部结构，学生可亲身模拟搭建各类建筑的过程。在学习汽车修理时，通过基于Web3D技术的虚拟实验室学生能对各种汽车多角度观看、任意拆装、组合及真实三维还原。这些体验都是在传统课堂实践教学中无法实现而学生极其感兴趣的，可充分激发学生学习的热情，从而帮助学生突破学习重点和难点，加速和巩固学生对知识的学习。

基于Web3D技术的虚拟实验室在信息展示上可随时间和空间无限延伸[5]，学生课程实验不再受时间和空间的限制，是一种全开放式实验室。教师通过虚拟实验室系统把书本知识和实际问题结合在一起，根据现实具体问题创新性地设计各种实践教学内容，学生根据自己的学习任务和学习计划通过虚拟实验室系统在互联网上灵活方便地自主选择实验项目和实验时间，有更多的机会积极参与并自主完成各种开发设计性和创新研究性等综合性实验项目。它改变了“以教为主”的传统的单边实践教学模式，构建了以学生自主学习为主、教师指导为辅，综合设计性实验为主线及创新能力为目的的创新实践教学模式，突出了以创新实践教学为主的学生创新能力培养。

（二）实践教学内容的创新

基于Web3D技术的虚拟实验室是一种完全开放式的与时俱进的实验室，利用Web3D技术和VR技术可创建先进的虚拟实验仪器设备等，可增加实验内容先进、面向实际应用且受益面大实训项目及真实实验具有危险性而无法实验的实践教学项目，实现实践教学内容的创新。如在飞行员试飞的虚拟实验室里，飞行员模拟飞行可以体验飞行的过程，并对在现实飞行中每一种可能发生的事件做出应对，减少现实飞行中飞行事故的出现。在虚拟物理实验室学生可做原子核裂变等实验，在虚拟地理实验室学生可做火山喷发等危险性实验，在虚拟化学实验室学生可做燃烧、爆炸等具有高危险性的实验。这些实验都是在实际生活中具有高危险性无法真实实验的项目，基于Web3D技术的虚拟实验室可以避免真实实验或操作中的危险环节所带来的各种危险，实施实际生活中无法真实实验的实验项目，从而加深学生对所学知识的理解和掌握。通过基于Web3D技术的虚拟实验室可灵活方便地融合电子技术、单片机原理与应用技术、高级语言程序设计和DSP技术与应用等多门专业课程知识，集成和优化多门相互关联课程的实践教学环节，科学合理地设计基于DSP的双工保密电话、基于DSP的自动无线电话的双向数据交换及基于DSP的汽车防冲撞电子系统等技术先进、内容丰富、可操作性和扩展性强并与实际工作接轨的模块化的实践教学内容，分阶段地在多门课程的实践教学中展开，使实验项目层次化，使实验教学内容现代化，激发学生学习的主动性和创造性，分阶段培养学生的应用能力和创新能力。

（三）实验教学方法和手段的创新

运用Web3D技术构建的虚拟实验室系统创建有利于学生自主学习及其创新的开放式虚拟实践教学环境，可创新实践教学的方法和手段。教师根据不同专业和不同学科的特点，通过利用基于Web3D技术的虚拟实验室，采用多种类型的实验并举，以学生自我训练为主的新型的实践教学方法及手段。对经典实验采用经典的实验技术、方法和手段，加深学生对理论教学内容和实验设计者的原创思想的理解；对于综合性、设计性及开放性实验，采用先进的实验技术、方法及手段，通过利用基于Web3D技术的虚拟实验室为学生提供最新、最先进的虚拟实验仪器和设备，使学生实验条件及实验水平达到先进的实验条件和先进的实验水平，加强对学生综合素质和创新能力的培养。教师把高新实验技术和最新科研成果应浓缩提炼转化为实验项目，通过基于Web3D技术的虚拟实验室开放实验项目内容，鼓励学生积极参与学校设立的实验室基金项目、各重点实验室科研成果转化的实验项目等课外创新类实验项目，鼓励和吸引更多的学生参加省级、国家级创新性实验大赛，引导学生进行创新研究性学习，着力培养学生的创新意识和创新能力。学生通过网络在线访问虚拟实验室，可自主选择实验项目，设计实验方案，进行自主学习、实验预习、实验创作、网上实验等，实现实践教学方法和手段的创新。学生通过基于Web3D技术的虚拟实验室可以虚拟学习过程中提出的各种假设模型，如在虚拟化学实验中，学生可根据假设将不同的分子组合在一起虚拟出不同的物质，从而很有可能研究出新的物质。学生通过虚拟实验室进行自主探索学习，可激发学生的创造思维，培养学生的科学探究能力。

四、结语

本文针对传统实践教学中存在的实验教学资源短缺、实验教学内容简单、综合设计性和创新性等实验项目缺少、学生综合应用知识能力差及创新能力缺乏等问题，结合社会对人才需求改变的新形势，从培养大学生实践能力和创新能力出发，提出了基于Web3D技术的大学创新实践教学。通过利用基于Web3D技术的虚拟实验室改革传统的实践教学模式，创建新型的实践教学环境，实现实践教学模式、实践教学内容的创新及实践教学方法和手段等的创新，从而实现大学创新实践教学，培养综合素质、实践能力和创新能力强满足社会需求的创新型人才。

[1]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.

[2]郭磊.Web3D技术在现代教学中的应用[J].陕西教育:高教版,2009(8):94.

[3]李仁发,周祖德.虚拟实验室网络体系结构研究[J].系统仿真学报,2002(33):59-62.

[4]朱韶平.基于WebActiveX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.

[5]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.