虚拟实验在高校计算机实践教学中的应用

刘博宇 黄敏 李森林

摘要：随着虚拟现实（VR）技术的发展，其在高校计算机实践教学中得到应用。本文简要分析了不同教学模式的利弊，并给出了虚拟现实技术硬件设施以及相关技术和虚拟实验场景。最后总结了虚拟实验在计算机实践教学中的应用方法。

关键词：虚拟实验;教学模式;计算机实践教学

中图分类号：G434        文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2019）19-0180-02

随着信息时代的到来，互联网+教育的教学模式的出现日益影响着高校的教育教学方式，并逐渐改变高校教师的教学理念和学生获取信息的渠道。其中虚拟现实（VR）技术给高校的计算机实践教学注入了新的活力和动力，虚拟实验把计算机中的虚拟技术和现实中的计算机实践教学相结合，这对于提高教学效果和改善教学质量都起到很大作用，并进一步促进了大学生的实践动手能力和创新精神，符合高校教育中的信息化教学的要求。

1 不同教学模式

1.1传统教学模式

教学模式是在一定教学思想或教学理论指导下建立起来的较为稳定的教学活动结构框架和活动程序。传统的教学模式是一种以老师、书本和课堂为中心的教学模式。往往形成了老师单向灌输、学生被动接受的局面，使得认知主体的学生在整个教学过程中始终处于被动地接受知识的地位，学生学习的主动性被忽视。这与现代社会对人才培养的要求是不相符合的，这种模式担负不了培养高素质的创造性人才的重担，因此，改变传统教学模式，打造适应新课改要求的高效模式势在必行。

1.2 VR虚拟教学模式

随着计算机各种相关技术的发展，尤其网络技术和VR技术的发展，为教育模式的改变提供了技术支持。 VR技术在教育方面，有着无可限量的潜力，在VR虚拟教室中，VR技术不仅可以在基于传统的教育模式上的改变发挥着重要的作用，还可以通过VR技术的本身特性，增加新的教学模式，通过虚拟教室教学，VR技术可以提供丰富的教学器材，适合教学课程的场景，以及先进的教学课件，充分的提高了教学的丰富性，也激发了学生们对于学习的兴趣，这对于创新式教育有着很大的帮助。

2 虚拟现实技术

2.1简介

VR技术作为计算机研究的一个新的研究分支，主要包括传感器、仿真技术、多媒体技术、网络技术、人工智能技术、人机接口技术术等[1]。其中传感技术是VR实验的重要组成部分，常见的设备VR一体机中，采用头部追踪和眼球追踪相结合为基础条件，配以各种传感器、鏡片以及屏幕让人有着身临其境的体验。其中重力传感、磁场传感、光距离传感、温度传感是一个基本的视觉沉浸感。再加以扬声器制造的3D音效，更能让人感觉到虚拟环境的真实感。视觉与音效体验相结合制造的虚拟环境，交互性强且自然程度高。

2.2虚拟实验场景

虚拟现实技术是利用各种技术集成生成一种逼真的虚拟环境[2];虚拟实验是利用虚拟技术使得人能够与虚拟环境进行互动，并对虚拟对象进行感知操控。在虚拟实验中，用户能够通过虚拟技术实现信息、软件以及设备等资源的共享和互动操作，提高了设备利用率和用户自主性。

计算机实践教学的虚拟实验建设主要包括：计算机网络、服务器设备、虚拟终端、虚拟实验管理等子系统。在实践教学中用户可以利用终端，通过网络实现对虚拟实验站点的访问，选择实验环境和设备、配置参数、启动虚拟环境，完成对实验内容的操作。实验完成后，再通过虚拟实验系统将实验结果数据反馈给用户。基于虚拟现实的虚拟实验具有较强的交互性，虚拟主机通过分时系统完成对用户的及时响应。虚拟实验系统的模块可分选取实验内容、启动实验环境、操作实验、实验报告与评估、实验跟踪与反馈和成绩统计等。下面就实验报告子模块展开阐述（其他雷同不再阐述），进入实验报告模块，教师和学生皆可以完成不同的任务。由于师生权限原因，教师用户所能查看实验任务可分为已完成与未完成两类，教师发布实验任务前可以根据知识点对实验过程进行分点要求通过虚拟实验系统发布于实验过程中，在学生完成实验后教师能够在虚拟实验系统中对学生的实验完成情况有一个完整的了解（如：完成时间，具体方式）从中进行对学生加以指导，学生登录后利用该模块可以查看自己的学习记录如图1所示，可以在记录中获得教师的细节指导（分点要求的具体实现过程），并能够查看实验报告或下载以及启动实验环境进行修改，与其余模块联动呈现更好的实验反馈促进学习。

3 虚拟实验在实践教学中应用

下面从虚拟实验角度，对计算机实验中的应用方法进行分析探究。

3.1 用虚拟实验理念改善计算机实践教学模式

基于虚拟实验的计算机实践教学已经得到高校教育管理部门和二级教学单位的高度重视。主要有以下原因：1）虚拟技术有助于提高学生的学习兴趣和促进学生对实验内容的理解和认识。2）虚拟技术方便教师利用网络资源例题来讲解实践教学内容，有助于学生充分认识和理解计算机实验的操作过程和具体步骤，保证了实验实训课程的教学效果。通过虚拟实验教学，学生在实验过程中有条不紊、严谨、一点点的深入开展实验和有目标学习，能全面培养学生的自我学习意识、创新思维和计算机实践操作能力。

3.2 充分利用好虚拟实验平台，促进计算机实践教学效果

目前高校在虚拟实验的建设中，投入巨大，比如我校建立了云服务实验平台。虚拟实验平台的建设大大缓解了高校计算机部分实验开设的瓶颈，如网络工程实验、大数据实验等，这些实验需要建立在虚拟的空间上才能很好地模拟完成，开展云服务网络虚拟实验突破了传统实验对“时、空”的限制，从根本上改变了实验实践教学的方式方法[3]，老师可以自由选择时间进行实验备课，学生也可以自由选择时间进行网络实验操作，随时随地上网能很好解决学生在实验课堂完成的实验内容，课下去完成。虚拟实验环境的建设对老师布置实验和学生操作实验提供了一个开放的平台，大量实验内容能够进入到实践教学中，这样可以进一步提高学生的各种能力，如动手能力、思维能力、创新能力和综合素质。

4 虚拟实验的意义

4.1 有助理论理解

虚拟实验是利用虚拟实验设备构建实验平台，并完成实验过程的仿真实现。具体能让学生在实验之前，通过计算机网络进入虚拟实验环境熟悉实验相关工作，如实验设计设备、参数配置、实验具体内容、实验过程等，通过预习实验，可以验证实验理论推导的准确性，并能够完成创新性或设计性高质量的实验内容。在实验过程中，对遇到的难题，通过搜集、实操、测试等环节，让学生对整个实验的系统设计和实施有了全新的认识。通过这些互动，无论对教学和科研都具有重要促进作用。

4.2 弥补传统实验不足

传统实验中，高校学院根据实验内容购买不同的实验设备，费用高、使用率低。学生做实验受到时间和空间的限制，不能根据自身的安排实时进行实验实践操作，并且实验设备的使用故障率高，导致学生心情郁闷，兴趣降低，达不到实验教学效果。而虚拟实验环境的建立是通过虚拟VR技术，完全弥补了以上方面的不足。学生在使用虚拟实验环境进行实践操作，根据操作中的实际情况如出现配置错误，可以重复及时还原到原始状态，能加快实验操作过程，激起学生实验的兴趣。学生通过自我学习，解决问题的过程逐渐积累学习的信心、积极性和主观能动性。这将有力的激发学生的创造精神。

5 结论

VR技术的快速发展，有力地推动了其在教育、游戏、购物等领域的应用。基于VR技术的虚拟实验实践教学能充分利用计算机实验内容的特点，构建适合计算机实践教学的实验环境，从而克服传统实践教学的不足，促进教师和学生在实践教学中的主动地位和提高教学效果，并全面提升学生的实践能动性和创新性。

参考文献：

[1] 赵沁平， 周彬， 李甲， 等. 虚拟现实技术研究进展[J]. 科技导报， 2016，34（14）：71-75.

[2] 朱敏， 张际平. 虚拟实验室及其教学应用[J]. 实验室研究与探索， 2006， 25（5）：626-628.

[3] 孙燕莲， 文福安. 虚拟实验教学的探索与实践[J]. 现代教育技术， 2009， 19（4）：131-132.

[4] 文福安. 虚拟实验教学系统的研究与应用[J]. 中国教育信息化， 2008（21）：37-39.

【通聯编辑：王力】