楊南粵

摘要：實(shí)驗(yàn)教學(xué)對培養(yǎng)創(chuàng)新實(shí)用型人才的重要作用毋庸置疑。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)由于自身的局限性已不能滿足現(xiàn)代教育的需求。本文探討了利用虛擬實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)大學(xué)生實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力的優(yōu)勢和方法，并舉出了兩個實(shí)際例子。實(shí)踐證明，虛擬實(shí)驗(yàn)有利于學(xué)生實(shí)現(xiàn)從知識學(xué)習(xí)到動手實(shí)驗(yàn)的跨越，有利于提高學(xué)生的創(chuàng)新能力和綜合實(shí)踐能力，能有效提高教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：實(shí)驗(yàn)教學(xué)；虛擬實(shí)驗(yàn)；創(chuàng)新型人才

中圖分類號：G712 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-5727（2014）08-0162-04

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高等教育一個重要組成部分，是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力、實(shí)踐動手能力和綜合素質(zhì)的一個重要環(huán)節(jié)。在所有影響教育質(zhì)量的因素中，實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)占有非常重的比重。近兩年國家教育部頒布了兩大文件：《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011—2020年）》提出“推動信息技術(shù)與高等教育深度融合，創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式”；《教育部關(guān)于全面提高高等教育質(zhì)量的若干意見》明確提出“強(qiáng)化實(shí)踐育人環(huán)節(jié)，提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平……提高實(shí)驗(yàn)、實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)、實(shí)踐質(zhì)量”，這意味著各高校在未來十幾年內(nèi)要切實(shí)推進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)信息化建設(shè)，推動實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革、實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源開發(fā)與共享。

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備的投入與維護(hù)費(fèi)用高，受時間、地點(diǎn)、人力、物力等諸多因素的影響，實(shí)驗(yàn)的開展存在局限性，已不能完全滿足現(xiàn)代教育的需求。鑒于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)與信息化時代人才培養(yǎng)需求之間的不對稱，筆者認(rèn)為，應(yīng)利用虛擬實(shí)驗(yàn)合理、高效、智能化地整合教學(xué)資源，探索虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境下調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)積極性、提高學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力的教學(xué)方式。利用現(xiàn)代信息技術(shù)引入虛擬實(shí)驗(yàn)，克服傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ降牟蛔悖剿餍聲r代下創(chuàng)新實(shí)用型人才的培養(yǎng)模式和方法，已成為深化實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的迫切需求。

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不足阻礙了創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容和形式比較單一，大部分都是驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，涉及的課程內(nèi)容往往互相獨(dú)立，存在知識點(diǎn)重復(fù)問題。學(xué)生學(xué)習(xí)了獨(dú)立的課程而不能融會貫通，由于無法進(jìn)行跨學(xué)科學(xué)習(xí)，難以具備綜合應(yīng)用所學(xué)知識解決實(shí)際問題的能力。這種多驗(yàn)證理論而少嘗試創(chuàng)新的實(shí)驗(yàn)，很難真正培養(yǎng)和提高學(xué)生的創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力。

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)信息單向傳遞，學(xué)生自行設(shè)計的實(shí)驗(yàn)或創(chuàng)意獨(dú)特的實(shí)驗(yàn)方法能否觀察到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，能否進(jìn)行實(shí)驗(yàn)調(diào)試，能否獲得實(shí)驗(yàn)結(jié)果或評價都缺乏實(shí)時反饋。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中偶獲的創(chuàng)新靈感由于有限的實(shí)驗(yàn)條件而難以得到印證和延展，不利于他們創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力的培養(yǎng)。

在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中，教師往往關(guān)注能否完成預(yù)期教學(xué)任務(wù)，追求實(shí)驗(yàn)結(jié)果與教學(xué)目標(biāo)的吻合度，容易忽略實(shí)驗(yàn)過程中對學(xué)生思維方法的引導(dǎo)，及對學(xué)生突現(xiàn)的創(chuàng)新思維火花的關(guān)注和鼓勵。重結(jié)果、輕過程的實(shí)驗(yàn)不利于挖掘和培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新性。

虛擬實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的優(yōu)勢

在計算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等基礎(chǔ)上發(fā)展起來的虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)軐?shí)現(xiàn)真實(shí)實(shí)驗(yàn)不具備或難以完成的教學(xué)功能。對于一些真實(shí)實(shí)驗(yàn)平臺無法開展、復(fù)雜性比較大、存在潛在危險的或成本比較高的實(shí)驗(yàn)，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛱峁┛煽?、安全和?jīng)濟(jì)的實(shí)驗(yàn)項目。虛擬實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)如圖1所示。

虛擬實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的優(yōu)越性主要體現(xiàn)在以下方面。

（一）擴(kuò)充實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力

利用虛擬實(shí)驗(yàn)，可以使實(shí)驗(yàn)由驗(yàn)證性向綜合性、設(shè)計性、研究性過渡。綜合型實(shí)驗(yàn)必然存在學(xué)科之間的交叉與滲透。通過虛擬實(shí)驗(yàn)，學(xué)生能夠更好地對各種知識進(jìn)行融會貫通，獲得“觸類旁通”、“舉一反三”的綜合性實(shí)踐能力。在實(shí)驗(yàn)中，教師給出方向和任務(wù)要求，學(xué)生查閱文件資料后根據(jù)自己的興趣愛好設(shè)計實(shí)驗(yàn)項目，自行選配實(shí)驗(yàn)器材，規(guī)劃實(shí)驗(yàn)步驟。由于是虛擬實(shí)驗(yàn)，學(xué)生設(shè)計跨學(xué)科的實(shí)驗(yàn)項目不再受到實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有固定實(shí)驗(yàn)器材的局限，創(chuàng)新和探索的自由度大幅度提高，可實(shí)現(xiàn)對傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)思維的突破和創(chuàng)新。虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛴行У亟鉀Q實(shí)驗(yàn)材料消耗和大型昂貴設(shè)備的操作安全問題，學(xué)生可以大膽進(jìn)行綜合性、創(chuàng)新性、研究性的實(shí)驗(yàn)項目，有利于培養(yǎng)和鍛煉學(xué)生綜合實(shí)踐能力和創(chuàng)新意識。

（二）提供無限實(shí)驗(yàn)環(huán)境，提高學(xué)生的創(chuàng)新意識

虛擬實(shí)驗(yàn)可突破時間和空間限制，學(xué)生可以在任何時間和地點(diǎn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。并且，虛擬實(shí)驗(yàn)提供了充分自主的操作空間，學(xué)生可以進(jìn)行自主創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)。因此，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中突現(xiàn)的創(chuàng)新性想法，例如對某些問題提出的大膽假設(shè)和猜想，能方便地在虛擬實(shí)驗(yàn)提供的虛擬環(huán)境中得以驗(yàn)證，得到實(shí)時反饋。某些虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)集成了知識庫，具有更強(qiáng)的實(shí)時響應(yīng)、過程互動和智能指導(dǎo)功能。某些虛擬實(shí)驗(yàn)提供的開放式實(shí)驗(yàn)平臺允許使用者重構(gòu)或改善平臺開發(fā)者提供的不盡如人意的功能，進(jìn)行個性化實(shí)驗(yàn)設(shè)計，突破了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的局限性，極大地激發(fā)了學(xué)生的探究欲望和學(xué)習(xí)興趣。這種新型的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，有助于提高學(xué)生發(fā)散思維能力、歸納總結(jié)能力，從而培養(yǎng)他們發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的創(chuàng)新意識，積極實(shí)踐和勇于探索的精神。

（三）改變實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)模式，挖掘?qū)W生創(chuàng)造潛力

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)若要對實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行記錄或監(jiān)控需要借助攝像儀器，而虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)通過程序設(shè)計即可具備這種功能，一方面，可為學(xué)生實(shí)驗(yàn)提供可視化的操作環(huán)境和實(shí)時交互功能，另一方面，也可為教師提供實(shí)驗(yàn)過程再現(xiàn)、實(shí)驗(yàn)巡視功能，使教師可以隨時抽查了解某個學(xué)生實(shí)驗(yàn)的全過程，檢查實(shí)驗(yàn)進(jìn)展情況、復(fù)雜問題協(xié)同完成進(jìn)度等。這樣，教師關(guān)注的就不僅僅是實(shí)驗(yàn)結(jié)果的正確與否，還可以對實(shí)驗(yàn)全過程進(jìn)行監(jiān)控或回放，對學(xué)生的指導(dǎo)更加靈活和細(xì)致。這樣的好處是教師可以真正了解學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中的思路，即解決實(shí)際問題的思維方式，更容易發(fā)現(xiàn)和挖掘?qū)W生在實(shí)踐探索中的創(chuàng)新想法，從而進(jìn)行及時的引導(dǎo)，使學(xué)生的創(chuàng)新意識得到重視和培養(yǎng)，使學(xué)生的創(chuàng)新能力得到鍛煉和提高。

利用虛擬實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的實(shí)踐

（一）虛擬實(shí)驗(yàn)平臺的構(gòu)建與運(yùn)作

在課堂基礎(chǔ)理論教學(xué)上，利用專業(yè)的仿真軟件，采用多媒體技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)通訊平臺，構(gòu)建具有高度真實(shí)感、直觀性和精確性的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺，既能滿足實(shí)驗(yàn)的靈活性和有效性要求，又可極大地減少實(shí)驗(yàn)成本和資源消耗，是對專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有益補(bǔ)充和創(chuàng)新。綜合型、創(chuàng)新型、不易實(shí)施的實(shí)驗(yàn)通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)完成，學(xué)生可以方便地修正、重組、查驗(yàn)和嘗試，為他們自主學(xué)習(xí)提供更加廣闊的實(shí)踐空間，使他們的創(chuàng)造性思維更加活躍。

下面以“教育電聲系統(tǒng)”虛擬實(shí)驗(yàn)為例加以說明?！敖逃娐曄到y(tǒng)”這門課程主要講述電聲系統(tǒng)的設(shè)計、實(shí)施和評價等，它的難點(diǎn)在于聲音的不可視性，使得理論部分的講解比較抽象，實(shí)驗(yàn)部分由于電聲系統(tǒng)設(shè)備昂貴，學(xué)生在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室獲得的訓(xùn)練非常有限和片面。根據(jù)以往的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，由于實(shí)驗(yàn)環(huán)境條件所限以及客觀存在的實(shí)驗(yàn)誤差，實(shí)驗(yàn)難以達(dá)到理想要求。為此，我們利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)創(chuàng)設(shè)開放式虛擬實(shí)驗(yàn)平臺，如圖2所示，設(shè)計開發(fā)了四個交互性和實(shí)操性很強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)：（1）室內(nèi)聲場的認(rèn)識與測量（一）——室內(nèi)聲壓級；（2）室內(nèi)聲場的認(rèn)識與測量（二）——室內(nèi)混響；（3）擴(kuò)音機(jī)與揚(yáng)聲器配接實(shí)驗(yàn)；（4）數(shù)字化音頻的合成與處理。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括常用器件的檢測連接、聲場主要指標(biāo)的測量以及教育電聲節(jié)目的編制等。教育電聲系統(tǒng)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺操作原理如圖3所示。

進(jìn)入虛擬實(shí)驗(yàn)平臺后，學(xué)生可根據(jù)個人興趣設(shè)定學(xué)習(xí)目標(biāo)和基本學(xué)習(xí)思路，然后進(jìn)入對應(yīng)的虛擬情境學(xué)習(xí)。例如，學(xué)生進(jìn)行擴(kuò)音機(jī)與揚(yáng)聲器配接實(shí)驗(yàn)，根據(jù)配接原理和配接條件自己選擇實(shí)驗(yàn)器材進(jìn)行配接，系統(tǒng)會根據(jù)學(xué)生的操作給出虛擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果。在虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，學(xué)生可以隨時隨地進(jìn)行無數(shù)次的操作直至滿意為止，不必?fù)?dān)心儀器設(shè)備的損耗?！笆覂?nèi)聲場的認(rèn)識與測量（二）——室內(nèi)混響”實(shí)驗(yàn)如圖4所示。通過鼠標(biāo)點(diǎn)擊揚(yáng)聲器圖標(biāo)，在彈出的控制面板上調(diào)整不同混響時間及混響音量大小，讓虛擬人物在室內(nèi)自動轉(zhuǎn)圈或鼠標(biāo)控制行走，系統(tǒng)會根據(jù)虛擬人的位置實(shí)時產(chǎn)生對應(yīng)的混響效果。這對于學(xué)生自行設(shè)計電聲系統(tǒng)，嘗試選擇不同的設(shè)計方案以檢驗(yàn)和體驗(yàn)自己的設(shè)計效果是非常方便的。例如，對特定的音效場景，如歌舞廳、電影院、劇院、大型會議中心等進(jìn)行聲學(xué)設(shè)計，不必到真實(shí)的場地進(jìn)行音效測試和調(diào)整，可以在系統(tǒng)提供的虛擬環(huán)境里通過調(diào)整室內(nèi)裝飾材料（改變吸聲系數(shù)）、混響時間等聲特性參量感受到不同的聲音效果。這為學(xué)生創(chuàng)新思維的發(fā)展和鍛煉提供了巨大的自由空間，也他們在實(shí)踐中檢驗(yàn)自己的創(chuàng)新設(shè)計理念是否可行，不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，改進(jìn)設(shè)計方案提供了極大的便利。虛擬實(shí)驗(yàn)平臺的實(shí)時交互操作，可使學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中學(xué)習(xí)，在實(shí)驗(yàn)中創(chuàng)新的能力得到不斷的提高。實(shí)踐證明，比起傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方式，虛擬實(shí)驗(yàn)使學(xué)生獲得的知識量、信息量、訓(xùn)練量大大提高了，對培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力和綜合解決問題的能力起到了較大的作用。

（二）學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)

利用虛擬實(shí)驗(yàn)平臺，開發(fā)綜合性強(qiáng)、創(chuàng)新性強(qiáng)、復(fù)雜度高的虛擬實(shí)驗(yàn)項目，能為學(xué)生研究能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)提供良好平臺。綜合性強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)項目建立在知識融合的基礎(chǔ)上，其問題的最終解決途徑往往不是唯一的，存在著較大的創(chuàng)新空間，有利于挖掘?qū)W生的創(chuàng)造潛力，培養(yǎng)他們的發(fā)散思維，用創(chuàng)新的思路和創(chuàng)造性的方法解決實(shí)際問題。虛擬實(shí)驗(yàn)平臺為學(xué)生跨學(xué)科的探索提供了安全可靠的實(shí)踐空間，使他們勇于實(shí)踐、大膽嘗試，最終提高解決綜合問題的能力。

例如，虛擬變速箱的實(shí)驗(yàn)，利用虛擬現(xiàn)實(shí)軟件設(shè)計并實(shí)現(xiàn)變速箱的工作過程可視化，通過人機(jī)交互體現(xiàn)變速箱的工作原理。從虛擬變速箱的總體設(shè)計規(guī)劃分析，到虛擬變速箱的制作步驟，最后到虛擬變速箱的最終實(shí)現(xiàn)整個過程都是由各個小組的學(xué)生分工合作完成的。也就是說，從設(shè)計方案的選擇到最后實(shí)現(xiàn)都是學(xué)生自行完成的，他們可以自由選擇變速箱內(nèi)部的輪系類型、齒輪機(jī)構(gòu)的組成、齒輪的齒數(shù)等以獲得不同的傳動比，從而實(shí)現(xiàn)變速箱的變速與變向傳動功能。由于實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的綜合性，學(xué)生完成該項實(shí)驗(yàn)所用到的知識就不再僅來自一門課程，需要他們在教師的指導(dǎo)下自行分模塊、分步驟地查閱和學(xué)習(xí)相關(guān)的幾門課程資料，通過知識的綜合提出設(shè)計思路并在實(shí)踐中驗(yàn)證其設(shè)計是否可行。譬如，輪系的傳動比涉及齒輪的齒數(shù)、齒輪的轉(zhuǎn)速、電動機(jī)的轉(zhuǎn)速等，與之相關(guān)的課程有2～3門，學(xué)生需要進(jìn)行跨學(xué)科學(xué)習(xí)，才能解決好設(shè)計過程中出現(xiàn)的各種問題。這樣的學(xué)習(xí)過程完全打破了傳統(tǒng)的學(xué)科壁壘和專業(yè)設(shè)置界限，學(xué)生可在學(xué)科交融中擴(kuò)大視野，拓寬思路，接觸新技術(shù)，領(lǐng)悟新知識，創(chuàng)造性地去解決一些實(shí)際問題，而不必拘泥于某一學(xué)科知識的約束，從而避免了思維定勢。實(shí)踐證明，比起傳統(tǒng)的變速箱實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生去機(jī)械零件室對有限數(shù)量的變速機(jī)構(gòu)教學(xué)儀器用工具進(jìn)行簡單裝拆，開放性的虛擬變速箱實(shí)驗(yàn)可使學(xué)生獲得更多的知識，更有利于培養(yǎng)他們的實(shí)踐精神和創(chuàng)新精神，并且學(xué)生對知識的理解更加深刻、透徹，對技能的掌握更加牢固，可促進(jìn)他們從單一技能的掌握到綜合能力的提升。這種綜合應(yīng)用型的虛擬實(shí)驗(yàn)項目能最大限度地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和探索熱情，有利于他們創(chuàng)新意識、創(chuàng)新精神、創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

筆者研究了現(xiàn)代信息化教育環(huán)境下虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)較傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的明顯優(yōu)越性，提出了利用虛擬實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)大學(xué)生實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力的模式和方法，并給出了兩個實(shí)際案例。實(shí)踐證明，虛擬實(shí)驗(yàn)對于培養(yǎng)和提高大學(xué)生的操作能力、分析和診斷能力、設(shè)計能力、創(chuàng)新能力以及處理綜合問題能力都有顯著的效果。虛擬實(shí)驗(yàn)的使用，不僅擴(kuò)大了實(shí)驗(yàn)空間，更重要的是能激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造靈感，加強(qiáng)學(xué)生綜合處理問題能力的訓(xùn)練，可有效地提高教學(xué)質(zhì)量，是信息化時代培養(yǎng)創(chuàng)新實(shí)用型人才的有效途徑。

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[10]袁南輝.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在“教育電聲系統(tǒng)”課堂教學(xué)中的應(yīng)用[J].電化教育研究，2007（1）：66-68.

（責(zé)任編輯：謝良才）

下面以“教育電聲系統(tǒng)”虛擬實(shí)驗(yàn)為例加以說明?！敖逃娐曄到y(tǒng)”這門課程主要講述電聲系統(tǒng)的設(shè)計、實(shí)施和評價等，它的難點(diǎn)在于聲音的不可視性，使得理論部分的講解比較抽象，實(shí)驗(yàn)部分由于電聲系統(tǒng)設(shè)備昂貴，學(xué)生在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室獲得的訓(xùn)練非常有限和片面。根據(jù)以往的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，由于實(shí)驗(yàn)環(huán)境條件所限以及客觀存在的實(shí)驗(yàn)誤差，實(shí)驗(yàn)難以達(dá)到理想要求。為此，我們利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)創(chuàng)設(shè)開放式虛擬實(shí)驗(yàn)平臺，如圖2所示，設(shè)計開發(fā)了四個交互性和實(shí)操性很強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)：（1）室內(nèi)聲場的認(rèn)識與測量（一）——室內(nèi)聲壓級；（2）室內(nèi)聲場的認(rèn)識與測量（二）——室內(nèi)混響；（3）擴(kuò)音機(jī)與揚(yáng)聲器配接實(shí)驗(yàn)；（4）數(shù)字化音頻的合成與處理。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括常用器件的檢測連接、聲場主要指標(biāo)的測量以及教育電聲節(jié)目的編制等。教育電聲系統(tǒng)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺操作原理如圖3所示。

進(jìn)入虛擬實(shí)驗(yàn)平臺后，學(xué)生可根據(jù)個人興趣設(shè)定學(xué)習(xí)目標(biāo)和基本學(xué)習(xí)思路，然后進(jìn)入對應(yīng)的虛擬情境學(xué)習(xí)。例如，學(xué)生進(jìn)行擴(kuò)音機(jī)與揚(yáng)聲器配接實(shí)驗(yàn)，根據(jù)配接原理和配接條件自己選擇實(shí)驗(yàn)器材進(jìn)行配接，系統(tǒng)會根據(jù)學(xué)生的操作給出虛擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果。在虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，學(xué)生可以隨時隨地進(jìn)行無數(shù)次的操作直至滿意為止，不必?fù)?dān)心儀器設(shè)備的損耗?！笆覂?nèi)聲場的認(rèn)識與測量（二）——室內(nèi)混響”實(shí)驗(yàn)如圖4所示。通過鼠標(biāo)點(diǎn)擊揚(yáng)聲器圖標(biāo)，在彈出的控制面板上調(diào)整不同混響時間及混響音量大小，讓虛擬人物在室內(nèi)自動轉(zhuǎn)圈或鼠標(biāo)控制行走，系統(tǒng)會根據(jù)虛擬人的位置實(shí)時產(chǎn)生對應(yīng)的混響效果。這對于學(xué)生自行設(shè)計電聲系統(tǒng)，嘗試選擇不同的設(shè)計方案以檢驗(yàn)和體驗(yàn)自己的設(shè)計效果是非常方便的。例如，對特定的音效場景，如歌舞廳、電影院、劇院、大型會議中心等進(jìn)行聲學(xué)設(shè)計，不必到真實(shí)的場地進(jìn)行音效測試和調(diào)整，可以在系統(tǒng)提供的虛擬環(huán)境里通過調(diào)整室內(nèi)裝飾材料（改變吸聲系數(shù)）、混響時間等聲特性參量感受到不同的聲音效果。這為學(xué)生創(chuàng)新思維的發(fā)展和鍛煉提供了巨大的自由空間，也他們在實(shí)踐中檢驗(yàn)自己的創(chuàng)新設(shè)計理念是否可行，不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，改進(jìn)設(shè)計方案提供了極大的便利。虛擬實(shí)驗(yàn)平臺的實(shí)時交互操作，可使學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中學(xué)習(xí)，在實(shí)驗(yàn)中創(chuàng)新的能力得到不斷的提高。實(shí)踐證明，比起傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方式，虛擬實(shí)驗(yàn)使學(xué)生獲得的知識量、信息量、訓(xùn)練量大大提高了，對培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力和綜合解決問題的能力起到了較大的作用。

（二）學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)

利用虛擬實(shí)驗(yàn)平臺，開發(fā)綜合性強(qiáng)、創(chuàng)新性強(qiáng)、復(fù)雜度高的虛擬實(shí)驗(yàn)項目，能為學(xué)生研究能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)提供良好平臺。綜合性強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)項目建立在知識融合的基礎(chǔ)上，其問題的最終解決途徑往往不是唯一的，存在著較大的創(chuàng)新空間，有利于挖掘?qū)W生的創(chuàng)造潛力，培養(yǎng)他們的發(fā)散思維，用創(chuàng)新的思路和創(chuàng)造性的方法解決實(shí)際問題。虛擬實(shí)驗(yàn)平臺為學(xué)生跨學(xué)科的探索提供了安全可靠的實(shí)踐空間，使他們勇于實(shí)踐、大膽嘗試，最終提高解決綜合問題的能力。

例如，虛擬變速箱的實(shí)驗(yàn)，利用虛擬現(xiàn)實(shí)軟件設(shè)計并實(shí)現(xiàn)變速箱的工作過程可視化，通過人機(jī)交互體現(xiàn)變速箱的工作原理。從虛擬變速箱的總體設(shè)計規(guī)劃分析，到虛擬變速箱的制作步驟，最后到虛擬變速箱的最終實(shí)現(xiàn)整個過程都是由各個小組的學(xué)生分工合作完成的。也就是說，從設(shè)計方案的選擇到最后實(shí)現(xiàn)都是學(xué)生自行完成的，他們可以自由選擇變速箱內(nèi)部的輪系類型、齒輪機(jī)構(gòu)的組成、齒輪的齒數(shù)等以獲得不同的傳動比，從而實(shí)現(xiàn)變速箱的變速與變向傳動功能。由于實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的綜合性，學(xué)生完成該項實(shí)驗(yàn)所用到的知識就不再僅來自一門課程，需要他們在教師的指導(dǎo)下自行分模塊、分步驟地查閱和學(xué)習(xí)相關(guān)的幾門課程資料，通過知識的綜合提出設(shè)計思路并在實(shí)踐中驗(yàn)證其設(shè)計是否可行。譬如，輪系的傳動比涉及齒輪的齒數(shù)、齒輪的轉(zhuǎn)速、電動機(jī)的轉(zhuǎn)速等，與之相關(guān)的課程有2～3門，學(xué)生需要進(jìn)行跨學(xué)科學(xué)習(xí)，才能解決好設(shè)計過程中出現(xiàn)的各種問題。這樣的學(xué)習(xí)過程完全打破了傳統(tǒng)的學(xué)科壁壘和專業(yè)設(shè)置界限，學(xué)生可在學(xué)科交融中擴(kuò)大視野，拓寬思路，接觸新技術(shù)，領(lǐng)悟新知識，創(chuàng)造性地去解決一些實(shí)際問題，而不必拘泥于某一學(xué)科知識的約束，從而避免了思維定勢。實(shí)踐證明，比起傳統(tǒng)的變速箱實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生去機(jī)械零件室對有限數(shù)量的變速機(jī)構(gòu)教學(xué)儀器用工具進(jìn)行簡單裝拆，開放性的虛擬變速箱實(shí)驗(yàn)可使學(xué)生獲得更多的知識，更有利于培養(yǎng)他們的實(shí)踐精神和創(chuàng)新精神，并且學(xué)生對知識的理解更加深刻、透徹，對技能的掌握更加牢固，可促進(jìn)他們從單一技能的掌握到綜合能力的提升。這種綜合應(yīng)用型的虛擬實(shí)驗(yàn)項目能最大限度地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和探索熱情，有利于他們創(chuàng)新意識、創(chuàng)新精神、創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

筆者研究了現(xiàn)代信息化教育環(huán)境下虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)較傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的明顯優(yōu)越性，提出了利用虛擬實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)大學(xué)生實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力的模式和方法，并給出了兩個實(shí)際案例。實(shí)踐證明，虛擬實(shí)驗(yàn)對于培養(yǎng)和提高大學(xué)生的操作能力、分析和診斷能力、設(shè)計能力、創(chuàng)新能力以及處理綜合問題能力都有顯著的效果。虛擬實(shí)驗(yàn)的使用，不僅擴(kuò)大了實(shí)驗(yàn)空間，更重要的是能激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造靈感，加強(qiáng)學(xué)生綜合處理問題能力的訓(xùn)練，可有效地提高教學(xué)質(zhì)量，是信息化時代培養(yǎng)創(chuàng)新實(shí)用型人才的有效途徑。

參考文獻(xiàn)：

[1]秦鋼年.創(chuàng)新型人才培養(yǎng)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心建設(shè)[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2010，9（29）：116-121.

[2]戴軍.基于EON的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研究[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2012，4（29）：132-134.

[3]Bierbaum A，Just C，Hartling P， et al.A Virtual Platform for Virtual Reality Application Development[C].Proceeding of ACM SIGGRAPH Asia，2008：287-291.

[4]宋國利.開放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的研究與實(shí)踐[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2010，2（29）：91-94.

[5]諶素華.實(shí)驗(yàn)項目開放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索與實(shí)踐[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2009，2（28）：142-144.

[6]劉澤良.發(fā)揮虛擬實(shí)驗(yàn)室建設(shè)對實(shí)驗(yàn)教學(xué)的促進(jìn)作用[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2011，7（28）：193-197.

[7]呂守林.以虛擬實(shí)驗(yàn)室建設(shè)為契機(jī)，推進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2009，11（26）：157-159.

[8]張艷.基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的虛擬實(shí)驗(yàn)室建設(shè)[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2008（20）：36-37.

[9]汪航，孫琪.教學(xué)型虛擬實(shí)驗(yàn)室的應(yīng)用研究[J].現(xiàn)代遠(yuǎn)距離教育，2010（4）：39-41.

[10]袁南輝.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在“教育電聲系統(tǒng)”課堂教學(xué)中的應(yīng)用[J].電化教育研究，2007（1）：66-68.

（責(zé)任編輯：謝良才）

下面以“教育電聲系統(tǒng)”虛擬實(shí)驗(yàn)為例加以說明?！敖逃娐曄到y(tǒng)”這門課程主要講述電聲系統(tǒng)的設(shè)計、實(shí)施和評價等，它的難點(diǎn)在于聲音的不可視性，使得理論部分的講解比較抽象，實(shí)驗(yàn)部分由于電聲系統(tǒng)設(shè)備昂貴，學(xué)生在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室獲得的訓(xùn)練非常有限和片面。根據(jù)以往的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，由于實(shí)驗(yàn)環(huán)境條件所限以及客觀存在的實(shí)驗(yàn)誤差，實(shí)驗(yàn)難以達(dá)到理想要求。為此，我們利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)創(chuàng)設(shè)開放式虛擬實(shí)驗(yàn)平臺，如圖2所示，設(shè)計開發(fā)了四個交互性和實(shí)操性很強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)：（1）室內(nèi)聲場的認(rèn)識與測量（一）——室內(nèi)聲壓級；（2）室內(nèi)聲場的認(rèn)識與測量（二）——室內(nèi)混響；（3）擴(kuò)音機(jī)與揚(yáng)聲器配接實(shí)驗(yàn)；（4）數(shù)字化音頻的合成與處理。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括常用器件的檢測連接、聲場主要指標(biāo)的測量以及教育電聲節(jié)目的編制等。教育電聲系統(tǒng)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺操作原理如圖3所示。

進(jìn)入虛擬實(shí)驗(yàn)平臺后，學(xué)生可根據(jù)個人興趣設(shè)定學(xué)習(xí)目標(biāo)和基本學(xué)習(xí)思路，然后進(jìn)入對應(yīng)的虛擬情境學(xué)習(xí)。例如，學(xué)生進(jìn)行擴(kuò)音機(jī)與揚(yáng)聲器配接實(shí)驗(yàn)，根據(jù)配接原理和配接條件自己選擇實(shí)驗(yàn)器材進(jìn)行配接，系統(tǒng)會根據(jù)學(xué)生的操作給出虛擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果。在虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，學(xué)生可以隨時隨地進(jìn)行無數(shù)次的操作直至滿意為止，不必?fù)?dān)心儀器設(shè)備的損耗?！笆覂?nèi)聲場的認(rèn)識與測量（二）——室內(nèi)混響”實(shí)驗(yàn)如圖4所示。通過鼠標(biāo)點(diǎn)擊揚(yáng)聲器圖標(biāo)，在彈出的控制面板上調(diào)整不同混響時間及混響音量大小，讓虛擬人物在室內(nèi)自動轉(zhuǎn)圈或鼠標(biāo)控制行走，系統(tǒng)會根據(jù)虛擬人的位置實(shí)時產(chǎn)生對應(yīng)的混響效果。這對于學(xué)生自行設(shè)計電聲系統(tǒng)，嘗試選擇不同的設(shè)計方案以檢驗(yàn)和體驗(yàn)自己的設(shè)計效果是非常方便的。例如，對特定的音效場景，如歌舞廳、電影院、劇院、大型會議中心等進(jìn)行聲學(xué)設(shè)計，不必到真實(shí)的場地進(jìn)行音效測試和調(diào)整，可以在系統(tǒng)提供的虛擬環(huán)境里通過調(diào)整室內(nèi)裝飾材料（改變吸聲系數(shù)）、混響時間等聲特性參量感受到不同的聲音效果。這為學(xué)生創(chuàng)新思維的發(fā)展和鍛煉提供了巨大的自由空間，也他們在實(shí)踐中檢驗(yàn)自己的創(chuàng)新設(shè)計理念是否可行，不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，改進(jìn)設(shè)計方案提供了極大的便利。虛擬實(shí)驗(yàn)平臺的實(shí)時交互操作，可使學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中學(xué)習(xí)，在實(shí)驗(yàn)中創(chuàng)新的能力得到不斷的提高。實(shí)踐證明，比起傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方式，虛擬實(shí)驗(yàn)使學(xué)生獲得的知識量、信息量、訓(xùn)練量大大提高了，對培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力和綜合解決問題的能力起到了較大的作用。

（二）學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)

利用虛擬實(shí)驗(yàn)平臺，開發(fā)綜合性強(qiáng)、創(chuàng)新性強(qiáng)、復(fù)雜度高的虛擬實(shí)驗(yàn)項目，能為學(xué)生研究能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)提供良好平臺。綜合性強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)項目建立在知識融合的基礎(chǔ)上，其問題的最終解決途徑往往不是唯一的，存在著較大的創(chuàng)新空間，有利于挖掘?qū)W生的創(chuàng)造潛力，培養(yǎng)他們的發(fā)散思維，用創(chuàng)新的思路和創(chuàng)造性的方法解決實(shí)際問題。虛擬實(shí)驗(yàn)平臺為學(xué)生跨學(xué)科的探索提供了安全可靠的實(shí)踐空間，使他們勇于實(shí)踐、大膽嘗試，最終提高解決綜合問題的能力。

例如，虛擬變速箱的實(shí)驗(yàn)，利用虛擬現(xiàn)實(shí)軟件設(shè)計并實(shí)現(xiàn)變速箱的工作過程可視化，通過人機(jī)交互體現(xiàn)變速箱的工作原理。從虛擬變速箱的總體設(shè)計規(guī)劃分析，到虛擬變速箱的制作步驟，最后到虛擬變速箱的最終實(shí)現(xiàn)整個過程都是由各個小組的學(xué)生分工合作完成的。也就是說，從設(shè)計方案的選擇到最后實(shí)現(xiàn)都是學(xué)生自行完成的，他們可以自由選擇變速箱內(nèi)部的輪系類型、齒輪機(jī)構(gòu)的組成、齒輪的齒數(shù)等以獲得不同的傳動比，從而實(shí)現(xiàn)變速箱的變速與變向傳動功能。由于實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的綜合性，學(xué)生完成該項實(shí)驗(yàn)所用到的知識就不再僅來自一門課程，需要他們在教師的指導(dǎo)下自行分模塊、分步驟地查閱和學(xué)習(xí)相關(guān)的幾門課程資料，通過知識的綜合提出設(shè)計思路并在實(shí)踐中驗(yàn)證其設(shè)計是否可行。譬如，輪系的傳動比涉及齒輪的齒數(shù)、齒輪的轉(zhuǎn)速、電動機(jī)的轉(zhuǎn)速等，與之相關(guān)的課程有2～3門，學(xué)生需要進(jìn)行跨學(xué)科學(xué)習(xí)，才能解決好設(shè)計過程中出現(xiàn)的各種問題。這樣的學(xué)習(xí)過程完全打破了傳統(tǒng)的學(xué)科壁壘和專業(yè)設(shè)置界限，學(xué)生可在學(xué)科交融中擴(kuò)大視野，拓寬思路，接觸新技術(shù)，領(lǐng)悟新知識，創(chuàng)造性地去解決一些實(shí)際問題，而不必拘泥于某一學(xué)科知識的約束，從而避免了思維定勢。實(shí)踐證明，比起傳統(tǒng)的變速箱實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生去機(jī)械零件室對有限數(shù)量的變速機(jī)構(gòu)教學(xué)儀器用工具進(jìn)行簡單裝拆，開放性的虛擬變速箱實(shí)驗(yàn)可使學(xué)生獲得更多的知識，更有利于培養(yǎng)他們的實(shí)踐精神和創(chuàng)新精神，并且學(xué)生對知識的理解更加深刻、透徹，對技能的掌握更加牢固，可促進(jìn)他們從單一技能的掌握到綜合能力的提升。這種綜合應(yīng)用型的虛擬實(shí)驗(yàn)項目能最大限度地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和探索熱情，有利于他們創(chuàng)新意識、創(chuàng)新精神、創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

筆者研究了現(xiàn)代信息化教育環(huán)境下虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)較傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的明顯優(yōu)越性，提出了利用虛擬實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)大學(xué)生實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力的模式和方法，并給出了兩個實(shí)際案例。實(shí)踐證明，虛擬實(shí)驗(yàn)對于培養(yǎng)和提高大學(xué)生的操作能力、分析和診斷能力、設(shè)計能力、創(chuàng)新能力以及處理綜合問題能力都有顯著的效果。虛擬實(shí)驗(yàn)的使用，不僅擴(kuò)大了實(shí)驗(yàn)空間，更重要的是能激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造靈感，加強(qiáng)學(xué)生綜合處理問題能力的訓(xùn)練，可有效地提高教學(xué)質(zhì)量，是信息化時代培養(yǎng)創(chuàng)新實(shí)用型人才的有效途徑。

參考文獻(xiàn)：

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[2]戴軍.基于EON的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研究[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2012，4（29）：132-134.

[3]Bierbaum A，Just C，Hartling P， et al.A Virtual Platform for Virtual Reality Application Development[C].Proceeding of ACM SIGGRAPH Asia，2008：287-291.

[4]宋國利.開放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的研究與實(shí)踐[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2010，2（29）：91-94.

[5]諶素華.實(shí)驗(yàn)項目開放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索與實(shí)踐[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2009，2（28）：142-144.

[6]劉澤良.發(fā)揮虛擬實(shí)驗(yàn)室建設(shè)對實(shí)驗(yàn)教學(xué)的促進(jìn)作用[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2011，7（28）：193-197.

[7]呂守林.以虛擬實(shí)驗(yàn)室建設(shè)為契機(jī)，推進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2009，11（26）：157-159.

[8]張艷.基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的虛擬實(shí)驗(yàn)室建設(shè)[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2008（20）：36-37.

[9]汪航，孫琪.教學(xué)型虛擬實(shí)驗(yàn)室的應(yīng)用研究[J].現(xiàn)代遠(yuǎn)距離教育，2010（4）：39-41.

[10]袁南輝.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在“教育電聲系統(tǒng)”課堂教學(xué)中的應(yīng)用[J].電化教育研究，2007（1）：66-68.

（責(zé)任編輯：謝良才）