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遠(yuǎn)程教育虛擬實(shí)驗(yàn)體系構(gòu)建研究——以工程類(lèi)專(zhuān)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(shí)驗(yàn)輔助教學(xué)已經(jīng)成為一種趨勢(shì)，在遠(yuǎn)程教育的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，尤其成為一種必然。文章探討了遠(yuǎn)程教育工程類(lèi)專(zhuān)業(yè)虛擬實(shí)驗(yàn)室體系的構(gòu)建，通過(guò)調(diào)查研究分析了遠(yuǎn)程教育學(xué)習(xí)者的特點(diǎn)、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(yuǎn)程教育工程類(lèi)專(zhuān)業(yè)虛擬實(shí)驗(yàn)室應(yīng)具備的必要功能。最后設(shè)計(jì)出虛擬實(shí)驗(yàn)室的框架體系，并分析了各模塊的詳細(xì)構(gòu)成及實(shí)現(xiàn)的具體功能。對(duì)于遠(yuǎn)程教育高校工程類(lèi)專(zhuān)業(yè)虛擬實(shí)驗(yàn)室的建立有一定的借鑒意義。

【關(guān)鍵詞】遠(yuǎn)程教育;工程類(lèi)專(zhuān)業(yè);虛擬實(shí)驗(yàn);構(gòu)建

一、虛擬實(shí)驗(yàn)

虛擬實(shí)驗(yàn)室是利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將真實(shí)實(shí)驗(yàn)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(shí)現(xiàn)“學(xué)員為主體”的自主學(xué)習(xí)模式。虛擬實(shí)驗(yàn)建立在一個(gè)虛擬的實(shí)驗(yàn)環(huán)境(平臺(tái)仿真)之上，而注重的是實(shí)驗(yàn)操作的交互性和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的仿真性。虛擬實(shí)驗(yàn)起步較晚，發(fā)展卻很快，從投入的經(jīng)費(fèi)來(lái)講，沒(méi)有實(shí)驗(yàn)室建設(shè)經(jīng)費(fèi)那么龐大，而且最大的優(yōu)勢(shì)是虛擬實(shí)驗(yàn)室不受時(shí)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(shí)驗(yàn)虛擬環(huán)境適合于開(kāi)展網(wǎng)上教學(xué)，網(wǎng)上遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)教學(xué)手段現(xiàn)代化。遠(yuǎn)程教育的學(xué)生學(xué)習(xí)特點(diǎn)之一是工學(xué)矛盾突出，虛擬實(shí)驗(yàn)正好可以滿(mǎn)足他們足不出戶(hù)，在家就能利用網(wǎng)絡(luò)完成實(shí)驗(yàn)。

二、遠(yuǎn)程教育工程類(lèi)專(zhuān)業(yè)特點(diǎn)

工程類(lèi)專(zhuān)業(yè)學(xué)科的普遍特點(diǎn)是具有抽象性，理論晦澀難懂，工藝流程復(fù)雜繁瑣。遠(yuǎn)程教育學(xué)生的特點(diǎn)是基礎(chǔ)參差不齊，特別對(duì)于沒(méi)有從事過(guò)相關(guān)行業(yè)的學(xué)生來(lái)說(shuō)，晦澀的理論，復(fù)雜的工藝、工序，他們學(xué)起來(lái)都比較困難。實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐或者實(shí)訓(xùn)課程可以彌補(bǔ)理論學(xué)習(xí)當(dāng)中的不足。但是對(duì)于大多數(shù)遠(yuǎn)程教育院校來(lái)說(shuō)，實(shí)訓(xùn)類(lèi)課程大都開(kāi)設(shè)了，但是未真正去指導(dǎo)學(xué)生完成實(shí)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(shí)訓(xùn);另一方面，工程類(lèi)專(zhuān)業(yè)的實(shí)驗(yàn)，大都涉及較大型的設(shè)備，學(xué)校不僅購(gòu)置設(shè)備需要花費(fèi)大量的資金，而且購(gòu)買(mǎi)后需要建設(shè)實(shí)驗(yàn)室，培訓(xùn)教師，設(shè)備養(yǎng)護(hù)等，支出較大，對(duì)于很多成人高校存在實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)不足的問(wèn)題。所以遠(yuǎn)程教育工程類(lèi)專(zhuān)業(yè)更有必要建立虛擬實(shí)驗(yàn)室。虛擬實(shí)驗(yàn)室的構(gòu)建，不能只是簡(jiǎn)單地將書(shū)上的實(shí)驗(yàn)搬到電腦上，應(yīng)當(dāng)充分考慮遠(yuǎn)程教育學(xué)習(xí)者的需求，從需求出發(fā)，考慮虛擬實(shí)驗(yàn)應(yīng)具有的功能及框架體系，從而完成虛擬實(shí)驗(yàn)室的構(gòu)建。

三、需求分析

筆者為了了解遠(yuǎn)程教育工程類(lèi)專(zhuān)業(yè)學(xué)生對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)需求，專(zhuān)門(mén)做了一個(gè)調(diào)查，調(diào)查涉及的學(xué)生有土建大類(lèi)學(xué)生、機(jī)械大類(lèi)學(xué)生、電氣大類(lèi)學(xué)生。從收集的調(diào)查結(jié)果來(lái)看，絕大部分學(xué)生認(rèn)為自己專(zhuān)業(yè)增設(shè)虛擬實(shí)驗(yàn)是很有必要的(問(wèn)題:您覺(jué)得您的專(zhuān)業(yè)有無(wú)必要增設(shè)虛擬實(shí)驗(yàn)?見(jiàn)圖1)。遠(yuǎn)程教育虛擬實(shí)驗(yàn)不受時(shí)間及地點(diǎn)的限制，符合學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)需求。

圖1　虛擬實(shí)驗(yàn)增設(shè)必要性調(diào)查

其次，對(duì)于虛擬實(shí)驗(yàn)所開(kāi)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(jiàn)圖2)

圖2　虛擬實(shí)驗(yàn)開(kāi)設(shè)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

因?yàn)檫@些正是學(xué)習(xí)者在學(xué)習(xí)中遇到的困難，而且通過(guò)教師的理論講解仍然不能理解透的知識(shí)，如果學(xué)生以前沒(méi)有見(jiàn)過(guò)儀器設(shè)備，沒(méi)有體驗(yàn)過(guò)工藝流程，那么就很有必要借助虛擬實(shí)驗(yàn)來(lái)幫助他們足不出戶(hù)了解和熟悉相關(guān)的知識(shí)。通過(guò)調(diào)查我們覺(jué)得不是一定要把所有書(shū)本上涉及的知識(shí)都做成虛擬實(shí)驗(yàn)，虛擬實(shí)驗(yàn)本身就是用來(lái)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(jiǎn)單的理論或者操作，學(xué)生能通過(guò)講解和學(xué)習(xí)就掌握的知識(shí)就沒(méi)有必要做成虛擬實(shí)驗(yàn)。

從課程分類(lèi)來(lái)看，原理類(lèi)課程、較抽象類(lèi)課程及操作類(lèi)課程制作虛擬實(shí)驗(yàn)，較受學(xué)生歡迎。原理類(lèi)及抽象類(lèi)課程，學(xué)習(xí)起來(lái)比較枯燥，借助虛擬實(shí)驗(yàn)不僅能幫助學(xué)生加深對(duì)原理的理解，而且能提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。操作類(lèi)課程學(xué)生本身比較感興趣，但是教師講起來(lái)較費(fèi)勁，學(xué)生如沒(méi)有真正接觸過(guò)儀器或者工藝，學(xué)起來(lái)也較費(fèi)勁。虛擬實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(dá)到熟悉課程內(nèi)容的目的。

遠(yuǎn)程教育工程類(lèi)專(zhuān)業(yè)的實(shí)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(jìn)行相關(guān)的實(shí)訓(xùn)，一種是學(xué)校統(tǒng)一組織，但是第二種方式要實(shí)現(xiàn)較困難，學(xué)生很難統(tǒng)一時(shí)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(shí)訓(xùn)。在調(diào)查的過(guò)程中，絕大部分學(xué)生有意愿用虛擬實(shí)驗(yàn)代替實(shí)訓(xùn)(見(jiàn)圖3問(wèn)題:您是否愿意用虛實(shí)驗(yàn)代替課程實(shí)訓(xùn)?)，這樣可以靈活地運(yùn)用虛擬實(shí)驗(yàn)較系統(tǒng)地完成實(shí)訓(xùn)要求。

圖3　虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)芊翊鎸?shí)訓(xùn)調(diào)查

由調(diào)查結(jié)果總結(jié)出，遠(yuǎn)程教育工程類(lèi)專(zhuān)業(yè)的虛擬實(shí)驗(yàn)，與一般的虛擬實(shí)驗(yàn)有一定的區(qū)別，包括在虛擬實(shí)驗(yàn)開(kāi)設(shè)的課程，開(kāi)設(shè)的內(nèi)容，與實(shí)訓(xùn)結(jié)合等等，結(jié)合學(xué)生的學(xué)習(xí)需求進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)體系設(shè)計(jì)才能更好地滿(mǎn)足學(xué)生的要求。

四、功能分析

虛擬實(shí)驗(yàn)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(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)應(yīng)實(shí)現(xiàn)的功能進(jìn)行定位。

1.交互良好，方便使用

學(xué)生操作虛擬實(shí)驗(yàn)時(shí)，要求操作簡(jiǎn)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(shí)間和地點(diǎn)的限制，對(duì)各種虛擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行操作。從目前的形勢(shì)來(lái)看，網(wǎng)絡(luò)版是必需的，在網(wǎng)絡(luò)版的基礎(chǔ)上，能開(kāi)發(fā)出手機(jī)版是必要的，目前碎片化學(xué)習(xí)已經(jīng)成為潮流，手機(jī)也成為人們離不開(kāi)的工具，虛擬實(shí)驗(yàn)如果能做成手機(jī)應(yīng)用App，學(xué)生隨時(shí)隨地可以進(jìn)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(zhuān)業(yè)多學(xué)科的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需要

虛擬實(shí)驗(yàn)是為了讓學(xué)生更加快速方便地學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)原理，掌握實(shí)驗(yàn)方法，訓(xùn)練實(shí)驗(yàn)技能。對(duì)于一個(gè)學(xué)校而言，一般不會(huì)是一個(gè)專(zhuān)業(yè)甚至一門(mén)課程就開(kāi)發(fā)一個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，從可行性和經(jīng)濟(jì)性來(lái)說(shuō)，虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)應(yīng)當(dāng)整合多專(zhuān)業(yè)多學(xué)科的內(nèi)容，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)搭建一個(gè)資源整合平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)資源的共享和管理。

3.結(jié)合實(shí)訓(xùn)，方便管理

從學(xué)生的學(xué)習(xí)需求來(lái)看，虛擬實(shí)驗(yàn)代替實(shí)訓(xùn)是一個(gè)趨勢(shì)。虛擬實(shí)驗(yàn)可以從兩方面出發(fā)設(shè)計(jì)，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(shí)訓(xùn)內(nèi)容，設(shè)計(jì)出能夠滿(mǎn)足實(shí)訓(xùn)要求的虛擬實(shí)驗(yàn)。第一方面的內(nèi)容可不需進(jìn)行評(píng)價(jià)，學(xué)生通過(guò)操作學(xué)習(xí)理解原理即可;第二個(gè)方面的內(nèi)容，既然是與實(shí)訓(xùn)結(jié)合，必然涉及評(píng)分，要求虛擬實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容是可判斷正誤并且可以自動(dòng)評(píng)分，分?jǐn)?shù)可以自動(dòng)計(jì)入學(xué)生登錄的賬戶(hù)，進(jìn)入教務(wù)系統(tǒng)，這樣就可代替實(shí)訓(xùn)。虛擬實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容要實(shí)現(xiàn)學(xué)生完成并自動(dòng)評(píng)分，最好能按照工藝、工序的操作流程進(jìn)行設(shè)計(jì)，這樣學(xué)生不僅熟悉了完整的操作流程，評(píng)判上也較容易，根據(jù)工藝、工序的操作步驟依次給分，實(shí)現(xiàn)考評(píng)管理。

五、框架體系

虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的框架體系在進(jìn)行需求分析及功能分析之后根據(jù)實(shí)際情況搭建如下:

圖4　虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)框架體系

1.登錄管理

虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的登錄人員主要有兩類(lèi)，一類(lèi)是學(xué)生，一類(lèi)是教師，根據(jù)角色的不同，登錄進(jìn)去后的功能也有不同。學(xué)生登錄進(jìn)去后，可以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)預(yù)約及實(shí)驗(yàn)選擇，完成實(shí)驗(yàn)并且教師評(píng)分后可以查閱成績(jī)，該成績(jī)可以作為學(xué)生的實(shí)訓(xùn)成績(jī)，進(jìn)入教務(wù)系統(tǒng)。查閱成績(jī)這個(gè)模塊有條件的話(huà)，可以包含一個(gè)查看錯(cuò)誤及重做的模塊，因?yàn)閷W(xué)生完成實(shí)驗(yàn)后，如果評(píng)分較低，或許他們想查看一下錯(cuò)誤的地方在哪里，也許還想重新操作一遍(注:這個(gè)重新操作不一定會(huì)重新評(píng)分，但是對(duì)于學(xué)生來(lái)說(shuō)，真正掌握實(shí)驗(yàn)內(nèi)容才是最重要的)，這樣對(duì)于他們的學(xué)習(xí)效果有較大的提高。教師登錄進(jìn)去后，根據(jù)所分班級(jí)的學(xué)生完成的實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)報(bào)告批改，并給出最后分?jǐn)?shù)，提交到教務(wù)系統(tǒng)。

2.實(shí)驗(yàn)室分類(lèi)

實(shí)驗(yàn)室分類(lèi)模塊是虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的核心模塊，包含若干實(shí)驗(yàn)室，如電工電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)室、建筑施工技術(shù)實(shí)驗(yàn)室、建筑測(cè)量實(shí)驗(yàn)室等等，每個(gè)實(shí)驗(yàn)室下面可以包含若干個(gè)小實(shí)驗(yàn)，若干個(gè)綜合實(shí)驗(yàn)。每個(gè)實(shí)驗(yàn)包含實(shí)驗(yàn)原理及任務(wù)書(shū)，學(xué)生通過(guò)自主學(xué)習(xí)了解實(shí)驗(yàn)的原理及步驟，需要完成的實(shí)驗(yàn)的要求和內(nèi)容。學(xué)生完成交互實(shí)驗(yàn)后，提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告，最終完成實(shí)驗(yàn)。小實(shí)驗(yàn)的作用，要求著重實(shí)驗(yàn)原理的練習(xí)，可以是綜合實(shí)驗(yàn)的步驟拆解，小實(shí)驗(yàn)不建議評(píng)分，可以當(dāng)學(xué)生的熱身或者練習(xí)。綜合實(shí)驗(yàn)，一般是一個(gè)大型實(shí)驗(yàn)，是這門(mén)課程中最重要的核心課程內(nèi)容，一般是以某個(gè)綜合練習(xí)為藍(lán)本，如用全站儀完成二級(jí)導(dǎo)線(xiàn)測(cè)量，這里面包含了全站儀的使用原理，導(dǎo)線(xiàn)測(cè)量的步驟，邊長(zhǎng)測(cè)量的原理，角度測(cè)量的原理，角度及坐標(biāo)計(jì)算的原理等內(nèi)容，可以作為一個(gè)綜合實(shí)驗(yàn)，能夠較全面地考察學(xué)生的綜合能力，通過(guò)實(shí)驗(yàn)步驟的一步步進(jìn)行，按步驟評(píng)分，學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)并提交報(bào)告供教師批改后即可獲得實(shí)訓(xùn)成績(jī)。每門(mén)課程的綜合實(shí)驗(yàn)可以有若干個(gè)，側(cè)重點(diǎn)可以不同，但要求體現(xiàn)“綜合”二字，要求包含若干個(gè)小的知識(shí)點(diǎn)或者小實(shí)驗(yàn)，全面考查學(xué)生對(duì)這門(mén)課程的掌握。

3.公告及論壇

此模塊包含了實(shí)驗(yàn)室公告，由管理員及教師發(fā)布，學(xué)生通過(guò)公告可以隨時(shí)了解實(shí)驗(yàn)室的實(shí)時(shí)動(dòng)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(wèn)題可以和教師交流溝通，也可以和同學(xué)們交流實(shí)驗(yàn)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(wèn)題，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，在討論中，增加對(duì)實(shí)驗(yàn)的進(jìn)一步理解，進(jìn)一步熟悉原理和操作步驟。教師還可以提出虛擬實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)實(shí)當(dāng)中的實(shí)驗(yàn)的區(qū)別，實(shí)驗(yàn)和實(shí)際工作當(dāng)中的區(qū)別在哪里，讓學(xué)生明白，便于實(shí)際操作。

4.幫助

此模塊包含虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的使用說(shuō)明，可以是文字說(shuō)明，可以圖文并茂，甚至有動(dòng)畫(huà)演示，幫助學(xué)生盡快上手，掌握實(shí)驗(yàn)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(huà)，還可以開(kāi)通在線(xiàn)幫助，論壇求助等功能，讓學(xué)生遇到困難時(shí)可以及時(shí)解決。

六、結(jié)束語(yǔ)

遠(yuǎn)程教育工程類(lèi)專(zhuān)業(yè)虛擬實(shí)驗(yàn)室的構(gòu)建，從學(xué)生的需求調(diào)查出發(fā)，論述了虛擬實(shí)驗(yàn)室的功能和框架體系。虛擬實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)，對(duì)于遠(yuǎn)程教育院校來(lái)說(shuō)，十分有必要，也很有意義?？梢詳[脫大部分實(shí)訓(xùn)課程開(kāi)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(shí)踐技能，提高遠(yuǎn)程教學(xué)的效果。虛擬實(shí)驗(yàn)的發(fā)展前景是非常良好的，也必將在遠(yuǎn)程教育工程類(lèi)專(zhuān)業(yè)的教學(xué)中發(fā)揮重要的作用。

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(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(jiǎn)介】翁艷(1981—)，女，四川宜賓人，副教授，研究方向?yàn)楣こ添?xiàng)目管理、橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)。

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

【收稿日期】2015-09-06

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

【文章編號(hào)】1001-8794(2015)11-0039-04

【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A

【中圖分類(lèi)號(hào)】G728