劉亞豐, 蘇 莉, 吳元喜, 余龍江

(華中科技大學(xué) 生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 湖北 武漢 430074)

虛擬仿真教學(xué)資源建設(shè)原則與標準

劉亞豐, 蘇 莉, 吳元喜, 余龍江

(華中科技大學(xué) 生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 湖北 武漢 430074)

虛擬仿真實驗教學(xué)是教育信息化背景下出現(xiàn)的一種新教學(xué)模式,將推動教學(xué)改革和提升教育質(zhì)量。從技術(shù)、應(yīng)用、管理等層面深入探討了虛擬仿真教學(xué)資源建設(shè)原則與標準,將有利于教學(xué)資源有序、高水平建設(shè),有利于虛擬仿真實驗教學(xué)模式的實施。

教學(xué)模式; 虛擬仿真; 教學(xué)資源

虛擬仿真實驗教學(xué)通過虛擬現(xiàn)實等技術(shù)構(gòu)建虛幻場景、實驗條件、逼真操作對象與學(xué)習(xí)內(nèi)容，以及靈活多樣的交互環(huán)節(jié),使得學(xué)生可隨時隨地在線模擬操作與自主學(xué)習(xí),是高等教育面向現(xiàn)代化出現(xiàn)的一種新教學(xué)模式,是高等教育信息化發(fā)展的內(nèi)在需求[1-3]，虛擬仿真教學(xué)的重要性與意義不言而喻。從2013年教育部啟動國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)[4]以來,目前已批準300個國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心(下稱中心),覆蓋27個省份、204所高校。

根據(jù)教育部相關(guān)文件精神,虛擬仿真實驗教學(xué)中心的重點是“信息化教學(xué)資源建設(shè)”,核心是“優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源共享”[4-5]。然而這些關(guān)鍵建設(shè)內(nèi)容均存在一些問題[6-9]:虛擬仿真教學(xué)項目建設(shè)存在簡單化、無序化、重復(fù)性；所開發(fā)虛擬仿真教學(xué)資源大多屬于播放式和單線程,缺乏互動任意性、隨機性及拓展性,不利于學(xué)生綜合設(shè)計創(chuàng)新能力的培養(yǎng)；虛擬實驗與實體實驗結(jié)合不夠、融合不足,不利于提高人才培養(yǎng)質(zhì)量和實踐創(chuàng)新能力；缺乏標準和規(guī)范、共享局限,不利于教學(xué)資源的統(tǒng)籌規(guī)劃與開放共享。歸根結(jié)底,主要還是教學(xué)資源建設(shè)標準和教學(xué)資源共享機制2個層面的問題。對于虛擬仿真教學(xué)資源開放共享,作者近期已在文獻中詳細闡明共享方案與具體措施[8]；本文從制定虛擬仿真教學(xué)資源建設(shè)標準出發(fā),詳細討論相關(guān)原則與具體要求,以期推動虛擬仿真教學(xué)資源有序、高質(zhì)量建設(shè)。

1 教學(xué)資源建設(shè)原則與標準

1.1 建立教學(xué)資源統(tǒng)籌規(guī)劃建設(shè)機制

在教育部高教司統(tǒng)一協(xié)調(diào)下,通過實驗教學(xué)指導(dǎo)委員會、實驗室建設(shè)指導(dǎo)委員會、各專業(yè)委員會、國家級實驗教學(xué)示范中心聯(lián)席會建立每個學(xué)科專業(yè)的虛擬仿真教學(xué)資源建設(shè)指導(dǎo)委員會,結(jié)合各高校專業(yè)特色、學(xué)科分布、地區(qū)差異、技術(shù)儲備、開發(fā)成本等因素,協(xié)調(diào)各中心有序、有步驟、分階段建設(shè)。重點要解決以下幾個方面的問題。

(1) 組織機構(gòu)的建立。要成立一個具體部門,以有效協(xié)調(diào)各高校,統(tǒng)一規(guī)劃建設(shè)。國家級實驗教學(xué)示范中心、省級實驗教學(xué)示范中心要成為其中的成員,每年定期開會,總結(jié)當年建設(shè)情況和規(guī)劃下一年度建設(shè)任務(wù)。

(2) 項目管理方案的制定。項目建設(shè)任務(wù)確定后,由相關(guān)承擔任務(wù)的中心負責組織撰寫虛擬仿真教學(xué)資源腳本,評估項目預(yù)算與籌措建設(shè)經(jīng)費,管理項目實施。所成立的組織機構(gòu)將各個中心建設(shè)任務(wù)統(tǒng)一公告,以招標競價的形式選取開發(fā)商,不僅可降低開發(fā)成本、選取高水平制作公司,還有利于高校獲取項目知識產(chǎn)權(quán)。

(3) 權(quán)利與義務(wù)關(guān)系的確立。每個中心應(yīng)支付自己負責開發(fā)項目的經(jīng)費,并同時擁有其知識產(chǎn)權(quán)。所開發(fā)的實驗項目應(yīng)同意放到公共平臺上開放共享,并根據(jù)共享程度、制作質(zhì)量、開發(fā)成本等獲取相應(yīng)的報酬。

1.2 堅持虛實結(jié)合、能實不虛建設(shè)原則

虛擬仿真實驗盡管擁有眾多優(yōu)點,但也只能處于補充和輔助教學(xué)的地位。如果實體實驗都用虛擬仿真實驗代替,不僅會弱化學(xué)生對儀器設(shè)備的真實感受,還會造成學(xué)生眼高手低、大大降低實踐動手能力的培養(yǎng)。應(yīng)根據(jù)不同學(xué)科特點,建立與之相相適應(yīng)的虛擬仿真項目。對于真實情況不具備或難以達到的教學(xué)效果,或涉及高危、極端環(huán)境不可及、不可逆的,或涉及到高成本、高消耗的教學(xué)內(nèi)容,可考慮建設(shè)虛擬仿真實驗教學(xué)實驗室或設(shè)置實驗項目等。

應(yīng)充分體現(xiàn)虛實結(jié)合、相互補充、能實不虛、以虛促實的原則[6-7],特別是應(yīng)將虛擬仿真實驗項目建設(shè)和真實實驗項目建設(shè)有機結(jié)合起來,使二者真正融合,使學(xué)生獲得更多優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源,有利于學(xué)生主動實驗和自主學(xué)習(xí)。

1.3 建立教學(xué)資源分類標準

建立虛擬仿真教學(xué)資源分類標準,有利于教學(xué)資源統(tǒng)一規(guī)劃建設(shè),有利于教學(xué)資源開放共享。

1.3.1 按照文件屬性劃分

它包括靜態(tài)模型和動畫程序2個類型[9]。靜態(tài)模型是通過計算機軟件對現(xiàn)實中的儀器設(shè)備、實驗耗材、藥品試劑等構(gòu)建的模型,它是制作虛擬仿真實驗項目的基本要素。

動畫程序是利用計算機軟件依據(jù)某種邏輯關(guān)系,將靜態(tài)模型賦予動作、實現(xiàn)人機交互的一段功能相對完整的可執(zhí)行代碼,它是可執(zhí)行程序,是制作虛擬仿真實驗項目的最終結(jié)果。

1.3.2 按照開發(fā)方式劃分

它包括虛擬動畫、仿真軟件、軟硬件交互程序3類[8]。虛擬動畫是利用動畫開發(fā)軟件通過一定流程、交互環(huán)節(jié)將靜態(tài)模型連接起來的動畫程序,如Flash動畫。這類資源用鼠標、鍵盤即可操作,方便遠程訪問與共享。

仿真軟件是根據(jù)某種數(shù)學(xué)、物理模型建立的一種模擬算法程序,相對虛擬動畫資源,它更側(cè)重仿真、計算、模擬。這類資源大多由專業(yè)公司開發(fā),受知識產(chǎn)權(quán)保護等限制,不利于開放共享。

軟硬件交互程序是通常借助硬件、傳感模塊等實現(xiàn)的軟硬件交互功能的仿真程序。這類資源對硬件配置要求高,脫離硬件環(huán)境將無法完成仿真操作、人機交互。

1.3.3 按照內(nèi)容展現(xiàn)形式分

它包括平面展示(2D)、立體展示(3D)和多維展示。平面展示是借助電腦屏或手機屏幕顯示,通過鼠標、鍵盤、觸摸鍵進行交互的展示方法。

立體展示是通過立體投影系統(tǒng)、大型環(huán)幕或3D眼鏡等技術(shù)實現(xiàn)內(nèi)容展示,給人較強的沉浸感。

多維展示是需借助數(shù)據(jù)手套、數(shù)據(jù)服、頭盔顯示器、位置跟蹤定位裝置、三維語音系統(tǒng)或觸覺反饋系統(tǒng)等的特效功能展示。這類資源不僅給用戶提供身臨其境場景,也可提供溫度、位置、力量等多參數(shù)反饋信息,比其他展示方法更逼真,效果也更好,但所需技術(shù)較多,開發(fā)更復(fù)雜。

1.4 建立練習(xí)和考核兩種工作模式

基于虛擬仿真教學(xué)資源,學(xué)生一方面可以自主在線學(xué)習(xí)、進行仿真模擬操作；另一方面,教師也可考核學(xué)生,評估學(xué)生對這方面知識掌握的程度,因此在資源建設(shè)中,應(yīng)確保其擁有練習(xí)和考核兩種工作模式。

所謂練習(xí)模式是指學(xué)生在指導(dǎo)或提醒條件下開展各種培訓(xùn)、實驗操作或仿真測量,軟件不會打分給出實驗操作成績,但基于后臺管理可記錄用戶操作、在線時間等。

所謂考試模式是指學(xué)生在規(guī)定時間內(nèi)獨立開展的各種培訓(xùn)、實驗操作或仿真測量,在此期間不會有任何指導(dǎo)或提醒,結(jié)束后系統(tǒng)自動打分給出實驗成績,用戶操作、在線時間也會被系統(tǒng)記錄。

1.5 建立比例適當?shù)臉藴驶途C合設(shè)計實驗

目前所開發(fā)的虛擬仿真實驗基本都是播放式和單線程,缺乏互動的任意性、隨機性及拓展性,不利于培養(yǎng)學(xué)生的綜合設(shè)計能力和創(chuàng)新能力,應(yīng)加大綜合設(shè)計實驗項目的建設(shè),提高建設(shè)比例[9]。

所謂標準化實驗是指用于培養(yǎng)學(xué)生掌握基本原理、操作流程及工程應(yīng)用的一類實驗項目。一般安全性、基礎(chǔ)性、經(jīng)典性的實驗內(nèi)容可以開發(fā)建成這類項目,它與實驗錄像結(jié)合,非常有利于實驗教學(xué)。

所謂綜合設(shè)計性實驗是指將綜合實驗碎片化處理分解成多個獨立的操作單元,學(xué)生需進行實驗方案設(shè)計、實驗參數(shù)選取,進而進行操作的一類虛擬仿真實驗項目[10]。它強調(diào)的更多是設(shè)計,而不僅僅是動手操作,因而它能讓學(xué)生掌握更多創(chuàng)新的理論和技術(shù),有利于培養(yǎng)學(xué)生綜合設(shè)計能力和創(chuàng)新思維。

1.6 建立教學(xué)資源開發(fā)技術(shù)標準

(1) 模型制作與渲染程序選取。優(yōu)先選擇當前主流的模型開發(fā)程序3Ds Max和Maya,二者在3D制作與構(gòu)架理念是近似的,通常包括建模、貼圖、動畫、打光、材質(zhì)、渲染、輸出等過程。模型線數(shù)、面數(shù)、貼圖、紋理處理決定模型真實度,它決定虛擬仿真教學(xué)資源建設(shè)周期及開發(fā)成本。

(2) 虛擬現(xiàn)實開發(fā)引擎選取。優(yōu)先采用Unity3D作為虛擬現(xiàn)實開發(fā)引擎,它是由Unity Technologies公司開發(fā)的一個專業(yè)游戲引擎,是一種跨平臺可視化的2D、3D開發(fā)引擎,它支持PC、Android、IOS、網(wǎng)頁等平臺,并提供多種接口運行腳本語言。

(3) 開發(fā)程序選取。為實現(xiàn)和控制實驗流程、整合多媒體元素、實現(xiàn)交互環(huán)節(jié)設(shè)計等功能,可采用C#語言編寫運行程序。C#是一種最新的、面向?qū)ο蟮木幊陶Z言,可以跨平臺編寫應(yīng)用程序,Unity3D也支持C#編程。

(4) 資源性能要求。模型要逼真、優(yōu)化,占用空間??；實驗項目要保留源代碼、工程文件和可執(zhí)行文件,便于后期維護、升級；實驗項目應(yīng)涉及適當?shù)慕换キh(huán)節(jié),有決策判別、有設(shè)計考慮；能夠在臺式機、平板和手機上運行；方便整合到多種應(yīng)用與管理平臺上,有利于訪問、共享。

1.7 建立教學(xué)資源門檻準入標準

虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)的核心是優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源的共享,優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源開放共享有利于調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)熱情,起到引領(lǐng)示范與輻射示范作用,為此需要建立教學(xué)資源門檻準入制度,只有高水平高質(zhì)量教學(xué)資源才能建設(shè)、才能放到公共平臺上開放共享。

優(yōu)質(zhì)高水平教學(xué)資源主要體現(xiàn)在2個方面,具有學(xué)科優(yōu)勢和專業(yè)特色[8]。一些高校學(xué)科專業(yè)發(fā)展歷史悠久且積淀深厚,由他們主導(dǎo)將可發(fā)揮其學(xué)科優(yōu)勢建設(shè)出高質(zhì)量教學(xué)資源；一些高校擁有其他高校沒有或不具備條件開設(shè)的學(xué)科專業(yè),由這些單位主導(dǎo)將可建設(shè)有專業(yè)特色和地方特色的高質(zhì)量教學(xué)資源。

這些教學(xué)資源建成后,還應(yīng)組織該領(lǐng)域教師和技術(shù)專家分別從專業(yè)知識層面、技術(shù)實施角度評估教學(xué)資源完成的質(zhì)量與效果,只有達到要求的才能上線共享,否則要繼續(xù)完善直到合格。

2 結(jié)語

虛擬仿真教學(xué)資源建設(shè)是虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)的重點,是互聯(lián)網(wǎng)+時代學(xué)生獲取知識、自主學(xué)習(xí)、主動實踐的重要保障。本文從技術(shù)、應(yīng)用、管理等多個層面詳細探討虛擬仿真教學(xué)資源的建設(shè)原則與標準,將有利于“十三五”虛擬仿真實驗教學(xué)中心的建設(shè),促進新教學(xué)模式創(chuàng)新,推動教學(xué)改革和提升教學(xué)質(zhì)量。

References)

[1] 中共中央、國務(wù)院. 《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要(2010—2020年)》：中發(fā)[2010]12號[Z]. 2010.

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[10] 楊百龍,郭文普,徐東輝.虛擬仿真實驗室建設(shè)[J].電子科技,2012(9):141-143.

Principles and standards of constructing virtual simulation teaching resources

Liu Yafeng, Su Li, Wu Yuanxi, Yu Longjiang

(College of Life Science and Technology,Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430074,China)

The development of education informationization promotes the coming of the virtual simulation experiment teaching mode, which will improve the education quality and push forward reform in education. The principles and standards of constructing virtual simulation teaching resources are discussed in detail from the aspects of technology, application, management and so on. Our suggestions and ideas will contribute to the construction of teaching resources and the implementation of this new teaching mode.

teaching mode; virtual simulation; teaching resources

10.16791/j.cnki.sjg.2017.05.003

2016-10-14

湖北省教學(xué)研究項目(2015060)

劉亞豐(1976—)，男，河南漯河，博士，工程師，研究方向為生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)、光遺傳學(xué)、電生理學(xué).

E-mail：yfliu@mail.hust.edu.cn

TP391.9;G642.0

A

1002-4956(2017)5-0008-03