溪利亞　陳國平

摘要：

為推動(dòng)實(shí)踐教學(xué)信息化建設(shè)，從實(shí)踐教學(xué)環(huán)境、管理和互動(dòng)等環(huán)節(jié)，分析了信息類學(xué)科專業(yè)實(shí)踐教學(xué)現(xiàn)狀，提出將計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)引入實(shí)踐教學(xué)的建設(shè)思路。在梳理信息類學(xué)科知識(shí)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，重鑄了學(xué)科實(shí)踐能力培養(yǎng)體系，構(gòu)建了基于虛擬仿真技術(shù)的實(shí)踐教學(xué)模型，重點(diǎn)介紹了虛實(shí)結(jié)合的實(shí)踐教學(xué)組織形式、實(shí)施方法，以及虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)信息化平臺(tái)建設(shè)的主要內(nèi)容?？偨Y(jié)了以虛擬仿真技術(shù)為背景開展的模塊化、層次化、線上與線下、課內(nèi)與課外相互協(xié)同的實(shí)踐教學(xué)，在人才培養(yǎng)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源利用和實(shí)踐空間拓展中的作用。

關(guān)鍵詞：

虛擬現(xiàn)實(shí)；虛實(shí)結(jié)合；實(shí)踐教學(xué)

DOIDOI：10.11907/rjdk.172427

中圖分類號(hào)：G434

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)文章編號(hào)：16727800（2018）003022103

英文摘要Abstract：For effectively promoting the information construction of the practical teaching，this paper analyzes the present situation of information specialty practical teaching form the environment、management and interaction， and puts forward the construction idea of introducing computer virtual reality technology into practice teaching. On the basis of information science knowledge structure， the article recast practical ability cultivation architecture， and construct the practical teaching model based on virtual simulation technology. And it focuses on the organization form and implementation method of practice teaching on combination of virtuality and reality， and the main content of the construction of virtual simulation practice teaching information platform. Finally the paper summarizes the virtual simulation technology to play in talents cultivation， experimental teaching resources and space to expand the role of practice.

英文關(guān)鍵詞Key Words： virtual reality； combination of virtuality and reality； practical teaching

1實(shí)踐教學(xué)現(xiàn)狀

信息技術(shù)在推動(dòng)教育現(xiàn)代化改革和發(fā)展中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用[1]。利用先進(jìn)的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，拓展實(shí)踐、科研、教研空間，構(gòu)建符合現(xiàn)代學(xué)習(xí)特征的信息化實(shí)踐教學(xué)體系是時(shí)代發(fā)展的要求[2]。

在“互聯(lián)網(wǎng)+”的滲透下，原有的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式和手段在一定程度上成為限制培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力的瓶頸。武昌首義學(xué)院信息科學(xué)與工程學(xué)院立足“大眾化、應(yīng)用型”人才培養(yǎng)定位，研究了光電信息科學(xué)與工程、計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、軟件工程、通信工程、物聯(lián)網(wǎng)工程、電子信息工程6個(gè)專業(yè)特點(diǎn)，總結(jié)了開展實(shí)踐教學(xué)中遇到的問題，主要表現(xiàn)在：①實(shí)驗(yàn)成本高，實(shí)驗(yàn)設(shè)備數(shù)量不足、損耗大、維護(hù)費(fèi)用高；②綜合型、創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目開展受物理?xiàng)l件限制，設(shè)計(jì)、實(shí)施復(fù)雜，周期長(zhǎng)。由于設(shè)備條件的限制，導(dǎo)致實(shí)踐或研究工作中斷；③實(shí)驗(yàn)設(shè)備更新緩慢，跟不上技術(shù)發(fā)展，不能及時(shí)支持課程及相應(yīng)實(shí)驗(yàn)的擴(kuò)展；④物理實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，學(xué)生必須在規(guī)定的時(shí)間到專門的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)受時(shí)間和地點(diǎn)限制；⑤實(shí)驗(yàn)過程管理難，對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中出現(xiàn)的“跟著混”的學(xué)習(xí)現(xiàn)象缺乏監(jiān)管；⑥課外實(shí)踐互動(dòng)難，由于課內(nèi)實(shí)踐學(xué)時(shí)有限，部分實(shí)驗(yàn)需要學(xué)生課外自主完成，但學(xué)生課外學(xué)習(xí)情況往往很難落實(shí)。

結(jié)合高等教育信息化建設(shè)要求，在實(shí)踐教學(xué)中引入虛擬仿真技術(shù)。其具有直觀性、安全性、可重復(fù)性、無時(shí)間和地域限制、低能耗、低成本、大眾性、全面性等特點(diǎn)，可以有效解決上述問題[3]。基于虛擬仿真技術(shù)構(gòu)建實(shí)踐教學(xué)體系，是開展信息類專業(yè)實(shí)踐教學(xué)改革，解決實(shí)踐教學(xué)問題的一個(gè)有效途徑[4]。

2虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)體系

以培養(yǎng)“具有創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力的應(yīng)用型人才”為目標(biāo)，融合學(xué)科特色，梳理知識(shí)結(jié)構(gòu)，確立了公共基礎(chǔ)、電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息與信號(hào)處理、創(chuàng)新實(shí)踐5個(gè)專業(yè)知識(shí)模塊，建立了程序設(shè)計(jì)與算法、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)、軟件工程與數(shù)據(jù)庫、通信技術(shù)、信號(hào)與信息系統(tǒng)、光電技術(shù)、應(yīng)用電子技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)8個(gè)課程群，構(gòu)建了跨專業(yè)模塊化的課程體系。以此為基礎(chǔ)，從能力培養(yǎng)出發(fā)，構(gòu)建了“基礎(chǔ)—技能—綜合—?jiǎng)?chuàng)新”4個(gè)實(shí)踐層次和“基礎(chǔ)理論—核心能力—工程應(yīng)用—?jiǎng)?chuàng)新應(yīng)用”4個(gè)能力層次的“4+4模式”實(shí)踐能力培養(yǎng)體系[5]，如圖1所示。

圍繞實(shí)踐能力培養(yǎng)目標(biāo)，按照實(shí)踐教學(xué)培養(yǎng)規(guī)律，將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)，形成了“5個(gè)模塊、4種形式、4個(gè)層次、3個(gè)類別”的漸進(jìn)式、開放式、虛實(shí)結(jié)合的實(shí)踐教學(xué)體系，如圖2所示。

2.15個(gè)專業(yè)知識(shí)模塊

依據(jù)實(shí)踐教學(xué)體系，按照信息類學(xué)科人才培養(yǎng)的知識(shí)、能力和素質(zhì)要求，與專業(yè)知識(shí)模塊呼應(yīng)，建立了公共基礎(chǔ)、電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信號(hào)與信息處理、創(chuàng)新實(shí)踐5個(gè)實(shí)踐模塊。公共基礎(chǔ)實(shí)踐模塊主要面向全校開設(shè)計(jì)算機(jī)公共基礎(chǔ)課實(shí)驗(yàn)，包括計(jì)算機(jī)概論、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等課程實(shí)驗(yàn)；電子技術(shù)實(shí)踐模塊主要面向電子信息工程、物聯(lián)網(wǎng)工程、通信工程、計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、軟件工程等專業(yè)，開設(shè)數(shù)字電路邏輯設(shè)計(jì)、單片機(jī)原理與應(yīng)用、CPLD/FPGA設(shè)計(jì)及應(yīng)用等專業(yè)核心課程實(shí)驗(yàn)；計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)踐模塊主要面向計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、軟件工程等專業(yè)，開設(shè)計(jì)算機(jī)組成原理、面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)等專業(yè)方向課程實(shí)驗(yàn)；信號(hào)與信息處理實(shí)踐模塊主要面向通信工程、電子信息工程、光電信息科學(xué)與工程、物聯(lián)網(wǎng)工程等專業(yè)，開設(shè)信號(hào)與系統(tǒng)、數(shù)字信號(hào)處理、工程光學(xué)、數(shù)字圖像處理、移動(dòng)通信原理等專業(yè)方向課程實(shí)驗(yàn)；創(chuàng)新實(shí)踐模塊緊密結(jié)合畢業(yè)設(shè)計(jì)、科研項(xiàng)目、學(xué)科競(jìng)賽、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)等實(shí)踐活動(dòng)，在掌握基礎(chǔ)技能和專業(yè)技能后，充分利用綜合類實(shí)驗(yàn)資源，對(duì)學(xué)生進(jìn)行工程應(yīng)用、創(chuàng)新能力和科研方法訓(xùn)練，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計(jì)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力，激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新熱情和參與創(chuàng)新活動(dòng)積極性。5個(gè)實(shí)踐模塊相互滲透，根據(jù)人才培養(yǎng)要求，進(jìn)行模塊化的組合，實(shí)現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容的開放共享。

2.24種實(shí)踐教學(xué)形式

根據(jù)實(shí)踐項(xiàng)目特點(diǎn)，按照優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)原則，設(shè)計(jì)了混合式的實(shí)踐模式，將動(dòng)畫模擬、實(shí)物實(shí)驗(yàn)、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)4種形式有機(jī)融合，納入到專業(yè)課程的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)中，實(shí)現(xiàn)了虛實(shí)結(jié)合的實(shí)踐教學(xué)新形式。實(shí)施中，根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，選擇不同的實(shí)驗(yàn)形式，如運(yùn)用動(dòng)畫模擬仿真課程中抽象難懂的理論知識(shí)，形象生動(dòng)地展現(xiàn)理論原理；通過虛實(shí)結(jié)合的方式，在虛擬環(huán)境中反復(fù)練習(xí)，達(dá)到熟能生巧的效果。訓(xùn)練實(shí)際技能的應(yīng)用能力，提高實(shí)驗(yàn)效率；對(duì)于課外或?qū)嶒?yàn)較為復(fù)雜、實(shí)驗(yàn)設(shè)備受限的實(shí)踐，則通過遠(yuǎn)程實(shí)踐和虛擬仿真進(jìn)行，提供不同層次的實(shí)踐能力培養(yǎng)。

2.34個(gè)專業(yè)能力層次與3個(gè)實(shí)驗(yàn)類別

按照“加強(qiáng)基礎(chǔ)、鞏固技能、提高能力、綜合培養(yǎng)”原則， 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目分為學(xué)科基礎(chǔ)、專業(yè)技能、綜合應(yīng)用和創(chuàng)新能力4個(gè)層次，助學(xué)、訓(xùn)練、提高3個(gè)類別。在實(shí)踐環(huán)節(jié)中，開展分層分類實(shí)踐教學(xué)。助學(xué)類虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，采用形象生動(dòng)的動(dòng)畫形式，將抽象概念形象化，復(fù)雜過程可視化，學(xué)習(xí)和理解重點(diǎn)難點(diǎn)知識(shí)。訓(xùn)練類虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，將實(shí)體實(shí)驗(yàn)虛擬化，學(xué)生在開展實(shí)物實(shí)驗(yàn)前先用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)提前預(yù)習(xí)。在虛擬環(huán)境中通過交互的方式，反復(fù)訓(xùn)練，達(dá)到孰能生巧的效果，為學(xué)生參加實(shí)驗(yàn)打下基礎(chǔ)。這種先虛后實(shí)的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?，可以減少實(shí)驗(yàn)中因?yàn)椴僮鞑划?dāng)而損壞實(shí)驗(yàn)設(shè)備，避免因?yàn)椴皇煜x器設(shè)備操作、實(shí)驗(yàn)原理而浪費(fèi)實(shí)驗(yàn)時(shí)間的現(xiàn)象。對(duì)一些難以重現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)，或是綜合型、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。在虛擬環(huán)境下，學(xué)生可以方便地修正、重組、查驗(yàn)和嘗試，既滿足了實(shí)驗(yàn)的靈活性和有效性，又極大地減少了實(shí)驗(yàn)成本和資源消耗。

表1為計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程中部分實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目教學(xué)安排情況。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目按照實(shí)驗(yàn)層次、類別和形式進(jìn)行安排[6]，也可根據(jù)實(shí)踐學(xué)時(shí)調(diào)整項(xiàng)目課內(nèi)外完成比例。如實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目（1）和實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目（4）可采用課外線上虛擬仿真、線下實(shí)驗(yàn)完成；實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目（2）、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目（3）和實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目（5）可采用課外線上完成。這里的線上指通過虛擬仿真信息化平臺(tái)上完成的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

3虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)

為保障不同類型的實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐教學(xué)順利開展[7]，構(gòu)建了互聯(lián)網(wǎng)+實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，開展課內(nèi)外一體化的實(shí)踐教學(xué)。虛擬仿真信息化實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理平臺(tái)依托校園網(wǎng)絡(luò)[8]，其架構(gòu)如圖3所示。平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了各類實(shí)驗(yàn)的統(tǒng)籌安排，包括實(shí)驗(yàn)安排與選課、實(shí)驗(yàn)前的相關(guān)知識(shí)輔助學(xué)習(xí)與測(cè)試、實(shí)驗(yàn)平臺(tái)跳轉(zhuǎn)、實(shí)驗(yàn)過程的答疑與指導(dǎo)、虛擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果的自動(dòng)批改、實(shí)驗(yàn)報(bào)告的在線填寫與管理、實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果評(píng)估與分析、師生互動(dòng)交流和系統(tǒng)安全管理等功能，涵蓋整個(gè)實(shí)驗(yàn)流程，搭建師生交流平臺(tái)，為課外線上實(shí)驗(yàn)的順利開展提供保障。

4虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)作用

（1）引領(lǐng)教學(xué)理念的轉(zhuǎn)變。在理論授課和實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)之間增加“虛擬實(shí)驗(yàn)”教學(xué)，把仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開放給學(xué)生自由使用，教師利用系統(tǒng)安排理論基礎(chǔ)測(cè)試、虛擬實(shí)驗(yàn)、遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)，監(jiān)控和輔導(dǎo)學(xué)習(xí)過程，評(píng)價(jià)和管理實(shí)驗(yàn)成績(jī)，提高了教學(xué)的信息化水平，緩解了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中實(shí)驗(yàn)室建設(shè)費(fèi)用高、建設(shè)周期長(zhǎng)、實(shí)驗(yàn)受時(shí)間、空間、人力限制的問題，創(chuàng)新了教學(xué)模式，引領(lǐng)了教學(xué)理念的轉(zhuǎn)變[9]。

（2）豐富實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，拓展實(shí)踐空間。虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)體系采用 “理論授課-虛擬實(shí)驗(yàn)-實(shí)驗(yàn)室教學(xué)”的實(shí)踐教學(xué)手段[10]，以“助學(xué)、訓(xùn)練、提高”3個(gè)內(nèi)容層次組織實(shí)踐教學(xué)，通過“動(dòng)畫模擬、虛擬仿真、實(shí)物實(shí)驗(yàn)、遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)”相互融合的混合式教學(xué)形式開展虛實(shí)結(jié)合的實(shí)踐教學(xué)，構(gòu)建線上線下、課內(nèi)課外相互協(xié)同的實(shí)踐教學(xué)新模式，豐富了實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，拓展了實(shí)踐空間，為學(xué)生獨(dú)立自主學(xué)習(xí)與實(shí)踐創(chuàng)造良好的條件。

（3）增強(qiáng)實(shí)踐創(chuàng)新能力。利用虛擬仿真技術(shù)開設(shè)有特色的自主實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，提升了學(xué)生對(duì)專業(yè)技能的掌握程度；利用信息化技術(shù)開展遠(yuǎn)程虛擬實(shí)驗(yàn)，適應(yīng)學(xué)習(xí)移動(dòng)化、碎片化特征，學(xué)生在課余時(shí)間進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，營造了隨時(shí)學(xué)習(xí)、無限次練習(xí)的氛圍，實(shí)現(xiàn)了更大范圍的資源共享，提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與設(shè)計(jì)能力。

（4）提升專業(yè)建設(shè)水平。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)既是仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，也是教研、科研和創(chuàng)新的實(shí)踐平臺(tái)。平臺(tái)的建設(shè)促進(jìn)了大數(shù)據(jù)技術(shù)、云計(jì)算、虛擬化和信息安全技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用，“個(gè)性學(xué)習(xí)”的應(yīng)用研究帶動(dòng)了教研工作的開展，開辟了虛擬實(shí)踐為先、科研支持教學(xué)、教學(xué)服務(wù)科研的實(shí)踐教學(xué)模式。

5結(jié)語

實(shí)踐教學(xué)中，以優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)為原則，引入虛擬化技術(shù)，構(gòu)建的“5個(gè)模塊、4種形式、4個(gè)層次、3個(gè)類別”的虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)體系，做到了以“實(shí)”為目標(biāo)，以“虛”為手段，揚(yáng)長(zhǎng)避短，“虛”加強(qiáng)理論知識(shí)與實(shí)際操作的聯(lián)系，“實(shí)”提高學(xué)生解決實(shí)際問題的能力，將虛擬實(shí)驗(yàn)與理論課程相結(jié)合、與實(shí)體實(shí)驗(yàn)相結(jié)合、與工程實(shí)踐相結(jié)合、與學(xué)科競(jìng)賽相結(jié)合、與校企合作相結(jié)合、與科研項(xiàng)目相結(jié)合，做到基礎(chǔ)知識(shí)、專業(yè)技能、綜合能力、創(chuàng)新能力培養(yǎng)4年不間斷，不斷提升學(xué)生的專業(yè)核心能力、工程應(yīng)用能力與創(chuàng)新能力，推動(dòng)了虛實(shí)結(jié)合的實(shí)踐教學(xué)理念在人才培養(yǎng)中的應(yīng)用，推進(jìn)了實(shí)踐教學(xué)的信息化發(fā)展進(jìn)程。

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