蘆冏耀 賈曉琪

山西工程科技職業(yè)大學(xué)·信息工程學(xué)院 山西 晉中 030619

引言

虛擬化教學(xué)方案為計(jì)算機(jī)組裝與維護(hù)開辟了一個(gè)新的教學(xué)路徑，虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality）是把客觀上存在的或并不存在的東西，通過運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)，在用戶眼前生成一個(gè)虛擬的環(huán)境，使人感到像真實(shí)存在的一種技術(shù)。利用此項(xiàng)技術(shù)我們可以把真實(shí)的硬件用虛擬化的方式展現(xiàn)出來，學(xué)生可以通過虛擬的場(chǎng)景，完成組裝拆解過程，也可以完成一些特定的設(shè)置驗(yàn)證性實(shí)訓(xùn)，比如：BIOS的設(shè)置、系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)置等。還可以有效解決我們?cè)谟布路矫娴牟蛔?，如果有新的硬件產(chǎn)生，也只需要調(diào)整虛擬教學(xué)課件即可，無須再次投入大量的資金用于購(gòu)買設(shè)備，可以快速跟上市場(chǎng)變化的步伐。在教學(xué)的形式上，虛擬教學(xué)更加靈活，它可以根據(jù)教師的要求靈活設(shè)計(jì)實(shí)訓(xùn)方案，根據(jù)學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握情況，針對(duì)性的添加一些實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目。這在普通的教學(xué)中是無法實(shí)現(xiàn)的。虛擬教學(xué)在解決實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)設(shè)備建設(shè)滯后方面，展現(xiàn)了非常大的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)設(shè)備一次性投資，反復(fù)利用，隨時(shí)升級(jí)，管理方便的愿望。但期初投入比較大，需要在實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面深入考察、多方論證，相信虛擬教學(xué)會(huì)在以后的實(shí)踐教學(xué)中展現(xiàn)更強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。

1 虛擬仿真技術(shù)的概念及應(yīng)用

1.1 虛擬仿真技術(shù)的概念和特點(diǎn)

虛擬仿真技術(shù)是一種基于計(jì)算機(jī)技術(shù)的教學(xué)方法[1]，可以通過計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)際操作，讓學(xué)生在虛擬環(huán)境中進(jìn)行實(shí)踐操作，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐技能和解決問題的能力。虛擬仿真技術(shù)已經(jīng)在工業(yè)制造、醫(yī)學(xué)、建筑設(shè)計(jì)、航空航天等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，成為一種重要的教學(xué)工具。虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于實(shí)訓(xùn)教學(xué)中具備以下特點(diǎn)[2]：①可以模擬真實(shí)環(huán)境，提供高度仿真的體驗(yàn)和感受。②可以提供交互性，讓用戶參與到虛擬環(huán)境中去。③可以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和測(cè)試，提高效率和準(zhǔn)確性。④可以進(jìn)行多次仿真和演練，提高安全性和效果。⑤可以在多個(gè)領(lǐng)域中應(yīng)用，具有廣泛的適用性。

1.2 國(guó)內(nèi)外的虛擬仿真技術(shù)在職業(yè)實(shí)訓(xùn)教學(xué)中的應(yīng)用

目前，國(guó)內(nèi)外的虛擬仿真教學(xué)主要包括三種模式[3-4]：基于虛擬實(shí)驗(yàn)室的教學(xué)模式、基于虛擬仿真環(huán)境的教學(xué)模式和基于虛擬實(shí)踐項(xiàng)目的教學(xué)模式。雖然一些高校和職業(yè)培訓(xùn)機(jī)構(gòu)采用虛擬仿真技術(shù)進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)，取得了一定的教學(xué)效果，但也存在技術(shù)水平不夠成熟、應(yīng)用模式不夠靈活、教師教學(xué)能力不夠強(qiáng)等諸多問題[5]。高等職業(yè)教育實(shí)踐教學(xué)更是要進(jìn)一步探索虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用模式和方法，完善虛擬仿真教學(xué)的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)管理，提高虛擬仿真技術(shù)在高等職業(yè)教育實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用效果。虛擬仿真技術(shù)在職業(yè)實(shí)訓(xùn)教學(xué)中的應(yīng)用主要包括以下方面：

1.2.1 實(shí)訓(xùn)過程模擬。實(shí)訓(xùn)過程模擬是指將實(shí)訓(xùn)過程完全模擬到計(jì)算機(jī)程序中，讓學(xué)生在虛擬環(huán)境中進(jìn)行實(shí)訓(xùn)操作。這種模式下，學(xué)生可以隨意嘗試不同的實(shí)訓(xùn)方案，進(jìn)行實(shí)訓(xùn)結(jié)果的預(yù)測(cè)和驗(yàn)證。同時(shí)，虛擬環(huán)境中的實(shí)訓(xùn)過程可以進(jìn)行多次演示，讓學(xué)生對(duì)實(shí)訓(xùn)過程有更加深入的理解。

1.2.2 實(shí)訓(xùn)參數(shù)控制。實(shí)訓(xùn)參數(shù)控制模式是指在虛擬環(huán)境中，學(xué)生可以通過調(diào)節(jié)虛擬實(shí)訓(xùn)設(shè)備的參數(shù)來進(jìn)行實(shí)訓(xùn)操作。這種模式下，學(xué)生可以隨意調(diào)節(jié)不同的實(shí)訓(xùn)參數(shù)，觀察不同的實(shí)訓(xùn)結(jié)果，從而更好地理解實(shí)訓(xùn)原理和實(shí)訓(xùn)過程。

1.2.3 實(shí)訓(xùn)結(jié)果演示。實(shí)訓(xùn)結(jié)果演示模式是指在虛擬環(huán)境中，將實(shí)訓(xùn)結(jié)果以動(dòng)畫或者其他視覺化方式進(jìn)行呈現(xiàn)。這種模式下，學(xué)生可以更加清晰地觀察到實(shí)訓(xùn)過程和實(shí)訓(xùn)結(jié)果，從而更好地理解實(shí)訓(xùn)原理和實(shí)訓(xùn)過程。

虛擬仿真技術(shù)在實(shí)訓(xùn)教學(xué)中的應(yīng)用模式可以極大地提高實(shí)訓(xùn)教學(xué)的效率和效果，讓學(xué)生在虛擬環(huán)境中進(jìn)行實(shí)踐操作，可以大大降低設(shè)備成本和安全隱患，同時(shí)可以提供更加真實(shí)的實(shí)踐環(huán)境，增加學(xué)生的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和職業(yè)素養(yǎng)。此外，虛擬仿真技術(shù)還可以提供多種操作場(chǎng)景，讓學(xué)生在不同場(chǎng)景中進(jìn)行操作，從而提高學(xué)生的綜合能力和應(yīng)變能力。因此，在職業(yè)教育中，虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用模式將成為未來教育的趨勢(shì)。

2 虛擬仿真技術(shù)在高等職業(yè)教育計(jì)算機(jī)類課程實(shí)踐教學(xué)案例

將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用在計(jì)算機(jī)硬件類課程實(shí)踐教學(xué)中，可以為學(xué)生提供更加真實(shí)、高效、多樣化的實(shí)踐場(chǎng)景和工具，同時(shí)還可以減少實(shí)驗(yàn)成本、提高實(shí)驗(yàn)安全性。實(shí)踐教學(xué)的整體思路如下：①采用三維立體仿真技術(shù)，還原實(shí)訓(xùn)場(chǎng)景，為學(xué)校師生提供立體直觀，高度仿真的虛擬教學(xué)環(huán)境；②支持移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)、縮放等各種交互操作，可以觀察硬件產(chǎn)品的每一個(gè)細(xì)節(jié)，提升參與度，增強(qiáng)趣味性；③嚴(yán)格按照計(jì)算機(jī)硬件行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及專業(yè)要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，確保實(shí)訓(xùn)過程的準(zhǔn)確性；④采用在線方式進(jìn)行考核，針對(duì)不同學(xué)生的出錯(cuò)知識(shí)點(diǎn)及頻率，隨機(jī)形成包括理論和實(shí)踐操作的考卷，檢查學(xué)生實(shí)踐教學(xué)的效果，同時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)統(tǒng)計(jì)分?jǐn)?shù)，分析易出錯(cuò)環(huán)節(jié)，幫助提高教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生學(xué)習(xí)效果。

2.1 虛擬仿真技術(shù)在計(jì)算機(jī)組成原理課程中的應(yīng)用

以計(jì)算機(jī)組成原理課程為例，該課程主要涉及計(jì)算機(jī)硬件體系結(jié)構(gòu)和工作原理，包括CPU、存儲(chǔ)器、總線等方面的內(nèi)容。傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)組成原理教學(xué)中，學(xué)生需要在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行電路板拼裝、接線等操作，需要大量的實(shí)驗(yàn)設(shè)備和人員管理。而采用虛擬仿真技術(shù)，可以提供高度仿真的計(jì)算機(jī)硬件環(huán)境，讓學(xué)生在虛擬環(huán)境中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，同時(shí)也可以提供多種實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景和數(shù)據(jù)，讓學(xué)生進(jìn)行不同類型的實(shí)驗(yàn)。采用虛擬仿真平臺(tái)來模擬計(jì)算機(jī)CPU、存儲(chǔ)器、總線等硬件模塊的工作原理。學(xué)生可以通過虛擬環(huán)境中的模擬器進(jìn)行指令執(zhí)行、數(shù)據(jù)讀寫等操作，從而深入理解計(jì)算機(jī)硬件的工作原理和結(jié)構(gòu)。同時(shí)，虛擬仿真平臺(tái)還可以提供實(shí)時(shí)監(jiān)控和調(diào)試工具，讓學(xué)生可以實(shí)時(shí)查看電路模擬結(jié)果、修改指令代碼等，提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)效率和實(shí)驗(yàn)質(zhì)量。

另外，虛擬仿真技術(shù)還可以提供一些虛擬實(shí)驗(yàn)工具，例如邏輯電路仿真器、數(shù)字信號(hào)處理器仿真器等，讓學(xué)生可以在虛擬環(huán)境中進(jìn)行邏輯設(shè)計(jì)、數(shù)字信號(hào)處理等實(shí)驗(yàn)操作，從而獲得更加真實(shí)的實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)，并且可以進(jìn)行多次實(shí)踐操作，提高學(xué)生的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和技能水平。

2.2 虛擬仿真技術(shù)在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程中的應(yīng)用

在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程中，學(xué)生需要掌握各種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的基本概念和操作方法，例如棧、隊(duì)列、鏈表、樹等。為了幫助學(xué)生更好地理解和掌握這些概念和方法，可采用“Data Structure Visualizations”虛擬仿真技術(shù)來進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)。通過虛擬仿真軟件，展示各種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的構(gòu)造和操作過程，并且提供交互式的操作界面，讓學(xué)生可以自行進(jìn)行操作和實(shí)驗(yàn)。通過這種方式，學(xué)生可以更加直觀地理解數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的概念和操作方法，同時(shí)也可以提高他們的實(shí)踐能力和編程能力。

2.3 虛擬仿真技術(shù)在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課程中的應(yīng)用

在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課程中，學(xué)生需要學(xué)習(xí)各種圖形算法和技術(shù)，例如線性變換、光照模型、紋理映射等等，可采用“OpenGL Studio”的虛擬仿真軟件展示各種圖形算法和技術(shù)的實(shí)現(xiàn)過程，學(xué)生自行操作和實(shí)驗(yàn)，以加深他們的理解和記憶。

從上述案例可以看出，將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于高等職業(yè)教育實(shí)踐教學(xué)中，就是要用以實(shí)帶虛、以虛助實(shí)、虛實(shí)結(jié)合的虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，有效解決實(shí)訓(xùn)教學(xué)過程中的“三高三難”痛點(diǎn)和難點(diǎn)。

3 虛擬仿真技術(shù)實(shí)踐教學(xué)效果評(píng)價(jià)

3.1 虛擬仿真技術(shù)實(shí)踐教學(xué)效果評(píng)價(jià)方法

在評(píng)價(jià)虛擬仿真技術(shù)在高等職業(yè)教育實(shí)踐教學(xué)中的效果時(shí)，可以使用多種評(píng)價(jià)方法。常用的評(píng)價(jià)方法包括問卷調(diào)查法、測(cè)試法、觀察法、訪談法等[6]。

問卷調(diào)查法是一種常用的評(píng)價(jià)方法，通過問卷調(diào)查了解學(xué)生對(duì)于實(shí)踐教學(xué)中虛擬仿真技術(shù)的認(rèn)識(shí)和態(tài)度，同時(shí)還可以收集學(xué)生對(duì)于實(shí)踐教學(xué)的反饋和建議，以便教師進(jìn)一步優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容和方法。

測(cè)試法是通過對(duì)學(xué)生進(jìn)行考試來評(píng)價(jià)虛擬仿真技術(shù)在實(shí)踐教學(xué)中的效果。測(cè)試可以包括筆試、機(jī)試、實(shí)操等形式，通過對(duì)學(xué)生在測(cè)試中的表現(xiàn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，了解學(xué)生掌握的知識(shí)和技能水平，以及虛擬仿真技術(shù)在學(xué)習(xí)中的應(yīng)用情況。

觀察法是教師通過觀察學(xué)生在實(shí)踐教學(xué)中的表現(xiàn)來評(píng)價(jià)虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用效果。教師可以從學(xué)生的實(shí)際操作情況、實(shí)驗(yàn)結(jié)果、實(shí)驗(yàn)報(bào)告等方面進(jìn)行觀察和評(píng)價(jià)，了解學(xué)生掌握的知識(shí)和技能水平，以及虛擬仿真技術(shù)在學(xué)習(xí)中的應(yīng)用情況。

訪談法是通過與學(xué)生進(jìn)行面對(duì)面的交流來評(píng)價(jià)虛擬仿真技術(shù)在實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用效果。教師可以針對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況、實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)、對(duì)虛擬仿真技術(shù)的認(rèn)識(shí)等方面進(jìn)行訪談，了解學(xué)生對(duì)于實(shí)踐教學(xué)的感受和認(rèn)知，以便優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容和方法。

3.2 虛擬仿真技術(shù)實(shí)踐教學(xué)效果評(píng)價(jià)過程

該項(xiàng)目有效實(shí)現(xiàn)了方便學(xué)生學(xué)習(xí)和對(duì)學(xué)習(xí)過程的考核評(píng)價(jià)等目標(biāo)。仿真實(shí)驗(yàn)可使學(xué)生通過校園網(wǎng)在宿舍、圖書館或者其他地方自行登錄進(jìn)行開放學(xué)習(xí)，可以自由選擇硬件進(jìn)行計(jì)算機(jī)的組裝，模擬實(shí)際裝機(jī)的流程，培養(yǎng)學(xué)生從多方向、多角度去思考問題和解決問題的能力。

利用軟件中場(chǎng)景考核的功能讓學(xué)生學(xué)完即考，考完再學(xué)的靈活學(xué)習(xí)方式，使學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中用立即發(fā)現(xiàn)問題，當(dāng)場(chǎng)解決問題的方式來鞏固或加強(qiáng)對(duì)所學(xué)知識(shí)點(diǎn)的熟練程度，最終達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生綜合創(chuàng)新能力和綜合素養(yǎng)的目的。

3.3 虛擬仿真技術(shù)實(shí)踐教學(xué)效果評(píng)價(jià)結(jié)果

在我院《計(jì)算機(jī)組裝與維護(hù)》課程中，課程組采用了虛擬仿真技術(shù)進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)。在課程結(jié)束后，對(duì)學(xué)生進(jìn)行了問卷調(diào)查和測(cè)試成績(jī)?cè)u(píng)價(jià)。結(jié)果顯示，學(xué)生對(duì)虛擬仿真技術(shù)的使用效果較為滿意，有73.8%的學(xué)生認(rèn)為虛擬仿真技術(shù)能夠幫助他們更好地理解課程內(nèi)容，84.3%的學(xué)生認(rèn)為虛擬仿真技術(shù)有助于提高他們的實(shí)踐能力。同時(shí)，學(xué)生的實(shí)踐成績(jī)平均分從之前的75分提高到了85分，70%以上的學(xué)生的作品質(zhì)量顯著提升。在實(shí)際操作中，學(xué)生的操作時(shí)間縮短，錯(cuò)誤率也大大降低，操作技能得到了明顯提高。

4 虛擬仿真技術(shù)實(shí)踐教學(xué)發(fā)展展望

隨著虛擬仿真技術(shù)在高等職業(yè)教育實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用不斷發(fā)展和完善，它在未來的發(fā)展將大有可為：①個(gè)性化定制化：將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于實(shí)踐教學(xué)中，需要根據(jù)不同的課程和學(xué)生的需求進(jìn)行個(gè)性化的定制。②多模式教學(xué)：虛擬仿真技術(shù)可以與傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)等教學(xué)方式相結(jié)合，形成多種教學(xué)模式，以更好地滿足學(xué)生的需求。③智能化輔助：通過人工智能和大數(shù)據(jù)技術(shù)，將虛擬仿真技術(shù)與智能輔助教學(xué)相結(jié)合，提高教學(xué)效率和學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。④面向產(chǎn)業(yè)需求：虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用需要緊密結(jié)合產(chǎn)業(yè)需求，將學(xué)生的實(shí)踐教學(xué)與實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景相結(jié)合，提高學(xué)生的就業(yè)能力。

虛擬仿真技術(shù)在高等職業(yè)教育實(shí)踐教學(xué)中有很大的應(yīng)用潛力和發(fā)展前景，它可以提供一個(gè)模擬真實(shí)環(huán)境的學(xué)習(xí)場(chǎng)景，增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力，同時(shí)提高教學(xué)效果和教學(xué)質(zhì)量。文章通過對(duì)實(shí)踐案例的研究，得出虛擬仿真技術(shù)可以有效地提高學(xué)生的實(shí)踐操作能力和解決實(shí)際問題的能力。

5 結(jié)束語(yǔ)

該項(xiàng)目在滿足教學(xué)需求之外，能夠大幅提升學(xué)生的專業(yè)素養(yǎng)，是傳統(tǒng)教學(xué)模式的有效延伸和嶄新拓展。

未來，為進(jìn)一步加強(qiáng)學(xué)生知識(shí)能力拓展范圍，項(xiàng)目計(jì)劃在已建設(shè)的計(jì)算機(jī)組裝虛擬仿真軟件的基礎(chǔ)上繼續(xù)建設(shè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的安裝與測(cè)試的相關(guān)實(shí)訓(xùn)，同時(shí)采用VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)使學(xué)生的思維與意識(shí)高度沉浸到計(jì)算機(jī)組裝課堂中從而獲得身臨其境的真實(shí)體會(huì)；同時(shí)在服務(wù)與資源共享相結(jié)合的時(shí)代背景下，依托互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過建設(shè)網(wǎng)絡(luò)化虛擬仿真實(shí)驗(yàn)管理系統(tǒng)高校共享，可達(dá)到高校學(xué)生實(shí)訓(xùn)、教師教學(xué)、科研實(shí)驗(yàn)共享，以虛擬實(shí)驗(yàn)操作促進(jìn)教學(xué)，以“學(xué)”為中心，提升學(xué)生的專業(yè)素養(yǎng)。