远程教育中虚拟实验室的研究

2022-09-11

虚拟实验室是伴随网络、多媒体、通信、虚拟仪器、计算机等技术的发展而产生的一门新兴实验技术, 其主要手段是利用网络资源实现在线或远程的实验教学。网上虚拟实验是指可在互连网络环境下完成的各种虚拟实验, 虚拟实验是指借助于图形/图像、仿真和虚拟现实等技术在计算机上所营造的可辅助、部分替代甚至全部替代传统实验各操作环节的相关软硬件操作环境。虚拟实验的应用和发展, 是对传统实验教学模式的补充和完善。

1 虚拟实验室的分类

1.1 虚拟实验室按其对学生技能要求可以分为

(1) 基础性实验室:主要是针对高职, 专科以及本科低年级学生。实验目的主要是熟悉基本设备用法以及一些基本技能训练。

(2) 专业性实验室:主要针对大专, 本科的高年级学生。实验目的为培训一批具有一定专业技术水平学员。能够将各自的专业知识运用于实际当中。培养综合能力和运用能力。

(3) 研究性实验室:主要针对于研究生。实验目的为培养一批能灵活运用现有专业知识和现有国内外最新技术, 带有研究性的探索新方法新手段。

1.2 按照其实现的技术手段可以分为

1.2.1 完全基于W e b技术

采用这种技术建立的系统, 通常是客户端/服务器 (C/S) 双层网络结构或者浏览器服务器 (B/S) 三层网络结构。这种结构非常适合于互联网上的应用, 无论用户规模的大小和分支多少, 都不会增加系统维护升级的工作量。这种系统多数使用图像、动画和声音等多媒体形式来模拟各种实验的全过程, 既有实际的实验步骤, 又有生动的使用界面。同时, 虚拟实验室的客户端平台采用控件技术的开发, 可以做到与客户端浏览器的无缝结合, 但该系统的真实感相对差一些, 适合用作认识学习。

1.2.2 基于虚拟现实技术

虚拟现实 (Virtual Reality) 是一门在仿真技术、人机接口技术、多媒体技术、传感器技术、计算机图形学等基础上发展而来的综合技术。虚拟现实技术和网络技术相结合即可实现虚拟实验室、虚拟教室。虚拟实验室采用三维的虚拟场景, 具有更强的表现力, 并且能更为逼真地模拟真实的实验操作。该系统的真实感比较好, 适合用作远程技能训练。

1.2.3 基于虚拟仪器技术

将虚拟仪器技术推向网络应用, 有助于形成分布式的网络测量体系, 实现数据和仪器的远程共享, 从而为远程测控服务。该系统通过应用程序将计算机与功能化硬件结合起来, 用户通过友好图形界面来操作计算机, 完成对被测对象的数据采集、分析、判断、显示和数据存储等。虚拟仪器系统利用计算机系统的强大功能, 结合相应的硬件, 大大突破了传统仪器在数据处理、显示、传送、存储等方面的限制, 使用户可以方便地对其进行维护、扩展、升级等。该系统使用于远程协作和科学研究使用。

2 虚拟实验室在远程教育中的作用

2.1 避免真实实验或操作所带来的各种危险

以往对于危险的或对于人体健康有危害的实验, 一般采用电视录像的方式来取代实验, 学生无法直接参与实验, 从而无法获得感性认识。利用虚拟现实技术进行虚拟实验, 则可以避免这种顾虑。学生在虚拟实验环境中可以放心的去做各种危险的或危害人体的实验。

2.2 打破空间、时间的限制

利用虚拟现实技术, 可以彻底打破空间的限制。大到宇宙天体, 小到原子粒子, 学生都可以进入这些物体的内部进行观察, 例如学生可以进入虚拟发电机厂, 考察发电机每个部分工作情况和相互联系, 从而了解整个发电过程, 这是电视录像和实物媒体所无法相比拟的。虚拟技术还可以突破时间的限制, 一些需要几十年甚至上百年才能观察到的变化过程, 通过虚拟现实技术, 可以在很短的时间内呈现给学生观察。

2.3 可以虚拟人物形象

虚拟现实系统可以虚拟历史人物、伟人、学生等各种人物形象, 创建出一个人性化的学习环境, 使远程教育的学生能够在自然、亲切的气氛中进行学习。

3 虚拟实验室构建中需注意的事项

3.1 应注重合理应用教学设计的思想

在虚拟实验室设计的时候要做到以学生为中心, 充分利用各种信息资源来支持学习, 并以任务驱动和问题解决作为学习的主线, 激发学生的学习动机, 让学生在有具体意义的环境中学习。不能脱离学生的学习基础和学习要求, 一味地把知识灌输给学生。

3.2 应便于虚拟实验室的设备更新与发展

虚拟实验室要使实践训练及时跟上技术的发展, 以培养高素质的毕业生, 保证知识型的技术人才和管理人才能满足经济发展的要求, 根据这个思想, 虚拟实验室应做到设备的更新和教学内容的扩充, 所以虚拟实验室构建时采用模块化的设计思想, 有利于设备的扩充与更新。

3.3 应注意资源的共享性

虚拟实验室可通过网站的链接, 对各个行业提供开放性的、远距离的继续教育, 提供各个行业急需的实践课程的教学, 为社会提供新技术和高等职业培训的机会, 促进全国教育水平的提高。

3.4 应注重虚拟实验室和传统实验室的合理结合

虚拟实验室的建立, 并不是完全取代传统实验室。传统实验室对提高学生的动手实践能力具有很强的意义, 但因受到实验设备台套数的限制和实验时间的限制, 学生在传统实验中, 往往实验做得较匆忙, 对实验不能很深入地理解, 常常有很多同学处于观看者的状态。我们希望虚拟实验室能和传统实验室紧密结合, 虚拟实验室可作为传统实验前的前期训练, 要求学生熟练掌握基本原理、各种设备的使用, 并能观察到操作中可能出现的问题, 然后在此基础上, 在传统实验室中加以验证, 并能进行拓展性训练, 提高学生的理论与实践应用能力。

总之, 虚拟实验室具有非常好的研究和应用前景。现在由于信息技术的发展, 越来越多的大学将课程上网, 形成虚拟大学、虚拟校园。因此尽快建设一批符合教学大纲、学科门类齐全的高质量的虚拟实验室是非常必要的, 这样会使我们的远程教育手段更贴近真实教学, 从而吸引更多的人参与远程教育, 使我国的远程教育为国民经济和现代化建设发挥更大的效能。

摘要：实验教学是巩固学生理论知识, 培养学生实践能力和创新精神不可缺少的教学环节, 虚拟实验室是解决远程教育中实践环节与远程教学模式之间矛盾的有效途径。本文阐述了虚拟实验室的分类、组成以及在远程教育中的作用等问题。

关键词：远程教育,网络,虚拟实验室