淺論計算機虛擬實驗室的建設

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計算機教學除了課堂理論教學,還有大量的實驗教學,實驗教學是教學活動的重要環節,實驗教學和課堂理論教學相輔相成。實驗室主要對課程的理論作出科學驗證或展開演繹,讓學生加深對理論的認識,同時通過實驗培養學生的創新意識和科學嚴謹的作風。但從目前情況來看,很多學校安排了較多的驗證性實驗、演示性實驗,而讓學生唱主角、自己動手的實驗開設很少。因此,在不同程度上影響到學生動手能力的培養,尤其是在硬件動手能力方面。為了提高實驗的教學效果,提高學生的專業實踐能力,鑒于目前學校建有校園網并接入互聯網的情況,行之有效的方法是建立專業的網絡虛擬實驗室系統。

一、網絡虛擬實驗室的建立

1.虛擬現實技術

虛擬現實VR(VirtualReality)是近幾年來信息技術迅速發展的產物,畢業論文是一門在計算機圖形學、計算機仿真技術、人機接口技術、多媒體技術和傳感技術的基礎上發展起來的交叉學科。其基本方法和目標是集成并利用高性能的計算機軟硬件及各類傳感器創建一個使參與者處于身臨其境的、具有完善的交互能力、能幫助和啟發構思的信息環境,即讓用戶在人工合成的環境里獲得角色的體驗。

虛擬現實具有三個基本特征。沉浸性,是指觀察者對虛擬世界的情感反映,這種感覺能使用戶全方位地投入這個虛擬世界,這是虛擬現實的首要特征。交互性,是指虛擬現實是一個開放的環境,能對用戶的輸入作出響應,并能通過監控裝置來影響用戶和被用戶影響。想象性,是指虛擬現實不僅是一個媒體、一個高級用戶界面,還是一個應用系統,它以生動形象的形式反映設計者的思想。虛擬現實的三個基本特征強調了人在這個系統中的主導作用。虛擬現實系統按其功能不同,可以分為三種類型:沉浸式虛擬現實系統、桌面式虛擬現實系統和分布式虛擬現實系統。其中,桌面式虛擬現實系統是運用軟件編程方法在顯示器上顯示三維場景,用戶通過鍵盤、鼠標等設備與虛擬場景交互,它的特點是結構簡單、成本較低,易于推廣。

2.網絡虛擬實驗室

所謂網絡虛擬實驗室,是指利用區域網或互聯網,由虛擬現實技術生成的一類適于進行虛擬實驗的實驗系統,包括相應的實驗室環境、有關的實驗儀器設備、實驗對象及實驗信息資源等。虛擬實驗室可以是某一現實實驗室的真實實現,也可以是虛擬構想的實驗室,虛擬實驗通過虛擬實驗室進行。在虛擬實驗中,實驗者有逼真的感覺,有身臨其境的感受,好像是真正在現實實驗室里近距離進行現場操作。在虛擬實驗中,沒有一個有形的實驗室,也沒有以實物形態存在的實驗工具與實驗對象,實驗過程主要是對虛擬物的操作。

3.計算機專業虛擬實驗室的創建

構建專業虛擬實驗室,其實就是搭建一個網絡平臺系統,包括硬件、軟件及管理三個方面。在硬件上,

目前各校都建立了校園網絡并接入了互聯網,這些基礎設施基本可以滿足需求,不需要太多的投入。在軟件方面,一個是實驗室平臺軟件系統的開發,它與網站建設相聯系;另一個是網站的內容(實驗內容)建設,這是實驗室建設的關鍵。虛擬實驗室應有可以做的實驗來支撐,不然軟件平臺就是一個空架子,形同虛設。同時,該平臺上還應有實驗管理的支持,對實驗儀器、實驗報告、實驗指導、實驗成績及網上答疑等進行有效管理,并對虛擬實驗室進行監控,計算機網絡虛擬實驗室系統各模塊的主要功能如下。

(1)實驗管理模塊,由學生管理、教師管理、儀器管理和學生成績管理等組成。碩士論文在學生管理方面,學生通過瀏覽器進行注冊登錄,登陸成功后可瀏覽實驗項目,查看實驗的詳細資料,預約實驗項目及做實驗的時間,在線發送和接受消息,進行問題討論,進行實驗登記,實驗完成后可通過網絡寫實驗報告并提交報告。教師管理方面,可對實驗內容添加、修改、整理、刪除,對學生提交的實驗報告列表,批改實驗報告,填寫評語和成績,提交批改結果,與學生進行討論。儀器管理方面,對新設計開發的虛擬儀器上傳并進行分類整理,以便實驗使用。成績管理方面對學生的實驗情況(實驗次數、實驗報告及完成情況)給出成績,并進行統計分析及提供查詢等。

(2)儀器展示模塊,對虛擬實驗室可用虛擬元器件、虛擬儀器設備分門別類地進行管理,以圖形的方式直觀呈現出來,供學生在實驗時進行選擇。

(3)實驗指導模塊,包括實驗介紹、實驗方法、實驗項目的重點及難點、實驗目的、實驗原理、實驗準備、實驗任務、實驗過程、實驗報告的要求及實驗應注意的事項等。

(4)實驗報告模塊,主要對學生完成實驗后,提供相關的實驗報告模板,供學生下載,由學生填寫相關內容以及實驗的結果,完成后上傳電子版實驗報告,由教師進行批閱,并進行記載。

(5)實驗答疑模塊,由專業教師對學生實驗中出現的疑難問題進行及時解答,幫助學生順利通過實驗。同時了解學生對實驗的掌握程度,并及時反饋、調整教學。

(6)論壇交流模塊,教師和學生可以通過論壇進行充分的交流,學生可以將實驗中的收獲、經驗和體會及問題到論壇上,教師可以將一些典型的問題提出來,供大家探討。學生在這樣寬松的環境下發表自己的見解,教師從中可以得到及時的實驗教學反饋信息,以便整改。

(7)虛擬實驗模塊,是虛擬實驗室建設的重要部分。學生通過該模塊進行虛擬實驗,醫學論文以達到鞏固強化知識的目的。該模塊內容根據專業學習的具體情況及實驗建設條件,可不斷增加。計算機專業網絡虛擬實驗室系統的建設,可以引入其他學校的虛擬實驗室中。這種方式比較簡單,容易實現,見效較快。但需要投入較多的軟件購置費用,同時也需要結合本校的實際情況進行一些調整,有一個磨合期。另一種是因地制宜,自主開發。根據本校的實際教學和實驗情況,結合學生的實際水平,由任課教師或聘請部分專家組成開發小組,進行一系列的虛擬實驗項目的開發研究,并將研究的成果連接到虛擬實驗室中,逐漸擴充直至完善。這種方式比較靈活,能充分發揮教師的積極性,能有針對性地進行設計開發,適合學生的實際情況,學生容易接受,并且經費投入較少。缺點是開發周期較長,系統性不夠,水平有限。也可以將上述兩種方式結合起來,一是引入、購置部分自己不宜開發的實驗項目,二是結合自身的優勢和長處開發一些實驗項目,如非交互性的、演示性的虛擬實驗項目等。

二、加強網絡虛擬實驗室的管理

1.加強用戶管理,為每個學生分配賬號。對學生進入虛擬實驗室,使用實驗室做虛擬實驗等進行登記保存。鼓勵學生經常訪問虛擬實驗室,在上面提出問題、發表見解,做好實驗,努力提高虛擬實驗室的人氣。

2.全天候開放虛擬實驗室。學生可以隨時進入虛擬實驗實自己動手組織實驗,自己設計實驗方案,動手完成實驗,整理和總結實驗數據,職稱論文提交實驗報告,培養學生的分析能力和創新能力,逐步向以“學生為中心”的自主個性發展模式轉變。

3.組織專業教師網上指導與答疑,參與論壇討論交流,及時批改實驗報告,為學生順利完成實驗提供服務。在虛擬實驗室中,教師應對學生提出的疑問盡快給出幫助和解答,并進行必要的指導。在實驗室論壇上發表觀點,提出問題讓學生思考,使師生在虛擬實驗室中有較強的互動性,教師應充當好學生實驗的合作者和知識的建構者的角色。

4.對學生在虛擬實驗室的表現及實驗效果進行

評價。針對學生每一門課程的虛擬實驗完成情況、實驗報告、網上提問、論壇發帖的情況,給學生一個成績和評價,反饋給學生,英語論文并與該課程的正常實物實驗一起記入實驗總分。教師也要在對學生評價的同時,征求學生對虛擬實驗室的意見,對學生反饋的信息進行整改。

計算機網絡虛擬實驗室的建立,可以很好地解決目前硬件設備跟不上實驗的要求、學生實驗時間不夠用等問題,對于提高學生的動手能力、分析問題和解決實際問題的能力具有非常重要的意義。但在具體應用中還要注意處理好“虛擬實驗”和“實物實驗”的關系,不能一味地強調虛擬實驗,要“虛實”結合,既相互補充,又各有側重,這樣才能取得很好的實驗教學效果。同時,在虛擬實驗中要注意培養學生嚴謹的、一絲不茍的科學實驗作風。

參考文獻

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