虚拟仿真实验教学信息化平台的建设路径研究

2022-12-19

互联网技术的快速普及以及移动硬件设备的日新月异, 为云计算和大数据技术的发展提供了更多有利的条件。基于这些条件, 智能化信息技术也以越来越快的速度渗透到各行业各领域, 给民众的生活生产带来了更多的可能性。对于教育领域而言, 近年来各大教育机构纷纷拥抱时代所带来的机遇, 以数据信息技术来加快提升教学硬件和软件水平, 提升教育机构的综合实力。其中虚拟仿真技术在高效的实验教学信息化平台建设方面发挥出越来越重要的地位和作用, 成为教育工作者和相关从业人士十分关注的重点研究内容[1]。尤其是随着国家教育部公布了《教育信息化十年发展规划》 (2011-2020年) 后, 虚拟仿真实验教学信息化平台建设也进入了快速发展的通道。

一、国外虚拟仿真实验教学平台建设进展

在虚拟仿真实验教学平台建设过程中, 基于国内外行业的成熟经验来进行探索和创新是一条十分可行的途径, 因而国内的教育机构在对虚拟仿真实验教学平台建设方案的设计、制定、实施和运维的各环节中都可以学习和借鉴国外先进成熟的经验, 以减少弯路。目前在此类项目的研究应用方面, 国外较为成熟的可供业内人士参考的经验有以下几个典型。

一是美国俄勒冈大学的物理实验教学平台。该实验教学平台是以网站的形式来提供给学习和研究人员各种物理虚拟仿真实验项目, 如天体物理仿真、力学仿真、热血仿真、电学仿真、能量仿真、环境仿真等等, 该实验教学平台主要是围绕物理学科的专业及类别分支来建立虚拟仿真实验室, 将这些单独的虚拟仿真实验室整合在同一个教学信息网站平台上, 为学习和研究人员提供了更为便利的实验条件。二是美国麻省理工大学的远程仿真实验教学平台。该仿真实验教学平台主要是针对电子和电路实验所开发设计的虚拟仿真实验平台。通过这一实验教学平台, 学生和研究人员可以更便捷地与远程实验室进行信息对接, 获得实验的测试数据, 减少了实验设备昂贵的成本投入, 同时可以更准确高效地获取设计实验的相关测试数据, 提升了教学的效率。三是美国伊利诺伊大学的化学仿真实验教学平台和美国密歇根大学的化学仿真实验教学平台。这两所大学的虚拟仿真实验教学信息平台都是围绕化学工程领域所设计开发的一项信息平台。通过将化学实验和化工流程以虚拟仿真技术来呈现, 解决了学习和研究人员设备、物资、场地、时间等诸多因素的限制, 方便了化学工程的实验教学。四是美国霍华德修斯医学研究会设计开发的生物医学仿真实验信息平台。该虚拟仿真实验信息平台具有完全交互的特征, 为学习和研究人员提供了更多的实验环境和场景, 不仅减少了实验成本, 而且也加快了生物学和医学技术的实际应用效率[2]。

上述这些国外高等院校虚拟仿真实验教学信息平台建设的事例给了国内研究人员一定的启示, 在这些成熟经验的基础上, 同时结合教育机构的实验教学现状以及信息化建设现状做进一步探索创新, 开发出更优质更高效的虚拟仿真实验教学信息平台。

二、虚拟仿真实验信息化平台的建设路径

(一) 虚拟仿真实验信息化平台的构建

在虚拟仿真实验教学信息化平台的建设过程中, 首先对需求进行分析, 以此来确定所要建设的类别项目和参数指标。建设人员可从教育者和学习者两大群体来分析, 以此来将虚拟仿真实验信息平台大致分为四大板块, 分别为虚拟实验设计、实验模式创新、实验数据库建设以及数据资源共享。其中虚拟实验设计和实验模式创新能够很好地培养和提升学习们的实验综合素质, 而实验数据库建设和数据资源共享能够更好地提升虚拟仿真实验信息数据及相关资源的利用率, 进一步减少实验成本, 提高实验教学效率。

在虚拟实验设计架构环节, 工作人员可将整个实验系统分为实验室网络系统和远程实验系统两大部分。其中实验室网络系统包括学生实验区、远程实验服务区以及安全服务器。学生实验区连接实验设备终端, 是虚拟仿真实验信息平台的基础支撑部分。远程实验服务区通过网络系统与实验室服务系统向连接, 使用者可以在终端进行网络登录, 进行或参与虚拟仿真实验。

整个实验系统的建设重点从以下步骤及内容来进行设计和实施:

首先, 划分虚拟实验的类别并提供实验入口。按照虚拟实验项目的类别不同来设计成不同的实验入口, 具体可根据专业类别、教材课程、修习类型以及具体的实验项目来确定。

其次, 对虚拟实验的使用栏目进行设计。在栏目分类环节可采用支持多种应用软件的形式, 满足实验教学多媒体课件、网站资源长传、资源下载、网络资源浏览等需求。

其三, 对实验教学的管理和评价。主要包括实验计划、实验过程、实验现象和数据、实验改进、实验评价、作业批阅以及实验成绩管理等内容。

其四, 建立学生实验信息中心。对学生的所有实验计划、实验过程、实验数据、实验总结进行设计, 方便学生查阅。

(二) 虚拟仿真实验信息化平台建设的建议

首先, 对虚拟仿真实验信息平台的管理角色和用户角色作出相应的设计。如在信息平台和实验室入口处设置成身份认证的形式, 通过统一身份认证来进行确认, 提供实验室入口。针对不同身份类别的人群赋予符合身份角色的信息平台使用权限。如针对教师类别可进行创建、发布、修改、管理、交流等操作;针对学生类别可进行选择、开展、提交、保存、交流等操作;针对信息管理平台的技术维护人员可进行信息平台底层技术的设计、修改、保存等操作。通过不同身份赋予不同的操作权限来满足各类人群的应用需求[3,4,5]。

其次, 针对虚拟仿真场景与现实场景的交互对接进行合理的设计。虚拟仿真实验可以为教师、学生及研究人员提供更为便利的试验场景, 但它并不是万能的, 在很多的时刻需要进行虚拟仿真场景和现实场景的交互对接, 通过虚和实的有效融合以更好地达成实验教学的目标。在信息平台建设中, 技术人员可从两条路径来实现虚和实的有效融合。一条路径是通过选择和设计虚拟实验的参数来将现实实验利用虚拟技术以仿真形式呈现, 将实化为虚, 减少设备、耗材、时间、场地等因素的限制, 同时获得所需要的试验数据, 掌握所需要理解的实验内容。另一条路径是通过每一次虚拟实验的数据和信息的存储、总结和分析, 优化虚拟仿真实验研究技能, 由虚化为实。而虚拟实验研究方案的日益优化又从新反馈到虚拟仿真实验信息平台的完善升级中, 因而实现了虚实的有效融合。

其三, 为了进行实验数据库建设并加快实验数据资源的共享。技术人员可引入不同实验科目类别的社区, 通过创建多个学科社区来建立更为高效的信息互动, 加快实验教学信息的传播效率, 提高实验数据资源的利用率。在仿真实验教学信息平台互动社区的建立过程中, 技术人员既可以采用自主开发的形式, 还可以采用学生个人、兴趣团体自荐或他荐开发的形式, 还可以采用竞赛的形式, 为仿真实验信息平台的建设和运维奠定良好的群众基础。

此外, 在虚拟仿真实验教学信息化平台建设过程中, 技术人员应注意以下几点:一方面尽可能采用专用的虚拟实验室网站, 来减少网络故障, 提高虚拟实验室的运营安全性和稳定性。另一方面针对虚拟仿真实验的使用技术及规范流程应尽快予以完善和公布, 做好使用和管理人员的指导培训, 减少人为失误, 提高虚拟仿真实验教学信息化平台的使用效率。此外, 应针对虚拟仿真实验教学信息化平台的维护配备专业人员, 并建立相应的机制, 组好日常维护, 确保信息平台的有序运行。合理设计信息平台的各个版块, 满足应用场景的需求[5,6]。

三、虚拟仿真实验教学资源的整合和利用

虚拟仿真实验教学中心资源建设主要涉及到现有和潜在资源的整合, 通过分析教育机构的实际现状来制定出最优的仿真实验教学资源建设方案[4,7]。目前在实际的建设应用中, 主要有四大类资源, 分别是教育机构本身拥有的实验教学资源、教育机构目前正在进行或已经完成的科研资源、教育机构与外部企业的协作资源以及相关技术资源。如何对这些资源进行整合利用以发挥出更多的综合势能对于虚拟仿真实验教学信息平台建设具有至关重要的影响。在实际的建设过程中, 技术人员既要充分利用每一类资源, 突出各自的优势, 同时又要为各项资源的有效融合建立多个渠道, 通过构架其桥梁, 使各类资源的利用空间进一步扩展, 为教育机构虚拟仿真实验教学信息平台的完善升级提供更多的发展空间。

四、结语

随着信息技术的快速发展和渗透, 教育机构的实验教学工作也有了更多的可能性。借助虚拟仿真实验教学信息化平台不仅降低了实验教学成本, 同时也提高了实验教学质量和效率。技术人员应根据教育机构的实际现状, 采用更优异的仿真实验教学信息平台建设方案, 为高等院校的实验教学提供更有利的条件, 推动实验教学水平不断攀登上新的台阶。

摘要：本文围绕虚拟仿真实验教学信息化平台的建设进行了探讨, 概述了国外虚拟仿真实验教学平台建设的进展情况, 论述了虚拟仿真实验信息化平台的建设路径及建议, 并对虚拟仿真实验教学资源的整合和利用作了说明, 旨在不断提升我国教育机构信息化平台的建设水平, 加快推动信息化技术在教育机构的切实落地, 为提升实验教学质量和效率创建更有利的条件。

关键词：虚拟仿真,实验教学信息平台