基于虚拟实验室的计算机专业实践教学改革研究

朱韶平，肖永良

（湖南财政经济学院信息管理系长沙410205）

一、引言

随着经济和科技的飞速发展，社会对计算机专业的人才培养提出了更新更高的要求，市场需求大批具有实践性、创造性、能直接服务于社会经济发展的应用型人才。计算机专业应用型人才应具有计算思维能力、基本操作能力、算法分析与编程能力、系统综合开发能力、应用能力、工作能力和创新能力，即应用计算机专业知识解决实际专业问题的能力和跨职业的能力。应用能力的培养需要计算机专业理论知识的支撑，更需要理论联系实践，奠定学生坚实的实践基础。实践是检验知识、发展思维、培养能力和锻造人才的必由之路。

传统的实践教学由于受教学环境、教学条件和教学模式等的局限，实践教学很大程度上仍然停留在教学方法单一、枯燥和低效的教师教、学生学的层次上，知识学习和实践动手操作相互分离，学生缺乏学习主动性和创造性，不能有效地培养和锻炼学生的实践能力和创造能力，人才培养与社会需求脱节。为适应社会对计算机专业人才需求改变的新形势，培养人文素质高、专业基础扎实、实践能力强的高级应用型人才，计算机专业实践教学改革势在必行[1]。

为了改善计算机专业实践教学条件、改革实践教学方法和教学内容、提高计算机专业实践教学课程的开设水平，把虚拟现实技术引入计算机专业实践教学环节已成为一种必然趋势。虚拟现实技术是一种强有力的辅助教学手段，它能改革传统的实践教学模式，解决传统实践教学中存在的问题，加快学生对知识的掌握与深化，有利于培养学生的实践能力和创造能力。

二、虚拟现实技术与虚拟实验教学系统

（一）虚拟现实技术

虚拟现实是基于计算机图形学、计算机仿真技术、人机接口技术、多媒体技术以及传感技术的沉浸式交互环境，它与传统的模拟技术完全不同，是模拟环境、视景系统和仿真系统三者的有机结合。对该技术的研究始于20世纪60年代，进入90年代，虚拟现实技术开始作为一门较完整的体系备受人们的关注。目前，虚拟现实技术已广泛应用于军事、航空航天、工程建筑、城市规划、医学、机械制造、教育、科研、金融、娱乐等领域。虚拟现实技术具有沉浸性、交互性、多感知性、构想性和实体自主性，在计算机专业实践教学中的应用具有其他媒体不可比拟的优势。

（二）虚拟实验教学系统

虚拟实验教学系统是一种运用虚拟现实技术模拟真实实验的计算机教学软件。它采用虚拟现实技术在计算机上建立虚拟实验室环境，提供可操作的虚拟实验仪器，使学生在互联网上通过接近真实的人机交互界面完成实验，同时提供网络实验教学一体化管理等功能[2]。虚拟实验教学系统由身份认证模块、分支门户模块、虚拟实验室、安全管理模块、系统管理模块等主要模块组成，其系统功能结构如图1。

图1 虚拟实验教学系统功能结构图

身份认证模块可根据登陆的用户名，判别用户的身份，赋予其相应的权限等功能。虚拟实验室是系统的核心模块具有自主学习、网上实验及网上实验教学、实验报告评阅等功能。安全管理模块具有实验维护、参数维护及传输加密等功能。系统管理模块具有系统初始化、权限管理和实验教学管理等功能[3]。

虚拟实验教学系统能模拟真实实验中所使用的实验器材和设备，提供与真实实验相似的实验环境，使学生完全沉浸在由虚拟实验教学系统所创建的实验环境中，如对虚拟实验仪器和设备进行操作等。虚拟实验教学系统中物体运动的设计依据物理运动定律，为学习者提供诸如视觉、听觉、触觉和味觉等各种直观而又自然的实时感知交互手段，以获得身临其境的感受，它实现了人的临场化，营造了一种“自主学习”和多样化、实用化和个性化的学习环境。

虚拟实验教学系统融合了计算机网络技术、虚拟现实和多媒体等技术具有虚拟设备和设施易于升级、优化和功能全、低成本、无危险、网络化等诸多优点，是今后实践教学研究的一种新型模式。基于虚拟现实技术的虚拟实验教学系统应用于实践教学可以解决以下几方面的问题：在信息展示方式上打破时间和空间的限制，学生可以不受时空限制进行课程实验；虚拟实验室可以避免真实实验或操作中的危险环节所带来的各种危险；虚拟实验室可以节约教学成本，充分利用教学资源；有利于挖掘实践教学的潜能。采用基于虚拟现实技术的虚拟实验教学系统能改善实践教学环境，优化实践教学过程，增加具有高新技术的实践教学内容，引导学生接触新知识、新技术，开发学生的智能，增强跨学科研究的意识和创新能力，提高实践教学质量，培养适应社会经济发展需求的计算机应用型人才。

三、基于虚拟实验室的计算机专业实践教学改革

（一）改革思路

1.以培养实践能力与创新能力为目标，将虚拟现实技术应用于计算机专业的实践教学，改善实践教学环境，优化实践教学内容，改革实践教学的方法和手段，构建科学的计算机专业实践教学体系[4][5]。

2.进一步加强计算机专业实验室建设，加大虚拟实验教学系统和虚拟实验仪器等的研发力度，应用虚拟现实技术创建设备先进、管理规范、与时俱进的开放式虚拟实验教学平台，建设内容先进、受益面大的实验教学项目，以先进的实验内容带动虚拟实验室的建设。

3.加强以计算机专业重点学科带头人及教授、博士为学术带头人的实践教学团队建设，营造浓厚的实验教学和学术研究氛围，采取有效措施引导理论课程教师积极参与实验教学与改革研究，建立实验教师培训制度，有计划地加强对实验教师专业技能培训，加快实验教师的知识更新，提高实验教师的整体素质和实践教学水平。

4.构建基于网络虚拟实验环境下的实验教学、实验预习、实验预约及实验教学质量保证体系[6]，对实验教学过程进行严格管理、监控和考核，确保实验教学达到预期效果。

（二）改革方案

1.改革实验教学模式。应用虚拟现实技术构建的开放式虚拟实验室，为学生营造一种“自主学习”及多样化、实用化和个性化的实践环境，学生可以在网上自主选择实验项目和实验时间，自主参与及完成开放性实验和创新研究性实验等，实现全开放式实践教学。改革传统实践教学受教学环境、教学条件和教学模式等的局限，构建以学生为主体、教师为主导、实验为主线、能力为目的及个性化教育的实践教学模式，突出应用能力和创新能力的培养。

2.改革实践教学的内容。利用虚拟实验教学系统，可灵活方便地融合多门专业课程知识，将关联课程的实践教学环节进行集成和优化，设计难度适中、内容丰富、可扩展性和操作性强、并与实际工作接轨的模块化的实践教学内容分阶段地在多门课程的实践教学中展开，激发学生学习的主动性和创造性，提高综合应用的能力。如融合“Java程序设计技术”与“嵌入式系统”的课程知识，结合实际应用及业界动态设计开发基于移动计算平台的应用系统等适合学生的实践教学内容，将实践教学变成一项富有趣味性、挑战性和实用性的工作，分阶段培养学生的实践能力和创造能力。

3.改革实验教学方法和手段。通过利用虚拟实验教学系统，把实验技术和教师科研的最新成果应用到计算机专业的实验教学当中，采用课内授课与课外实践相结合的方式，增加具有高新技术的实验项目，加强综合性、设计性和创新研究性实验教学。引导学生接触新知识、新技术，开阔学生的视野，开发学生的智能，激发学生学习的主动性和创造性。如通过实验课程、实验项目、研究课题和实验资源的开放，鼓励和吸引更多的学生开展大学生研究性学习和创新性实验计划项目等课外科技活动，培养学生的创新能力和科学探究能力。鼓励学生参加省级、国家级的程序设计大赛等，提高学生的算法分析和编程能力。

运用虚拟实验教学系统，创建有利于学生个性化发展的开放式虚拟实践教学环境，教师和学生通过网络在线访问虚拟实验教学系统，进行实验创作、网上实验教学及实验报告评阅、自主学习、实验预习、网上实验等。做到实验前有预习、实验操作有指导、实验步骤有演示、实验结果有监管等多手段提高实践教学效果，引导学生进行研究式学习，着力培养学生的实践能力和综合素质。

4.改革实验教学考核方式。建立对学生训练效果多元化的综合考核方式，增加实验操作、实践技能的考核比重，突出对能力的考核，并针对不同课程的要求和特点，将实验平时成绩、实验报告和实验创新成绩进行综合考虑。注重对学生综合运用知识能力和创新能力的考核，增加对学生学习过程的评价，主要包括实验预习、实验操作、实验结果和实验报告等方面，通过学习效果评价方式的转变，创造一个良好、宽松、和谐的学习环境，在学习过程的评价中发现问题、解决问题，培养学生的思维能力和创新能力。

四、结论

针对传统实践教学中存在的“重理论，轻实践，学生应用能力差，实践能力薄弱”等问题，从培养学生实践能力和创新能力出发，提出了基于虚拟实验室的计算机专业实践教学改革的思路和方案。基于虚拟现实技术的虚拟实验室为学生创造了良好的实践环境，它优化了实践教学的内容及过程，能有效地调动学生学习的积极性和主动性，提高学生观察、分析及解决问题的能力，培养学生的实践能力和创造能力。其在计算机专业的实践教学中的应用对改善实践环境，优化教学过程，提高实践教学水平，培养具有实践能力和创新能力的高级应用型人才将会产生深远的影响。

[1]何炎祥.IT发展与创新人才培养[J].计算机教育,2009,(2):9-14.

[2]欧阳星明,等,网络虚拟实验室的设计与实现[J].计算机工程,2004,(2):185-186.

[3]朱韶平.基于Web ActiveX数据控件的网络虚拟实验室构建[J].计算机技术与自动化,2010,(12):104-106.

[4]王浩,胡学钢,等.计算机专业实践教学体系的研究与建设[J].计算机教育,2007,(22):73-76.

[5]王志英,蒋宗礼,杨波,等.计算机科学与技术专业实践教学体系与规范研究[J].中国大学教学,2009,(2):42-44.

[6]王志英.计算机科学与技术专业实践教学体系研究[J].计算机教育,2008(3):18-20.