朱韶平

（湖南財政經(jīng)濟學院信息管理系,湖南長沙4101205）

一、引言

21世紀是經(jīng)濟全球化與知識經(jīng)濟時代，隨著社會經(jīng)濟的飛速發(fā)展，社會對人才培養(yǎng)的要求越來越高，期望培育出滿足社會需求的具有創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力的創(chuàng)新型人才。教育部也提出了關于大力推進高等學校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育和大學生自主創(chuàng)業(yè)工作的意見。加強大學生實踐能力與創(chuàng)新能力培養(yǎng)，造就大批基礎扎實、專業(yè)面寬、具有創(chuàng)新精神與創(chuàng)新能力的高素質創(chuàng)新型人才成為知識經(jīng)濟時代大學教育的歷史使命。受社會環(huán)境、教育理念、教學方法和管理模式等因素的影響，“重理論，輕實踐”、教學方法單一、理論學習和實踐操作相分離等是傳統(tǒng)大學教學普遍存在的問題，實踐教學尤其是創(chuàng)新實踐教學一直是我國高等教育的薄弱環(huán)節(jié)。學生實際動手操作能力普遍較差，缺乏學習的主動性和創(chuàng)造性，尤其缺乏綜合運用知識進行設計和創(chuàng)新探究的能力,學生的實踐能力、科學探究能力以及創(chuàng)新能力等難以得到培養(yǎng)和提高，人才培養(yǎng)與社會需求脫節(jié)。大學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)是高等學校實踐教學面臨的一重大課題。為培養(yǎng)專業(yè)理論基礎扎實、實踐能力強具有創(chuàng)新精神的創(chuàng)新型人才，滿足社會對創(chuàng)新型人才的需求，改革傳統(tǒng)的大學實踐教學，實施創(chuàng)新實踐教學刻不容緩。

大學創(chuàng)新實踐教學是一種以問題為中心的新穎的實踐教學模式。它要求改革傳統(tǒng)的單邊實踐教學模式，確立學生在大學實踐教學活動中的學習主體地位；要求改變傳統(tǒng)的系統(tǒng)傳授知識的課堂設計，把書本知識和現(xiàn)實問題結合起來，所傳授的知識能解決現(xiàn)實生活中實際存在的問題，引導學生積極探索，勇于創(chuàng)新，激發(fā)學生學習的熱情。它是培養(yǎng)學生綜合應用知識能力、實踐能力和創(chuàng)新能力的一種重要手段，是創(chuàng)新人才培養(yǎng)的有效途徑。

基于Web3D技術的虛擬實驗室能改革傳統(tǒng)的實踐教學環(huán)境及實踐教學模式，實現(xiàn)實踐教學模式、內容及方法和手段的創(chuàng)新。運用基于Web3D技術的虛擬實驗室進行大學實踐教學時一種創(chuàng)新性的實踐教學，它極大地豐富學生的實踐經(jīng)驗，是培養(yǎng)學生的實踐能力和創(chuàng)新能力的有效途徑。論文從創(chuàng)新實踐教學的模式、內容、方法和手段入手，結合大學實踐教學和學生創(chuàng)新能力培養(yǎng)，把Web3D技術引入大學創(chuàng)新實踐教學[1]，構建基于Web3D技術的虛擬實驗室，著重提高大學創(chuàng)新實踐教學的水平，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力。

二、Web3D技術與虛擬實驗室

（一）Web3D技術

Web3D技術是基于Internet和依靠軟件技術來實現(xiàn)的桌面級虛擬現(xiàn)實技術[2]。它綜合了計算機仿真技術、多媒體技術及智能網(wǎng)絡等主要技術，能將計算機獲得的數(shù)字化信息轉換成為人能感受到的具有各種表現(xiàn)形式的多維信息，是虛擬現(xiàn)實技術的一種實現(xiàn)形式。虛擬現(xiàn)實技術能創(chuàng)建具有高沉浸性、交互性、多感知性、構想性等酷似客觀的虛擬環(huán)境，是模擬環(huán)境、視覺系統(tǒng)和仿真系統(tǒng)三者的有機結合。成熟實用的Web3D核心技術主要有基于VRML、Java、XML和基于動畫腳本語言等技術，它提供了靈活方便的網(wǎng)絡教學資源及網(wǎng)絡教學活動空間，在教育、科研、金融、娛樂、數(shù)字城市建設和軍事模擬等領域廣泛應用。其在大學創(chuàng)新實踐教學中的應用具有其他媒體不可比擬的優(yōu)勢。建模技術、顯示技術和交互技術三大部分技術是Web3D的主要實現(xiàn)技術。其中建模技術是Web3D實現(xiàn)技術的關鍵，它采用虛擬現(xiàn)實建模語言（VRML），在Internet上建立3D多媒體和共享虛擬世界的一個開放標準，具有與平臺無關性、分布式處理、三維交互功能和多媒體集成等基本特征；顯示技術是把建立的三維模型描述轉換成人們所見到的圖像；Web3D技術實現(xiàn)用戶和三維場景之間的交互是非常豐富的，在三維交互場景中，還能實現(xiàn)用戶和用戶的交流。

（二）基于Web3D技術的虛擬實驗室

基于Web3D技術的虛擬實驗室是一種由Web3D技術和VR虛擬現(xiàn)實技術模擬真實實驗環(huán)境進行虛擬實驗的實驗教學系統(tǒng)。它采用Web3D技術和虛擬現(xiàn)實技術通過虛擬實驗教學系統(tǒng)在計算機上建立虛擬實踐實訓環(huán)境，為用戶提供可操作的虛擬實驗儀器、虛擬設備及實驗信息資源等，是各種實際教學實驗室的數(shù)字化和虛擬化[3]?；赪eb3D技術的虛擬實驗室由學生實驗模塊、實驗管理模塊和系統(tǒng)管理等主要功能模塊組成，其系統(tǒng)功能結構如圖1。

系統(tǒng)管理模塊包括用戶注冊管理、系統(tǒng)權限管理及系統(tǒng)安全管理等主要功能[4]。實驗管理模塊是系統(tǒng)的核心模塊，具有虛擬儀器編輯、虛擬儀器管理、軟件組件管理、實驗生成與管理和實驗教學與管理等主要功能。學生實驗模塊包括學生實驗預習和實驗預約、實驗操作與實驗報告提交、成績查詢與打印等功能。

基于Web3D技術的虛擬實驗室是一種全新的實踐教學環(huán)境，能模擬各種真實的實驗臺及各種真實的實驗儀器和實驗設備，提供與真實的實驗環(huán)境酷似的虛擬實驗實訓環(huán)境。虛擬實驗中實驗對象在信號源的作用下依據(jù)實驗原理產(chǎn)生相關實驗狀態(tài)和實驗結果，學生通過各種自然、直觀的諸于視覺、聽覺等實時感知交互手段，能獲得身臨其境的感受。學生在虛擬實驗室中可自主選擇實驗內容及設計實驗方案，通過虛擬實驗臺可自己動手配置、連接、調節(jié)和使用虛擬實驗儀器設備自主完成實驗，教師通過虛擬實驗室利用虛擬器材庫中的虛擬實驗器材可自由搭建任意合理的綜合性、創(chuàng)新性實驗案例，為大學創(chuàng)新實踐教學提供了有利條件。

圖1 虛擬實驗室功能結構圖

三、基于Web3D技術的大學創(chuàng)新實踐教學

基于Web3D技術的虛擬實驗室融合了Web3D技術、智能網(wǎng)絡技術、多媒體技術和計算機仿真技術等多種技術。虛擬實驗室系統(tǒng)易于升級與優(yōu)化，虛擬實驗儀器和虛擬設備及設施易于更新與優(yōu)化，具有功能全、成本低和無危險等諸多優(yōu)點，為開設各種實踐教學課程提供了一種全新的開放式實踐教學環(huán)境。基于虛擬實驗室的大學實踐教學可以解決學生實驗受時空限制，真實實驗或操作中的危險環(huán)節(jié)所帶來的各種危險，教學條件差，教學資源缺乏等方面的問題。它能改善實踐環(huán)境，創(chuàng)新實踐教學模式、內容及方法，提高實踐教學水平，是一種創(chuàng)新性的實踐教學。它有助于增強學生跨學科的研究意識和創(chuàng)新意識，培養(yǎng)學生的實踐能力、科學探究能力和創(chuàng)新能力。

（一）實踐教學模式的創(chuàng)新

基于Web3D技術的虛擬實驗室能為學生提供生動、逼真的感性學習材料，激發(fā)學生的學習興趣及學習智能，其應用于大學生創(chuàng)新實踐教學具有真實實驗室實踐教學不可比擬的優(yōu)勢，是一種新型的實踐教學模式。如在學習地理知識時，通過基于Web3D技術的虛擬實驗室，學生如同親臨北極可盡情領略那里的自然風光；在學習物理知識時，利用Web3D技術可向學生展示半導體導電機理等復雜物理現(xiàn)象，以供學生觀察學習；在學習建筑工程知識時，通過Web3D技術，學生可自由地在虛擬建筑物中游歷，了解各類建筑設計的特色，通過特定的Web3D功能還可透視建筑物的內部結構，學生可親身模擬搭建各類建筑的過程。在學習汽車修理時，通過基于Web3D技術的虛擬實驗室學生能對各種汽車多角度觀看、任意拆裝、組合及真實三維還原。這些體驗都是在傳統(tǒng)課堂實踐教學中無法實現(xiàn)而學生極其感興趣的，可充分激發(fā)學生學習的熱情，從而幫助學生突破學習重點和難點，加速和鞏固學生對知識的學習。

基于Web3D技術的虛擬實驗室在信息展示上可隨時間和空間無限延伸[5]，學生課程實驗不再受時間和空間的限制，是一種全開放式實驗室。教師通過虛擬實驗室系統(tǒng)把書本知識和實際問題結合在一起，根據(jù)現(xiàn)實具體問題創(chuàng)新性地設計各種實踐教學內容，學生根據(jù)自己的學習任務和學習計劃通過虛擬實驗室系統(tǒng)在互聯(lián)網(wǎng)上靈活方便地自主選擇實驗項目和實驗時間，有更多的機會積極參與并自主完成各種開發(fā)設計性和創(chuàng)新研究性等綜合性實驗項目。它改變了“以教為主”的傳統(tǒng)的單邊實踐教學模式，構建了以學生自主學習為主、教師指導為輔，綜合設計性實驗為主線及創(chuàng)新能力為目的的創(chuàng)新實踐教學模式，突出了以創(chuàng)新實踐教學為主的學生創(chuàng)新能力培養(yǎng)。

（二）實踐教學內容的創(chuàng)新

基于Web3D技術的虛擬實驗室是一種完全開放式的與時俱進的實驗室，利用Web3D技術和VR技術可創(chuàng)建先進的虛擬實驗儀器設備等，可增加實驗內容先進、面向實際應用且受益面大實訓項目及真實實驗具有危險性而無法實驗的實踐教學項目，實現(xiàn)實踐教學內容的創(chuàng)新。如在飛行員試飛的虛擬實驗室里，飛行員模擬飛行可以體驗飛行的過程，并對在現(xiàn)實飛行中每一種可能發(fā)生的事件做出應對，減少現(xiàn)實飛行中飛行事故的出現(xiàn)。在虛擬物理實驗室學生可做原子核裂變等實驗，在虛擬地理實驗室學生可做火山噴發(fā)等危險性實驗，在虛擬化學實驗室學生可做燃燒、爆炸等具有高危險性的實驗。這些實驗都是在實際生活中具有高危險性無法真實實驗的項目，基于Web3D技術的虛擬實驗室可以避免真實實驗或操作中的危險環(huán)節(jié)所帶來的各種危險，實施實際生活中無法真實實驗的實驗項目，從而加深學生對所學知識的理解和掌握。通過基于Web3D技術的虛擬實驗室可靈活方便地融合電子技術、單片機原理與應用技術、高級語言程序設計和DSP技術與應用等多門專業(yè)課程知識，集成和優(yōu)化多門相互關聯(lián)課程的實踐教學環(huán)節(jié)，科學合理地設計基于DSP的雙工保密電話、基于DSP的自動無線電話的雙向數(shù)據(jù)交換及基于DSP的汽車防沖撞電子系統(tǒng)等技術先進、內容豐富、可操作性和擴展性強并與實際工作接軌的模塊化的實踐教學內容，分階段地在多門課程的實踐教學中展開，使實驗項目層次化，使實驗教學內容現(xiàn)代化，激發(fā)學生學習的主動性和創(chuàng)造性，分階段培養(yǎng)學生的應用能力和創(chuàng)新能力。

（三）實驗教學方法和手段的創(chuàng)新

運用Web3D技術構建的虛擬實驗室系統(tǒng)創(chuàng)建有利于學生自主學習及其創(chuàng)新的開放式虛擬實踐教學環(huán)境，可創(chuàng)新實踐教學的方法和手段。教師根據(jù)不同專業(yè)和不同學科的特點，通過利用基于Web3D技術的虛擬實驗室，采用多種類型的實驗并舉，以學生自我訓練為主的新型的實踐教學方法及手段。對經(jīng)典實驗采用經(jīng)典的實驗技術、方法和手段，加深學生對理論教學內容和實驗設計者的原創(chuàng)思想的理解；對于綜合性、設計性及開放性實驗，采用先進的實驗技術、方法及手段，通過利用基于Web3D技術的虛擬實驗室為學生提供最新、最先進的虛擬實驗儀器和設備，使學生實驗條件及實驗水平達到先進的實驗條件和先進的實驗水平，加強對學生綜合素質和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。教師把高新實驗技術和最新科研成果應濃縮提煉轉化為實驗項目，通過基于Web3D技術的虛擬實驗室開放實驗項目內容，鼓勵學生積極參與學校設立的實驗室基金項目、各重點實驗室科研成果轉化的實驗項目等課外創(chuàng)新類實驗項目，鼓勵和吸引更多的學生參加省級、國家級創(chuàng)新性實驗大賽，引導學生進行創(chuàng)新研究性學習，著力培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力。學生通過網(wǎng)絡在線訪問虛擬實驗室，可自主選擇實驗項目，設計實驗方案，進行自主學習、實驗預習、實驗創(chuàng)作、網(wǎng)上實驗等，實現(xiàn)實踐教學方法和手段的創(chuàng)新。學生通過基于Web3D技術的虛擬實驗室可以虛擬學習過程中提出的各種假設模型，如在虛擬化學實驗中，學生可根據(jù)假設將不同的分子組合在一起虛擬出不同的物質，從而很有可能研究出新的物質。學生通過虛擬實驗室進行自主探索學習，可激發(fā)學生的創(chuàng)造思維，培養(yǎng)學生的科學探究能力。

四、結語

本文針對傳統(tǒng)實踐教學中存在的實驗教學資源短缺、實驗教學內容簡單、綜合設計性和創(chuàng)新性等實驗項目缺少、學生綜合應用知識能力差及創(chuàng)新能力缺乏等問題，結合社會對人才需求改變的新形勢，從培養(yǎng)大學生實踐能力和創(chuàng)新能力出發(fā)，提出了基于Web3D技術的大學創(chuàng)新實踐教學。通過利用基于Web3D技術的虛擬實驗室改革傳統(tǒng)的實踐教學模式，創(chuàng)建新型的實踐教學環(huán)境，實現(xiàn)實踐教學模式、實踐教學內容的創(chuàng)新及實踐教學方法和手段等的創(chuàng)新，從而實現(xiàn)大學創(chuàng)新實踐教學，培養(yǎng)綜合素質、實踐能力和創(chuàng)新能力強滿足社會需求的創(chuàng)新型人才。

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[5]梁宇濤.虛擬現(xiàn)實技術及其在實驗教學中的應用[J].實驗技術與管理,2006(3):81-85.