孫 雷
(江蘇開放大學(xué),江蘇 南京 210036)
關(guān)鍵字:遠(yuǎn)程開放;虛擬實(shí)驗(yàn);建設(shè)路徑;模式
遠(yuǎn)程開放教育是以現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育方式,實(shí)現(xiàn)終身教育的一種新型人才培養(yǎng)模式,隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、多媒體技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育的快速發(fā)展,為社會(huì)培養(yǎng)了大量的應(yīng)用型人才。
實(shí)驗(yàn)教學(xué)是遠(yuǎn)程開放教育中不可缺少的環(huán)節(jié),尤其是理工科教學(xué)中,實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)對(duì)于學(xué)生加深理論知識(shí)的理解、培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力起到十分重要的作用,對(duì)于整個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)具有重要的支撐地位,由于遠(yuǎn)程開放教育師生分離,學(xué)生不能到直接到學(xué)校做實(shí)驗(yàn),校外實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所由于儀器等因素,也很難滿足學(xué)生做實(shí)驗(yàn)的需要,實(shí)踐性環(huán)節(jié)的教學(xué)已成為遠(yuǎn)程開放教育的薄弱環(huán)節(jié),實(shí)踐性環(huán)節(jié)的教學(xué)也是遠(yuǎn)程開放教育的重點(diǎn)和難點(diǎn)。
目前大多數(shù)遠(yuǎn)程開放教育學(xué)校采用網(wǎng)絡(luò)課件來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的演示,但這大都停留在理論知識(shí)的演示,并沒有具體到實(shí)踐性環(huán)節(jié)的教學(xué)。
虛擬實(shí)驗(yàn)的出現(xiàn),特別是虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)與Internet結(jié)合,為遠(yuǎn)程開放教育實(shí)踐性教學(xué)提供一個(gè)全新的方案,虛擬實(shí)驗(yàn)是應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)、虛擬儀器技術(shù)等技術(shù)仿真現(xiàn)實(shí)世界中真實(shí)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。構(gòu)建基于web虛擬實(shí)驗(yàn)室,使得遠(yuǎn)程開放教育的學(xué)員不受時(shí)空的限制,通過瀏覽器在自己的計(jì)算機(jī)上做虛擬實(shí)驗(yàn),這樣的虛擬實(shí)驗(yàn)構(gòu)成開放教育實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng),用于遠(yuǎn)程開放教育的實(shí)驗(yàn)教學(xué),具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
圖1 江蘇開放大學(xué)電子信息專業(yè)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)
遠(yuǎn)程開放教育虛擬實(shí)驗(yàn)室包括遠(yuǎn)程教育虛擬實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)和管理平臺(tái)兩個(gè)方面,其中虛擬實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)主要功能是學(xué)生利用該平臺(tái)進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)的操作,管理平臺(tái)的主要功能是教學(xué)管理,即學(xué)生通過管理平臺(tái)進(jìn)行身份的驗(yàn)證、提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告,教師通過管理平臺(tái)管理實(shí)驗(yàn)和批改實(shí)驗(yàn),教學(xué)管理人員利用管理平臺(tái)對(duì)人員權(quán)限、開設(shè)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行管理,如圖1是江蘇開放大學(xué)電子類專業(yè)虛擬實(shí)驗(yàn)室,通過虛擬實(shí)驗(yàn)室將學(xué)生做、教師教、管理人員管融為一體。
以江蘇開放大學(xué)電子類專業(yè)為例,高等學(xué)校電子類專業(yè)的專業(yè)特點(diǎn)之一是實(shí)踐性強(qiáng)、實(shí)驗(yàn)要求高,而將虛擬實(shí)驗(yàn)引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,構(gòu)建電子類專業(yè)虛擬實(shí)驗(yàn)體系對(duì)于遠(yuǎn)程開放教育實(shí)踐性教學(xué)的開展顯然具有重大意義,以江蘇開放大學(xué)目前電子類虛擬實(shí)驗(yàn)是利用電路仿真軟件、虛擬儀器技術(shù)、多媒體技術(shù)來構(gòu)建電子類專業(yè)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái),主要包括傳感器虛擬實(shí)驗(yàn)、電工電子技術(shù)虛擬實(shí)驗(yàn)、電子產(chǎn)品生產(chǎn)工藝和虛擬儀器虛擬實(shí)驗(yàn)。
以江蘇開放大學(xué)電子類專業(yè)為例,目前江蘇開放大學(xué)電子類專業(yè)虛擬實(shí)驗(yàn)室分為軟件仿真實(shí)驗(yàn)室和虛擬儀器實(shí)驗(yàn)室兩種類型,軟件仿真實(shí)驗(yàn)主要由文字教材、實(shí)驗(yàn)視頻、仿真實(shí)驗(yàn)組成,具有操作簡單、使用方便的特點(diǎn),但是缺少實(shí)際的硬件操作,虛擬儀器是用軟件實(shí)現(xiàn)虛擬控制面板的一種計(jì)算機(jī)儀器系統(tǒng),實(shí)質(zhì)上是利用硬件系統(tǒng)完成信號(hào)的采集,虛擬儀器的虛擬實(shí)驗(yàn)室包括虛擬儀表系統(tǒng)和虛擬測(cè)控系統(tǒng),目前虛擬儀器的軟件通常是Labview等軟件,在模擬電子應(yīng)用方面,可構(gòu)造虛擬多功能信號(hào)發(fā)生器、單通道示波器;在數(shù)字電子應(yīng)用方面,可構(gòu)造編碼器、RS觸發(fā)器等;在控制系統(tǒng)方面有RLC電路傳遞函數(shù)模型等;在數(shù)字信號(hào)處理應(yīng)用方面,有實(shí)時(shí)諧波分析儀、小波變換檢測(cè)回波等。
遠(yuǎn)程開放教育虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的總體結(jié)構(gòu)如圖2,由用戶、web服務(wù)器、labview服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器組成,web服務(wù)器是用戶訪問的服務(wù)器,也就是用戶通過web服務(wù)器做虛擬實(shí)驗(yàn),labview服務(wù)器是安裝labview軟件和虛擬儀器的服務(wù)器,用戶通過web服務(wù)器將相關(guān)實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)提交到labview服務(wù)器,通過labview處理、運(yùn)算得到相應(yīng)的結(jié)果,用戶可以及時(shí)得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)庫服務(wù)器存放用戶信息、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),labview虛擬儀器可以調(diào)用數(shù)據(jù)庫服務(wù)器的數(shù)據(jù),從而保證實(shí)驗(yàn)得以順利實(shí)施。
圖2 遠(yuǎn)程開放教育虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)總體結(jié)構(gòu)
遠(yuǎn)程開放教育仿真虛擬實(shí)驗(yàn)主要是利用軟件來模擬實(shí)驗(yàn)的全過程,因此也稱之為仿真虛擬實(shí)驗(yàn)室,該類虛擬實(shí)驗(yàn)可以通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行發(fā)布,內(nèi)容都集中在服務(wù)器上,用戶無需安裝軟件,仿真虛擬實(shí)驗(yàn)室大都采用flash開發(fā),可以逼真的模擬出學(xué)習(xí)者進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作的整個(gè)過程,該類型的虛擬實(shí)驗(yàn)有虛擬教學(xué)、交互操作、練習(xí)測(cè)試等功能,下面以江蘇開放大學(xué)“傳感器技術(shù)仿真實(shí)驗(yàn)——光電傳感器測(cè)速實(shí)驗(yàn)”為例來說明遠(yuǎn)程開放教育電子類軟件仿真實(shí)驗(yàn):
(1)實(shí)驗(yàn)原理
“傳感器技術(shù)仿真實(shí)驗(yàn)——光電傳感器測(cè)速實(shí)驗(yàn)”首先進(jìn)行實(shí)驗(yàn)原理的說明,實(shí)驗(yàn)原理包括:a實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)?zāi)康牡母攀?;b實(shí)驗(yàn)步驟的提升。
(2)連接設(shè)備
交互性是衡量虛擬實(shí)驗(yàn)課件質(zhì)量的一個(gè)重要的指標(biāo),“傳感器技術(shù)仿真實(shí)驗(yàn)——光電傳感器測(cè)速實(shí)驗(yàn)”,采用連接設(shè)備來進(jìn)行交互,連接設(shè)備操作有實(shí)驗(yàn)步驟提示和操作提示,用戶根據(jù)操作提示進(jìn)行操作,使用鼠標(biāo)像實(shí)際做實(shí)驗(yàn)一樣自行選擇實(shí)驗(yàn)儀器,實(shí)現(xiàn)交互性。
(3)原理實(shí)驗(yàn)
“傳感器技術(shù)仿真實(shí)驗(yàn)——光電傳感器測(cè)速實(shí)驗(yàn)”采用了“將電源電壓從2V調(diào)到15V馬達(dá)轉(zhuǎn)速由低到高,記錄下馬達(dá)電壓與頻率的讀數(shù)”,其原理圖采用動(dòng)畫的方式計(jì)算出初始狀態(tài)和增加電壓狀態(tài)下的數(shù)據(jù)。
(4)數(shù)據(jù)分析
“數(shù)據(jù)分析”描述電機(jī)轉(zhuǎn)速與馬達(dá)之間的關(guān)系,并用圖表表示,通過數(shù)據(jù)分析得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。
以遠(yuǎn)程開放教育電子類實(shí)驗(yàn)為例,電子類實(shí)驗(yàn)往往需要大量的儀器設(shè)備,虛擬儀器的出現(xiàn),使得利用基于虛擬儀器搭建該專業(yè)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)成為可能,基于虛擬儀器的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)具有功能容易增強(qiáng)和擴(kuò)展、實(shí)驗(yàn)過程準(zhǔn)確、直觀等特點(diǎn)。
遠(yuǎn)程開放教育基于虛擬儀器的電子實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的硬件部分主要由PC機(jī)、數(shù)據(jù)采集卡、電路實(shí)驗(yàn)裝置組成,電路實(shí)驗(yàn)裝置是指實(shí)驗(yàn)所指的硬件電路,可以搭建多種功能的實(shí)驗(yàn)電路,數(shù)字采集卡一般通過PCI插槽或者USB口與PC機(jī)相連,位于PC機(jī)中的軟件部分可以使用各種虛擬儀器的開發(fā),其中以Labview最為常用。
以江蘇開放大學(xué)構(gòu)造電壓的采集虛擬實(shí)驗(yàn)為例進(jìn)行說明,本實(shí)驗(yàn)用來監(jiān)控服務(wù)器端的電壓信號(hào),當(dāng)服務(wù)器端的電壓信號(hào)大于特定值時(shí),服務(wù)器端的燈就會(huì)閃亮,本實(shí)驗(yàn)采用虛擬示波器進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,用戶只需要在客戶端測(cè)得的數(shù)據(jù)上傳保存,點(diǎn)顯示,就可以把自己測(cè)得數(shù)據(jù)在labview虛擬示波器中顯示出來,其中數(shù)據(jù)是通過波形的振幅來表示,該實(shí)驗(yàn)對(duì)于實(shí)際生活中對(duì)電壓靈敏度要求較高的企業(yè)有著較強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義,對(duì)于遠(yuǎn)程開放教育實(shí)驗(yàn)的開展提高學(xué)生動(dòng)手能力有著很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。
(1)遠(yuǎn)程開放教育電子類虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)原則
遠(yuǎn)程開放教育虛擬實(shí)驗(yàn)應(yīng)遵循以下原則:a開放性,在確定課程教學(xué)計(jì)劃以后,編寫出實(shí)驗(yàn)教學(xué)計(jì)劃,設(shè)計(jì)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)的策略;b交互性,遠(yuǎn)程開放的學(xué)生通過虛擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作,教師通過后臺(tái)對(duì)學(xué)生的操作進(jìn)行同步指導(dǎo),對(duì)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)進(jìn)行反饋;c有教學(xué)評(píng)價(jià),通過實(shí)驗(yàn)報(bào)告、數(shù)據(jù)分析等手段對(duì)其實(shí)驗(yàn)操作進(jìn)行評(píng)價(jià)。
(2)虛擬實(shí)驗(yàn)在遠(yuǎn)程開放教育中的教學(xué)過程
遠(yuǎn)程開放教育電子類專業(yè)虛擬實(shí)驗(yàn)分為軟件仿真實(shí)驗(yàn)和虛擬儀器實(shí)驗(yàn),軟件仿真實(shí)驗(yàn)主要有實(shí)驗(yàn)要求、仿真連線等,虛擬儀器實(shí)驗(yàn)主要是將虛擬儀器應(yīng)用到傳感器實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,將傳感器實(shí)驗(yàn)儀與計(jì)算機(jī)結(jié)合起來,在實(shí)驗(yàn)儀上連接電路,在計(jì)算機(jī)上顯示出來。虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程是首先進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn),教師提出實(shí)驗(yàn)要求和實(shí)驗(yàn)?zāi)康?,學(xué)生學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)幫助和實(shí)驗(yàn)指導(dǎo),再進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn),學(xué)生通過仿真實(shí)驗(yàn)了解了實(shí)驗(yàn)的操作和儀器的使用,在完成了仿真實(shí)驗(yàn)以后,再進(jìn)行虛擬儀器的操作,操作完以后,學(xué)生寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告并提交,老師修改實(shí)驗(yàn)報(bào)告并將結(jié)果反饋給學(xué)生,這種實(shí)驗(yàn)的教學(xué)模式更有利于學(xué)生的動(dòng)手能力的提高和實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)的開展。
實(shí)驗(yàn)教學(xué)一直是遠(yuǎn)程開放教育的難點(diǎn),本文圍繞遠(yuǎn)程開放教育虛擬實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)的特點(diǎn),以江蘇開放大學(xué)“電子信息”專業(yè)為實(shí)例,對(duì)該專業(yè)實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目進(jìn)行梳理,探索構(gòu)建遠(yuǎn)程開放教育電子信息專業(yè)虛擬實(shí)驗(yàn)的路徑,提出了構(gòu)建遠(yuǎn)程開放教育虛擬實(shí)驗(yàn)的模式,即采用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)和虛擬儀器實(shí)驗(yàn)的混合模式,兩種模式相輔相成綜合使用,構(gòu)建出完整的遠(yuǎn)程開放教育虛擬實(shí)驗(yàn)室,在此基礎(chǔ)上利用虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在遠(yuǎn)程開放教育中開展實(shí)驗(yàn)教學(xué),對(duì)于遠(yuǎn)程開放教育實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)的實(shí)施具有很強(qiáng)的推廣價(jià)值。