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基于虚拟现实技术 创建远程教育实践教学体系

2018-02-07 14:56 作者:卢俊杰、王琳 来源:在线学习 阅读:508
虚拟现实实践教学并不是一种工具或技术的简单应用,而是一种全新的实践教学模式。综合运用云技术、虚拟现实技术、分布式计算技术等构建远程教育实践教学体系,是推动实践教学改革、提高应用型人才培养质量、进一步促进远程教育蓬勃发展的有效途径。 

计算机网络技术、通信技术、多媒体技术的不断成熟与进步,推动了我国现代远程教育的快速发展。在现代远程教育发展过程中,尽管各高校为远程教育学生提供了大量、丰富的网络课程资源,但更多地局限于理论教学方面,实验教学匮乏无疑成为制约远程教育发展的关键环节之一。因此,积极探索虚拟现实技术在现代远程实践教学中的应用,对于完善远程教育功能、实现远程教育可持续健康发展具有重要的现实意义。


国内外虚拟实验教学的发展现状

上个世纪80年代初,美国VPL公司的创建人之一JaronLanire利用以计算机技术为核心的现代技术生成逼真的视觉、听觉、触觉一体化的特定范围的虚拟环境,创造了VR(Virtual Reality)虚拟现实概念。1998年,美国弗吉尼亚大学教授William Wolf提出合作实验室概念,并称作“无墙的研究中心”,其目的是开发一个分布式的计算机网络管理系统,让身处世界各地的科学家能相互分享仪器设备、数据、信息等资源,这也就是人们常说的虚拟实验室。随着计算机、网络等技术的快速发展,国外一些著名大学,如麻省理工学院、休斯敦学院、哈佛大学等,先后构建了微电子在线、虚拟物理、手术仿真等虚拟仿真实验室,为实验教学提供了全新的实验方式。

2013年,教育部在全国启动了国家级虚拟仿真实验教学中心建设工程,极大促进了信息技术与实验教学的深度融合,推动了实验教学内涵建设的提升和可持续发展。截止到2015年9月,全国155所普通高校已建设了200个国家级虚拟仿真实验教学中心。

虚拟实验教学不是现代远程教育的产物,但它必然是现代远程教育实践教学的重要组成部分。突破远程教育存在的时空限制,利用虚拟现实技术构建远程教育实践教学体系,为学习者提供交互式、沉浸式的实验环境,有效实计算机网络技术、通信技术、多媒体技术的不断成熟与进步,推动了我国现代远程教育的快速发展。在现代远程教育发展过程中,尽管各高校为远程教育学生提供了大量、丰富的网络课程资源,但更多地局限于理论教学方面,实验教学匮乏无疑成为制约远程教育发展的关键环节之一。因此,积极探索虚拟现实技术在现代远程实践教学中的应用,对于完善远程教育功能、实现远程教育可持续健康发展具有重要的现实意义。


国内外虚拟实验教学的发展现状

上个世纪80年代初,美国VPL公司的创建人之一JaronLanire利用以计算机技术为核心的现代技术生成逼真的视觉、听觉、触觉一体化的特定范围的虚拟环境,创造了VR(Virtual Reality)虚拟现实概念。1998年,美国弗吉尼亚大学教授William Wolf提出合作实验室概念,并称作“无墙的研究中心”,其目的是开发一个分布式的计算机网络管理系统,让身处世界各地的科学家能相互分享仪器设备、数据、信息等资源,这也就是人们常说的虚拟实验室。随着计算机、网络等技术的快速发展,国外一些著名大学,如麻省理工学院、休斯敦学院、哈佛大学等,先后构建了微电子在线、虚拟物理、手术仿真等虚拟仿真实验室,为实验教学提供了全新的实验方式。

2013年,教育部在全国启动了国家级虚拟仿真实验教学中心建设工程,极大促进了信息技术与实验教学的深度融合,推动了实验教学内涵建设的提升和可持续发展。截止到2015年9月,全国155所普通高校已建设了200个国家级虚拟仿真实验教学中心。

虚拟实验教学不是现代远程教育的产物,但它必然是现代远程教育实践教学的重要组成部分。突破远程教育存在的时空限制,利用虚拟现实技术构建远程教育实践教学体系,为学习者提供交互式、沉浸式的实验环境,有效实施虚拟实验教学是现代远程教育进一步发展的基本保证。


远程教育实践教学体系的构成

远程实践教学体系是由实践教学中各个相互联系的要素组成的有机整体,主要包括目标体系、内容体系、管理体系、评价体系。四个体系相互联系,紧密结合。如图1所示。


目标体系。由根据各学科专业的特点和社会实际需求制定的人才培养目标、实践教学目标等组成,是人才培养方案的重要组成部分,用于指导实践教学的开展和实施。


内容体系。即运用多媒体技术、计算机技术和多种传感技术等建设的以虚拟仿真实验为主的形式多样、涵盖实践教学各个环节需要的教学资源。内容体系是实践教学体系的核心部分,学习者可以根据学习要求、学习进度自主选择实践内容,满足学习者个性化的需求,实现实践教学的开放性与人性化,提升远程教育学生的认知度与获得感。

管理体系。依托实践教学平台实现教学管理、过程管理等,提升实践教学管理水平和效率。

评价体系。包括实践教学质量评价、实践教学管理评价、实践指导评价、实践结果评价等。充分运用云计算、数据挖掘、智能算法等现代信息技术将评价形式和评价内容相结合、教师评价与自我评价相结合、过程评价与结果评价相结合,建立科学的实践教学评价体系,全视角、多维度、全方位地评价实践教学效果,综合考查远程教育学生的实践能力。


远程教育实践教学体系的实现途径

远程教育实践教学平台是构建远程教育实践教学体系的基础,它不是部分学科专业仿真实验的简单集成,而是利用云技术、虚拟仿真技术、网络技术等构建的线上与线下相结合、理论与实践相结合、虚拟与现实相结合的实践教学体系的集合。其基本架构如图2所示。

远程教育实践教学平台架构从下至上由基础层、平台层、应用层、访问层组成。由计算资源、存储资源、网络资源等构成的基础层,是整个平台架构的硬件基础;依托基础层构建实践教学平台,包括统一身份认证、访问控制、安全管理等功能,实现实践教学平台的集中管理;应用层搭建实践教学管理、课程资源管理、虚拟仿真实验、虚拟现实实践四个模块,四个模块构建起一个完整的实践教学系统;访问层实现管理服务与学习支持服务,形成了教学目标管理、内容管理、过程管理、评价管理和共享管理相结合的教学管理机制,学习者可以进行在线学习、虚拟实验、在线答疑互动、在线作业等学习活动,同时通过对教学资源的使用情况、教学数据等的统计和分析,为管理者及教师提供制定实践教学策略依据。

在实践教学平台架构中,虚拟仿真实践教学主要包括虚拟仿真教学与虚拟现实实践教学:

1.虚拟仿真教学。即运用3D技术、计算机技术等构建虚拟仿真教学模块。该模块主要由三维仿真实验、系统仿真、增强现实实验资源组成。三维仿真效果逼真,适用于机械、材料、经管等学科。系统仿真可建立复杂的算法和模型,适用于电子、通信等学科。增强现实技术可以实现通过手机等智能终端在虚拟现实场景中进行互动学习,具有实时交互、突破时空限制等特征。

2.虚拟现实实践教学。由于虚拟现实技术对网络带宽要求较高,在广域网范围内交互使用的难度比较大,需要根据实际需求在全国进行分布式部署,依托实践教学平台搭建虚拟现实实践模块。VR实验交互性比较强,适用于采矿、医学等对沉浸感要求比较高的学科,穿戴设备的操作者可以亲手操作,观看者可以通过显示器旁观实验操作,可以互相交流学习,在观察与讨论中总结实践经验。


构建远程教育实践教学体系的价值

以人为本,提升学习体验。虚拟仿真实践教学体系的构建,体现了以学习者为中心的理念。远程教育学生绝大部分为在职人员,闲暇时间较少,而虚拟实验不受时间、空间的限制,学生可以根据自己的情况安排实验时间,同时,远程教育学生还可以通过平台查看老师的反馈意见和提问,及时解决在实验过程中遇到的问题。

学以致用,提高人才质量。虚实结合的实践教学模式有利于学生理解、掌握理论知识,提高远程教育学生的实践操作和自主创新能力,提升人才培养质量。基于云计算的实践教学平台不仅解决了远程教育学生因为地域、时间等因素限制无法参加实践教学的问题,还使跨专业的实践教学成为可能,有利于远程教育学生成长为复合型应用人才。

高效管理,降低教学成本。传统实践教学方式需要投入场地资源和大量的设备,尤其是大型的、综合性的实践课程,能耗高,成本高。而在虚拟实验中,学生可以反复地进行操作,节省了大量人力、物力,用较低的成本获得较好的教学效果。传统实践教学的实验报告需教师人工批阅,工作量繁重。基于云平台的虚拟仿真实践教学大部分实验结果自动生成,无需教师参与,教师只需要网上答疑,节省了大量的人力资源,降低了教学成本。

开放共享,推进实践教学改革。传统的实践教学资源受地域限制,无法覆盖全国,利用云服务机制,可以实现优质实践教学资源在学校与学校之间、学校与社会之间的开放共享,推动实践教学改革和发展。


结语

虚拟现实实践教学并不是一种工具或技术的简单应用,而是一种全新的实践教学模式。综合运用云技术、虚拟现实技术、分布式计算技术等新技术构建远程教育实践教学体系,不仅可以提升学习者的学习体验,解决远程教育实践教学的难题,更是推动实践教学改革、提高应用型人才培养质量、进一步促进远程教育蓬勃发展的有效途径。

(卢俊杰,东北大学继续教育学院院长;王琳,东北大学继续教育学院实验师。)

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