网上虚拟仿真实验在远程教育中的应用

黄宇坤

[摘 要]实验教学是现代远程中的一个重要教学环节，做好实验教学工作可以有效确保乃至提升整体教学质量。然而从当前的实验教学状况来看，由于其尚且难以适应远程教育的教学模式，因而已经成为制约远程教育教学质量提升的一个重要因素。该文在对虚拟仿真网络平台这一概念进行简要分析的基础上，又进一步分析了其优势、模块功能以及主要目标，以期更好地推动网上虚拟仿真实验在远程教育中的应用。

[关键词]虚拟仿真实验;远程教育;优势;模块功能;目标

[中图分类号] G642[文献标识码] A[文章编号] 1674-9324（2020）48-0-02[收稿日期] 2020-10-02

实践性教学环境对于现代远程教育而言有着十分重要的意义，作为理论教学的有益增补，其可以有效培养学习者分析与解决问题的能力，直接关乎培养目标的实现，而实验教学便是实践教学环节中的一大重要组成部分。从当前的远程教育实践性教学工作状况来看，其主要存在以下两方面问题：一是远程教育学习者难以单独到达学校实验室，独立完成实验;二是当前的实验教学与远程教育教学模式不相适应，因而已经成为制约后者教学质量的重要因素。由此看来，改革实践性教学环节的教学模式势在必行。接下来，实践性教学环节的首要研究方向便成了为远程教育学习者提供“个性化”“自主式”“交互式”且“实时的”的实验环境[1]，而利用计算机网络为学习者提供虚拟仿真实验环境即将成为现代远程教育技术应用的一大发展趋势，同时也将成为各大高等院校开展远程教育工作的一大目标。

一、虚拟仿真实验网络平台

虚拟技术能够为学习者提供一种可交互更迭的环境，学习者通过人机界面与该环境产生交互，即从个人精神感觉层面“进入”到该环境当中。而仿真则主要是指，从原来的真实系统中所提炼出的抽象模型既能够如实反映系统的静态结构和动态结构，同时也能够如实体现存在于原系统中的人机交互关系。整个的虚拟仿真实验网络平台是由以下几个部分组成：服务器、教师客户机、学生客户机，以及网络数据库。其中，服务器是教师客户机和学生客户机的中心，担负着为师生进行身份验证和传递信息的职责，而有如师生信息和各项实验信息等资料则存储在管理信息库当中。此外，教师客户机的主要任务是负责对学生信息和实验信息进行远程管理。

二、虚拟仿真实验网络平台的优势

（一）虚拟网络技术和计算机仿真技术的结合体

虚拟仿真实验网络平台充分结合了虚拟网络技术和计算机仿真技术这两种技术，主要表现出了如下三点具体优势：（1）能够真实反映实验者技能。从某种程度上来说，实验者在虚拟实验环境中进行各项实验操作，与其在真实的实验环境中完成各种实验任务并无不同，而且，虚拟现实外设的引入又进一步缩小了其二者间的差距。因此我们可以说，实验者在虚拟环境下所得出的实验结果即是其技能的真实反映。（2）测评结果信度极高。由于计算机程序是实验成绩的评定者，因此，对于每一个实验者而言，评分都是唯一的，信度极高。（3）实验技能测评周期短、成本低。由于实验技能测评是依托于计算机来进行的，因此组织十分方便，整个测评过程的周期将会大大缩短，总体成本也将大幅度降低。

（二）实验系统本身所具有的优势

除了前述几点，实验系统本身也具有极大优势，具体来说主要包括以下几点：（1）虚拟实验安全性高。实验者在真实的实验环境中做实验时有可能遭遇危险，比如在做化学实验时有可能遭遇爆炸，但在虚拟实验环境当中，由于实验者都是在虚拟的实验平台上进行操作，因此可以有效避免各种危险状况的发生。（2）虚拟实验避免了一次性物品消耗。在真实的实验操作过程中，如物理实验所需的感光材料等一次性消耗品是必须要使用的，而若在基于计算机仿真的虚拟实验平台上进行操作，则完全无须做这方面的投入。（3）虚拟实验省去了准备时间。实验者若想在真实的实验环境中进行实验操作，那么必须要在实验开始之前进行大量的准备工作，比如准备药品和实验仪器等，但做虚拟实验的话则完全不需要实验者花费大量时间去做这些准备工作。

三、虚拟仿真实验平台的模块及其功能

总体来说，虚拟仿真实验平台主要包括以下三大模块：教师模块、学生模块以及系统自动测评模块。这些模块相互独立，不仅有着不同的适用群体，且还有着不同的功能。

（一）教师模块

在获得系统管理员的授权后，教师即可进入系统管理和辅导学生进行实验。教师登录成功以后，系统会首先对教师的身份进行验证，教师在通过身份验证后即可进入到教师模块。该模块的功能主要包括：（1）修改密码和个人资料。教师可以在该模块当中修改自己的密码和个人资料。（2）学生注册。可以以班级为单位为学生进行注册，且也只有在籍学生有权进入虚拟仿真实验平台。（3）管理实验课程。该模块不仅可以增删实验课程、制订实验报告模板和实验结果标准数据，且还可以维护实验项目、管理实验演示文件和实验测试题等。（4）开设有留言板与讨论区。教师可以在此发布公告、与学生进行交流。（5）批改实验报告并公布学生成绩。（6）进行数据统计。教师可以在该模块当中进行相关数据（如每个实验的应完成实验学生数和已完成实验学生数等）统计。

（二）学生模块

在教师代为注册授权之后，学生才可以进入到系统当中参与实验。该模块的功能主要包括以下几个方面：（1）修改个人密码。（2）浏览设备使用说明，复习课本知识。（3）在线观看实验操作流程演示视频。（4）于实验前完成预习题测试，测评合格者可于其中下载实验报告模板。（5）查询个人成绩。（6）留言或参与讨论。

（三）系统自动测评模块

在学生进行实验的过程中，计算机可以为其记录包括个人实验过程、协同工作过程以及实验操作结果等在内的整个实验过程，并根据既有的评分规则和主体操作过程、操作结果给出一个客观评价。由于自动测评模块中的评分主要涉及实验者的操作结果和操作序列两部分内容，因此自动评分的算法也相应地包括以下两种：一是基于操作结果进行评分;二是基于操作序列进行评分[2]。前者比较简单，实质上就是对相关属性进行对比分析，现主要就后一种算法加以描述。

从理论上来说，操作序列自动评分算法的工作条件为答案操作序列和主体操作序列表示方法的确定，也即只要确定了这两种序列的方法，操作序列自动评分算法就能正常展开其工作。然而从实际角度来说，由于操作序列中动作的先后顺序并不影响其评分的正确性，因此要表示正确的操作序列便有了很大的难度。为解决这一问题，我们特意引入“时序约束网络”思想来表示答案操作序列，也即利用动作发生的时间和动作的信息这两部分数据来表示该序列，并以此为前提，采用“时间代入算法”进行自动评分。这一操作的基本思想如下：（1）检查正确答案中所要求的那些动作是否出现;（2）检查与动作有关的参数是否正确;（3）把动作的时间段代入到正确答案中的相应“时序约束网络”当中，如若二者相符，则说明操作无误。接下来，便可以开始构建基于操作序列的评分算法了：一是简化实验者的操作序列，也即归类并合并操作序列;二是检查实验者的操作序列中是否具备了正确答案中所规定的全部直接事件，并确定实验操作发生的时间是否与答案中的“时序约束网络”相符。

四、虚拟仿真实验教学平台的主要目标

概括而言，设计虚拟仿真实验教学平台的主要目标包括以下几点：（1）在不脱离课程教学大纲的前提下，参照传统实验教学流程尽可能地满足学习者的个性化学习需求;（2）以教学大纲为依据，设置和更新实验项目，设置和查询学生信息，依托于网络平台批改学生实验报告和反馈学生成绩，并管理平台公告和留言;（3）设置实验常用仪器设备功能简介和基于实物完成的演示实验;（4）判定学生是否具备参与实验的各项基本条件;（5）于实验结束后进行系统自动测评，并将成绩及时反馈给学生。

五、结语

综上所述，虚拟仿真实验教学课程的研发，的确大有利于远程教育的发展。值得一提的是，教师除了要以教学要求为据来精心设计课程结构，还应注重网络环境实际，选用适当的多媒體素材进行编辑、组织和压缩，充分利用声音和视频等载体来增强教学效果、增加学生在虚拟实验中的沉浸感。

参考文献

[1]李世收.网络实验室的设计与实现[J].郑州大学学报，2002（3）： 66-68.

[2]孙波.用户操作序列分析在Office技能测评中的应用[J].中国电化教育，2004（3）：42-47.