基于校园网的虚拟实验教学体系的研究与构建

刘彤彦（青岛大学软件技术学院,山东 青岛 266000）

基于校园网的虚拟实验教学体系的研究与构建

刘彤彦
（青岛大学软件技术学院,山东 青岛 266000）

摘 要：实践教学，一直都是高等教育中非常重要的一部分教学环节。近几年来，随着高校的不断扩招，学生人数不断上升，传统的实验教学在人力、物力等各方面都不能满足新形势下的实践教学要求。本文提出了基于校园网的虚拟实验教学体系的基本构架。从教务管理者、学生、教师三种实践教学参与者身份出发，论述了基于校园网的虚拟实验教学体系的设计与构建。

关键词：虚拟实验;校园网;教学体系

1　引言

实验，是科学研究的基本方法之一，是来自实际的经验。是验证和探索各学科理论的重要手段。因此，实验教学环节历来是各大高校尤其是理工类院校学科教育的非常重要的一部分。近几年来，高校扩招给实验教学带来了巨大的压力，传统的实验教学已经不能满足新形势下的实践教学要求，传统实践教学面临各种各样的问题。

1.1 实验室建设费用昂贵

传统的实验教学要求配备实验设备，费用昂贵，而且后期维护也需要较大的费用。并且在开展实验过程中受时间、地点、人力、物力、财力等各种因素限制。

1.2 指导教师精力有限

有限的教师资源，在有限的时间内细致的指导大批的学生相对来说比较困难，因此会影响教学目标的完成。另外，开展设计性和探究性实验更为困难。

1.3 实践创新的培养目标难以落实

实验教学的一个重要的目标是培养学生的动手能力、设计能力和创新能力。但是目前由于传统实验教学的局限性，一些实验操作训练不足，实践创新能力难以提升。

2　虚拟实验室简介

1999 年美国爱荷华州立大学举行的虚拟实验室专家会议上给出了虚拟实验室的定义，会议提出虚拟实验室是为研究和创新活动提供远程协作和实验的一个电子平台[1]。像在真实的环境中一样，实验者可以完成各种预定的实验项目，所取得的学习或训练效果等值于甚至优于在真实环境中所取得的效果。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[2]。

在线虚拟实验室提出的初衷是为了教学研究，它是指以 Internet为核心，将虚拟仪器通过网络连接，实现远程操作，提供各种虚拟实验设备和实验环境。研究人员或学生将时空自由的随时随地的与同行协作，共享仪器设备、数据资源和计算机资源，实现远程控制，从而提高了工作效率，降低了开发成本[2]。

3　基于校园网的虚拟实验教学体系构建

3.1 虚拟实验室基本构架

基于校园网的虚拟实验教学体系有三种用户身份，分别是教务管理员用户，主要负责学生管理、实验课程管理等教务管理；指导教师主要负责具体实验模块管理，实验指导，实验评价等工作；学生用户可以在线上进行虚拟实验练习。如图1所示。

3.2 教务管理模块设计与构建

教务管理主要针对系统用户账号权限、班级分组、实验分组、实验课程以等等进行管理另外还需要定期进行系统维护。

3.2.1 系统用户管理

教务管理员依照学校教务部门提供的学生、教师信息，对进入系统的用户账号，包括学生、教师，进行账号添加、修改或删除的管理。添加新用户之后，教务管理员可通过实验用户信息列表查看用户的状态，还可对添加的用户账号进行查看、审核和修改。

3.2.2 实验课程管理

教务管理员还负责对实验教学的实验课程进行管理，可以在实验教学系统中进行实验课程添加、修改或删除。

3.3 学生虚拟实验模块设计与构建

学生虚拟实验模块主要包括查看实验任务，根据实验教学目标要求选择实验内容。实验完成后，学生需要填写实验报告，并在线提交。另外教师在提交了实验评语和成绩后，学生可以查看成绩和评语。

3.3.1 查看实验任务

学生在进入到虚拟实验教学系统后，首先选择相应的实验课程，明确教师布置的实验任务，实验任务包括必做实验和选作实验。目的是让学生掌握实验教学目标要求的实验项目同时还可以进行拓展实验项目的研究，以此激发学生的创新能力。

3.3.2 自主实验

在选定实验任务之后，依据实验目的和实验要求，进行实验操作。实验过程中，碰到问题和困难，可在线上同指导老师联系，获取帮助。同在完成了必选实验之后，学生也可以利用所学的知识，充分发挥创新思维，自己设计实验科目。

3.3.3 在线提交实验报告

完成洗选实验任务之后，学生可以保存实验结果，填写实验报告，并在线提交。

3.3.4 查看实验成绩和评语

学生登录虚拟实验教学体系后，如果有已经完成的实验并且教师已经发布了成绩和评语的，学生可以查看该次实验的成绩和教师评语。

3.4 教师模块设计与构建

教师用户通过身份验证进入到虚拟实验教学体系后，可创建实验、安排实验、查看实验报告、提交实验成绩等实验教学管理。

3.4.1 典型实验库管理

教师根据实验教学大纲和要求，可以创建新的实验内容，可从已有的实验库中调用符合大纲要求的实验并发布。

3.4.2 安排实验

教师按照实验教学大纲确定当前实验名称和内容，即可对参与实验教学的学生分配实验任务。

3.4.3 批改实验结果和报告

学生提交实验报告之后，教师在系统中查看学生实验报告并给出评语，批改完成后提交实验成绩和评语。

3.4.4 统计和发布实验成绩

教师在系统中批改完学生提交的实验报告之后，可以以班级为单位对实验成绩进行统计并提交教务部门存档。

4　结语

随着信息技术的不断强大，基于校园网的虚拟实验室将成为一种新的实验教学模式。教师将所教学大纲要求的实验放入到虚拟实验教学体系中，学生只需利用网络浏览器，就可以登录到远程实验室的网络服务器上，进行实验。这种新型的实验教学模式突破了传统教学中“场所、时间”的局限性，只要能接入校园网，就能在学校的任何的地方，任何时间进行实验。为广大的教育用户提供了一种方便、快捷、经济的资源共享方式，人们可以共享实验数据和实验仪器，还能接受名师的指导。当然值得一提的是，这种基于校园网的虚拟实验教学体系并不能完全取代传统的实验教学。将二者科学合理的结合起来，能够最大程度的完成教学实验目标，培养出更多更好的创新实践人才。

参考文献：

[1]Ko C C，Chen B M,Chen S H，Ramakrishnan V Chen R,Hu S Y,Zhuang Y. Alarge-scale Web-based virtual oscilloscope laboratory experiment．Engineering,Science and Education Journal,2000,09(02):69-76.

[2]白洁婷.基于Web的在线虚拟实验室的研究[D].华中科技大学硕士论文,2009.

[3]张玉茹,杨镜.虚拟现实技术在实验教学中的应用[J].软件导刊, 2013(02).

[4]刘惠临.基于校园网的虚拟实验室的建立安徽理工大学学报(自然科学版)[N].2006(06).

项目：本文为青岛大学创新型教学实验室研究项目《交互式虚拟实验室的设计及实例开发研究》资助。