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民族类高校虚拟仿真实验建设与改革研究

2022-11-24孔德龙胡万欣

科技与创新 2022年21期
关键词:民族教学内容实验教学

孔德龙,胡万欣

(中南民族大学计算机科学学院,湖北武汉 430074)

中国是一个多民族聚居的国家,西部少数民族地区相比中东部地区普遍存在经济基础偏弱、人才匮乏的问题[1-2]。针对该问题,设置了为中西部少数民族地区培养高水平知识人才的民族类高校,其在中国高等教育体系中具有重要的位置。但由于民族类高校学生整体学习基础偏弱,加之教育资源相对有限、行业支持程度较低,整体实验教学效果受到了很大的影响。又由于新冠疫情的影响现有线上实验教学质量与方式过于单一,不能满足目前本科实验教学的要求与发展趋势。

虚拟现实技术是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统,它利用计算机生成一种模拟环境,使用户沉浸到该环境中[3-4]。通过将多源信息进行处理和融合,在计算机系统中仿真实验三维场景与物体实体行为,用户可在该场景中通过交互式行为实现主要操作并得到模拟真实环境的反馈。目前该技术在医疗、教育、航空、军事等领域得到了广泛的应用[5]。民族类高校如何利用虚拟现实技术,并根据自身特点开发与设计符合民族类高校学生实际情况的实验项目是一个急需解决的问题。

1 民族类高校实验建设现状

通过多年的发展民族类高校实验建设取得了长足的进步,在资金投入、设备更新方面与其他传统高校之间的差距在日益缩小。但由于民族类高校自身的特殊性,其实验建设仍然存在以下问题。

1.1 学生基础偏弱,教学效果差

设置民族类高校的目的是为中国少数民族地区培养高水平知识人才,因此民族类高校中少数民族学生比例较高。但由于大多数少数民族学生来自中西部欠发达地区,导致民族类高校学生整体学习基础偏弱。加之,以训练自学能力的本科学习方式与以训练应试能力的中学学习方式之间存在较大差异,导致大多数学生存在课堂教学“听不懂”,实验教学“不会做”问题。

1.2 实验设备昂贵,实验空间有限

随着本科实验教学水平的不断发展,对于本科实验教学中实验设备的质量与种类也有了更高的要求。但目前很多专业实验设备造价昂贵,且需要较大的实验空间来存放,出现了本科实验教学实验设备陈旧、发展缓慢的问题。

1.3 行业背景不足,内容更新慢

本科实验教学内容在讲解专业基础知识夯实学生基本知识的基础上,还需通过向学生介绍行业前沿从而拓宽学生的眼界、提高学生的专业敏感性。但民族类高校在大多数领域缺乏行业相关研究所、企业等机构的支持,从而导致实验教学中实验内容陈旧、更新速度慢,从而影响了实验教学的质量。

1.4 实验不能一直开放,使用效率低

本科实验教学以实验室实物教学为主,因此需要学生到专业实验室中进行实验。但由于实验室统一管理问题不能做到一直开放,导致实验教学资源闲置、使用效率低。

2 民族类高校虚拟仿真实验建设的意义与必要性

传统实验过程具有操作反馈性强、评价方式完善等优势,但同时也存在实验室建设投资较大,实验内容受场地、时间、安全等因素制约,实验的内容设置单一、效率低下等问题。加之,后疫情时代背景下对线上课程与实验教学的要求,急需对传统实验教学方式进行有效的补充和增强。随着虚拟现实技术的出现与快速发展,通过虚拟建模模拟实验场景,并利用沉浸式体验实现人机交互,从而达到实验教学的目的与内容,为传统实验课程的设计与实现提供了新的思路与方法。

利用虚拟现实技术进行实验设计具有以下优势:①相对投资少。由于完全摆脱了实验场地与设施的限制,初期投入较低,可以解决民族类高校教育资源较少的问题。②增强行业背景。通过与行业内相关企业进行合作,可以解决民族类高校中非民族类专业行业背景不突出的问题。③提高教学质量。通过线上实验开放,学生可以随时查看并完成实验,解决民族类高校学生基础薄弱,实验完成难度较大、时间较长的问题。④充实实验内容。虚拟仿真实验可以在传统实验基础上充实实验教学的内容,提高学生的学习热情,提高教学效果并促进教学资源的合理配置。⑤提高学生实践能力。通过在虚拟场景下的操作,改善目前线上实验教学只以观察为主的教学方式,提高学生的实践操作能力。

3 民族类高校虚拟仿真实验建设思路

虚拟仿真实验的建设思路是通过计算机软件来模拟真实硬件实验设备或系统的功能与操作方式,从而学习与探索实验中的科学道理。根据其实验目的与呈现方式,其实验内容主要分为2 类:一类实验为认识性实验,主要为通识课程或基础课程服务,教学内容主要为基本科学原理的认识与技能学习,呈现方式以认识性或体验性教学为主,通过观察与体验从而对基本知识进行掌握;另一类实验为探索性实验,主要为专业核心课程服务,教学内容强调科学原理的验证与探索,呈现方式以交互式操作为主,通过一定的操作对专业知识与实践技能进行学习,在此基础上利用实验内容的设置引导学生或教师开展科学研究。

虚拟仿真实验的总体建设思路为:①实验内容的选择应切实可行。实验内容的设置应充分满足“虚实结合、能实不虚”的基本原则,以基本教学需求为导向,同时充分考虑专业性质、系统软硬件条件与在线服务师资力量。②实验内容的设定应具有科学性。实验过程的设计应完全遵循基本科学规律,虚拟场景下物体或设备的交互反应需满足物理与化学原理,避免出现盲目追求实验效果而违背科学原理的问题。③实验过程的设计应突出交互性。实验教学的主要目的为在理论知识的基础上通过实验操作提升学生的实践能力,因此实验过程应设计相应的交互性操作并设置在线答疑模块,实验系统整体内容设置中以交互探索性实验内容为主,认识性实验为辅。④实验系统学时设置应合理。实验系统应以合理的学时设置实验场景与内容,将实验教学内容以合理的时间进行切割,避免出现线上实验时间过长而导致学生视觉疲劳、兴趣下降的问题。⑤实验系统的设计应向综合性发展。实验系统的建设应从单一性的理论知识设计向综合性实验平台发展,采取多个小实验进行系统性组合形成完整的知识体系,并通过多个知识点的交叉式设计与工程实际相结合,提高实验系统的真实度与可用性。⑥实验系统的设计应采用多种类型的混合式教学模式。虚拟仿真实验的目的是对传统实验内容的扩充并不是将其取代,因此实验系统的设计应采用线下、线上多种模式,并与传统实验进行一定的关联,从而提高虚拟仿真实验系统与传统实验的统一度。⑦实验系统的设计应具有完善的辅助模块。虚拟仿真实验主要采用线上方式实现,因此在远程登录与操作过程中,系统应提供完善的辅助功能,如操作提示、在线答疑、预习模块、评价系统等,从而提高虚拟仿真实验系统的可操作性。

4 虚拟仿真实验建设流程

虚拟仿真实验建设应充分遵循“能实不虚”的原则,以本科专业教学目的为出发点,其一般建设流程为:①前期调研。虚拟仿真实验在建设之初应充分参考行业优势,如高校或科研机构已有成功案例,总结其优缺点为实验项目服务。②教学内容规划。虚拟仿真实验在建设之前应以教学大纲要求为出发点,在充分考虑学生学习要求与基础、在线课程时长的因素的情况下,合理设计教学内容。③交互方式设计。虚拟仿真实验在确定教学内容后,应根据教学内容特点选择合理的呈现与交互方式,做到以交互为主、体验为辅的呈现效果。④辅助功能设计。虚拟仿真实验在完整的教学内容基础上,还应针对学生线上、线下学习要求设计足够的功能,如在线答疑、预习测试、在线评阅、综合评价等辅助功能。⑤内部测试与试运行。虚拟仿真实验系统在建设完成后,应邀请行业专家进行评估,并根据评估结果进行相应的完善。在内部测试结束后,还应在一段范围内进行试运行,测试系统承载能力并根据该能力制定合理的开放方式。⑥正式运行并定时更新。虚拟仿真实验系统正式运行后,可通过在线问卷、评价意见等方式收集用户使用反馈,并根据该信息定时进行修改更新。

5 虚拟仿真实验建设方法

5.1 立足专业本身,突出自身特点

虚拟仿真实验在建设工程中应立足学校定位与专业本身,通过对本专业理论体系的把握与学生基本情况,突出实验内容的特点与专业性。应基于“新工科”研究与实践的要求,制定虚拟仿真实验的建设规划,在深度挖掘单个知识点的基础上设计相符的实验过程与效果,完成对应实验的设计,并将多个实验进行整合,从而实现综合性实验平台的建设。并在此过程中,瞄准行业发展前沿,积极建设特色实验,实现科研与教学的联系与统一。在此基础上,民族类高校在虚拟仿真实验设置中应多设计基础知识预习与复习等模块,增大操作提示与在线答疑力度,并有针对性地延长实验时间,以解决学生学习基础薄弱的问题。

5.2 体现虚实结合,加强行业合作

虚拟仿真与传统实验应相互区分,针对各自的特点进行实验内容的设计,避免出现实验内容建设相互重复、交叉的问题。虚拟仿真实验内容的选择应主要针对传统实验因场地或安全原因无法实现的教学内容,而传统实验可以实现的教学内容可在虚拟仿真实验中体现,但不应作为主要内容进行建设。在虚拟仿真实验中可尝试实现虚拟设备与真实设备的互联互通,从而提高虚拟仿真实验的真实性与可用性。另外,虚拟仿真实验的建设是一项长期的过程,在此过程中应加强与行业企业或相关开发企业的联系,通过走与企业共同研发的道路,从而使虚拟仿真实验内容不断紧跟行业前沿的发展,并保证建设过程中的技术支持与可持续性,加强科研成果转化与教育教学之间的联系。而在此基础上,民族类高校可尝试通过积极与其他相关高校进行合作开发,有针对性地进行实验内容的提升从而解决行业支持度不够的问题。

5.3 完善评价标准,实现信息互动

虚拟仿真实验应具有完善的评价标准,可对学生的操作过程进行判断与评估,从而掌握学生的学生状况。在此基础上应设置相应的互通、评价途径,通过学生的操作状况与系统评价,对虚拟仿真实验系统进行不断的改进,以满足学生的操作需求达到预期的教学目的。民族类高校还应积极探索符合自身特点的模块,如多语言等实验辅助模块,并在虚拟仿真实验建设之初,应积极调研本领域中其他高校的成功建设经验。在建设完成之后,应与其他高校、企业相互沟通、组织建设研讨会确保资源和经验的信息共享。

6 结语

将虚拟仿真实验引入到民族类高校的实验建设体系中具有十分重要的意义,通过建设符合民族类高校自身特点的虚拟仿真实验能够弥补民族类高校实验教学过程中的不足,解决教学资源相对匮乏、学生基础差的问题。通过搭建三维虚拟仿真实验场景,使学生在该场景中进行认知与交互式操作,实现在传统实验中大量不能实现的教学内容与教学目的,是对传统实验教学有力的补充与提高,并对学生实践能力的提升具有一定的现实意义。

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