虚拟仿真实验教学项目建设探索

发布时间:2018-03-13 23:07 点击数:

为提高信息化背景下高等学校实验教学质量和实践育人水平,教育部从2017年起开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设工作,推动高校积极探索线上线下教学相结合的个性化、智能化、泛在化实验教学新模式,形成专业布局合理、教学效果优良、开放共享有效的高等教育信息化实验教学项目示范新体系。
虚拟仿真实验教学项目是国家级虚拟仿真实验教学中心的重要建设内容。华中师范大学全面推进信息技术与实验教学的紧密融合,以“互联网+实验室”理念为引导,重点加强虚拟仿真实验教学项目建设,着力构建智慧、融合、开放的虚拟仿真实验教学体系。
一、高校虚拟仿真实验教学项目建设现状
1、高校虚拟仿真实验教学项目发展历程
20世纪90年代后期,随着多媒体、数据库、网络以及虚拟现实等技术在教育领域的应用,国内部分高校相继开展了仿真技术和基于网络的虚拟实验及教学应用的研究。
2008年—2010年,教育部组织开展了“虚拟实验教学环境关键技术研究与应用示范”课题研究。
2013年,教育部印发了«关于开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知»。在虚拟仿真实验教学中心遴选指标体系中,虚拟仿真实验教学资源作为一级指标占了60%的权重,是虚拟仿真实验教学中心建设的核心内容。高校在虚拟仿真实验教学中心建设中强调虚拟仿真实验教学项目建设,构建了区域开放共享机制和政策环境。
例如江苏省教育厅在2016年开展了省级实验教学示范中心(共享平台)和省级在线开放虚拟仿真实验教学项目建设工作,按专业门类建设共享平台和虚拟仿真项目,实现实验教学资源管理与信息支撑服务的科学化与系统化,满足多专业、多学校和多地区共同开展虚拟仿真实验教学的需要。很多高校采用引进、购置资源和校企合作开发相结合的建设方式,逐步建成了各具特色的虚拟仿真实验教学体系和实验教学项目库。
2、虚拟仿真实验教学项目建设中的问题和困难
国家级虚拟仿真实验教学中心建设4年来,优质虚拟仿真实验教学项目的建设在快速发展,但也面临着一些亟待解决和深入探索的问题。
(1)原创性不够。在国家级虚拟仿真实验教学中心,虚拟仿真实验教学项目的数量快速增长,但很多项目来源于市场购买,而学校自行研发的、具有自主知识产权的虚拟仿真实验教学项目相对较少。
(2)有些项目质量不高。在虚拟仿真实验教学中心的建设中,力求虚拟仿真实验教学体系的完整,但不可避免地导致部分资源的重复建设,其中也不乏质量不高、应用低效的项目。
(3)缺乏标准。虚拟仿真实验教学项目建设尚无统一的技术标准和规范,因而资源的兼容性不强,二次开发难度较大,管理平台的系统架构、数据库支持、功能模块、运转流程等各不相同,相互对接存在障碍。
(4)开放共享不足。由于共享机制不健全、管理平台对接存在障碍、知识产权归属不明晰等原因,相当一部分虚拟仿真实验教学项目的共享范围仅限于校内,未形成畅通的共享渠道。
二、以“VIRTUAL”模式推进虚拟仿真实验教学项目建设
华中师范大学是教育部信息化试点高校,拥有教育大数据应用技术国家工程实验室和国家数字化学习工程技术研究中心。学校坚持国际化和信息化发展战略,从2012年开始全面推行信息化与教育教学深度融合,取得了较好的成效。在推进虚拟仿真实验教学改革、建设虚拟仿真实验教学项目的过程中,不断创新思维、积极探索、总结经验,以有效选题、自主研发、运行平台、技术支撑、开放应用、评估体系和政策引导为核心要素,构建了颇具成效的虚拟仿真实验教学项目建设模式。
1、以学生为中心,注重选题的合理性和有效性
学校全面推行“以学生为中心,以学为主、问题导向、任务驱动”的研究型教学方式,在虚拟仿真实验教学项目建设的立项和选题上坚持4项原则:
(1)以学生为本,从人才培养的需求出发,调动学生的学习积极性和主动性,增强学生创新创造意识,注重知识传授、能力培养、素质提高的协同实施;
(2)具有良好的可行性,要求设计方案科学、知识体系完整、技术方案先进、开发流程可控、运行环境兼容;
(3)具有充分的必要性,围绕学科前沿或者社会急需,重点支持涉及高危或极端环境、不可及或不可逆的操作,高成本、高消耗、大型或综合训练等实验内容;
(4)强调虚实结合,将虚拟仿真实验项目与真实实验课程有机融合,在教学计划、教学安排、实验设备与场地、实验教学师资等方面构建完整的虚实结合的实验教学体系。
2、依托优势学科,自主研发虚拟仿真教学资源
依托国家数字化学习工程技术研究中心,积极进行虚拟仿真实验教学资源的自主研发。各级实验教学中心结合学科优势和专业特点,积极推进虚拟仿真实验教学改革,在注重基础性实验项目虚拟化建设的同时,把高水平的科研成果转化为实验教学内容,将成熟的科研技术和方法引入实验教学过程,提高了虚拟仿真实验教学资源的水平。
华中师范大学是教育部直属的重点师范大学,在虚拟仿真实验教学资源建设上突出教师教育优势和特色。
例如“基于ZGSpace的地理教育虚拟仿真实验教学项目”应用本校国家数字化学习工程技术研究中心最前沿的虚拟现实技术研究成果,开发了一系列基于ZGSpace的地理师范专业虚拟仿真实验教学项目。地理师范专业的学生利用该实验教学项目开展信息化环境下的教学技能训练,使教学能力和信息素养同步提升。
又例如心理与行为国家级虚拟仿真实验教学中心依托青少年网络心理与行为教育部重点实验室、湖北省人的发展与心理健康重点实验室等科研平台的研究成果,将虚拟社会心理与行为系统和基于传统实验之上的行为观察系统的实验数据采集模块结合起来。通过虚拟现实技术,利用虚拟社会心理与行为系统向被试呈现虚拟化的社会心理学场景,探讨人在虚拟社会情境中的心理和行为反应;利用业已成熟的行为观察记录分析系统,记录和分析处于实验室或现实场景中的各种人机交互活动,从而建立一系列独具特色的虚拟社会心理实验教学项目。
3、以稳定安全为基础,搭建运行管理平台
学校利用信息化建设专项资金,建立了校级虚拟仿真实验教学管理平台,满足校内各学院及实验教学中心建设、发布、管理和使用虚拟仿真实验教学项目的需求,实现多学科、多类型虚拟仿真实验教学项目的集中管理和数据共享,支持课程和相应实验的扩展。
管理平台托管于学校中心机房,分别通过千兆光纤接入CERNET、电信和联通网络,保证了平台的稳定运行。平台具有良好的应急响应机制,在病毒查杀、恶意攻击防控、信息过滤、入侵检测等方面达到较高的技术和管理水平。
在数据安全方面,平台采用网络传输加密、信息过滤和机密数据保护等3道安全屏障,关键数据采用MD5加密,关键组件采用独有混淆加密技术,确保数据库连接字符串、密码、许可验证、WebService接口等关键参数在传输前后均为加密格式。通过内部源代码审查制度,对阶段性变更或重要版本发布的代码进行审查,有效防止私设后门。
平台提供了完善的虚拟仿真实验教学辅助功能,包括实验预习与准备、开课管理、实验库维护、教学安排、实验过程智能监控和在线指导、结果评价、成绩统计查询、教学效果统计分析等实验教学全过程管理,并为校际虚拟仿真实验教学项目的开放共享、对比评价和学分互认等工作奠定基础。
为适应不同使用场景和使用终端,管理平台具有良好的兼容性,可以在安装有Windows、MacOS、AnGdroid、IOS等操作系统的PC机、平板电脑或手机上运行。学生在移动互联网环境下,可以在任意时间、任意地点进行虚拟实验操作。
4、以校企合作为手段,强化技术支撑
虚拟仿真实验教学项目的研发高度依赖先进技术的支撑,必须综合应用富媒体、三维建模、人机交互、虚拟现实、增强现实等技术手段。我校积极开展校企合作,充分发挥学校的学术优势和企业的技术优势,联合优秀企业共建、共享虚拟仿真实验教学项目。
各实验教学中心结合学科特点,对虚拟仿真实验教学资源布局进行策划,对虚拟仿真实验项目的内容、要求及科学性进行把关,负责脚本的撰写,并提供专业培训和学术指导。参与的企业利用信息技术手段,提供技术开发、图像采集、软硬件设备支持、平台运营维护、开放共享以及后续产品的开发及技术支持等工作。
虚拟仿真实验教学项目完成后,企业具有产品的经营权,学校享有著作权和免费使用、持续升级的便利。例如生物学国家级虚拟仿真实验教学中心依托企业在虚拟现实和三维建模方面的技术优势,结合多年开展野外实习的教学成果,重现了神农架在不同季节、不同路线的野外环境和动植物实景。
同时,学校以教育部信息化试点高校建设为契机,充分利用自身技术力量,依托国家数字化学习工程技术研究中心组建了虚拟仿真技术研究团队,结合师范生技能培养的要求,重点对增强现实、三维建模、动作捕捉、体感交互等技术进行研究,开发了化学、生物、地理等专业的教师教育系列虚拟仿真实验教学项目。
针对当前虚拟仿真实验教学项目和管理平台的建设缺乏技术标准的情况,学校组织力量研究制订了«虚拟实验:框架标准»(国内标准)和«Virtual Experiment Framework»(国际标准),定义了虚拟仿真实验项目开发、评价、管理和测试体系的结构框架,描述了虚拟实验系统的设计及其构件,并且确定不同标准、不同规范间的相互关系,使多种标准与规范能有机结合。
制订了«虚拟实验:数据交换标准»,定义了适用于不同系统间数据交换的标准化信息结构,重点解决虚拟仿真实验平台上各个功能模块之间的数据交换格式的规范化描述问题,从虚拟实验教学平台开发和资源整合所涉及的互操作接口入手,研究制订应用于虚拟实验教学环境下的数据交换规范。
5、以提高效益为目标,推进优质资源开放应用
为提升虚拟仿真实验教学项目建设成效,学校采取多种措施推进优质虚拟仿真实验教学项目的应用和开放共享。学校明确要求省级及以上实验教学中心的骨干教师根据所承担实验课程的专业特色,安排若干学时开展虚拟仿真实验教学;要求在虚拟仿真实验教学项目管理信息系统中开设个人教学空间和学生自主学习的环境,实现虚拟仿真实验教学的“一体化”云端集成式管理。
对于学校教研立项的虚拟仿真实验教学项目,由所在实验教学中心参与项目验收,验收合格的项目必须纳入中心的实验教学应用当中,并由实验室管理部门复核。为此,学校购入大量先进设备,如三维投影仪、动作捕捉设备、虚拟现实眼镜、头盔等,学生既可以在虚拟仿真实验教学中心畅游虚拟世界,也可以在全覆盖的无线校园网环境下,对部分在线资源可以随时、随地进行移动学习和自主实验。
根据国家级和省级虚拟仿真实验教学中心的建设要求,各实验教学中心建设的虚拟仿真实验教学项目不但面向校内相关专业学生,也积极对外开放共享,推广应用具有自主创新特色的虚拟仿真实验教学成果。我校以湖北教师教育网络联盟、武汉地区七校联合办学为抓手,通过平台对接与资源互通,探索区域免费开放共享机制。目前已遴选一批虚拟仿真实验教学项目面向公众免费开放,包括国培计划教师培训、其他在职中学教师的继续教育培训以及我校教师教育创新实验区各中小学教师培训等,取得了良好的示范辐射效应。
6、以质量提升为核心,加强评估体系建设
质量是虚拟仿真实验教学项目建设的生命线,是提升人才培养水平的核心要素。为了严格虚拟仿真实验教学项目准入,同时促进项目的持续改进、完善与更新,我校初步建立了用于遴选和评审优质虚拟仿真实验教学项目的指标体系。该指标体系覆盖了虚拟仿真实验教学项目建设的完整过程,主要包括6方面内容。
(1)建设的必要性和创新性。评估虚拟仿真实验教学项目是否符合实验教学和人才培养需要,是否充分体现“虚实结合、能实不虚、相互促进”,是否围绕学科前沿或者社会亟需。
(2)完善的教学内容。考查教学内容的系统性、适用性以及是否符合教学大纲和课程标准。教学内容与实验目标要有良好的匹配,知识体系结构合理、逻辑结构有序、难点重点清晰、内容扩展性好。
(3)科学的教学设计。要求虚拟仿真实验教学项目界面布局合理、导航清晰简捷,虚拟实验场景和对象逼真;流程完整、系统性强、符合认知逻辑;人机交互友好、交互类型丰富多样,具备良好的教学过程和教学结果评价。
(4)先进的信息技术。根据教学需要综合运用多种先进的信息技术,符合相关技术规范和标准,兼容各种运行平台和主流浏览器。
(5)良好的应用效果。拥有自主知识产权,面向校内外开放共享,有较好应用和推广价值。
(6)鲜明的特色。在某一方面有实质性创新,充分体现学科优势和特色。
7、以有力保障为目标,加强制度建设与政策引导
学校采取一系列措施,推进虚拟仿真实验教学改革和虚拟仿真实验教学项目建设的规范化和可持续发展。
学校每年从教育部中央高校改善基本办学条件经费、校内实验室建设经费中安排专项资金用于虚拟仿真实验教学中心建设,为虚拟仿真实验教学项目的开发提供稳定的资金保障。设立了科研成果转化实验教学内容类项目,每年支持虚拟仿真实验教学研究项目10余项,有力地提升了虚拟仿真实验教学项目的自主研发能力。
通过引进、培养和合作,建设了一支由专业实验教师、信息技术专家、实验技术与管理人员共同组成的高水平虚拟仿真实验教学队伍,为虚拟仿真实验项目建设可持续发展提供了人才支撑。
建立了“共建、共享、共管”的双赢、可持续校企合作模式,促进了虚拟仿真实验的良性发展;制定和完善了人事管理、经费使用、教学效果考核评价、开放共享等一系列管理制度,较好地调动了教师开展虚拟实验教学的积极性,为虚拟仿真实验教学持续发展提供制度和政策保障。
三、建设成效
为深化实验教学改革,提高学生创新精神和实践能力,华中师范大学以“VIRTUAL”模式大力推进虚拟仿真实验教学中心建设和实验项目建设,取得了显著成效。近3年来,学校不断加大对虚拟仿真实验室建设投入,开发虚拟仿真实验教学资源,虚拟仿真实验仪器设备总值已达到1000余万元;各实验教学中心目前在用的虚拟仿真实验教学项目近500项,其中半数以上具有自主知识产权或共有知识产权,其中“棉花转基因技术虚拟实验”等项目获高校虚拟仿真实验教学资源建设成果奖。
建设的教师教育系列特色虚拟仿真实验教学项目已推广应用于全国教师教育网络联盟和湖北省教师教育网络联盟的高校。在此基础上,学校成功申报了心理与行为国家级虚拟仿真实验教学中心、生物学国家级虚拟仿真实验教学中心、电子商务省级虚拟仿真实验教学中心等,培育了化学、文科综合、地理科学、物理、电工电子等一批校级虚拟仿真实验教学中心。
学生通过虚实结合的实验教学,更加系统、全面地掌握了实验技能,拓宽了学科视野,综合实践能力、信息化素养和创新能力得到提高。依托大学生创新创业基金项目、本科人才培养“博雅计划”等,部分学生自主申报虚拟仿真实验相关的研究课题和实验项目。例如在心理与行为国家级虚拟仿真实验教学中心,学生的“空间导航知觉中地标线索与边界线索的优势效应研究”项目获得大学生创新创业训练计划A 类项目的优秀结项。
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