基于虚拟化技术的教学型实验模式构建分析

    余佳恕

    摘? 要 通过对传统实验室及传统实验模式存在的问题进行分析，结合当前国内普通高等学校中基于虚拟化技术的教学型实验模式的开展情况，提出虚拟化实验室建设和应用的建议。

    关键词 虚拟化技术;虚拟化实验室;教学型实验模式;虚拟校园

    中图分类号：TP391.9? ? 文献标识码：B

    文章编号：1671-489X（2020）09-0114-03

    1 引言

    作為实验操作的基地，实验室为高校开展教学活动、科研工作等提供了强有力的平台，在高校教育发展中发挥着不可或缺的作用。当今，信息技术和计算机技术发展迅速，云计算、虚拟化技术等新技术正在影响社会的方方面面，改变人们的生活和工作方式。其中，虚拟化技术在教学领域深入应用，并推动教学模式、教学方法的变革。广泛与深入应用新理念、新技术、新成果，能更好地服务于高校创新型人才培养目标，提高高校办学能级。近几年，基于现代计算机技术的虚拟实验室及其在教学中的应用成为国内外实验教学的研究热点。

    基于Web技术、虚拟现实（VR）技术构建的新型实验模式，是现有教学型实验模式的数字化和虚拟化形式。教师利用虚拟平台上的虚拟设备自由搭建合理的典型实验或实验案例，再由学生自己动手配置、连接、调节和操作实验设备，这是虚拟实验模式有别于一般实验模式的重要特征。当前国内已有部分高校将虚拟化技术运用到教学建设中，并取得了不错的效果。但很多人在挖掘虚拟实验模式的优越性、指出传统实验模式的弊端的同时，往往忽略了一点：虚拟实验模式正是基于传统实验模式的反复尝试、多方探索的突破与发展。笔者认为，虚拟实验模式需要借鉴和参考传统实验模式的优点，将两者结合，相辅相成，才能达到更好的教学效果。

    2 传统实验室及实验模式存在的问题

    实验室作为实验实施的基地，发挥着不可或缺的作用。通过对当前众多高校实验室建设进行调查发现，大多数高校存在一些共性问题，如高校所建设的实验室、机房不仅要承担全校多门课程（如物理实验、数字逻辑、计算机组成原理、科技创新实践、网络与信息安全等）的上机实验，还要承担公共绩效评估、数据库搭建、电子采编等教学工作开展方面的压力。实验室需要在短时间内切换不同系统，扩大实验内容范围，以满足教学目标和教学工作需求，这不仅花费了大量的人力、物力、财力，也给实验室的管理带来巨大压力。调查发现，目前传统实验室及实验模式主要存在以下问题。

    日常维护困难，管理水平不高? 为满足教学需求，高校的实验室、机房常常处于频繁使用的状态。笔者在调查时发现，首先，在大多数高校中，同一间实验室或机房往往不堪重负，连续几节课甚至一整天为不同的学生群体提供教学需求;其次，为了满足教学专业的多样性，软件的安装常常处于杂乱的状态，毕竟少则不能满足教学需求，但软件众多，也给实验室和机房的日常维护和教学秩序的管理带来诸多不便;最后，学生对计算机缺乏维护意识，导致设备被频繁破坏，继而影响教学进度和教学秩序。

    资源分配不合理，利用效率低? 在当前的教育体制中，大部分传统实验教学仍然过于依赖理论教学，仅仅将实验作为理论知识的验证。在高校实验室管理中追求“小而全”的局面，便会出现硬件设备追求高标准的问题;但实验设备利用率偏低，利用率与设备本身价值不成正比，设备管理分散，资源难以共享，造成资源分配不合理和资源浪费。

    软件更新换代频繁，实验室兼容性不足? 计算机更新换代频繁，更新速度远远大于用户对操作系统的更新速度。学校根据市场需求培养人才，只有跟上市场的发展，跟进计算机及信息技术的发展，依靠更高级的硬件来支撑更新周期不断缩短的软件，才能跟上新技术、新技能的学习和实践需要，但这对人力、技术、经济等方面都带来一定的压力。

    3 基于虚拟化技术的教学型实验模式构建情况分析

    随着虚拟技术的发展，人们开始认识到虚拟化技术利用率高、易维护等诸多优点及其在教育领域的应用价值，并将虚拟化技术应用到教学型实验中，以辅助高校科研工作和教学工作。以下是对部分高校虚拟化技术建设和应用情况的调查与分析。

    高校虚拟化技术建设和应用情况? 在教育领域，虚拟化技术的应用在科学研究、虚拟实验教学、教育娱乐等方面发挥着重要作用。

    1）虚拟化技术在实验教学方面的应用。鉴于虚拟化技术的特点，理工科教学中对虚拟化技术的实际应用尤为明显。据调查，国内部分高校根据教学需要建设了虚拟实验室，运用虚拟化技术进行实验教学，如中国科技大学的物理仿真实验软件，西南交通大学的机车驾驶模拟装置，同济大学针对建筑景观、结构进行仿真的虚拟现实实验室，等等。在实验教学中融入虚拟化技术的模式越来越受到重视和青睐，不仅降低了实验成本，还能轻松实现异地协作和资源共享，迅速提高实验效率。这意味着虚拟化技术将成为实验教学模式创新的一个重要发展方向。

    2）虚拟化技术在校园模拟和仿真方面的应用。据了解，1996年天津大学便在SGI硬件平台上基于VRML国际标准开发了虚拟校园;随后，北京大学、浙江大学、上海交通大学等院校也采用虚拟化技术建设了虚拟校园。但在校园模拟和仿真方面，国内大部分院校还只是以浏览功能为主。在一系列相关文件中，教育部多次提及虚拟校园，肯定了虚拟化技术在高校教育中的地位和作用。人们不再满足于虚拟校园的浏览功能，可进行真实互动的三维可视化虚拟校园呼之欲出。中央广播电视大学远程教育学院采用基于Internet的类游戏图形引擎，将网络学院的各项具体功能结合在其中，突破了浏览功能的层面[1]。这种基于虚拟校园思想搭建起来的远程教育基础平台，构想开发了实际的教学功能。

    3）虚拟化技术在科研方面的应用。科研实践是目前虚拟化技术在高校实验室中常见的用途之一，目前，大部分院校首选其在科研上应用，如清华大学、北京邮电大学、北京工业大学等高校共同建设的网络虚拟实验室，中科院上海有机化学研究建立的虚拟化学实验室，中国农业大学的网上虚拟土壤作物系统实验室，等等[2]。

    基于虚拟化技术的教学型实验模式的特点及优势? 从以上对各高校虚拟化技术建设和应用情况的调查来看，高校基于虚拟化技术的教学型实验模式的建设和应用有以下特点及优势。

    1）虚拟化技术开始与远程教育结合，呈现出良好的前景。一直以来，远程教育都存在学生实际操作检验麻烦、实验操作困难等难点问题，而虚拟化技术弥补了这方面的不足。利用虚拟化技术，学生可以在在线学习的同时進行相应的实验操作，获得与现实实验一样的体验。当前，国内已有部分虚拟实验室开设了这方面的服务，如北京大学、清华大学、华南理工大学等高校相继在网上开发设立了自己的虚拟课堂[3]，为学生提供虚拟实验服务。学生可以通过个人计算机登录系统，进行仿真实验。

    2）虚拟化技术在某些特定学科上应用相对集中。由于部分学科如物理、化学、机械等学科的特殊性，学科的教学内容或科研项目大多以实验为基础，受实验设备、场地、经费、实验危险度等因素的限制较多。因此，在这些学科上，虚拟化技术将是优选，教师从教学目标出发，制定科学适宜的实验课程，学生运用虚拟化技术进行探究。

    3）教师教学方法多样化，教学质量大幅度提升。在传统实验教学中，师生间的实验演示互动一般是由教师用真实仪器展开讲解，学生围绕教师或在台下观看教师进行实验操作。由此，离教师较远的学生往往难以观察到实验的操作细节，在动手操作环节常常手足无措，以至于影响教学效率。利用虚拟化技术进行实验操作，师生间打破时间和空间的限制，只要具备网络条件，师生间随时可以开展实验进行互动，学生通过虚拟平台全方位了解仪器结构，学习实验操作步骤，可有效提升教学质量。

    4）课堂教学极具趣味性，学生学习积极性提高。随着科技的高速发展，许多传统实验室的仪器已能够运用虚拟化技术进行改进，但仍有大部分高校未能及时更新和调整实验设备。学生长时间面对过时的设备，难免会丧失学习兴趣，导致学习积极性降低，教学效果也不乐观。建设虚拟化实验室，不仅能够克服经济、场地等局限，其所带来的课程范围扩大、设备选择多样等优良的教学环境，更能激起学生的好奇心和求知欲，提升学生的学习能力，高效实现教学目标。

    4 高校虚拟化实验室建设与应用建议

    更新教学观念，做到虚拟化实验与传统实验相结合? 几十年来，传统实验教学模式已经形成自身特色，在培养学生动手能力、学习兴趣等方面都有其独到之处。也正是这种原因，许多人对虚拟化技术持观望态度。然而，不可否认的是，虚拟化的实验室和实验模式也有不可比拟的优越性，如虚拟化技术可以再现实验过程、实验现象，控制实验过程，更加智能化地采集和处理数据，保障实验者的安全，等等。因此，需要更新对实验教学模式的认识，正确认识越来越平民化的虚拟技术，以实现虚拟实验与传统实验的结合，让虚拟技术在教育领域得到普及。

    以实现教学目标为出发点，做到虚拟与真实相辅相成? 归根结底，教学型实验室是一种教学资源，其好坏标准不是所用技术的先进与否，而应该是能否高效地帮助师生达到教学目的。传统实验模式奠定了传统实验效果的真实性。相较于真实环境，在虚拟环境中，实验条件处于理想状态，所得到的实验结果趋于理想化。利用虚拟实验模拟真实实验，可以扩展学生学习方式，辅助学生从多方位进一步理解实验;而真实操作则可以提升学生的实物感，全面考虑实验的可能风险，为学生日后的工作积累经验。因此，师生在运用虚拟实验室时应正确认识虚拟实验和传统实验，充分结合教学目标设置实验课程，从教学需求出发，合理选择实验模式，做到二者相辅相成。

    完善虚拟化实验室的分布和协作实验功能，多方合作，提高实验效率? 从各高校实验室虚拟化建设和应用的情况来看，大部分虚拟化实验室只是局限于一个学院、一个小型局域网或一个校园网，能够实现不同单位之间协作研究的虚拟化实验室并不多见，而清华大学、北京邮电大学、北京工业大学等高校共同建设的网络虚拟实验室则在这方面取得不错的成果。由清华大学、北京大学、上海交通大学、浙江大学、西安交通大学、南京大学、复旦大学等七所大学发起组成的中国科技协作网，目前成员单位已发展到近30余所高校[4]，各高校通过该网络，可以实现多方协作实验、分布式科研调查。这种合作模式是一项十分有益的尝试，应逐步完善。

    5 结语

    虚拟化实验室是在原实验室基础上结合最新的信息技术建设而成的。我国高等教育正处于高速发展阶段，基于虚拟化技术所构建的教学型实验模式必将受到广大师生的重视和青睐，在我国高校的科学研究、教学工作中发挥积极的作用。目前，我国已有部分高校充分认识到虚拟化技术的可行性，积极付诸实践，并收到良好的教学效果。尽管如此，在虚拟化实验室建设中仍应该正确认识传统实验模式的利与弊，取其精华，发掘更多的具有平民性、大众性的虚拟化技术来创新实验模式，有效提升高校教学质量。

    参考文献

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    [3]王元娟.基于高校虚拟实验室发展若干问题的建议[J].科技信息，2009（7）：130，118.

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    [5]董焱.基于虚拟化技术的实验教学中心环境构建[M].北京高教学会实验室工作研究会2010年学术研讨会论文集（下册），2010.

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