虚拟实验教学的探索与实践

【摘要】随着信息技术的发展，作为传统实验教学的一种有效的补充，虚拟实验教学已经成为加强实践教学、提高教学质量的重要手段。根据我校实验教学改革的实际经验，介绍了自主设计开发的计算机网络虚拟实验系统，探讨了网络教育中虚拟实验教学模式的分层次教学实施方案，并对虚拟实验的教学实践进行了总结和分析。

【关键词】虚拟实验；实验教学；网络教育

【中图分类号】G420 【文献标识码】B 【论文编号】1009―8097（2009）04―0131―02

“十一五”期间，我国科技人才培养，进入了巩固成果、深化改革、提高质量、持续发展的关键时期。人才培养必须坚持以强化实践教学为着力点，加强实践教学环节，改革实践教学内容，完善实践教学体系；必须坚持以信息技术的应用作为提高教学质量的重要手段，推进教学方法的改革，重点突破实验教学环节，提高学生和劳动者的动手实践能力。

在我国，受教育的人口众多，许多高等学校不具备充足的实验场地和现代化的实验设备。此外，大量的接受网络教育的学生无法进行实验操作和练习。在这样的背景下，虚拟实验系统及其应用的相关问题正是应当大力研究和发展的课题。随着信息技术的发展，虚拟实验教学作为传统实验教学的一种有效的补充，已经成为加强实践教学、提高教学质量的重要手段，它不仅可以在一定程度上代替传统的实验教学，而且可以克服传统实验的各种制约和弊端，从而有效地解决目前实验教学中存在的诸多问题。

一 计算机通信网虚拟实验系统

虚拟实验是指在计算机系统中采用虚拟现实技术实现的各种虚拟实验环境，实验者可以像在真实的环境中一样完成各种预定的实验项目，所取得的学习或训练效果等价于甚至优于在真实环境中所取得的效果。它是计算机技术、虚拟现实技术、人机交互技术结合的产物，也是教育领域应用信息技术的一种创新。

虚拟实验教学可以节约成本，突破实验教学在时间和空间上的限制，提高学习者的自主性和创新性，充分发挥计算机技术网络的优势，成为对传统教学方式的有力补充。利用计算机图形技术、虚拟现实技术、网络技术等可以仿真出可视化的实验环境，引入多种多样先进、昂贵的实验仪器设备，同时降低误操作的危害与损失，为学生和劳动者提供实用的知识与技能。

在我校开设的计算机网络、计算机通信网、Linux操作系统等工科课程中，实验教学环节必不可少。我们选取了虚拟实验教学方式，以达到让学生多练习、多模拟、多实践的目的。2007年6月在国家“十五”重大科技攻关项目“面向中小学的远程教育关键技术及示范”的“国产基础软件技术培训系统研制与课程开发”（编号2005BA115A03）项目资助下，我们自主开发完成了面向互联网应用的虚拟实验系统，包含一个虚拟实验平台，及与之配套的网上虚拟实验管理系统。

计算机通信网虚拟实验平台仿真了计算机、路由器、集线器、交换机等4类常用仪器设备，其中计算机又包含Windows与Linux两种操作系统的界面和功能。学生可以从器材栏选择需要的设备添加到实验区，相同的设备可以选择多台，利用这些仿真设备搭建虚拟的计算机网络，进行参数设置与实验操作。系统界面如图1所示。

虚拟实验管理系统可以提供实验管理、报告管理、个人消息、在线论坛、用户管理等功能。系统分为教师、学生和管理员三种角色，不同角色拥有不同权限。(1)学生：完成实验任务、在线提交实验报告、保存实验结果，查看教师给出的成绩与批语、进行自主实验等；(2)教师：进行教学管理（新建典型实验、进行实验安排、批改实验、实验成绩等）；(3)管理员：进行课程管理（设置实验课程、进行授课安排）和教学论坛的管理与实验用户的管理、学校管理和权限管理。同时这三种角色还拥有参与教学论坛、站内消息的功能。

二 虚拟实验教学的实施方案

利用自主开发的虚拟实验平台，开展计算机通信网等课程的实验教学，是由基本实验、综合实验和设计实验三个层次构成。基本实验是由常用的计算机网络配置等实验组成，侧重于网络应用操作能力的训练；综合实验为DHCP、HTTP服务器等配置实验，侧重于网络服务操作能力的训练；设计实验为学生提供了一个开放的实验平台，让学生自由搭建网络，侧重于网络规划设计能力的训练，增强创新精神。

对于单门课程，每学期在网上一定量的实验作业，如图2所示。公布实验要求与报告格式，由学生操作完成之后，直接通过网络提交实验结果与实验报告。教师直接在网上批改并可利用网上实验管理系统进行成绩统计。最后将成绩按照一定比例计入学生的总评成绩。以计算机通信网课程为例，每学期2个必做实验，由基本实验构成；2个选做实验，学生在教师的5个实验范围内，选择2个完成，以综合实验为主。最终的实验成绩计入学生总评成绩的20%。此外学生也可以自由设计实验，完成后提交给教师。如果学生做的非常优秀，可以给以5%的加分成绩。

三 虚拟实验教学的实践

我校实验教学改革走过了一段漫长的路程。2005年9月开始研制虚拟实验系统。2007年研制完成后，经历了1年时间的完善和修改。在2008年初投入实际教学，在Linux操作系统、计算机网络、计算机通信网等课程中进行应用，已完成2个完整学期的教学工作。第一个学期是小规模使用，选择了一个百人左右的班级。第二个学期在全年级推广使用，进行实验操作的学生总计超过2000人，并取得了良好效果。在对学生的问卷调查中，有90%以上的学生支持虚拟实验教学方式。85%以上的学生认为在虚拟实验教学中获得了很大收获。可以说，虚拟实验教学模式的使用，解决在网络教育中开展实验教学的难题，有利于提高学习效率，有利于发挥学习个体的主动性，促进个性化的发展，有利于在教学中实施素质教育。

在虚拟实验教学实践中，我们也发现了一些问题。最主要的问题是实验成绩评定，教师工作量很大。我校网络教育学生每年招生约2000人，一位教师可以开设课程布置实验，但是批改的时候，面对数以千计的实验报告和实验结果，负担比较重。今后在实验结果的保存、实验批改流程方面需要改进，力争实现自动批改。

本文提出了一种新的虚拟实验教学模式，采用自主研发的虚拟实验系统，针对多门课程开展网上虚拟实验教学，取得了较好的教学效果。2008年9月，虚拟实验相关课程“计算机通信网”被评为2008年度国家网络教育精品课程。

参考文献

[1] 李春霞,杨树国.高等数学分层次教学的探索与实践[J].教育与现代化,2007,(3).

[2] 张志敏,李贤敏.基于网络的虚拟实验室的研究[J].实验技术与管理,2008,(4).