蘆冏耀 賈曉琪

山西工程科技職業(yè)大學(xué)·信息工程學(xué)院 山西 晉中 030619

引言

虛擬化教學(xué)方案為計算機組裝與維護(hù)開辟了一個新的教學(xué)路徑，虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality）是把客觀上存在的或并不存在的東西，通過運用計算機技術(shù)，在用戶眼前生成一個虛擬的環(huán)境，使人感到像真實存在的一種技術(shù)。利用此項技術(shù)我們可以把真實的硬件用虛擬化的方式展現(xiàn)出來，學(xué)生可以通過虛擬的場景，完成組裝拆解過程，也可以完成一些特定的設(shè)置驗證性實訓(xùn)，比如：BIOS的設(shè)置、系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)置等。還可以有效解決我們在硬件更新方面的不足，如果有新的硬件產(chǎn)生，也只需要調(diào)整虛擬教學(xué)課件即可，無須再次投入大量的資金用于購買設(shè)備，可以快速跟上市場變化的步伐。在教學(xué)的形式上，虛擬教學(xué)更加靈活，它可以根據(jù)教師的要求靈活設(shè)計實訓(xùn)方案，根據(jù)學(xué)生對知識的掌握情況，針對性的添加一些實訓(xùn)項目。這在普通的教學(xué)中是無法實現(xiàn)的。虛擬教學(xué)在解決實驗實訓(xùn)設(shè)備建設(shè)滯后方面，展現(xiàn)了非常大的優(yōu)勢，實現(xiàn)了實驗設(shè)備一次性投資，反復(fù)利用，隨時升級，管理方便的愿望。但期初投入比較大，需要在實驗教學(xué)方面深入考察、多方論證，相信虛擬教學(xué)會在以后的實踐教學(xué)中展現(xiàn)更強的優(yōu)勢。

1 虛擬仿真技術(shù)的概念及應(yīng)用

1.1 虛擬仿真技術(shù)的概念和特點

虛擬仿真技術(shù)是一種基于計算機技術(shù)的教學(xué)方法[1]，可以通過計算機模擬實驗環(huán)境和實際操作，讓學(xué)生在虛擬環(huán)境中進(jìn)行實踐操作，培養(yǎng)學(xué)生的實踐技能和解決問題的能力。虛擬仿真技術(shù)已經(jīng)在工業(yè)制造、醫(yī)學(xué)、建筑設(shè)計、航空航天等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，成為一種重要的教學(xué)工具。虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于實訓(xùn)教學(xué)中具備以下特點[2]：①可以模擬真實環(huán)境，提供高度仿真的體驗和感受。②可以提供交互性，讓用戶參與到虛擬環(huán)境中去。③可以進(jìn)行實驗和測試，提高效率和準(zhǔn)確性。④可以進(jìn)行多次仿真和演練，提高安全性和效果。⑤可以在多個領(lǐng)域中應(yīng)用，具有廣泛的適用性。

1.2 國內(nèi)外的虛擬仿真技術(shù)在職業(yè)實訓(xùn)教學(xué)中的應(yīng)用

目前，國內(nèi)外的虛擬仿真教學(xué)主要包括三種模式[3-4]：基于虛擬實驗室的教學(xué)模式、基于虛擬仿真環(huán)境的教學(xué)模式和基于虛擬實踐項目的教學(xué)模式。雖然一些高校和職業(yè)培訓(xùn)機構(gòu)采用虛擬仿真技術(shù)進(jìn)行實踐教學(xué)，取得了一定的教學(xué)效果，但也存在技術(shù)水平不夠成熟、應(yīng)用模式不夠靈活、教師教學(xué)能力不夠強等諸多問題[5]。高等職業(yè)教育實踐教學(xué)更是要進(jìn)一步探索虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用模式和方法，完善虛擬仿真教學(xué)的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)管理，提高虛擬仿真技術(shù)在高等職業(yè)教育實踐教學(xué)中的應(yīng)用效果。虛擬仿真技術(shù)在職業(yè)實訓(xùn)教學(xué)中的應(yīng)用主要包括以下方面：

1.2.1 實訓(xùn)過程模擬。實訓(xùn)過程模擬是指將實訓(xùn)過程完全模擬到計算機程序中，讓學(xué)生在虛擬環(huán)境中進(jìn)行實訓(xùn)操作。這種模式下，學(xué)生可以隨意嘗試不同的實訓(xùn)方案，進(jìn)行實訓(xùn)結(jié)果的預(yù)測和驗證。同時，虛擬環(huán)境中的實訓(xùn)過程可以進(jìn)行多次演示，讓學(xué)生對實訓(xùn)過程有更加深入的理解。

1.2.2 實訓(xùn)參數(shù)控制。實訓(xùn)參數(shù)控制模式是指在虛擬環(huán)境中，學(xué)生可以通過調(diào)節(jié)虛擬實訓(xùn)設(shè)備的參數(shù)來進(jìn)行實訓(xùn)操作。這種模式下，學(xué)生可以隨意調(diào)節(jié)不同的實訓(xùn)參數(shù)，觀察不同的實訓(xùn)結(jié)果，從而更好地理解實訓(xùn)原理和實訓(xùn)過程。

1.2.3 實訓(xùn)結(jié)果演示。實訓(xùn)結(jié)果演示模式是指在虛擬環(huán)境中，將實訓(xùn)結(jié)果以動畫或者其他視覺化方式進(jìn)行呈現(xiàn)。這種模式下，學(xué)生可以更加清晰地觀察到實訓(xùn)過程和實訓(xùn)結(jié)果，從而更好地理解實訓(xùn)原理和實訓(xùn)過程。

虛擬仿真技術(shù)在實訓(xùn)教學(xué)中的應(yīng)用模式可以極大地提高實訓(xùn)教學(xué)的效率和效果，讓學(xué)生在虛擬環(huán)境中進(jìn)行實踐操作，可以大大降低設(shè)備成本和安全隱患，同時可以提供更加真實的實踐環(huán)境，增加學(xué)生的實踐經(jīng)驗和職業(yè)素養(yǎng)。此外，虛擬仿真技術(shù)還可以提供多種操作場景，讓學(xué)生在不同場景中進(jìn)行操作，從而提高學(xué)生的綜合能力和應(yīng)變能力。因此，在職業(yè)教育中，虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用模式將成為未來教育的趨勢。

2 虛擬仿真技術(shù)在高等職業(yè)教育計算機類課程實踐教學(xué)案例

將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用在計算機硬件類課程實踐教學(xué)中，可以為學(xué)生提供更加真實、高效、多樣化的實踐場景和工具，同時還可以減少實驗成本、提高實驗安全性。實踐教學(xué)的整體思路如下：①采用三維立體仿真技術(shù)，還原實訓(xùn)場景，為學(xué)校師生提供立體直觀，高度仿真的虛擬教學(xué)環(huán)境；②支持移動、旋轉(zhuǎn)、縮放等各種交互操作，可以觀察硬件產(chǎn)品的每一個細(xì)節(jié)，提升參與度，增強趣味性；③嚴(yán)格按照計算機硬件行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及專業(yè)要求進(jìn)行設(shè)計，確保實訓(xùn)過程的準(zhǔn)確性；④采用在線方式進(jìn)行考核，針對不同學(xué)生的出錯知識點及頻率，隨機形成包括理論和實踐操作的考卷，檢查學(xué)生實踐教學(xué)的效果，同時系統(tǒng)自動統(tǒng)計分?jǐn)?shù)，分析易出錯環(huán)節(jié)，幫助提高教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生學(xué)習(xí)效果。

2.1 虛擬仿真技術(shù)在計算機組成原理課程中的應(yīng)用

以計算機組成原理課程為例，該課程主要涉及計算機硬件體系結(jié)構(gòu)和工作原理，包括CPU、存儲器、總線等方面的內(nèi)容。傳統(tǒng)的計算機組成原理教學(xué)中，學(xué)生需要在實驗室中進(jìn)行電路板拼裝、接線等操作，需要大量的實驗設(shè)備和人員管理。而采用虛擬仿真技術(shù)，可以提供高度仿真的計算機硬件環(huán)境，讓學(xué)生在虛擬環(huán)境中進(jìn)行實驗操作，同時也可以提供多種實驗場景和數(shù)據(jù)，讓學(xué)生進(jìn)行不同類型的實驗。采用虛擬仿真平臺來模擬計算機CPU、存儲器、總線等硬件模塊的工作原理。學(xué)生可以通過虛擬環(huán)境中的模擬器進(jìn)行指令執(zhí)行、數(shù)據(jù)讀寫等操作，從而深入理解計算機硬件的工作原理和結(jié)構(gòu)。同時，虛擬仿真平臺還可以提供實時監(jiān)控和調(diào)試工具，讓學(xué)生可以實時查看電路模擬結(jié)果、修改指令代碼等，提高學(xué)生的實驗效率和實驗質(zhì)量。

另外，虛擬仿真技術(shù)還可以提供一些虛擬實驗工具，例如邏輯電路仿真器、數(shù)字信號處理器仿真器等，讓學(xué)生可以在虛擬環(huán)境中進(jìn)行邏輯設(shè)計、數(shù)字信號處理等實驗操作，從而獲得更加真實的實驗體驗，并且可以進(jìn)行多次實踐操作，提高學(xué)生的實踐經(jīng)驗和技能水平。

2.2 虛擬仿真技術(shù)在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程中的應(yīng)用

在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程中，學(xué)生需要掌握各種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的基本概念和操作方法，例如棧、隊列、鏈表、樹等。為了幫助學(xué)生更好地理解和掌握這些概念和方法，可采用“Data Structure Visualizations”虛擬仿真技術(shù)來進(jìn)行實踐教學(xué)。通過虛擬仿真軟件，展示各種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的構(gòu)造和操作過程，并且提供交互式的操作界面，讓學(xué)生可以自行進(jìn)行操作和實驗。通過這種方式，學(xué)生可以更加直觀地理解數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的概念和操作方法，同時也可以提高他們的實踐能力和編程能力。

2.3 虛擬仿真技術(shù)在計算機圖形學(xué)課程中的應(yīng)用

在計算機圖形學(xué)課程中，學(xué)生需要學(xué)習(xí)各種圖形算法和技術(shù)，例如線性變換、光照模型、紋理映射等等，可采用“OpenGL Studio”的虛擬仿真軟件展示各種圖形算法和技術(shù)的實現(xiàn)過程，學(xué)生自行操作和實驗，以加深他們的理解和記憶。

從上述案例可以看出，將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于高等職業(yè)教育實踐教學(xué)中，就是要用以實帶虛、以虛助實、虛實結(jié)合的虛擬仿真實訓(xùn)系統(tǒng)，有效解決實訓(xùn)教學(xué)過程中的“三高三難”痛點和難點。

3 虛擬仿真技術(shù)實踐教學(xué)效果評價

3.1 虛擬仿真技術(shù)實踐教學(xué)效果評價方法

在評價虛擬仿真技術(shù)在高等職業(yè)教育實踐教學(xué)中的效果時，可以使用多種評價方法。常用的評價方法包括問卷調(diào)查法、測試法、觀察法、訪談法等[6]。

問卷調(diào)查法是一種常用的評價方法，通過問卷調(diào)查了解學(xué)生對于實踐教學(xué)中虛擬仿真技術(shù)的認(rèn)識和態(tài)度，同時還可以收集學(xué)生對于實踐教學(xué)的反饋和建議，以便教師進(jìn)一步優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容和方法。

測試法是通過對學(xué)生進(jìn)行考試來評價虛擬仿真技術(shù)在實踐教學(xué)中的效果。測試可以包括筆試、機試、實操等形式，通過對學(xué)生在測試中的表現(xiàn)進(jìn)行評價，了解學(xué)生掌握的知識和技能水平，以及虛擬仿真技術(shù)在學(xué)習(xí)中的應(yīng)用情況。

觀察法是教師通過觀察學(xué)生在實踐教學(xué)中的表現(xiàn)來評價虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用效果。教師可以從學(xué)生的實際操作情況、實驗結(jié)果、實驗報告等方面進(jìn)行觀察和評價，了解學(xué)生掌握的知識和技能水平，以及虛擬仿真技術(shù)在學(xué)習(xí)中的應(yīng)用情況。

訪談法是通過與學(xué)生進(jìn)行面對面的交流來評價虛擬仿真技術(shù)在實踐教學(xué)中的應(yīng)用效果。教師可以針對學(xué)生的學(xué)習(xí)情況、實踐經(jīng)驗、對虛擬仿真技術(shù)的認(rèn)識等方面進(jìn)行訪談，了解學(xué)生對于實踐教學(xué)的感受和認(rèn)知，以便優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容和方法。

3.2 虛擬仿真技術(shù)實踐教學(xué)效果評價過程

該項目有效實現(xiàn)了方便學(xué)生學(xué)習(xí)和對學(xué)習(xí)過程的考核評價等目標(biāo)。仿真實驗可使學(xué)生通過校園網(wǎng)在宿舍、圖書館或者其他地方自行登錄進(jìn)行開放學(xué)習(xí)，可以自由選擇硬件進(jìn)行計算機的組裝，模擬實際裝機的流程，培養(yǎng)學(xué)生從多方向、多角度去思考問題和解決問題的能力。

利用軟件中場景考核的功能讓學(xué)生學(xué)完即考，考完再學(xué)的靈活學(xué)習(xí)方式，使學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中用立即發(fā)現(xiàn)問題，當(dāng)場解決問題的方式來鞏固或加強對所學(xué)知識點的熟練程度，最終達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生綜合創(chuàng)新能力和綜合素養(yǎng)的目的。

3.3 虛擬仿真技術(shù)實踐教學(xué)效果評價結(jié)果

在我院《計算機組裝與維護(hù)》課程中，課程組采用了虛擬仿真技術(shù)進(jìn)行實踐教學(xué)。在課程結(jié)束后，對學(xué)生進(jìn)行了問卷調(diào)查和測試成績評價。結(jié)果顯示，學(xué)生對虛擬仿真技術(shù)的使用效果較為滿意，有73.8%的學(xué)生認(rèn)為虛擬仿真技術(shù)能夠幫助他們更好地理解課程內(nèi)容，84.3%的學(xué)生認(rèn)為虛擬仿真技術(shù)有助于提高他們的實踐能力。同時，學(xué)生的實踐成績平均分從之前的75分提高到了85分，70%以上的學(xué)生的作品質(zhì)量顯著提升。在實際操作中，學(xué)生的操作時間縮短，錯誤率也大大降低，操作技能得到了明顯提高。

4 虛擬仿真技術(shù)實踐教學(xué)發(fā)展展望

隨著虛擬仿真技術(shù)在高等職業(yè)教育實踐教學(xué)中的應(yīng)用不斷發(fā)展和完善，它在未來的發(fā)展將大有可為：①個性化定制化：將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于實踐教學(xué)中，需要根據(jù)不同的課程和學(xué)生的需求進(jìn)行個性化的定制。②多模式教學(xué)：虛擬仿真技術(shù)可以與傳統(tǒng)的實驗、實訓(xùn)等教學(xué)方式相結(jié)合，形成多種教學(xué)模式，以更好地滿足學(xué)生的需求。③智能化輔助：通過人工智能和大數(shù)據(jù)技術(shù)，將虛擬仿真技術(shù)與智能輔助教學(xué)相結(jié)合，提高教學(xué)效率和學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗。④面向產(chǎn)業(yè)需求：虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用需要緊密結(jié)合產(chǎn)業(yè)需求，將學(xué)生的實踐教學(xué)與實際應(yīng)用場景相結(jié)合，提高學(xué)生的就業(yè)能力。

虛擬仿真技術(shù)在高等職業(yè)教育實踐教學(xué)中有很大的應(yīng)用潛力和發(fā)展前景，它可以提供一個模擬真實環(huán)境的學(xué)習(xí)場景，增強學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新能力，同時提高教學(xué)效果和教學(xué)質(zhì)量。文章通過對實踐案例的研究，得出虛擬仿真技術(shù)可以有效地提高學(xué)生的實踐操作能力和解決實際問題的能力。

5 結(jié)束語

該項目在滿足教學(xué)需求之外，能夠大幅提升學(xué)生的專業(yè)素養(yǎng)，是傳統(tǒng)教學(xué)模式的有效延伸和嶄新拓展。

未來，為進(jìn)一步加強學(xué)生知識能力拓展范圍，項目計劃在已建設(shè)的計算機組裝虛擬仿真軟件的基礎(chǔ)上繼續(xù)建設(shè)計算機系統(tǒng)的安裝與測試的相關(guān)實訓(xùn)，同時采用VR虛擬現(xiàn)實技術(shù)使學(xué)生的思維與意識高度沉浸到計算機組裝課堂中從而獲得身臨其境的真實體會；同時在服務(wù)與資源共享相結(jié)合的時代背景下，依托互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過建設(shè)網(wǎng)絡(luò)化虛擬仿真實驗管理系統(tǒng)高校共享，可達(dá)到高校學(xué)生實訓(xùn)、教師教學(xué)、科研實驗共享，以虛擬實驗操作促進(jìn)教學(xué)，以“學(xué)”為中心，提升學(xué)生的專業(yè)素養(yǎng)。