基于云的3D仿真教学在高校实验教学中的应用研究

文／赵丽霞 金伟

摘要：随着IT技术的广泛普及，基于云的3D仿真教学模式呈现的立体空间的仿真教学环境能够根据专业实验实训的能力培养要求建立仿真岗位模拟场景；使学生明确学习目的和内容，能够更好的实现相应的教学目标并提高教学效率和质量。

引言

当今仿真技术随着IT技术的广泛普及应用得到了高速的发展。仿真技术作为人们了解和改造客观世界进行理论和实验研究的重要方法，经过系统的更新和发展已经可以运用科学的方法构造对应的复杂模型，提示真实世界的变化规律。通过多年的高校实验教学经验研究证明，努力实现以知识为本位向以能力为本位的转变，以就业岗位对人才知识结构的要求为依据，注重学生的动手实践能力培养，进行实验教学内容和方法的整合，研究适合学生的教学模式和方法，对于提高学生的学习兴趣、加强学生的实践技能、增强专业职业竞争力、提升教学质量有重要意义。3D仿真教学模式呈现的立体空间的仿真实验环境在很大程度上真正能够激发学生的创新思维活动，让学生形成深层次的知识结构体系，是一种被实践证明了的能够有效提高学生综合运用专业知识和技能解决实际问题能力的教学手段，能够更好的实现相应的教学目标并提高教学效率和质量。

1、基于云技术的计算机仿真实验教学的发展背景和现状

当今，计算机仿真技术已经涉及到社会、物理等各种真实系统领域。在全世界范围内的许多高校，计算机仿真技术在各个领域的科学研究以及工程计算已经被广泛使用；在国内外的各种课程中计算机仿真教学也被普遍推广。作为高校的实验教学手段的应用，计算机仿真教学也正在积极的研究和创新开发中。目前，我国在高等院校中应用计算机仿真实验教学是一种崭新的教育理念，这种教学模式一种将理论与实践相结合的新教学手段，国内各高校也正在纷纷进行摸索和研究。2014年在北京首都经济贸易大学召开的“首届京城高校虚拟仿真实践教学研讨会”中提出成立北京高校虚拟仿真联盟，借此来建立推进仿真技术实践教学和高校间资源分享的平台。

大多数学校现今采用实物形式开展实验课程，虽然能够让学生对实验有很好的感性认识，但同时也存在不少问题：第一，高昂的实验室建设和维护更新费用，开展过程受时间、地点等诸多因素限制。第二，实验课程内容较为陈旧、实验教学内容往往不能与新知识、新技术的产生同步，很难让学生及时了解专业的理论技术前沿。第三，实验教学依附于课堂理论教学，方法落后形式单调，单纯的遵循老师讲学生听的填鸭式模式，且单元性操作和验证性实验内容过多，创新综合性实验很少，无法培养学生的创新思维和能力，严重阻碍了学生的个性发展。第四，学时少，有些专业的实验实践学时比例很少，甚至不足总学时的十分之一，不能满足实际的教学要求。第五，难以实现因材施教，旧的的教学模式中教学手段千篇一律，随着学生数量的增加和学校规模的扩大，学生多样化更加明显，实验教学目的很难达到。我校的计算机仿真教学还处于相对比较落后的起步阶段，这种新型的教学模式为学生及专业教师提供了教学和研究的新平台，延展了创新的想象空间，发展前景无限。

2、基于云技术的3D仿真教学在高校实验教学中应用的积极作用

基于云技术的3D仿真教学应用在高校实验教学中能帮助教师改善实验教学效果，扩大教学范围，计算机的交互性既能够呈现教学信息，又可以对学生进行实践指导，还能够同时接收学生的信息并对其提出的问题进行恢复判断。在理工类学生实验实训以及综合创新技能培养中，真实实践训练学生参与程度低，很多实验不具备实际实验条件或难以完成，一些实验存在安全隐患或是成本高、消耗大，使用基于云技术的3D仿真虚拟现实实验教学，用虚拟现实、人机交互等信息化手段进行实验教学可以为实验教学拓展实践领域、提供更加安全可靠和节约消耗的实验项目，从而丰富实验教学内容。开展仪器虚拟仿真实验教学。随着学校多学科的发展、对虚拟仿真实验教学的要求不断扩大，使用计算机仿真虚拟现实实验教学全面提高高校学生创新精神和实践能力，共享优质实验教学资源，能够进一步完善本科实验教学体系，满足可持续发展的需要，提高教学效果和质量。计算机仿真虚拟现实实验教学有如下优点：第一，有利于节省实验经费、减少设备消耗和设备频繁更新需求，更好的保证实验的安全性。第二，有利于开放式实验教学的实施，克服实验进程中时间与空间上的限制。在线实验教学中使用3D仿真实验教学，学生可以在任何有网络终端的PC机上登录云系统提供的实验平台进行实验，解决了实验中的时间和空间限制问题。作为一个基于云端的网络“开放性的实验室”，给学生提供了自学实验的环境，学生可以根据自己的兴趣选择实验时间和地点及内容，培养学生对实验的自学能力，满足学生的多样化学习要求。第三，有利于营造多样化教学环境，提供更加形象直观、内容丰富的学习环境，交互性强，提高学生学习兴趣，培养创新能力，从而提高教学效率。第四，有利于学生发挥自身的主观能动性和积极创造性，在更深、更广的知识领域内探索，培养学生的创新意识。第五，有利于减轻教师工作量，完善先进的现在网络教育技术，实现实验管理工作的现代化水平。基于云技术的3D仿真实验教学可以充分发挥现代实验教学手段和计算机信息化技术的优势，使高校的实验教学水平得到提高。

3、基于云技术的3D仿真教学在高校实验教学中应用的相关内容

高校实验教学中使用3D仿真教学，常见的方法包括：生产实习，认识实习，情景模拟，过程控制，计算机辅助教学等。以理工科相关专业实验教学为对象展开研究，针对该专业的专业性质和教学特点，进行具体的规划和应用研究。基于云技术的3D仿真实验平台的设计过程：首先，建立描述实际系统的物理模型。第二，进行二次模型化并且建立3D仿真模拟实验环境模型。第三，在计算机内运行3D仿真模拟实验环境模型，并进行反复校验。第四，分析仿真实验环境各种运行结果，为系统平台提供可靠的数据信息等资料。第五，形成完整系统平台存储在云端。第六，形成网络版仿真实验教学软件、网络版仿真教学软件（教学过程的多媒体课件教件；操作计算机仿真——操作技能的培训、网络版课件类素材库、实践能力的训练；环境仿真——模拟各种工作环境、学习环境等，便于对真实环境下的完整工作项目展开研究）；在同一个网络多媒体机房，合法用户可以进行不同的实验实训的练习；集中管理各种资源更安全，添加、修改、上传、下载等使用更方便。

4、基于云技术的3D真教学在高校实验教学中实现和具体应用

在实践教学内容上将教学、实验、实训项目建设进行网络化资源整合，实现内容优化。构建真实三维计算机仿真教学系统，多媒体网络机房的硬件系统可以满足现有各种仿真培训系统的要求，也可以满足建立计算机仿真培训系统的要求，将仿真操作平台的个数适当增加。实现实验的模拟系统平台与真实岗位系统在线连接，基于云技术将有关数据通过网络传输到仿真系统平台，指导学生进行实验操作。系统平台的在线实验包含教师板块、学生板块、管理员设置、实验课程项目、评价板块等，教师布置实验课程中要求的项目任务，学生通过网上在线实验来完成老师布置的任务，也可以根据自己的兴趣来完成自主实验，并进行反复验证。软件技术和Internet网络支持平台运行，教师与仿真平台中学生之间的实时沟通。采用局域网和Internet结合使用的模式可以方便的对仿真平台系统进行扩充和统一维护管理。包括进行用户注册、远程登陆、调试等，所有资源在服务器端共享。

5、基于云技术的3D仿真实验教学还存在的问题及解决方法

利用仿真实验教学使用多媒体技术可能出现的问题包括：3D仿真实验教学可能过于注重营造实验氛围，使实验教学内容偏离教学方向；过多使用云系统中的3D仿真实验环境时可能会冲淡师生之间的交流；计算机教学网络机房的管理维护相对困难。针对计算机仿真实验教学可能出现的问题，在利用仿真实验教学使用多媒体技术的同时，还要摆正仿真技术在实验教学中的位置，适度使用。计算机仿真实验教学是课堂实验教学的辅助，其作用是辅助教学活动的实施，制作不应过于追求花哨，喧宾夺主。与此同时，解决的对策还包括：注重教学设计，调整合理的教学流程；需要加强系统性研究，使系统更加完善等。

6、基于云技术的3D仿真实验教学的发展前景

基于云技术的3D仿真实验教学集成了近年来网络教育和虚拟实验的技术和研究成果，有利于解决现有"实验动手"和"知识学习"结合不足的问题，有助于发展学生的创新思维和能力、改进高校实验教学设计，使高校实验教学管理向信息化、规范化方向发展。计算机仿真实验教学在有网络的前提下可以很好的得到应用，随着云技术的不断发展，在线的计算机仿真实验教学可以使高校的实验课程得到更好的效果。结合实验教学的工作性质，对在线实验教学及管理进行需求分析，系统设计相关的教学功能，能为实验教学及管理节省更多的投入，减少实际设备的购买，只需要把器材的参数和属性输入，就可以在网上模拟实验，完成课程中需要的实验项目。基于云技术的3D仿真实验教学这种新型的教学模式为学生及专业教师提供了教学和研究的新平台，延展了创新的想象空间，有很大的发展空间和很好的发展前景。

7、结束语

根据社会的实际岗位需求开发基于云技术的3D仿真实验教学环境，根据专业实验实训的能力培养要求编写文字脚本，进而开发仿真岗位模拟场景；使学生明确学习目的和内容，采用认识实习，情景模拟和计算机辅助教学为主要手段，建设符合教学和学习要求的互动式的网络系统应用平台。将基于云技术的3D仿真教学应用于高校的实验教学为培养学生针对就业的动手实践能力提供了理想的解决方案，必将会对高校实验教学的发展起到更好的推动作用。

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参考文献：

[1] 沈芳,《计算机仿真技术的发展及其应用》[J].《科技传播》.2014(13).

[2] 张祖鹰《浅谈计算机仿真技术在教学实训中的应用研究与实践》[J].《商场现代化》，2007(21).

[3] 白锐，张健《计算机仿真技术在自动化专业教学过程中的应用研究》《中国现代教育装备》 2012(21).

作者简介：

赵丽霞，讲师，辽宁理工学院，研究方向：计算机、电子商务方向;金伟，实验师，渤海大学，研究方向：计算机。