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在线虚拟仿真实训平台建设方案-虚拟仿真实验教学管理平台解决方案

发布时间:2023-05-30

编辑人:灵图互动

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虚拟仿真实训平台是基于虚拟仿真技术、多媒体技术、人机交互技术、网络通讯技术构建的虚拟仿真实验操作环境。

在线虚拟仿真实训平台将虚拟仿真技术与职业教育教学模式相融合,建立虚实结合的虚拟仿真实验教学资源和环境,具有物理真实感、环境真实感和行为真实感等特征,使学习者在开放、自主、交互的虚拟环境中模仿出真实工作程序、工作环境、技术指标和动作要求,特别是对于高危或极端环境、不可及或不可逆、高成本、高消耗的大型或综合性实验项目,可以达到真实实验不具备或难以实现的教学效果。

在线虚拟仿真实训平台建设方案由在线虚拟实训平台与虚拟仿真实验教学管理平台组成。

1. 在线虚拟仿真实训平台架构

虚拟仿真系统按照功能分为三种:桌面型VR系统、沉浸型VR系统和共享型VR系统。其中,桌面型VR系统利用计算机和工作站实现仿真,用户借助鼠标、键盘、屏幕就可于虚拟环境进行交互,由于VR系统沉浸感不足,只适用于简单、交互性不强的实验项目;沉浸型VR系统对硬件设备要求较高,需要使用传感器跟踪装置于虚拟环境进行交互,适用于复杂、交互性强的实验项目;共享型VR系统,用于不同物理位置的多用户或多虚拟环境通过网络相连,实现虚拟空间的共享、观察和操作。目前大多数高校开发的职业教育虚拟仿真实训平台设计使用的都是共享型VR系统。

在线虚拟仿真实训平台系统采用B/S体系,是一种融合数据(消息)交换、Web服务及SaaS等多项技术的虚拟实验管理平台,利用互联网环境完成异构体系下项目管理。

 

在线虚拟仿真实训平台建设内容

2. 在线虚拟仿真实训平台建设内容

2.1 在线虚拟仿真实训平台功能

在线虚拟仿真实训平台根据教学需求,主要由演示功能模块、互动功能模块、基于网络环境的自主学习模块及考核及教学质量评价模块组成。

2.1.1 演示功能

利用多媒体技术,再现教学内容、实验操作过程以及生产过程,使学习者在虚拟环境中能够看到实验项目或工作岗位相关的操作方式、操作步骤以及操作失误信息显示等等。课程实验一般由标准实验和综合设计实验组成,标准实验通常设计为演示型课件,使学生加深对教学内容的理解,充分熟悉实验操作程序,提高实践教学效果。综合设计实验设计为人机互动型课件(实战型),学习者根据需求自己进行实验方案设计,并进行实验操作。

2.1.2 互动功能

学生可以按照操作规范,借助键盘或鼠标等设备进行自主学习、对屏幕仿真实物设施进行操作和管理、下载和上传实验数据和实验报告、查看实验成绩等等;教师进行教学资源管理、实验项目设计、评阅学生实验报告等等。

2.1.3 基于网络环境的自主学习

为师生提供相对完整的实验学习支持服务,提供优质资源展示、专业及课程学习资源、实验项目内容及操作要求以及信息发布、实验报告上传、答疑触感等功能,学生可随时随地基于平台自由选择实验时间和实验内容,自主进行实验和学习、自主配置虚拟实验仪器设备、自由搭建实验器材开展实验,最大限度提高学生的工程素质。

2.1.4 考核及教学质量评价

通过教师上传资源的数量、实验项目推出、实验报告评阅、师生互动等对教师实践教学设计、实践教学组织和资源建设能力等考核评价;通过学生使用及实验完成情况、实验成绩记录以及师生互动情况等对学生进行学习效果评价。

在线虚拟仿真实训平台功能

2.2 在线虚拟仿真实训平台性能

2.2.1 科学性及适用性

综合分析实践教学在技能、训练、考核、学生自主练习以及学生技能培养等方面的需求,采用先进的开发理念、开发工具进行平台开发,使平台符合学生认知规律和技能训练规律,提高学生实训的主动性和积极性,增强实训效果。

2.2.2 可操作性及稳定性

模拟仿真实训平台中的实验课件分为演示型和人机交互型两种。模拟仿真实训平台必须实现指定功能,能够模拟和再现实验过程、生产过程以及生产装置操作过程,直观地看到环境或参数变化引起的变动。[8]平台操作应尽可能简单,学生可以熟练操作,运行过程中如果出现问题有提示信息指导学生排除故障继续进行实验,或自动终止。

2.2.3 理论与实践相结合

理论和生产实际相脱节是理工学科很多专业教学中普遍存在的现象,仿真平台设计应将基本原理与实际生产融为一体,使学习者可以在实验操作中用理论知识指导实验操作,也可以在实验过程中观察实验结果及结论,加深对理论知识的理解,更好地掌握实际设备的操作方法,弥补课堂教学的不足。

2.2.4 完整性、可扩展性及兼容性

实训平台展示的技能训练内容要涵盖专业及课程核心技能,且整合合理,可在不同的平台上正常运行。系统采用组件化、模块化设计模式,将功能分解为若干个独立的功能组件,根据实验要求以动态链接库形式对功能组件进行调用,便于系统功能的扩展和后续改进、升级和维护等。

2.2.5 具有开放的网络体系结构及容错功能

通过开放的网络体系结构,实现异构环境中客户机+服务器的多级调用。随着平台中实训教学资源的增加及多用户并发操作的发生,系统出错的概率增加,平台需要提供高质量用户接口及容错功能,避免并发操作或其他错误操作引起的系统错误发生。

2.3 虚拟仿真实训平台安全

安全性是指保护系统数据,防止非法用户进入系统进行非法操作,确保网络环境具有较高的安全性、可靠性和稳定性,保证教学资源、信息传输质量高且速度快,使学习者能够无障碍地、便捷地利用学习平台进行自主实验。本平台设计的安全控制机制:用户身份信息的保护,避免用户信息泄露;系统运行中数据保密,以防非法用户对系统数据信息的窃取和篡改;定期对数据信息进行备份,防止用户错误操作或系统异常终止运行导致数据丢失。

虚拟仿真实验教学管理平台

3. 虚拟仿真实验教学管理平台

根据在线虚拟仿真实训平台需求分析,虚拟仿真实验教学管理平台分为四个功能模块,分别是管理员功能模块、学生功能模块、教师功能模块及专家功能模块。

3.1 管理员功能模块

管理员拥有最高权限,负责各级用户权限分配、系统数据初始化、数据库维护、系统安全维护、系统基本信息数据的录入和维护、硬件环境及网络管理与维护等等。功能模块包括用户管理、班级管理、课程管理、课程审核、课程监控、计费及预约管理等。其中,(1)“用户管理”模块是对用户信息进行管理,包括新用户注册、用户权限管理等。用户登录系统时,需从“用户名”列表框中选择或输入用户名,在“角色”列表框中选择相应的角色,在“密码”文本框中输入密码,点击“登录”按钮,系统进行身份验证,此模块还可用于新用户注册;(2)“班级管理”模块负责对各专业分班情况进行管理,进行增加、删除、更改、查询等操作;(3)“课程管理”模块对专业信息、课程信息以及课程实验项目信息进行管理,进行增加、删除、更改、查询等操作;(4)“课程审核”模块负责接收并审核教师上传的实验课件以及学习资源;(5)“课程监控”模块监控课程资源上传、实验报告提交及批改、学生实验参与情况等等,发现问题及时反馈;(6)“计费与预约”模块,所有学生使用平台进行实验,必须预约,校外学生使用平台完成实验需按实验课时付费。

3.2 学生功能模块

主要包括课程学习、实战实验、实验报告、实验预约、答疑解惑等模块。学生登录平台后可以完成指定的实验、提交实验报告和在线学习,学生也可以根据个人兴趣或实验成绩反复进行实验操作。其中,“课程学习”模块,学习者可以下载课程学习资源、实训项目资源等进行自主学习,学生必须通过“课程学习”模块学习后,才能进入“实战实验”模块;“实战实验”模块,进入虚拟仿真实验环境完成实验,获得实践体验,训练学生实际操作能力;“实验报告”模块,学生填写和上传实验报告,查看实验成绩及教师批语;“实验预约”,学生实验前都需要进行实验预约;“答疑解惑”,实验过程中遇到问题与老师进行交流。

3.3 教师功能模块

主要包括学习资源管理、实验项目管理、预约管理、实验报告管理、成绩查看导出、答疑解惑等模块。

(1)“学习资源管理”模块,针对课程教学重难点以及实践需求建设资源,并根据教学需求进行资源的编制(添加)、更改、发布、查看阅读量等;(2)“实验项目管理”,此模块用于老师上传实验课件、实验项目和实验内容、实验操作步骤及要求,供学生实验时使用。根据教学内容将课程实验通常分为标准和综合设计型两类。标准实验是培养学生掌握基本原理、操作流程及工程应用的实验项目,强化学生对理论教学内容的理解和掌握,通常安全性、基础性、经典性的实验属于此类实验,设计为“演示型”课件。综合设计类实验是指将综合实验碎片化处理分解成多个独立的操作单元,学生进行实验方案设计、进行操作单元组合、选取实验参数等,此类实验培养学生创新能力,通常设计为“人机交互型”虚拟仿真课件;(3)“预约管理”模块,与学生端的“实验预约”模块对应,学生端发起请求,教师或者实验室管理工作人员响应、安排、发布预约结果等信息;(4)“实验报告管理”,教师查看学生提交的实验报告、批改实验报告、打分和写评语,教师打分提交后,学生可以在“课程实验”查看成绩及评语;(5)“成绩查看导出”模块,查看学生实验成绩并导出成绩单;(6)“答疑解惑”模块,回答学生提出的问题。

3.4 专家功能模块

对教师教学过程、学生学习过程以及系统运行等进行评价。通过教师上传资源的数量、实验项目推出、实验报告评阅、师生互动情况等,对教师实践教学设计、实践教学组织、资源建设能力等考核评价;通过学生实验平台使用及实验完成情况、实验成绩记录以及师生互动情况等,评价学生学习态度、动手能力和学习成果;通过系统运行平稳性、功能实现的即时性、实验过程人机交互性等对系统运行进行评价。

在线虚拟仿真实训平台建设方案旨在提供一个基于互联网的教育和培训平台,通过虚拟仿真技术为学习者提供实践操作和实训环境,不仅拓展了实验教学的广度及深度,而且解决了不同地域、不同专业传统实验教学的不足,实现理论教学与实践教学、课程教学与实习环节紧密结合,加深学生对理论知识的了解和掌握,既培养学生生产操作能力,提高了动手实际操作水平,也培养了学生在实验过程中的创新意识和科学严谨的作风,推动基于虚拟仿真环境的职业教育发展。

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