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虚拟仿真教学资源开发标准-VR虚拟仿真课程建设原则

发布时间:2023-08-02

编辑人:灵图互动

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虚拟仿真实验教学平台通过虚拟现实等技术构建虚拟场景、实验条件、逼真操作对象与学习内容,以及灵活多样的交互环节,使得学生可随时随地在线模拟操作与自主学习。

虚拟仿真教学资源建设是虚拟仿真实验教学平台的核心,但目前所开发的虚拟仿真教学资源大多属于播放式和单线程,缺乏互动任意性、随机性及拓展性,不利于学生综合设计创新能力的培养;所以构建虚拟仿真教学资源建设标准和教学资源共享机制迫在眉睫。

虚拟仿真教学资源建设原则与标准主要从建立虚拟仿真教学资源统筹规划建设机制;坚持虚实结合、能实不虚建设原则;建立虚拟仿真教学资源分类标准;建立练习和考核两种工作模式;建立比例适当的标准化和综合设计实验;建立虚拟教学资源开发技术标准与建立虚拟仿真教学资源门槛准入标准等7个方面入手。

建立虚拟仿真教学资源统筹规划建设机制

1. 建立虚拟仿真教学资源统筹规划建设机制

虚拟仿真教学资源建设需要结合高校专业特色、学科分布、地区差异、技术储备、开发成本等因素,协调各中心有序、有步骤、分阶段建设。重点要解决以下几个方面的问题。

1.1 组织机构的建立

要成立一个具体部门,以有效协调各高校,统一规划建设。国家级实验教学示范中心、省级实验教学示范中心要成为其中的成员,每年定期开会,总结当年建设情况和规划下一年度建设任务。

1.2 项目管理方案的制定

项目建设任务确定后,由相关承担任务的中心负责组织撰写虚拟仿真教学资源脚本,评估项目预算与筹措建设经费,管理项目实施。所成立的组织机构将各个中心建设任务统一公告,以招标竞价的形式选取开发商,不仅可降低开发成本、选取高水平制作公司,还有利于高校获取项目知识产权。

1.3 权利与义务关系的确立

每个中心应支付自己负责开发项目的经费,并同时拥有其知识产权。所开发的实验项目应同意放到公共平台上开放共享,并根据共享程度、制作质量、开发成本等获取相应的报酬。

2. 坚持虚实结合、能实不虚建设原则

虚拟仿真实验教学尽管拥有众多优点,但也只能处于补充和辅助教学的地位。如果实体实验都用虚拟仿真实验代替,不仅会弱化学生对仪器设备的真实感受,还会造成学生眼高手低、大大降低实践动手能力的培养。应根据不同学科特点,建立与之相相适应的虚拟仿真教学项目。对于真实情况不具备或难以达到的教学效果,或涉及高危、极端环境不可及、不可逆的,或涉及到高成本、高消耗的教学内容,可考虑建设虚拟仿真实验教学实验室或设置实验项目等。

应充分体现虚实结合、相互补充、能实不虚、以虚促实的原则。特别是应将虚拟仿真实验教学平台建设和真实实验项目建设有机结合起来,使二者真正融合,使学生获得更多优质教学资源,有利于学生主动实验和自主学习。

3. 建立虚拟仿真教学资源分类标准

建立虚拟仿真教学资源分类标准,有利于教学资源统一规划建设,有利于教学资源开放共享。

3.1 按照文件属性划分

它包括静态模型和动画程序2个类型。

(1)静态模型是通过计算机软件对现实中的仪器设备、实验耗材、药品试剂等构建的模型,它是制作虚拟仿真实验项目的基本要素。

(2)动画程序是利用计算机软件依据某种逻辑关系,将静态模型赋予动作、实现人机交互的一段功能相对完整的可执行代码,它是可执行程序,是制作虚拟仿真实验项目的最终结果。

3.2 按照开发方式划分

它包括虚拟动画、虚拟仿真软件、软硬件交互程序3类。

(1)虚拟动画是利用动画开发软件通过一定流程、交互环节将静态模型连接起来的动画程序,如Flash动画。这类资源用鼠标、键盘即可操作,方便远程访问与共享。

(2)虚拟仿真软件是根据某种数学、物理模型建立的一种模拟算法程序,相对虚拟动画资源,它更侧重仿真、计算、模拟。这类资源大多由专业公司开发,受知识产权保护等限制,不利于开放共享。

(3)软硬件交互程序是通常借助硬件、传感模块等实现的软硬件交互功能的仿真程序。这类资源对硬件配置要求高,脱离硬件环境将无法完成仿真操作、人机交互。

3.3 按照内容展现形式分

它包括平面展示(2D)、立体展示(3D)和多维展示。

(1)平面展示是借助电脑屏或手机屏幕显示,通过鼠标、键盘、触摸键进行交互的展示方法。

(2)立体展示是通过立体投影系统、大型环幕或3D眼镜等技术实现内容展示,给人较强的沉浸感。

(3)多维展示是需借助数据手套、数据服、头盔显示器、位置跟踪定位装置、三维语音系统或触觉反馈系统等的特效功能展示。这类资源不仅给用户提供身临其境场景,也可提供温度、位置、力量等多参数反馈信息,比其他展示方法更逼真,效果也更好,但所需技术较多,开发更复杂。

建立虚拟仿真教学资源分类标准

4. 建立练习和考核两种工作模式

基于虚拟仿真教学资源,学生一方面可以自主在线学习、进行虚拟仿真模拟操作;另一方面,教师也可考核学生,评估学生对这方面知识掌握的程度,因此在虚拟仿真教学资源建设中,应确保其拥有练习和考核两种工作模式。

4.1 练习模式

所谓练习模式是指学生在指导或提醒条件下开展各种培训、实验操作或仿真测量,软件不会打分给出实验操作成绩,但基于后台管理可记录用户操作、在线时间等。

4.2 考试模式

所谓考试模式是指学生在规定时问内独立开展的各种培训、实验操作或仿真测量,在此期间不会有任何指导或提醒,结束后系统自动打分给出实验成绩,用户操作、在线时间也会被系统记录。

5. 建立比例适当的标准化和综合设计实验

目前所开发的虚拟仿真实验基本都是播放式和单线程,缺乏互动的任意性、随机性及拓展性,不利于培养学生的综合设计能力和创新能力,应加大综合设计实验项目的建设,提高建设比例。

5.1 标准化实验

所谓标准化实验是指用于培养学生掌握基本原理、操作流程及工程应用的一类实验项目。一般安全性、基础性、经典性的实验内容可以开发建成这类项目,它与实验录像结合,非常有利于实验教学。

5.2 综合设计性实验

所谓综合设计性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,学生需进行实验方案设计、实验参数选取,进而进行操作的一类虚拟仿真实验教学项目。它强调的更多是设计,而不仅仅是动手操作,因而它能让学生掌握更多创新的理论和技术,有利于培养学生综合设计能力和创新思维。

建立虚拟仿真教学资源开发技术标准

6. 建立虚拟仿真教学资源开发技术标准

6.1 模型制作与渲染程序选取

优先选择当前主流的模型开发程序3DsMax和Maya,二者在3D制作与构架理念是近似的,通常包括建模、贴图、动画、打光、材质、渲染、输出等过程。模型线数、面数、贴图、纹理处理决定模型真实度,它决定虚拟仿真教学资源建设周期及开发成本。

6.2 虚拟现实开发引擎选取

优先采用Unity3D作为虚拟现实开发引擎,它是由Unity Technologies公司开发的一个专业游戏引擎,是一种跨平台可视化的2D、3D开发引擎,它支持PC、Android、IOS、网页等平台,并提供多种接口运行脚本语言。

6.3 开发程序选取

为实现和控制实验流程、整合多媒体元素、实现交互环节设计等功能,可采用C#语言编写运行程序。C#是一种最新的、面向对象的编程语言,可以跨平台编写应用程序,Unity3D也支持C#编程。

6.4 资源性能要求

模型要逼真、优化,占用空间小;实验项目要保留源代码、工程文件和可执行文件,便于后期维护、升级;实验项目应涉及适当的交互环节,有决策判别、有设计考虑;能够在台式机、平板和手机上运行;方便整合到多种应用与管理平台上,有利于访问、共享。

7. 建立虚拟仿真教学资源门槛准入标准

虚拟仿真实验教学平台建设的核心是优质教学资源的共享,优质教学资源开放共享有利于调动学生学习热情,起到引领示范与辐射示范作用,为此需要建立教学资源门槛准入制度,只有高水平高质量教学资源才能建设、才能放到公共平台上开放共享。

优质高水平教学资源主要体现在2个方面,具有学科优势和专业特色。一些高校学科专业发展历史悠久且积淀深厚,由他们主导将可发挥其学科优势建设出高质量教学资源;一些高校拥有其他高校没有或不具备条件开设的学科专业,由这些单位主导将可建设有专业特色和地方特色的高质量教学资源。

这些虚拟仿真教学资源建成后,还应组织该领域教师和技术专家分别从专业知识层面、技术实施角度评估教学资源完成的质量与效果,只有达到要求的才能上线共享,否则要继续完善直到合格。

虚拟仿真教学资源建设原则与标准从技术、应用、管理等多个层面进行详细阐述,是建设优质虚拟仿真实验教学项目的重要保证,有利于学生获取知识、自主学习、主动实践能力的提升。

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