文福安教授（左二）組織召開虛擬實(shí)驗(yàn)科研工作會議



高頻電子線路課程—電感反饋振蕩電路實(shí)驗(yàn)

        近幾年，隨著高校不斷擴(kuò)招、實(shí)驗(yàn)教學(xué)壓力不斷增加，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的弊端逐漸顯現(xiàn)出來。首先，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要依賴昂貴的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，前期投入大、后期維護(hù)費(fèi)用高，實(shí)驗(yàn)開展受時(shí)間、空間、人力、物力等條件限制；其次，教師指導(dǎo)難以到位，有限的教師很難在有限的時(shí)間內(nèi)顧及到每個(gè)學(xué)生，設(shè)計(jì)性和探究性較強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)更是很難開展；最后，教學(xué)目標(biāo)難以落實(shí)，目前學(xué)生主要依據(jù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書進(jìn)行驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，有些實(shí)驗(yàn)操作訓(xùn)練不足，學(xué)生動手能力、設(shè)計(jì)能力和創(chuàng)新能力很難得到提高。
        針對傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的成本高、教學(xué)方法單一、知識學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)動手操作相互分離、學(xué)生缺乏主動性和創(chuàng)造性等問題，北京郵電大學(xué)文福安教授提出了開放式虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的解決方案。在國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目的支持下，北京郵電大學(xué)和北京潤尼爾網(wǎng)絡(luò)科技有限公司通力合作，開發(fā)出了能夠配合教學(xué)并在網(wǎng)上開展的基于B/S架構(gòu)的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，對我國實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革具有重要意義。

        分工有序 各司其責(zé)

        虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)是一種運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)模擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)的計(jì)算機(jī)教學(xué)軟件。它采用多媒體技術(shù)在計(jì)算機(jī)上建立虛擬實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，提供分立的可自主操作的虛擬實(shí)驗(yàn)儀器，使學(xué)生在互聯(lián)網(wǎng)上通過接近現(xiàn)實(shí)的人機(jī)交互界面完成實(shí)驗(yàn)，同時(shí)提供網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的一體化管理功能。
        文福安介紹說：“虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)分為虛擬實(shí)驗(yàn)平臺、虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理、輔助教學(xué)三個(gè)部分，可以支持跨學(xué)科的多門課程。通過這個(gè)系統(tǒng)，學(xué)生既可以動手操作實(shí)驗(yàn)，也可以學(xué)習(xí)相關(guān)理論知識，還能方便地與教師、同學(xué)交流。系統(tǒng)對學(xué)生的學(xué)習(xí)過程提供引導(dǎo)、控制、管理和幫助?！?BR>        那么，學(xué)生在學(xué)習(xí)中具體是怎樣操作的呢？文福安給我們做了演示。學(xué)生點(diǎn)擊某實(shí)驗(yàn)任務(wù)，就會出現(xiàn)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)要求和報(bào)告表格。學(xué)生可以在器材欄中選擇實(shí)驗(yàn)需要的器材和設(shè)備，自己動手連接、調(diào)節(jié)，使用它們在實(shí)驗(yàn)區(qū)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。文福安比喻說：“虛擬實(shí)驗(yàn)室就像一個(gè)沒有圍墻的現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室?！背龑?shí)驗(yàn)任務(wù)外，系統(tǒng)允許學(xué)生根據(jù)平臺上提供的器材自由搭建任意合理的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，這一點(diǎn)是其區(qū)別于一般實(shí)驗(yàn)教學(xué)課件的重要特征。
        文福安還介紹說：“在實(shí)驗(yàn)之前，學(xué)生可以先學(xué)習(xí)與本次實(shí)驗(yàn)相關(guān)的預(yù)備知識，實(shí)驗(yàn)過程中如果遇到困難可以看指導(dǎo)、看課件或者問老師，實(shí)驗(yàn)完成后提交實(shí)驗(yàn)結(jié)果和報(bào)告，實(shí)驗(yàn)后還可以進(jìn)行復(fù)習(xí)。教師負(fù)責(zé)搭建典型實(shí)驗(yàn)或調(diào)取實(shí)驗(yàn)案例，給學(xué)生制定預(yù)習(xí)計(jì)劃、布置實(shí)驗(yàn)任務(wù)，提供實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)和幫助，在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后查看學(xué)生的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對實(shí)驗(yàn)報(bào)告進(jìn)行批改，給出實(shí)驗(yàn)成績和評價(jià)?！?BR>        要開展虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)，還需要網(wǎng)上實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理功能。在文福安及其團(tuán)隊(duì)開發(fā)的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理系統(tǒng)中，老師和學(xué)生可以通過答疑交流系統(tǒng)，采用語言、文字和圖形圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)的或非實(shí)時(shí)的互動交流。教師從中可以得到及時(shí)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)反饋信息，以便調(diào)整實(shí)驗(yàn)教學(xué)的進(jìn)度和深度。與國際上同類學(xué)科的仿真軟件相比，虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)具有面向教學(xué)、易于管理等特點(diǎn)。

        突破關(guān)鍵技術(shù) 成功應(yīng)用推廣

        面對虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)取得的成功，文福安及其團(tuán)隊(duì)的每一個(gè)人心里都很欣慰，可是在成功背后，他們付出的艱辛是常人想象不到的。他說：“想要做出一套能夠模擬接近現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，那么虛擬的實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備的物理特性就必須與現(xiàn)實(shí)的器材相一致，同時(shí)還要具備很強(qiáng)的交互性、實(shí)時(shí)反饋特性以及較高的智能化特性。”突破這些關(guān)鍵技術(shù)是不小的挑戰(zhàn)。
        文福安說：“構(gòu)建這套虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)需要運(yùn)用到的關(guān)鍵技術(shù)包括：仿真技術(shù)、Web應(yīng)用技術(shù)、設(shè)計(jì)模式和圖形繪制的優(yōu)化，虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)對其中任何一種技術(shù)都要求精益求精?！?BR>        虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在應(yīng)用推廣上可謂是捷報(bào)頻傳，而北郵自然就是文福安的第一塊“試驗(yàn)田”。2006年底，在北郵網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院河南工程碩士班進(jìn)行了應(yīng)用，86名學(xué)生參加了首次教學(xué)體驗(yàn)，取得了理想效果，推廣第一站完美收官。2008年秋季學(xué)期在北郵網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院“計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)”、“Linux操作系統(tǒng)”等多門課程上成功應(yīng)用；2009年秋季學(xué)期在大連理工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院“電路分析”等課程應(yīng)用中贏得贊賞。

        目前虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)支持的課程已經(jīng)涵蓋了計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、Linux操作系統(tǒng)、模擬電路、電路分析、高頻電子線路、數(shù)字電路、信號與系統(tǒng)、通信原理等多門課程。使用虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的教學(xué)站點(diǎn)多達(dá)264個(gè)，覆蓋了北京、石家莊、大連、上海、廣州和貴州、廣西、山西等地的多個(gè)城市。系統(tǒng)應(yīng)用于北京郵電大學(xué)、大連理工大學(xué)、中國石油大學(xué)、武漢理工大學(xué)、解放軍理工大學(xué)等20余所院校。文福安及其研究團(tuán)隊(duì)也獲得多項(xiàng)獎勵證書，《科技日報(bào)》、《科學(xué)中國人》等媒體紛紛對此進(jìn)行了專題報(bào)道。

        完善技術(shù) 推進(jìn)教育創(chuàng)新下一浪潮

        實(shí)踐教學(xué)是國家實(shí)施素質(zhì)教育和高等教育質(zhì)量工程、全面提高教育質(zhì)量的重要內(nèi)容。《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010—2020年）》中提到要在2010年至2020年間加快教育信息化進(jìn)程，加強(qiáng)優(yōu)質(zhì)教育資源開發(fā)與應(yīng)用，加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源體系建設(shè)，引進(jìn)國際優(yōu)質(zhì)化數(shù)字教學(xué)資源，開放網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)課程，建立數(shù)字圖書館和虛擬實(shí)驗(yàn)室的規(guī)劃。虛擬實(shí)教學(xué)也已經(jīng)得到了全國實(shí)驗(yàn)室建設(shè)指導(dǎo)委員會等相關(guān)單位的高度重視。2008年，“虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用推廣示范”項(xiàng)目被確定為“十一五”國家科技支撐計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目。
        盡管虛擬實(shí)驗(yàn)室的發(fā)展得到了國家相關(guān)措施的支持，在各地推廣中也取得了相當(dāng)不錯(cuò)的成績，但文福安教授認(rèn)為當(dāng)前虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)仍然存在有待進(jìn)一步完善的地方，并指出如何在教學(xué)中更好地發(fā)揮虛擬實(shí)驗(yàn)的作用、如何把實(shí)驗(yàn)動手和知識學(xué)習(xí)有機(jī)融合、如何增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和信心、如何將實(shí)驗(yàn)教育和實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合、如何減少教師和管理人員的工作量、如何通過信息技術(shù)規(guī)范實(shí)驗(yàn)教學(xué)的管理等問題將逐步研究并解決，實(shí)驗(yàn)增強(qiáng)的教學(xué)環(huán)境將是團(tuán)隊(duì)下一步的研究方向。
        開放式的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)突破了時(shí)間、空間和設(shè)備數(shù)量的限制，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新意識、創(chuàng)新能力和動手操作能力；同時(shí)還具有實(shí)驗(yàn)過程中易獲得相關(guān)學(xué)科知識，實(shí)驗(yàn)結(jié)果便于保存，實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程容易控制，實(shí)驗(yàn)教學(xué)指導(dǎo)更有效、容易與其他教學(xué)相結(jié)合等優(yōu)勢。文福安激動地說：“這將會是教育創(chuàng)新的下一個(gè)浪潮?！碧崞饘μ摂M實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)未來的展望，文福安希望學(xué)生進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室的門檻更低、得到的指導(dǎo)更快捷；期待未來實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理更加規(guī)范，實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果評價(jià)更加科學(xué)。
        在文福安心中還有一個(gè)遠(yuǎn)大的設(shè)想，那就是攜手各大高校共同探討實(shí)驗(yàn)教學(xué)新模式，他希望在學(xué)校精品課程建設(shè)中把虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)作為“利器”，把虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)的方法作為實(shí)踐教學(xué)教改項(xiàng)目的基礎(chǔ)，在開放實(shí)驗(yàn)室建設(shè)中采用先進(jìn)的Web信息管理技術(shù)，提升管理水平；在國家級、省級示范中心建設(shè)和重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)中采用虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)完善實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，共同協(xié)作，快速推進(jìn)高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革。