虚拟实验教学系统介绍

实践教学是国家实施“素质教育”和高等教育“质量工程”,全面提高教育质量的重要内容。实验教学是高等院校培养高素质合格人才的重要实践性环节,它是学生巩固和加深对理论知识的理解,锻炼在实践中发现问题、分析问题和解决问题的能力。虚拟实验教学在培养学生的实践能力、研究能力、创新能力和综合素质等方面有着其他教学环节所不能替代的独特作用。目前,虚拟实验教学已经得到了全国实验室建设指导委员会等相关部门的高度重视。

虚拟实验教学系统及课程系列是北京邮电大学网络教育技术研究所在国家科技攻关项目研究成果的基础上,为解决网络教育实验教学难题,研发的一套可在网上开展的基于B/S架构的虚拟实验教学软件产品。多年实验教学应用表明,该产品为培养学生的创新意识,提高实际动手能力和设计能力,提供了新的教学手段和模式。

虚拟实验教学系统登陆界面

﹡虚拟实验教学环境﹡

虚拟实验教学系统可构建在高校校园网络之上,成为高校网络教学资源的一部分。虚拟实验教学系统属于教学系统的一个子系统。如下图所示:

﹡虚拟实验教学系统的网络结构﹡

虚拟实验教学系统支持用户开展远程实验和本地实验,其原理就是利用远程网络,将本地或异地的不同实验用户与虚拟实验室连结起来,共享一个虚拟的实验空间,所有用户通过网络对相同或不同的实验科目进行实际操作,从而实现实验教学和管理的目的。如下图所示:

﹡系统构成和功能﹡

1、虚拟实验平台

虚拟实验平台与真实实验台一样,能供学生自己动手配置、连接、调节和使用实验仪器设备进行实验。通过该平台,教师既可搭建典型实验或调取实验案例,方便地向学生布置实验任务,还可在实验结束后查看学生的实验结果,给出实验成绩和评价。平台为自由搭建任意合理的实验模型提供了可能,能满足教师对各层次实验教学的需求。学生既可通过该平台动手操作,又可自主设计实验,有利于培养创新意识和能力。

2、实验教学管理

系统面向学生、教师和管理员三种角色实现教学管理。

学生学习管理:个人身份认证、选择实验、开展实验、接受实验指导、在线提交实验报告、保存和提交实验结果、查询实验成绩和批语。

教师教学管理:典型实验、新建实验、发布实验、布置实验、批改实验报告、实验评价、统计并发布学生的实验成绩和批语。

实验管理员管理:系统账号与分组管理、权限管理、课程管理、系统审计、系统维护等。

3、仪器设备管理

对实验教学所需要的各种元器件和仪器(设备)进行管理和维护。元器件和仪器(设备)均按一定比例的彩色图形方式直观呈现出来,图形外观与真实的元器件和仪器(设备)相似。实验操作时可方便地调节各种按钮,选择不同的实验参数,同时,可清晰地观察到实验仪器输出的变化图形,方便学生开展实验时灵活地进行选择。

4、实验过程指导

学生在实验过程中遇到困惑或疑难问题时,教师通过系统为其提供实验平台操作帮助和实验过程演示指导;系统以电子文件形式提供实验介绍、实验方法、实验重点、实验难点、实验目的、实验原理、实验准备、实验过程、实验报告的要求及实验应注意的事项等内容的帮助。

5、实验答疑与交流

教师和学生通过教学论坛进行互动交流,学生可将实验中的经验、教训、收获和问题在论坛上发布,教师可将实验中的不足提出来,师生共同探讨。教师从中可以得到及时的实验教学反馈信息,以便调整实验教学的进度和深度。学生也可从中吸收别人的经验,快速提高自己的能力。

6、实验结果评价

系统对学生提交的实验结果进行智能批改,自动给出实验成绩。教师根据学生提交的实验结果和实验报告,给出实验成绩和评价,反馈给学生并输出成电子表格上报教务管理部门。学生可查询自己以往的实验成绩和评价,教师可查询全部学生历次的实验成绩。

7、实验课程资源

基于虚拟实验平台目前可提供《计算机网络》、《计算机通信网》、《Linux操作系统》、《数字电路》、《电路分析》等课程共54个典型实验,其中“计算机网络和Linux操作系统”实验36个,“数字电路”实验8个,“电路分析”实验10个。实验资源库正在不断增加和完善中。

8、实验教学光盘

实验教学光盘主要向学生提供实验课程教学中常用的学习资源,资源内容都是从课程资源库中优选而来,其目的是便于学生的离线学习,既可以节省学生的上网费用,还能缓解学校教学服务器和租用网络带宽的压力。教学光盘的资源还可从教学网站上动态更新。

学生还可以借助教学光盘,在网络故障和不便于使用网络时,完成实验操作和学习。教学光盘可实现作业和实验更新,离线完成的实验结果和实验报告均可通过网络进行上传提交。

教学光盘图帖

虚拟实验教学光盘典型实验


﹡虚拟实验教学流程﹡

虚拟实验教学流程图

1)实验管理员:对实验课程进行添加,并对参与实验的学生班级进行设置。实验管理员可查看参与实验教学的教师和学生班级,也可进行修改或删除。具体操作如下图所示:

实验管理员登陆后的界面

课程管理:添加实验课程界面

课程管理:设置实验课学生班级

2)教  师:根据教学计划,可新建实验或从实验资源库调取典型实验,对参与实验的学生班级进行实验安排。实验过程中,对学生提交实验情况进行检查和督促。实验时间截止,对学生提交的实验报告和实验结果进行批改,并将实验成绩进行统计并发布。如下图所示:

教学管理:添加实验安排

教学管理:教师新建典型实验

教学管理:发布实验成绩

教学管理:教师批改实验

3)学  生:根据实验教学安排和要求,进入虚拟实验平台,进行自主实验操作。实验过程中,可寻求系统的帮助和教师的指导。实验完成后,保存实验结果,填写实验报告并在线进行提交。在教师对实验报告批改完并发布后,学生可查看自己的实验成绩和教师给出的评语。如下图所示:

学生登陆后的实验任务

学生在线提交实验结果

学生在实验平台进行自主实验

4)实验结束后,教师和学生可通过教学论坛,对实验过程中的遇到的疑难问题、经验教训和实验体会进行交流,以达到学习提高的目的。

学生通过系统向教师发送个人消息

虚拟实验教学论坛

﹡系统性能和运行环境﹡

单台普通服务器可支持5000个注册用户使用或300个并发实验用户,经过测试和试用,系统运行稳定,完全能够满足实验教学的需要。

★服务器端运行环境:

操作系统:Windows NT/2000/XP系列,Linux/Unix

WEB服务器:tomcat5.5JDK 1.5;数据库:derby(内嵌)。

   客户端运行环境:

操作系统:Windows NT/2000/XP 系列。

﹡系统主要特点﹡

虚拟实验系统的主要特点:一是实验突破了时间地点和设备数量的限制;二是加强学生创新意识和创新能力的培养(学生可放心大胆地做实验,自由度更大);三是实验过程中更容易获得相关知识;四是实验结果更容易保存;五是实验教学过程更容易控制;六是实验教学的指导效率得到提高;七是实验教学更容易与网络教学结合;八是实验成本更低。

﹡系统适用对象﹡

虚拟实验系统及系列课程软件分为单机版和网络版两种。单机版不受网络限制,可用于课堂演示与学生自学,还可升级软件和资源,完成部分作业;网络版提供全部的虚拟实验过程管理,学生上网既可以做实验,又可以方便的与教师交流。

系统软件面向的单位用户主要是高等院校、中专和职业技能培训机构;个人用户面向计算机网络、电子电路类课程教学和科研相关的教师、学生、实验管理人员或工程技术人员。

﹡虚拟实验教学系统的应用﹡

网络虚拟实验系统及课程系列《计算机网络》、《计算机通信网》、《Linux操作系统》、《数字电路》、《电路分析》目前已在北京邮电大学、华北电力大学、江西理工大学、山东科技大学、大连广播电视大学、大连理工大学、解放军理工大学等高等院校得到了推广应用,取得了良好的实验教学效果。

北京邮电大学网络教育学院(以下简称网院)开办的现代远程教育,在全国27个省(市、区)建有28个远程教育校外学习中心。网院的学生具有人员数量多,分布区域广,大多在职,基础不齐,以自学为主等特点,这就决定了网络教育实验教学不能像全日制大学那样建立实验室并集中进行实际动手实验,并难以得到老师的随时指导等问题。当务之急就是要采取行之有效的措施来解决学生实际动手能力欠缺的问题。

网院采用由北京邮电大学网络教育技术研究所研发的“网络虚拟实验教学系统及系列课程软件”后,远程教学的实验难题得以破解,同时还把虚拟实验融入到远程教育资源建设中,取得了较好的效果。由上官右黎教授负责开发的《电路分析》和文福安教授负责开发的《计算机通信网》网络课程,均采用该“虚拟实验教学系统”作为实验教学手段,分获2007年和2008年国家网络教育精品课程。

网院运用虚拟实验系统进行实验教学,首先于200611月~12月在学院开设的河南工程硕士班中进行试用,参与实验的学生86名,根据实验教学计划,分别开设了4个内容的实验操作:(1Linux的网卡配置实验;(2FTP服务器配置实验;(3DNS服务与配置实验;(4HTTP服务与配置实验。本次实验取得了较好的教学实验效果。

在总结实验教学的基础上,2008春季学期网院又面向71个教学班,1351名学生,运用虚拟实验开设4门课程推广教学实验。其中,《计算机网络》安排了2个必做实验,1个选做实验,实际参与实验学生213名;《计算机通信网》安排了2个必做实验,5个选做实验,实际参与实验学生466名;《Linux操作系统》安排了5个必做实验,实际参与实验学生38名;《电路与信号》安排了1个必做实验,实际参与实验学生91名。具体操作如下图所示:

网院《计算机网络》教学试验安排

网院《计算机通信网》教学实验安排

网院《Linux操作系统》教学试验安排

网院开展虚拟实验教学的站点

网院学生提交虚拟实验结果

网院教学班级实验成绩统计

北邮网院虚拟实验教学论坛交流界面

网院的师生运用“虚拟实验系统”进行实验教学后,给予了高度的评价,主要有以下三个方面:首先,感到与学生之间的距离拉近了,交流多了,学生的实验学习情况掌握更加准确,便于在教学中做到有的放矢;其次,提高了实验教学管理水平,系统自动记录学生参加实验的内容和历次实验成绩,为综合评价学生的学习提供依据;最后,减轻了教师的工作量,避免了以往大量的事务性工作,利于教师集中精力解决学生在学习中的难点和重点。