北邮虚拟仿真实验教学中心建设的思考与实践

北邮虚拟仿真实验教学中心建设的思考与实践信息技术发展与虚拟仿真实验教学中心建设研讨会-银川22北邮虚拟仿真实验教学中心建设的思考与实践VirtualExperiment,thecomingwaveofeducationalinnovation!虚拟仿真实验研究基础虚拟仿真实验教学构建实验教学管理平台实验教学资源集成共享虚拟仿真实验教学展望333北京邮电大学3北京邮电大学是国内最早开展远程教育试点的四所大学之一。1997年开始互联网应用于教育的研究。44北邮虚拟实验的第一次教学应用1stApplicationofVirtualExperimentSystemLinux的网卡配置实验FTP服务器配置实验DNS服务与配置实验HTTP服务与配置实验时间人员人数实验内容北邮网络教育学院河南工程硕士班86名学生2006年11月—12月55北邮开放式网上虚拟实验2007年底上线VirtualExperiment,thecomingwaveofeducationalinnovation!6科技部高度重视虚拟实验教学环境的研究与应用6国家“十一五”科技支撑计划项目“虚拟实验教学环境关键技术研究与应用示范“2012年8月22日在北京通过科技部、教育部组织的验收。•从理论学习到实验动手之间的跨越对学生来讲有一定难度虚拟仿真实验在教学中的地位【网络】虚拟仿真实验教学【实验室】实验教学【企业】实习【教室】课堂教学知识获取虚拟仿真实验有利于学生实现从知识学习到实验动手的跨越虚拟仿真实验教学模式创新建立“理论授课-虚拟实验-实验室教学”融合的实验教学体系999北邮电子信息虚拟仿真实验教学中心92013年第一批国家级虚拟仿真实验教学中心101010北邮信息与网络虚拟仿真实验教学中心102014年第二批国家级虚拟仿真实验教学中心1111北邮虚拟仿真实验教学中心建设的思考与实践VirtualExperiment,thecomingwaveofeducationalinnovation!虚拟仿真实验研究基础虚拟仿真实验教学构建实验教学管理平台1212高度重视虚拟仿真实验教学管理平台建设现有仿真软件安装比较复杂，学生使用不方便1缺乏配套的知识辅助学习和指导，指导教师的工作量大3虚拟仿真实验教学资源共享比较困难4实验室管理粗放，缺少虚实结合的全面信息化管理5北邮实验系统建设理念1)遵循“虚实结合、相互补充、能实不虚”的原则在实验教学设计中积极探索各种类型实验的优势互补，将动画模拟、虚拟仿真、远程实验和实物实验优化组合。•原理抽象概念通过动画模拟演示即可达到教学效果；•智能仪器及设备实验通过远程实验向学生开放；•基本型和综合型的实验通过实物现场实验提高学生动手实践能力；•设计型、不易实施的实验通过虚拟仿真实验完成。学生可以方便地修正、重组、查验和尝试，既满足了实验的灵活性和有效性的要求，又可极大地减少实验成本和资源消耗。标志性成果：学校用最低的成本达到预期的实验教学目标。北邮实验系统建设理念2)构建高度仿真的虚拟实验环境对实验系统进行对象建模，关注实验的本质呈现，而不仅仅是外观呈现。•把实验所需的设备、元件和环境直接交给学生和教师，允许自由搭建系统；•学生可以在实验平台上开展设计型、创新型实验；•教师可以根据本校学生的实际水平和教学目标设计实验，发挥教师具有实验教学经验的优势。标志性成果：学生的分析和设计能力有效提升。1515现有仿真系统存在的不足目前国内外大部分仿真系统系统安装比较复杂，学生使用不方便缺乏配套的实验教学管理，教师和管理人员使用不方便缺乏配套的知识辅助学习和指导，指导教师的工作量大3）构建虚实结合的流程化的虚拟仿真实验教学管理平台•注重操作细节，规范实验管理，基于开放式实验教学管理平台完成实验教学的全流程业务功能。•通过实验课程管理、实验教学设计、实验教学安排、实验前预习、实验过程指导、实验结果批改、实验成绩分析，实现对实验教学过程的全流程跟踪。•各类教学资源建设也进行流程管理。•基于网络的流程化管理有效促进各种类型实验的统一安排、优化组合，提高实验教学工作的效率和规范，为开放共享虚拟仿真实验资源奠定良好基础。标志性成果：学生可用最短的时间进入实验状态。北邮实验系统建设理念4）通过智能化技术减轻教师的工作量智能化的目的是为了提高学生的兴趣、减轻实验指导教师的工作量、提高实验教学的质量和效果。•在课前预习阶段，采用智能组卷技术对学生进行应知应会测试。•在实验过程中，采用人工智能技术，实现虚拟仿真实验的网上实时智能指导，根据实验过程中的问题，阶段性地对学生进行个性化的有效指导。•实验结束后，对学生的实验结果和实验报告进行自动化的辅助批改。•整个教学过程中，学生随时可以通过智能答疑系统答疑，学生可搜索常见问题、与教师实时互动或者向教师发送邮件。•实验管理者和教师可以对实验过程的数据进行详实的统计与分析，通过大数据挖掘，发现教学过程中的问题，改进实验教学。标志性成果：教师可用最少的时间有效开展实验。通过智能化技术减轻教师的工作量1818虚拟仿真实验教学管理与共享平台开放式虚拟仿真实验教学管理和共享平台是一个网上的多用户系统平台针对三类不同角色：学生、教师和管理员，提供了各种不同的功能开放式虚拟仿真实验教学管理和共享平台学生:可通过管理平台访问网上的所有实验教学资源、获取实验相关信息、进行课前预习、开展虚拟实验、预约实验设备、提交实验报告并与教师和其他学生交流。2020学生进入平台后的操作界面202121为学生提供的功能211.选课和预约（实验室开放）2.查看要学的实验课程（在线实验指导手册）3.预习（基础知识测评和虚拟仿真实验）4.根据教师的实验要求做实验（多种实验形式）5.提交实验结果和实验报告6.查看成绩（了解评价结果）7.答疑和交流（贯穿整个教学过程）开放式虚拟仿真实验教学管理和共享平台教师:可获取、创建或分享各类实验教学资源、安排实验、指导学生、对实验结果进行评价并及时与学生进行交流2323教师进入平台后的操作界面23查看实验课程表（明确教学任务）设计实验（实验教学创新设计与共享）编写理论测试题（应知应会测评标准）制定正确答案、批改规则、指导规则（验证性实验）制定实验报告模板，报告关键问题答案（验证性实验）安排实验和监控过程（虚实结合、网络化管理）批改仿真结果（计算机自动批改与教师人工批改结合）批改实验报告（计算机自动批改与教师人工批改结合）导出成绩单（一键式成绩单和教学数据分析）2424为教师提供的教学设计与管理功能24开放式虚拟仿真实验教学管理和共享平台管理人员:可对学生、教师进行管理、统计工作量和成果，为学生和教师开展实验教学提供保障。实验室的管理需要互联网+实验室管理员设备管理用户管理安全管理访问纪录审核在线监控系统数据备份实验报告管理27虚拟仿真实验教学管理平台的特色功能实验中指导实验报告实验批改实验评估实验前预习管理平台教学评估自动批改同步和异步答疑智能指导知识训练与测评28相关知识学习学生实验前可点播在线资源。系统自动记录学生查看的进度、耗时，以便教师参考；29相关知识测验实验前要求学生通过知识训练与测试，以便提高实验效果；30主要包括实时在线交流、问题库搜索、在线留言、短信通知等功能模块，旨在建立一个方便教师和学生的交流环境，快捷有效地帮助学习者解决在实验过程中所遇到的问题。在线交流与互动31虚拟实验智能指导系统虚拟实验智能指导系统：指导规则自动生成，用户可编辑指导信息32实验结果批改学生提交实验报告后，教师可以查看得分细节，可以在线批注和批改33实验报告管理实验报告管理系统：多媒体报告模板可在线编辑，可自动批改和在线批注，同时可导出实验报告，实验报告的管理更细致；北京邮电大学仪器平台校际互通建设3535开放式虚拟仿真实验教学管理和共享平台总结35虚拟实验和现场实验等多种实验教学方式纳入统一管理框架实验排课更灵活，可统一安排也允许学生自选课程和预约实验支持完整的实验教学过程，在实验前、实验中和实验后统一实施学生在实验前安排理论测试和虚拟仿真实验提高预习效果实验报告系统提供了防止抄袭及辅助评价的工具实验教学过程中为教师和管理人员提供便利的监控和督导手段通过网络为教师和学生之间的交流和沟通提供便利条件完整保存学生实验过程及结果的电子档案，以便进行效果分析通过自动化技术减轻教师指导和管理的工作量为各类虚拟仿真课程资源和智能仪器提供接口通过互联网共享贵重仪器和虚拟仿真实验教学资源36北邮虚拟仿真实验教学中心建设的思考与实践VirtualExperiment,thecomingwaveofeducationalinnovation!构建实验教学管理平台虚拟仿真实验研究基础虚拟仿真实验教学实验教学资源集成共享6类实验室常见的几种系统硬件实验系统远程实验系统智能仪器系统虚拟实验系统仿真实验系统监控传感系统虚拟仿真实验教学资源的多样性目前遇到的各类课程所需的虚拟仿真资源虚拟实验教学系统仿真实验教学软件Flash演示动画其他多媒体课件资源Applet、ActiveX、VRML、Flex等技术实现的虚拟实验插件自主构建系统可自主选择实验器材自由构建实验系统。系统是固定的固定实验系统不能灵活地连接配置系统；仿真层次越高，支撑的实验越灵活什么样的实验才是高度仿真？输入是固定的演示类(Flash/课件)输入参数不能调整；实验教学资源的集成方案4141虚拟实验教学设计与教学资源制作虚拟实验所支撑课程的教学设计；典型实验设计；实验指导书和实验报告设计；建立实验理论与操作知识题库；针对验证性实验，设计实验自动批改与智能指导规则；制作实验设备知识讲座、录像；制作典型实验的讲解视频课件；根据教学培养计划安排，进行虚拟实验教学设计，制作虚拟实验相关的教学资源，包含如下内容：（由教研中心完成）4242已经集成的虚拟仿真实验教学资源OWVLab工程Engineering语言Language旅游Tourism考古学Archaeology电子electronics管理Management生物Biology计算机Computer通信Communication心理学psychology434343模拟电路虚拟实验仿真系统器材栏实验区43444444各种常用的电工电子虚拟仪器和元件4445模拟电路实验器材模型电阻：57种常用阻值的电阻、1个可自定义阻值的电阻和1个滑动变阻器电容：9种常用电容值的电容和1个可自定义电容值的电容电感：2种常用电感值的电感和1个可自定义电感值的电感二极管：6种一般二极管和2种稳压管结型场效应管：2种JFET-NJF场效应管和2种JFET-PJF场效应管双极型晶体管：7种BJT-PNP晶体管和3种BJT-NPN晶体管仪器仪表：数字直流电流表、数字直流电压表、数字交流电流表、数字交流电压表、万用表、信号发生器、示波器、直流稳压电源、功率计集成运算放大器：μA741、OP37AJ、741三端稳压器：LM7805CT三端稳压器线性变压器：TS_PQ4_10变压器桥堆：1B4B42桥堆开关：单刀单掷开关、单刀双掷开关课程实验平台提供如下十三大类111种实验器材模型46OTL功率放大器47模拟电路典型实验二极管伏安特性的测量二极管桥式整流电路二极管限幅电路互补对称功率放大电路共射共基组合放大电路单管交流放大电路双极型晶体管主要参数的测量射极跟随器电路差分放大电路应用稳压二极管的双向限幅电路放大电路的频率特性—β及fβ测试放大电路的频率特性—共发射极放大电路的频率特性—共集极晶体管共射极单管放大电路测量三极管电流放大倍数（β值）稳压二极管特性测试结型场效应管放大电路结型场效应管放大电路—传输特性测量负反馈放大器—两级电压串联负反馈负反馈放大器—无内阻使用现有的器材模型系统提供如下38种典型实验：4848已经集成的虚拟仿真实验教学资源OWVLab工程Engineering语言Language旅游Tourism考古学Archaeo