大数据在虚拟仿真实验教学中的应用

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摘要：摘 要：随着网络信息技术的发展，虚拟仿真技术开始应用于各行各业，伴随着虚拟仿真技术的不断提高，应用成本逐渐降低，虚拟仿真实验教学为高校培养高素质人才提供了重要途径。文章主要探讨大数据库依托下的虚拟仿真实验教学改进方法。首先描述了虚拟仿真实验

　　摘 要：随着网络信息技术的发展，虚拟仿真技术开始应用于各行各业，伴随着虚拟仿真技术的不断提高，应用成本逐渐降低，虚拟仿真实验教学为高校培养高素质人才提供了重要途径。文章主要探讨大数据库依托下的虚拟仿真实验教学改进方法。首先描述了虚拟仿真实验教学的特点和教学过程中出现的主要问题，然后分析了大数据处理技术的潜在价值，详细阐述了大数据在虚拟仿真實验教学中的应用，最后提出了大数据应用虚拟仿真实验课程改革中面对的挑战和应对策略。应用大数据技术的虚拟仿真实验教学能有效提高整体教学效果，有利于为社会培养创新型人才。

　　关键词：虚拟仿真实验;大数据;实验教学

　　为提高高等教育综合实力和国际竞争力，我国自2015年开始实施“双一流”教育政策，目的是在21世纪中叶建成高等教育强国，具体体现在提高教学质量，培养高素质人才，加快高等教育发展，实现教学管理现代化等方面。在深化人才培养过程中，虚拟仿真教学成为了教学改革的热点之一。2013年8月，教育部开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作，充分体现了虚拟仿真教学在高校实践教学体系中的重要地位[1]。为了更好地发挥虚拟仿真实验的优点，本文提出将当下十分热门的大数据分析技术应用到虚拟仿真实验中，以大数据资源为核心，大数据理念为引导，充分挖掘和释放实验中数据资源的潜在价值，完善教育体系，使学生更快速、更有效、更准确地掌握实验知识。

　　一、虚拟仿真实验教学的特点

　　传统理论教学和实验教学一般采用面授形式，教学方式较为单一，实验经费有限，实验设施更新缓慢，学生的自学空间狭小，学生学习积极性不高，已严重影响了学习效果。随着网络信息技术的发展，虚拟仿真技术开始逐步应用于各行各业，应用成本不断降低，为提高高校教学质量，高效培养高素质人才提供了新手段。虚拟仿真实验教学是指利用虚拟现实技术和多媒体技术等多种技术手段，模拟各种实验教学环节，学生可以在虚拟实验环境中自主探索完成实验，能够有效地解决高校实验设备资源有限的问题。此外，学生可以通过设置不同参数模拟各种工况开展实验，进一步自行探索，学生学习积极性提高，学习效果得到提升。虚拟仿真实验教学方法符合我国注重培养创新型人才的要求，为高校实验教学提供新手段。虚拟仿真实验具有以下几个特点：

　　(一)提高高校教学质量，完善课程教学资源

　　随着虚拟仿真技术的迅猛发展和普遍应用，高校虚拟仿真实验室建设得到了国家、各大高校的高度重视，通过近几年的建设已经取得了大量卓越的成果。虚拟仿真实验教学中，学生可以在虚拟环境中多次模拟实验过程，自主探索，然后再进行实物操作，虚实结合，高校能够有效地提高实验教学质量。此外，虚拟仿真实验教学充分整合了多种信息化的先进实验教学资源，扩充课程教学资源。许多高校开展了多种多样的虚拟仿真实验，随着各高校对虚拟仿真实验的重视，越来越多的学科都融入了虚拟仿真实验教学项目，其中一些高校开展了与土木工程专业紧密相关的虚拟仿真实验，如中南大学的土木工程结构分析与设计虚拟仿真实验平台、同济大学的基坑施工及性态虚拟仿真实验平台以及北京工业大学的钢筋混凝土简支梁正截面虚拟仿真实验平台，图1为北京工业大学土木工程国家级虚拟仿真实验室。

　　(二)提升学生学习效果

　　传统的教学实验内容一般是固定的验证性实验，学生只需机械地按照参考步骤进行实验，限制了学生思维散发及创新。虚拟仿真实验教学中，学生可以自主设计实验形式与步骤，调节各种参数进行对比，激发了学生的学习自主性、创新性、实践性，并且能够更加深刻地理解实验内容和原理。此外，虚拟仿真实验教学使教师队伍的教学能力提高，丰富了教学内容与形式，增加了实验的趣味性，创造了教师与学生积极互动的氛围，提升了学生的学习效果，为了研究虚拟仿真实验的教学效果，作者将北京工业大学土木工程专业60名学生分为两组：A组和B组，每组30人，分别采用两种不同的教学方式进行混凝土正截面受弯承载力实验授课，其中A组采用虚拟仿真实验教学，B组采用传统实验教学，然后进行实验小测试并统计分数，满分为100分，图2、图3为两组考核成绩结果。如图2、图3所示，A组成绩在90分以上的人数比B组多7人，80分以上人数比B组多6人，由此看出，使用虚拟仿真实验教学方法，学生对实验的掌握程度更好更全面，知识点的记忆更深刻。虚拟仿真实验教学方法能够提升学生学习效果，培养了学生的创新精神、思考能力、实践能力与自主学习能力。

　　(三)打破教学条件约束，减少教学成本

　　利用虚拟仿真实验教学方法，可以有效解决学生在传统实验过程中出现的实验分组人数过多、实验周期过长、效率低下的问题，学生们可以同时登录系统，自主高效地完成实验，学生参与度高，有效地避免了传统实验过程中出现的只有个别学生动手参与实验的问题。其次，一些高污染高消耗高成本高风险的实验，因传统教学实验的教学条件有限而无法实现，虚拟仿真教学可以轻易打破这些约束条件，充分体现其优势。此外，传统实验教学的实验试件大部分是教师提前准备好的，学生无法感受其制作过程，虚拟仿真实验教学方法可以有效解决此问题，学生可以在虚拟环境中自行操作完成实验试块的制作，无形中提高了学生的实践动手能力，因此虚拟仿真实验教学对于提高学生实验参与度，低成本完成多种土木工程经典实验发挥了巨大作用。图4为钢筋混凝土简支梁正截面受弯承载力虚拟仿真实验教学示意图，学生参与度高，积极性强，且实验周期短，学生们均能同时参与实验，能够使用最小的成本得到良好的教学效果。图5是钢筋混凝土简支梁正截面受弯承载力传统实验教学示意图，学生需分组分批进入实验室，且每组只需按照教师指定的步骤操作完成实验，得出数据，学生无法探索创新，限制了学生思维活跃性，学生积极性不高，试件数目有限且每组实验都要破坏一个试件，成本大，教学效果一般。

　　二、目前虚拟仿真实验现状及存在的主要问题

　　随着网络信息时代的迅速发展，虚拟仿真实验教学为高校培养土木工程专业创新型人才提供了新渠道，学校充分利用虚拟仿真实验平台，结合原有的实验教学条件，提高了实验教学质量。但通过长时间开展虚拟仿真的教学经验来看，虚拟仿真教学仍存在诸多问题，比如：

　　(一)数据资源库有待进一步丰富

　　尽管许多高校都开展了虚拟仿真实验教学平台建设，但各高校虚拟仿真实验教学建设与教学都是自主的，彼此之间缺乏交流沟通，没有统一的标准与规则，资源共享性差，造成了极大的资源浪费。此外，数据库资源主要来自于开发厂家与任课教师，数据信息有待丰富，数据来源有待扩宽。目前虚拟仿真实验平台实验资源库的资源内容、资源库来源相对单一，这就造成虚拟仿真实验教学内容的订制与设计不能满足不同层次不同专业的教学目标要求[2]。

　　(二)部分高校与教师对虚拟仿真认识不足，观念保守

　　土木类专业教师的虚拟仿真技术开发能力、网络多媒体技术水平是影响虚拟仿真实验教学平台建设水平的一个主要因素[3]。虚拟仿真实验教学平台的开发大多由高校与校外企业合作完成，企业对教学了解不足，如果教师对于平台建设参与度不够的话，开发的实验平台适用性必定会受到影响，学生的使用感受和学习效果也会受到影响，但仍有部分教师不适应新型教育手段改革，对虚拟仿真认识不足，平台开发参与度不高，教师们普遍不适应教学方式的转变。

　　(三)实验项目有限，且内容单一

　　目前虚拟仿真教学资源的建设主要是针对虚拟仿真软件、硬件、数据及平台的建设，但一些高校受基础设施条件约束，不具备开发建设能力，所以开展虚拟仿真实验教学的建设力度不够，进行的实验项目屈指可数，且实验内容与实验流程单一，大多是根据任课教师的想法设定，无法根据学生的想法灵活调整，缺少多元化。

　　三、大数据在虚拟仿真实验中的应用

　　虚拟仿真实验教学方式在完善教学机制，提升学生学习效果方面取得了显著成效。在大数据时代背景下，如何利用大数据处理技术得到更好的学习反馈，灵活调整教学方案，动态调整教学内容，有效提高仿真模拟教学效果成为了我们需要关注的关键问题。本文提出了大数据处理技术在虚拟仿真平台系统中对不同平台的应用，基于大数据分析的虚拟仿真实验系统结构图如图6所示。

　　(一)大数据在虚拟仿真实验数据库建设上的应用

　　大数据在教学资源平台建设上的应用主要体现在大数据的大量资源将极大扩充实验教学体系，在虚拟仿真实验平台中，所有数据都源于真实的实验记录，因此可以将各高校相应的实验数据都上传到同一个网络平台，进而拓宽实验类型及数据规模，搭建虚拟仿真实验平台的学校可以不断更新仿真实验中所需的数据，比如钢筋混凝土正截面受弯承载力实验，就可以通過大数据库不断更新钢筋尺寸、配筋率、荷载等级、应力应变曲线、破坏形态及裂缝开展过程等数据，图7为北京工业大学的钢筋混凝土简支梁正截面虚拟仿真实验界面示意图，图中的数据包括梁类型、破坏阶段、荷载-挠度曲线、荷载-应变曲线等，这些数据均可从数据库中提取，实验完成后实验数据也可共享到数据库中去。虚拟仿真技术、数据库技术和网络信息技术相结合，虚拟仿真实验项目数量逐渐增多，数据资源库逐渐完备，各个学科领域最新最前沿的知识将进入课堂，进入教学中去，共同搭建更加丰富、完整的虚拟仿真实验平台。

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