（教育技术学专业论文）网上金融虚拟实验系统的研究与实现.pdf

中文摘要 中文摘要 摘要：在远程教育的众多矛盾中，远程教学中的实践环节的薄弱无疑是一个很突 出的矛盾，远程教学中的实践环节面临着巨大的困境，已经引起有关方面的关注。 对于网上银行等金融类实践性课程来说，学生是没有办法，也几乎不可能在 真实的社会商业系统中进行课堂学习和实践，同时由于金融类系统和社会的相关 性，学生也不可能在集中的时间段内去完成实际上需要很长时间才能体验到的操 作实践，而这些实际的商业交易本身就是通过网络完成交易的，因此，对于网上 银行等金融类课程，更加适合于通过虚拟实验系统来进行实践环节的教学。 本研究基于远程教学中的实践环节的困境，从实际问题出发，致力于寻找解 决问题的方法和途径，并在实践中尝试去改善，解决远程教学中的实践、实验教 学环节的问题，以远程教育、教学中的相关理论为指导，对虚拟实验系统理论进 行了相关探索，提出了实验进度监控，实验现场保护、数据自动获取等虚拟实验 系统应具有的特点和对实验操作过程进行录制、回放和跟踪、重现的设想，并为 金融类相关课程提供了一个真实的可以实际使用的虚拟实验系统，在网上银行、 电子商务等金融实践教学方面进行了有利的探索。 关键词：虚拟实验系统；远程实验监控；网上银行；金融实验 分类号： 北京交通大学硕士论文 a b s t r a c t a b s t r a c t ：i nt h e 乜d u b l e sc o n f r o n t e db yd i s t a n c ee d u c a t i o n , t h ew e a k n e s si nt h e p r a c t i c eo f d i s t a n c ee d u c a t i o ni ss 咖岛w h i c hf a c e sh u g eh u r d l e s s oi td r a w sa t t e n t i o n o fr e l a t e da u t h o r i t i e s i ti si m p o s s i b l ef o rs t u d e n t st oh a v ea p r a c t i c a lo p e r a t i o no r p e r f o r mi nt h er e a le n l n m e r e e s y s t e mj u s tf o rt h es a k eo fs t u d y , e s p e c i a l l yf o rt h e p r a c t i c a l f i n a n c i a lc o u r s e ss u c ha st h ee b a n k i n g m e a n w h i l e , b e c a u s eo ft h e i n t e r r e l m i o nb e t w e e nf i n a n c i a ls y s t e ma n dt h es o c i e t y , t h es t u d e n t sc a nn o tf o c u so u e x p e r i e n c i n gt h ep r a c t i c a lo p e r a t i o ni nas h o r tt i m e ，w h i c ha c t u a l l yt a k e sal o n gt i m e b yt h ew a y , t h er e a l b u s i n e s st r a n s a c t i o ni sp e r f o r m e dv i an e t ，t h u st h ep r a c t i c ei n f i n a n c i a lc o u r s e ss u c ha se - b a n k i n gi sb e t t e rp e r f o r m e dv i at h ev i r t u a ll a bs y s t e m t h es t u d yi sb a s e do nt h ed i f f i c u l t i e si np r a c t i c eo f d i s t a n c ee d u c a t i o n i ti sf o c u s e d o nt h ew a y sa n ds o l u t i o n st ot h er e a lt r o u b l e sa n dt r i e st oi m p r o v et h es i t u a t i o ne x i s t e d b e t w e e nt h ep r a c t i c ea n dl a bi n s t r u c t i o no fd i s t a n c ee d u c a t i o n g u i d e d b yt h e i n t e r r e l a t e dt h e o r i e so fd i s t a n c ee d u c a t i o na n di t si n s t r u c t i o n , i te x p l o r e si n t ot h e t h e o r i e so fv i r t u a ll a bs y s t e ma n dp u tf o r w a r di n t r i m i cf e a t u r e so fv i r t u a ll a bs y s t e m s u c ha se x p e r i m e n t ss u p e r v i s i o n , o ns 嘲ep r o t e c t i o n a u t o m a t i n gt og e tt h ed a t aa n d i d e a si nt h ee x p e r i m e n t so p e r a t i o ns u c ha sr e c o r d i n g 打a c k i n ga n dr e l i v e a tt h es a m e t i m e , t h es t u d yo f f e r sar e a la n dv i r t u a ll a bs y s t e mw h i c hc a nb ep u ti l l t ou s ef o rt h e d e v e l o p m e n to fa s s o c i a t e df i n a n c i a lc o u p e sa n dd i dv a l u a b l ee x p l o r a t i o ni n t ot h e p r a c t i c a li n s t r u c t i o no f f i n a n c e ss u c ha se - b a n k i n ga n de - c o m m e r c e k e y w o r d s ：v i r t u a ll a bs y s t e m ；e x p e r i m e n ts u p e r v i s i o n ；e - b a n k ；e - f i n a n c i a l c l a s s n o ： 图目录 图3 - 1 系统功能图 图目录 图3 3 图3 _ 4 图3 - 5 图3 _ 6 图3 7 图3 - 8 1 7 1 8 图3 - 9 学生角色的业务流程图 图3 1 0 教师角色的业务流程图 图4 - l 数据库连接池示意图 图4 - 2 外汇数据的图形显示 图4 - 3 m v c 中的m o d e l 2 结构体系 图4 4 价格走势设定系统一 图4 1 5 k 线图 图4 - 6 关键价格 图4 - 7 基准结算价格走势图 图4 - 8 结算价格走势图 图4 - 9 开盘价走势图 3 8 4 4 4 7 5 1 5 2 ，5 4 5 5 图4 - 1 0 走势趋势图 图4 - 1 1 价格走势图 图4 - 1 2 价格走势设定模板 图4 - 1 3 期货交易界面一 图5 - 1 学生实验进度监控 l 京交通大学硕士论文 表目录 袭3 - ij 2 e ea n dd o t n e t 袭录屡技术对比表2 l 袭3 - 2 j 2 e e a n d d o t n e t 馥务层技米瓣魄表一2 l 袭3 0c g i 、p h p ，a s p 、j s p 性能眈较表2 3 袭3 4 网上银行功能模块设计 袭3 - 5 个人信息管理 表3 - 6 账户信息管理 袭3 0e c a r d 基本信息管理 袭3 - 8 期赞买卖 2 6 2 7 + ，2 7 袭3 3 0 订单管理3 2 表4 - 1 加密后的数据5 0 表4 矗芝加哥商品交易所( c m e ) 国际货币市场分部( i m m ) 英镑期货哭擞5 3 袭舢3 芝加哥商品交易所( c m e ) 国际货币市场分部( i m m ) 英镑期贷囊盘5 3 袭枣碡b r i t i s hp o u n d sf u t u r e s 5 3 袭审5 设定关键蓬5 4 袭4 石英镑期货买盘下单袭5 8 袭4 刀英镑期货买盘模拙。5 9 表靠8 当日交易情况统计袭6 0 袭4 9 英镑期货卖盘模拟6 0 袭l ，1 ：数据集页6 9 袭袭袭袭表袭袭袭裳袭袭袭袭袭表袭袭袭袭袭袭 学位论文版权使用授权书 本学位论文l 乍者完全了馁北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特援权北京交 通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采h j 影印、缩印溅扫 描等复制手段保存、茬编班供查阅和僚阅。掏意学校翔国家有关邦| 、_ j 或机构送交论文的复印 什和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说溺) 学位论文作者签名：p 十芍卜 签字酲期：岬年，、月i 、 日 北京交逢大学硕士论文 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除 了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也 不包古为获得i b 京交道大学或其饱教育机构豹学位或证书厮使用过的耪料。与我一翔工作豹 同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文储龇叶护签字嗍、1 年t 湖7 7 碍 致谢 本论文的工作是在我的导师郝建英老师的悉心指导下完成的，郝老师严谨的 治学念度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影昀。在此衷心感谢三年来郝 老师对我的关心和指导。 感谢北京交通大学经济管理学院的柯新生老师、韦桂丽老师在本系统实现过 程中的给予我的指导和帮助；感谢北京交通大学教育技术学专业的所有老师、同 学以及计算机与信息技术学院的老师的帮助。 在本系统的实现过程中，清华大学经济管理学院赵晨同学和北京交通大学经 济管理学院王通杰、孔垂元同学在具体的期货模拟算法、金融专业知识及系统界 面设计上给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 最后，非常感谢我的家人，因为有了他们的支持和付出，才能够一路走来， 走到今天；尤其感谢我的弟弟和妹妹，因为能够得到他们的支持，才成就了自私 的我。 序 序 1 9 9 8 年，国务院批转教育部面向2 1 世纪教育振兴行动计划，远程教育迅 速发展。自1 9 9 9 年，教育部首次批准4 所普通高等院校开展远程教育试点至今， 网络学院已发展到6 8 所。我国现代远程教育发展迅速并取得了巨大成就，我国现 代远程教育已具备了良好的基础和广阔的发展空间。在取得成绩的同时，我国现 代远程教育发展也面临着许多亟待解决的问题。其中，远程教学中的实践环节的 教学问题，日益突出，成为制约远程教育质量提高的瓶颈之一。 远程教育的发展是人类教育发展史上的里程碑。远程教育发展的终极目标之 一是实现远程教育理念中的l e a r na n y w h e r ea n da n y t i m ef o ra n y o n e ，最终实现全 民教育，终身教育，促进学习型社会的形成。信息技术的迅速发展为远程教育提 供了巨大的发展空间，而实践环节的教学无论是在传统校园教育中还是在远程教 育中都具有举足轻重的作用，教学实验是远程教育学习的一个非常重要的组成部 分。 本研究正是在这样一个背景下，立足于远程教育实践，基于实践教学的需要， 同时从实际问题出发，进行探索和尝试，并在实践中检验，去探索解决远程教学 中实践、实验环节的方法和途径，并研究实现了网上金融虚拟实验系统，为金融 类相关课程提供了一个进行实验教学的虚拟环境。 本研究论文主要分6 章： 第一章提出问题，进行可行性分析和阐述相关的概念。 第二章本研究的主要理论基础及研究现状、研究意义。介绍了国内外目前相 关的研究，阐明选题的意义，对远程教育的相关理论作了简要分析。 第三章对网上金融虚拟实验系统进行分析和设计。主要从学习者，技术架构， 系统功能模块方面进行了分析和设计。 第四章系统的一些关键实现和模型及算法。 第五章介绍系统的特色。 第六章总结和展望。对论文的研究工作进行了总结，指出论文中的不足之处 和今后需要改进的地方。 问题的提出 1 问题的提出 1 1 远程教学中实践环节的困境 任何一种教育形式的出现，都是适应社会发展对教育的需求而产生，现代远 程教育正是适应时代发展的产物。白1 9 9 9 年以来，我国远程教育规模迅速增长， 学生数量剧烈增长，与此同时，国家、远程教育机构及院校等相关单位加大了远 程教育资金、人力、物力的投入，但是，远程教育仍然面临众多矛盾，存在对远 程教育的认知误区，教学误区，面l 临着远程教育资源的贫乏，面临学生众多同远 程教育资源有限的矛盾。远程教育面临的挑战并不是一般的教学困境，而是由于 时空隔离而带来的特殊的教学关系，在这种特殊的教学关系中，有些传统的教育 资源并不能很好地适用在远程教育教学中。在远程教育的众多矛盾中，远程教学 众多环节中的实践环节的矛盾无疑是一个很突出的矛盾，远程教学中的实践环节 面临巨大的困境。实验是多数工程类课程和应用类课程中的重要的教学环节，缺 少了实验动手检验所学知识的过程和机会，其课程效果将受到很大的影响，大打 折扣，降低了教学质量，这尤其对于通过远程教育方式接受学习的学习者来说， 更是如此。远程教学模式在一些实践类课程的教学上受到了很大的制约，如何改 善远程教学中的实际环节及提高实践类课程的教学效果，成为远程教育中一个亟 待解决的问题。 在现代教育中，教学实验占有很重要的地位。在传统校园教育中，实验的场 所一般都在教学大楼中，使用的是具体的仪器，实物，而且有指导教师现场的指 导，这些实验给学生带来了实践的体验，让学生把理论与实践结合起来，增强了 学生的动手能力，让学生能够真实地面临处理解决各种问题，得出结论，促进了 学生由“知道”、“会一点”到“真正会做”的转变。 在教育领域中使用虚拟实验系统来辅助教学，是实验教学改革发展的需要。 实验教学把理论知识和实践知识有机结合起来，是间接经验和直接经验，抽象和 形象相结合的教学过程，是检验，深化理论教学效果的重要形式，相对于理论教 学来说，更具有形象性，直观性，说服力，实践性，综合性和创新性等特点，决 定了实验教学在培养学生综合能力方面有着不可替代的作用。学生学习知识本身 就是一个感性认识与理性认识相结合的过程。依据戴尔的“经验之塔”理论，人 们学习知识，一是由自己直接经验获得，二是通过间接经验获得。当学习是由直 北京交通大学硕士论文 接到间接、由具体到抽象时，获得知识和技能就比较容易。实践教学为学生提供 了“经验之塔”理论中“做的经验”和“观察的经验”，戴尔认为，学生积累拥有 了一些具体经验，并能理解真实事物的抽象表现形式，在这个基础上，才能有效 地参加更抽象的教学活动。 1 2 资源贫乏制约着教育质量的提高 1 9 9 9 年6 月在中央和国务院召开的第三次全国教育工作会议上公布的中共 中央国务院关于深化教育改革全面推进素质教育的决定中明确提出了1 0 年中实 现我国高等教育大众化的任务，同时决定大幅度扩大高等教育的规模。因此，各 个高等学校的学生数量剧增，与此同时，为了解决学生数量增长所带来的教学资 源贫乏问题，各级部门和单位，家长都加大了教育投资额度，校园面积的扩大， 学生公寓，教学楼的建立和物理改善，同时加大了各种教育资源的投入与引进、 建设。实验室的数量和实验设备都有了一定的增加和改善。但是，教育投资的增 长比例，仍然赶不上学生数量增长的比例。传统教育中实践教学环节的问题与困 境也倍加突出，倍受重视。 实物仪器的实验虽然能够满足教学的一定需求，但不能完全满足教学中实验 的需求。由于实验场所有限、师资力量有限及实验场所开放时间有限，而学生数 量相对较多，学生实验时不能充分发挥自己的创造力。教学中涉及到的实验种类 繁多，从微观到宏观，从简单到复杂，从短暂到持久，各种类型都有。然而，并 不是所有的学校都能够提供所有的实验所要求的条件。由于购买仪器的经费问题 和出于安全方面的考虑，一些实验难于在学校开展，而且，正在蓬勃发展的远程 教育中的实验很难通过目前这种实验方式解决。 1 3 技术可行性分析 2 1 世纪，多媒体技术、超文本技术、网络技术、虚拟现实技术、人工智能技 术快速发展和最新的w e b 2 0 技术的发展与应用，促进了技术在教育领域的应用。 虚拟现实是利用信息技术生成一种模拟环境( 如虚拟电子和自动化实验室，虚拟 电脑系统和网络实验室，虚拟电子商务实验室) ，是指用户感到作为主体存在于模 拟环境中的真实程度，使用户以自然的方式感知虚拟环境中的客体并进行体验和 交互作用，从而产生身临其境感受。2 l 世纪，全球网络化，人类正在逐步进入虚 2 问题的提出 拟时代，而以v r m l 为核心的第二代万维网将使用户如身处真实世界，在一个三 维环境里随意探寻因特网上无比丰富的巨大信息资源。每个人都可以从不同的路 线，在不同的时间，进入虚拟世界，和虚拟物体交互，人们可以以习惯的自然方 式访问各种场所，在虚拟社区中“直接”交谈和交往。通讯技术和网络技术的发 展，使教育资源的共享成为可能，也使教育形式和手段发生了很大的转变，促进 了远程教育的发展。通过网络形式进行理论教学目前已成为现实，但远程实验手 段的研究则相对滞后，基于网络的虚拟实验室能够为学生提供一个虚拟的真实的 实验环境，最大程度的模拟真实的物理的实验环境，为学生提供了“做的经验” 和“观察的经验”，有利于改善远程教学中的实践环节，提高实践教学效果，提高 远程教育的质量，同时，虚拟实验室也能够应用于传统校园教育中，对实验室进 行了延伸，虚拟实验室突破了物理实验室的时空限制，为学生和教师提供了方便 性，使学生能够获得与在传统实验室下一样的情景体验，达到实践教学的目的。 1 4 虚拟实验室概述 虚拟实验室，也称为合作实验室，最早在1 9 8 9 年由美国u n i v e r s i t y o f v i r g i n a i a 的w i l l i a mw u l f 教授提出，用来描述一个计算机网络化的虚拟实验室环境，致力 于构筑一个综合不同工具和技术的信息化、网络化的集成环境。在这个环境里， 用户可以非常有效地利用世界上分布的各种数据、信息、仪器设备及人力等资源。 虚拟实验室提出的初衷是为了方便科学研究工作，科研人员在远程即可从事 研究工作。 目前，有关虚拟实验室的定义主要有： ( 1 ) 所谓虚拟实验是指在计算机系统中采用虚拟现实技术实现的各种虚拟实 验环境，实验者可以像在真实的环境中一样完成各种预定的实验项目，所取得的 学习或训练效果等值于甚至优于在真实环境中所取得的效果。 ( 2 ) 虚拟实验室是一个创造和引导模拟实验的交互环境：即实验场所。它由实 验所依赖的模拟程序、实验单元、工具和参考资料组成。用户可以通过增加新的 物体、建立新的实验并把它们转化成超文本文件来扩充实验室。 ( 3 ) 虚拟实验是利用开放的互联网和广泛的局域网开展各种网上实验，以调动 学生学习兴趣，提高学习效率、培养创新能力为目标的学习活动。 ( 4 ) 虚拟实验是利用计算机技术和互联网技术，以w e b 为实验平台，把一系 列硬件和软件有机结合起来，从而实现对真实实验操作和实验结果的计算机模拟 3 北京交通大学硕士论文 技术。这种虚拟实验是建立在真实的物理实验之上的，对实验所使用的元器件、 仪器设备进行计算机模拟，通过鼠标和键盘的操作，完成整个实验过程的。 关于虚拟实验室的相似定义或名词也有很多，比如数字化实验室，网络实验 室，计算机模拟实验室，计算机仿真实验室，尽管这些名字不一，但都从各个侧 面或方面展现了虚拟实验室的作用，性质和虚拟实验室的各种属性。 经过文献分析和调查，访谈，发现有些学者把虚拟实验室的功能局限于提供 虚拟仪器，虚拟场景，或者把虚拟实验室的实现技术局限于虚拟现实技术等技术。 笔者认为，这些是把实验和虚拟实验的概念狭义化了。 虚拟实验是一种广泛应用的科学实验方式，到目前为止，它经历了思维模型 与逻辑分析、计算机仿真和虚拟现实等阶段。思维模型与逻辑分析阶段是以科学 实验分析为基础，以逻辑推理为根据，在思想中构造实验模型的实验方式。思想 实验是科学实验、形象思维与逻辑推理有机结合的产物，是科学发现这种创造性 活动中最有启发性的方法之一。在思想实验中，实验者使用理想的实验工具，在 理想化的条件下( 比如在经济活动中，所有的人都是绝对理性的，没有任何空气 阻力等) ，进行逻辑推理和“观察”和“操作”。计算机仿真实验的设备是虚拟设 备，它通过建立某些设备的数学模型或者数据库模型，在一定假设条件下，利用 计算机对实验对象的数学模型进行信息处理。计算机仿真是评价现有系统的运行 状态或设计优化系统性能的一种技术手段，在航天、军事、生态环境中应用比较 广泛。计算机仿真不同于真实实验的是：它依据的主要是系统仿真模型。虚拟现 实阶段以虚拟现实技术为基础，是一种基于可计算信息的沉浸式交互环境，具体 地说，就是采用以计算机技术为核心的现代高科技生成逼真的视、听、触觉一体 化的特定范围的虚拟环境，用户借助必要的设备以自然的方式与虚拟环境中的对 象进行交互作用、相互影响，从而产生亲临等同真实环境的感受和体验。 本研究所阐述的虚拟实验是基于网络的，利用信息技术、通讯技术，虚拟实 现技术等各种技术实现的，为实验参与者提供的一个接近真实环境的，虚拟的实 验环境，实验参与者在该虚拟实验环境下，完成各种实验项目，实验数据或结果 追求接近于真实的物理实验环境下的实验数据和结果，使实验参与者获得的体验 和实验效果等价于或优于真实的物理实验环境下的实验效果。虚拟实验系统应具 有： ( 1 ) 开放性 一个虚拟实验系统应该是开放的，它可以面向世界各地的远程学生和未进行 注册的潜在的远程学生，为他们提供服务，它的开放不仅是时间的开放，更为重 要的是教学内容与教学方式的开放。时间上的开放是指利用常规教学时间外的时 间对外开放教学，充分利用实验资源远程学生主体的学习时间特点，决定了远 4 问题的提出 程虚拟实验系统必须在时间上进行开放。教学内容的开放是指在实验内容安排上 应做到在验证性实验基础上开放进行更多的综合性、开发性、研究性的实验，鼓 励学生自我设计实验，让学生在掌握基础知识的情况下，综合运用所学知识，根 据自己的设想设计实验内容，验证自己的设想，或在教师指导、参与下共同设计 新的实验。这样就调动了学生的积极性和主动性，有利于他们的创造能力和综合 能力的培养，提高了实验教学层次。实验室的开放还应做到实验教学对象的开放， 开放的虚拟实验室应能为社区教育提供实验室场所。最后要强调的是开放不等于 放开，在开放的情况下应加强实验教学质量管理，以计算机自动化评价和实验教 师人工评价相结合加强对学生实验学习成绩的评定，通过形成性评价促进学生的 学习。虚拟实验系统的开放性特点，不受时间和空间的限制，可以使用户在任何 时间，任何地点通过网络接入，进行实验，因此有利于学生自主安排自己的学习 计划，也有利于实现远程教育理念中的“l c a m a n y w h e r e , a n y t i m e ”，同时也使得 远程教育资源向社区开放和教育资源共享更加容易。 ( 2 ) 正确性与一致性 远程教学中的虚拟实验系统必须保证学生进行远程操作实验，其结果和在实 际的物理实验中的结果相一致，其用户操作时所获得的体验也应该近似于在真正 实际的物理实验环境中所获得的用户体验，否则，虚拟实验系统就失去了存在的 意义和必要性。其次，用户在虚拟实验系统中所进行实验操作的实验步骤也应该 和在传统的真实实验环境中进行实验操作的步骤一致，也就是说，进行某项实验， 其实验过程也应该和在真实的物理实验环境中一致。 ( 3 ) 人性化与教学辅助功能 在虚拟实验室中，实验教师的实验教学指导应融合贯穿于整个实验教学资源 开发建设中，体现在实验教学课程的设计、实验教学的过程实施、实验教学考核 以及虚拟实验指导教材的编写、虚拟实验的开发中，学生无论是在网上进行实验 学习，还是在真实的实验室中进行实际操作，都能随时随地获得相关的实验指导， 能感觉到教师的帮助随手可得。学生进行实验学习时，还可以通过实验教材、在 线实验大纲、实验指导书、b b s 讨论区、e m a i l 、同学等各种渠道获得学习上的帮 助，在实际操作中，也可以通过网络、实验台板、实验指导教师等获取帮助，真 正做到u 蛆( l e a r na n y t i m ea n y w h e r e ) 。在整个实验教与学的过程中，教师的指 导是物化的，学生面对的学习资源是人性化的，整个实验教学中心应是一个实验 教学的支持服务系统，提供教学资源链接，教师能够远程监控学生实验进度，指 导学生实验，教学管理与组织，实验报告的上传与管理，学生实验数据的自动获 取与记录，学生提问与指导，公告实验信息等功能。 ( 4 ) 实验现场的保护与实验数据的自动获取 5 北京交通大学硕士论文 在传统物理实验中，学生在做实验的过程中，还需及时观察，记录实验数据， 以便实验结束后可专心进行实验数据的分析与处理，学生在实验的过程中，须关 注二个方面，一方面是教师在做实验前的提供的实验注意事项与实验准则，另一 方面是仔细，专心观察并及时记录所获得的实验数据和实验时产生的现象及异常 现象。在实验产生异常情况下，学生往往感到茫然，无从应对，当未及时找来实 验指导老师或其它同学共同分析时，实验时的异常现象就可能不存在了，这个时 候，就需要学生进行i ：1 头描述，以供实验指导老师分析。这样的情况下，由于异 常产生的不可预测与突发性，学生往往在没有做好相关准备的情况下，其描述肯 定是不全面的，不是十分准确的，其实验现场，仅凭学生的观察肯定是无法还原 的。 在虚拟实验系统中，学生可以专注于实验操作，而不用手动记录实验数据和 一些关键步骤，而是由虚拟实验系统自动对学生实验时所产生的实验数据记录在 系统数据库中。学生实验结束后，可以从系统中提取本次实验的实验数据，这样 可以避免记录的误差和记录错误的发生，从而影响实验结果。而对于有些实验， 需要根据实验的阶段性结果与数据，来决定下一步实验的操作，因此，学生也可 以在实验还未结束时，进行提取实验数据，分析实验数据，决定是否进行下一步 的实验操作，或者在实验进行的同时，一边实验，一边提取、观察刚刚产生的实 验数据，来验证，分析实验操作的正确性。同时，学生也可以把数据发送到讨论 区，和其它同学及时交流、共享实验数据，进行实验的探讨，这样有利于学生们 互相学习，促进学习共同体的形成。通过同学们互相帮助，解决其他学生的实验 中出现的问题，有利于使学生获得高峰体验，激发学生的学习兴趣，当然，也减 轻了实验指导老师的工作量。 在实验中，如果出现实验异常现象，虚拟实验系统能够自动记录异常现象时 所产生的实验异常数据，并可以依据系统设置来决定是否将异常数据自动发送给 ( 或通知) 实验指导老师。由于虚拟实验系统能够自动从实验开始就对实验过程 进行录取和保存实验数据，在发生异常时，也能够自动对实验现场进行保护，从 而有利于实验者和其它人重现实验现场或者进行实验操作的“后退”操作。学生 也可多次重复观察实验录制的实验脚本，仔细检查每一次的实验操作步骤，进行 分析，查找出错误的原因，进行。后退”到某个关键步骤，或者从头重新开始实 验。 ( 5 ) 实验进度监控及数据的统计分析 在传统的物理实验中，学生和实验指导老师同时都在实验环境中，学生可以 及时就实验中出现的问题咨询老师，老师可以很方便的了解学生的实验进度和实 验情况。在远程实验环境下，由于远程教学的特殊性，学生和教师，学生和学生 6 问题的提出 之间都是分离的，学生间不能够进行直接的，方便的言语交流，学生也不能直接 地就实验中出现的问题咨询实验指导老师和其它同学，教师也无从知道学生的实 验进度和实验情况，因此在设计远程虚拟实验系统的时候，就必须通过某种算法， 实现教师远端对学生实验的监控，使教师能够及时了解学生的实验情况。比如可 以通过设定远程监控点的方法，在实验中的一些关键地方进行设定，学生的实验 进度到达了某个关键点，系统自动进行记录，从而实现教师对实验情况的了解。 7 本研究的主要理论基础及研究现状、研究意义 2 本研究的主要理论基础 2 1 国内外对虚拟实验的研究与开发 近年来，随着基于网络的现代远程教育的发展，基于网络的虚拟实验系统的 研究与开发也越来越受到各个大学和研究机构，学者的重视。远程教育中的暴露 出来的众多问题，也越来越受到重视，众多学者和工作者，机构都在尝试解决这 些问题，探索远程教育教学中的实践环节的教学方式，实践形式等，尝试加强， 改善远程教育中的实践环节，从而提高远程教育的质量。基于网络的虚拟实验系 统由于其自身的特点和优点，与远程教育的无缝紧密结合，与远程教学的集成， 和虚拟的真实性等，正在成长为一种新兴的实验模式，将有可能成为未来远程教 学中的主要实验教学方式。当前，国内外有很多机构都在开展虚拟实验系统的研 究和建设工作，下面介绍一些积极开展虚拟实验系统研究的实验室和已完成的虚 拟实验项目 ( 1 ) 印地安那州立大学的m b l 化学实验室 a d a m a l l e r h a n d 教授在给新生开化学实验课时用计算机来辅助做这样一些事： 用计算机采集与分析实验数据；用计算机展示虚拟实验；在互联网上发布相关的 实验指导材料，包括各种格式的多媒体资料，如视频、图片、电子幻灯片、文字 教材等。 ( 2 ) 卡罗莱纳州立大学的l a a p ( l e a r n a n y t i m e a n y w h e r ep h y s i c s ) 他们利用j a v a 技术建立了基于w e b 的探索式虚拟物理实验室，主要有以下几 个模块：基于j a v aa p p l e t 的虚拟实验设备和实验设旌；相关的实验课程模块；实 验学习结果评价模块；协作学习模块。 ( 3 ) 芝加哥伊利诺伊大学虚拟有机化学实验室 他们充分利用网络资源，在网上提供了一系列的实验教学指导：在线实验教 材；实验教学时间表；实验测评方法、形式、时间；虚拟实验；相关教学资源的 链接等。他们还用计算机进行实验教学的教务管理。 ( 4 ) 北邮在线网络科技有限公司研发的多套网络虚拟实验系统 北邮在线网络科技有限公司研发了多套网络虚拟实验系统，其中包括电路分 析基础虚拟实验室、电路与信号虚拟实验室、数字电路与逻辑设计虚拟实验室与 9 北京交通大学硕士论文 计算机网络虚拟实验室等四个虚拟实验系统，并均已投入北京邮电大学网络教育 学院的实际教学应用。现在所有这些虚拟实验室对北京邮电大学网络教育学院的 学生都是开放式的，学生可以随时进行网上自主实验操作。 ( 5 ) 北京世华国际金融信息有限公司研发的世华财讯模拟金融交易软件 其采用c s 模式，对实际商务应用、金融交易的环境进行真实模拟，但是其交 易模拟方面功能不多，服务器端与卫星联网，通过大屏实时反映沪、深两地股市 行情，系统的价格昂贵，不适合于远程实际教学。 2 2 本研究的主要理论基础 2 2 1 “经验之塔”理论 “经验之塔”理论是戴尔在1 9 4 6 年提出的，在1 9 6 9 对其进行了修改。戴尔 认为，人们学习知识，一是由自己直接经验获得，二是通过问接经验获得。当学 习是由直接到间接、由具体到抽象时，获得知识和技能就比较容易。 “经验之塔”把人们获得知识与能力的各种经验，按照它的抽象程度，分为3 大类1 1 个层次。在“经验之塔”中，我们看到，学习者开始是在实际经验中作为 一名参与者，然后是作为一名真实事件的观察者，接着是作为一名间接事务的观 察者( 提供一些媒体来呈现这些事件) ，观察到的是真实事物的替代物，最后，学 习者观察到的是一个事件的抽象符号。戴尔认为，学生积累了一些具体经验，并 能够理解真实事物的抽象表现形式，在这个基础上，才能有效地参加更加抽象的 教学活动。 1 0 本研究的主要理论基础及研究现状、研究意义 2 2 2 教学设计理论 图2 4 “经验之塔”理论 教学设计是运用系统方法分析教学问题和确定教学目标，建立解决教学问题 的策略方案、试行解决方案、评价试行结果和对方案进行修改的过程。它以优化 教学效果为目的，以学习理论、教学理论和传播学为理论基础。 教学设计作为一个系统计划的过程，是应用系统方法研究、探索教学系统中 各个要素之间的本质联系，并通过一套具体的操作程序来协调、配置，使各要素 有机结合完成教学系统的功能，而且系统计划过程中每一个程序都有相应的理论 和方法作为科学依据，每一步“输出”的决策均是下一步的“输入”，每一步又均 从下一步的反馈中得到检验，从而使教学设计具有很强的理论性、科学性、再现 性和操作性。教学设计的结果或称教学设计过程的产物是经过验证，能实现预期 功能的教学系统。 学习目标是用可观察的行为术语来描述的，使师生双方对学习产生的结果都 北京交通大学硕士论文 很清楚，便于学习者主动参与学习以及教师准确对学习是否发生进行判断，为评 价学生的学习提供可测量的标准。 对学习者的了解是系统成功的要素。对学习者进行特征分析正是了解学习者 和关心“学”的具体体现。 2 3 研究意义 远程教育的发展是人类教育发展史上的里程碑。远程教育发展的终极目标之 一是实现远程教育理念中的l e a r na n y w h e r ea n da n y t i m ef o ra n y o n e ，最终实现全 民教育，终身教育，促进学习型社会的形成。信息技术的迅速发展为远程教育提 供了巨大的发展空间，而实践环节的教学无论是在传统校园教育中还是在远程教 育中都具有举足轻重的作用，教学实验是远程教育学习的一个非常重要的组成部 分。基于b s 模式的虚拟实验室能够为远程学习者提供基于i n t e r n e t 的远程实验环 境，进行实践教学。因此，虚拟实验系统的探索与研发对于远程教育的发展具有 重大的意义： ( 1 ) 对于接受远程学习的学生来说，学习时间非常有限且不固定，这就要求远 程教育机构为他们提供可随时随地、可自行选择的学习方式和学习环境，而这恰 恰是远程虚拟实验系统的优势所在。基于i n t e r n e t 的虚拟实验系统突破了时空的限 制，使实验室的概念得到了延伸，把授课的实验室延伸到了i n t e m e t 所覆盖的任何 一个角落，有利于实现远程教育理念中的l e a r n a n y w h e r ea n d a n y t i m e f o r a n y o n e ， 有利于解决远程教学中实践环节的矛盾。 ( 2 ) 在传统校园教育中，实验室资源一般为实物，各种仪器由于其精密性的特 点，不正确的操作易于引起仪器的损坏，并且由于实验室管理的限制，实验室的 对外开放其操作性比较困难。虚拟实验系统，由于其本身虚拟性的特点和i n t e r a c t 的普及，更加有利于实验室资源的开放，促进学习型社会的形成。 ( 3 ) 随着我国高等教育体制的改革和招生规模的扩大，学生数量激烈增长的普 通高校也正在逐渐陷入实验教学的困境，虽然国家在加大实验室的建设，但有限 的实验资源仍无法满足众多的学生，虚拟实验系统的建设有利于突破传统校园教 育中实验室资源有限的瓶颈，节约远程教育和传统校园教育中教育资源建设的资 金，缓解教育经费的紧张。 ( 4 ) 在网上银行等金融实践教学方面，由于现实的限制与制约，学生直接在真 实的社会商业银行等网上金融交易系统和机构进行实践的方案不具有可行性，由 本研究的主要理论基础及研究现状、研究意义 于金融交易操作本身特有的特点，学生没有办法也几乎不可能在真实的社会商业 环境中进行商业金融交易操作。从用户体验的角度，本系统的用户使用或感觉， 体验到的环境是一个完全真实的情景，学生进行模拟金融交易操作的关键步骤和 在真实的社会网上金融交易系统的操作步骤是一致的，在本系统的设计与实现过 程中，以教育理论为指导，在提供学生真实的实验情景过程中，并对学生的实验 过程( 网上金融交易操作过程) 进行远程监控，提供教学帮助与辅导，因此能够很 好的达到专业实践教学的效果。 网上金融虚拟实验系统的分析与设计 3 网上金融虚拟实验系统的分析与设计 3 1 学习需要分析 在进行研究前，我们必须知道我们实现后的系统的使用者是谁，即本系统的 目标群体或者说期望的学习者。这一点，在教学设计理论中表现为学习需要分析。 本系统的主要用途是为货币银行学，电子商务，国际金融等金融类课程提供实验 教学，使用对象包括全国数以万计的金融学，电子商务等专业的远程学生和全日 制在校学生，专业授课老师。在传统的教学实践中，一般学校都建设了必要的物 理实验室，这些大部分是一些工科专业的实验室。而金融类，经济类课程，由于 涉及社会现象及银行，股票，证券，目前，比较缺乏这些相关的实践系统，因为 缺乏这些，学生无法就所学的知识进行实践和锻炼，而学生也不太可能为了验证 一些课堂学习的知识而去真实的证券市场，股票市场进行交易，其代价太大，缺 乏可操作性。 在目前实际商业应用中，资金流的安全快捷处理是现代商务的核心与要求。 随着i t 技术特别是互联网的发展和无线网的发展与应用普及，货币逐渐趋向电子 化、网络化运作，引起企业在国际贸易、国际金融、财务管理中业务处理形式与 工具的变革，也涉及到相关银行实务业务流程的调整与重构，社会需要大量既懂 银行实务又具备网上运作技术的新型复合型人才。在对多位主讲教师和相关专业 的学生进行访问调查后，大家目前比较关心：提供网上商场，网上购物功能，网 上银行的的交易，网上银行与其它金融机构的接口，外汇，股票( 各种股票的发 行等) ，电子商务的三种交易模式( b 2 b ，b 2 c ，c 2 c ) 等需求。当然，本系统 也不是全部提供这些实现，经过数据分析和可行性分析，本系统最终提供网上购 物( 银行转账和现金二种结算方式) ，网上银行业务，外汇期货交易业务等主要 功能，培养学生的实际电子商务操作能力，通过进行电子商务实践体验( 网上银 行操作，外汇，期货买卖等) ，有助于学生了解电子商务的运作原理，了解电子商 务的各个环节和特点，而教师则能实现远程监控，以期提高学生的学习绩效。 3 2 学习者分析 北京交通大学硕士论文 本系统的主要面向对象是全国数以万计的电子商务，金融相关专业的远程学 生。对于这些远程学生来说，他们目前的主要学习形式是通过网络进行，因此， 他们一般都具有一定的上网条件，能够通过电话或a d s l 、宽带等形式接入 i n t e m e t 。同时，也由于他们的主要学习形式，决定了目前的物理实验室等实践教 学环境不能够适用于这些远程学生。对于这些远程学生来说，他们在任何的地点， 比如可能是在办公室午休的时候，或者在旅行中，或者在家庭中，在任何的时间， 都有可能进行实验操作，进行学习，因此，系统的设计必须充分为学生提供便利 性，在学生的客户机上不需要安装任何软件，直接通过浏览器就进行访问虚拟实 验服务器，进行实验操作，进行实践环节的学习。同时，也应该为教师提供便利 性，不需要在教师的机器上安装任何软件和浏览器插件。如果技术上可能无法达 到时，需要在在客户机上安装一些软件或插件，则在虚拟实验室的服务器主页上 应提供软件或插件的下载或链接下载地址。远程学习者与在校学生的一个很大的 区别就是，远程学习者一般具有一定的工作经验或者实践经验，他们参与远程学 习的一个重要目的，就是通过学习尝试解决实践中出现的问题，因此，对于远程 学习者来说，通过远程学习所学习的知识，能否为他们的实践工作带来收益，可 以说是一个重要的经济因素。现在，经过查阅相关资料，在远程机构中，远程学 习者的辍学比例远大于传统的全日制学生。其中一个重要原因，就是因为缺乏实 验环境或者说，实验环节教学的薄弱，制约着远程学习者的学习效果的提高。从 经济分析的角度，远程学习者进行远程学习的收益少于投入，导致一部分学生辍 学。因此，本系统在设计时就对这些远程学习者的特点进行了调查，分析，从方 便使用学习者的角度进行设计，做到真实和虚拟的迁移和知识的迁移，最大程度 的确保学生在虚拟实验系统中的操作和真实的环境相似。在虚拟实验系统上，做 到时间的开放性，并在虚拟实验系统设计了“虚拟教师”的角色，为学生提供了 实时在线的辅导和帮助。 3 3 系统的总体设计思想