（系统工程专业论文）视频实验教学系统设计研究.pdf

ljl1 重庆交通大学学位论文原创性声明 i i i ii ii iii i11 11 i ii ii il y 19 0 2 3 0 9 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所 取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发 表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者虢僻沙4 - 7 7 - 日期加0 年蝴y 日 重庆交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权重 庆交通大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本人 学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并进行信息服务( 包括但不限于汇编、 复制、发行、信息网络传播等) ，同时本人保留在其他媒体发表论文的权利。 学位论文作者签名：坼莎 日期：2 0 o 年j 2 月l 牛日 指导教师签名：彳未弩 日期：叫。年1 2 - - 月f s 日 本人同意将本学位论文提交至中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社c n k i 系列数据库 中全文发布，并按中国优秀博硕士学位论文全文数据库出版章程规定享受相关权益。 学位论文作者签名：隋、澎 日期：为年f2 一月，年同 指导刻币虢柙、谔 日期：乃啤f 二月，r 日 摘要 实验教学过程以学生动手实践为主，重在培养学生实践能力、创新能力和知识的综 合运用能力。从我国长期的教学实践来看，由于目d d 高校实验教学大多采用针对具体科 目需求设置与之高度对应的实验项目，并投入成本购买实物设备、建设实验场地的实物 型实验教学方式，存在项目建设、更新成本高昂、实验管理成本高昂以及时空占有性高 等缺陷，致使多数高校无力长期投入保证实验项目的更新，更无法开展费用极高的尖端 科技实验项目，或开展耗时较长的实验项目，造成了实验教学项目内容陈旧、数量不全 等问题。同时，在极其有限的实验课章时间和实验室空间内，极易导致学生实验学习自 由度低、学习机会少，学习效果不佳。上述实物型实验教学体系的缺陷，以及实验教学 开展的客观困难，导致了实验教学质量较低，所培养的高校毕业生普遍动手能力、创新 能力较低，无法满足新时期国家和社会的人才需求。因此，寻求能够彻底改变传统实验 教学实物性特征，且具有较佳实验效果的实验方式，对提高教学质量，提高人才培养质 量，具有重大的现实意义和应用价值。 视频图像作为人类最直观、准确感知客观事物现象及其规律的主要方式，具有信息 全面，易于加工、编辑、存储、传输等特性，为以视频方式反映和虚拟实验场景及其过 程，传播实验相关知识提供了方便。本文针对传统实物型实验教学存在的问题，以开展 非“实物型”实验教学过程为思路，利用视频图像形象生动、易于记忆等优势，采用视 频的方式虚拟实验过程，并通过视频实验平台的构建和视频课件的网络共享，提出了一 套基于视频方式的实验教学系统的设计方案。首先，深入分析和探讨了目前实物型实验 教学方式存在的问题及影响，并在此基础上提出并分析了以视频方式代替实物型实验教 学方式的优势；然后，详细分析了视频实验教学系统的需求分析及功能要求；最后，从 软件工程的角度，对整个系统的设计过程进行了阐述，包括系统的各功能模块设计、数 据库设计安全性设计及核心部分的实现过程。 本文重点研究并设计开发了基于视频方式的实验教学系统，该系统主要由后台管理 系统、登录管理系统、视频课件管理系统、实验学习考核管理系统和信息交流系统等主 要部分构成，可大幅提升实验规模、降低实验成本，从根本上解决现有实验教学成本高、 管理难、内容陈旧、效果不佳等问题。在实际应用中，基于视频方式的实验教学过程， 能够以较低成本实现项目课件全面、丰富、与时俱进；实现学生在任何时间、空间登录 系统即可进行实验学习，并自动完成实验考核；实现一名教师即可动态掌握多名学生的 所有实验动态，有针对性地辅导多名学生学习实验；使用方便、可靠，易于管理。 关键词：实验教学；视频方式；虚拟实验过程；系统设计 【一 a b s t r a c t t h ee x p e r i m e n t a lt e a c h i n gp r o c e s si so nt h ep u r p o s eo fs t u d e n tt a k i n gh a n d so nt h e e x p e r i m e n t ，f o c u s i n go nt h et r a i n i n go ft h ep r a c t i c a la b i l i t y ，c r e a t i v ea b i l i t ya dt h e o v e r a l la p p l i c a t i o no fk n o w l e d g e f r o mt h el o n gt e r mt e a c h i n ge x p e r i e n c e ，w ep u tm u c h e n e r g yo np u r c h a s i n gt h ep r a c t i c a l i t ye q u i p m e n t ，b u i l d i n ge x p e r i m e n t a lf i e l db e c a u s e o f t h ee x p e r i m e n t a lp r o j e c tf i x e di na c c o r d a n c et ot h ep r e s e n tu n i v e r s i t yt e a c h i n gm e t h o d ， w i t hd i s a d v a n t a g eo fh i g hc o s tu p d a t i n g ，h i e l ll e v e le x p e r i m e n t a lm a n a g e m e n ta n dh i 【g h p r e s e r v a t i o ni nt h ep r o j e c tc o n s t r u c t i o n t h i s l e a d st ot h ed i s a b i l i t yo fl o n gt e r m i n j e c t i o na n dp r o m i s i n ga b o u tt h ee x p e r i m e n t a lp r o j e c t0u n i v e r s i t ya n dd i s a b i l i t yo f e x p l o r i n gt h ee x p e r i m e n t a lp r o j e c to fh i g hc o s tc u t t i n ge d g et e c h n o l o g yo rt h el o n gt e r m e x h a u s t e de x p e r i m e n t a lp r o j e c t ，c a u s i n gt h eo u to fd a t et e a c h i n gm a t e r i a l sa n dl e s s m u m b l ei nt h ee x p e r i m e n t a lt e a c h i n gp r o j e c t a tt h es a m et i m e ，i tw i l lc a u s et h el o w e r s t u d y i n gd e g r e eo ff r e e d o m ，l e s ss t u d yo p p o r t u n i t ya n db a dl e a r n i n ge f f e c tf o rs t u d y i n g i nt h ee x t r e m e l yl i m i t e de x p e r i m e n t a lc o u r s ea n de x p e r i m e n t a ls p a c e t h ed i s a d v a n t a g e o fa b o v ee x p e r i m e n t a lt e a c h i n gs y s t e ma n dt h eo b j e c t i v ed i f f i c u l t i e si nt h ep r o c e s so f e x p e r i m e n t a lt e a c h i n g ，c a u s et h el o wt e a c h i n gq u a l i t yo fe x p e r i m e n t a lt e a c h i n g ，w h i c h c a nn o ts a t i s f yt h ed e m a n do fm a n p o w e ri nt h en e wp e r i o d t h e r e f o r e ，i th a st h e p r a c t i c a ls i g n i f i c a n ta n da p p l i c a t i o nv a l u et o s e e kt h eb e t t e rt r a d i t i o n a le x p e r i m e n t a l t e a c h i n gf e a t u r e ，a tt h es a m et i m e ；i tc a l li m p r o v et h et e a c h i n gq u a l i t ya n dt h eq u a l i t yo f m a n p o w e rt r a i n i n g v i d e op i c t u r eh a st h ea d v a n t a g eo ff u l f i l li n f o r m a t i o n ，e a s yw o r k i n g ，a n de d i t i o n ， s t o r i n ga n dt r a n s f e r r i n ga st h em a j o rw a yo ft h eb e s td i r e c t ，a c c u r a t ef e e l i n go b j e c t i v e p h e n o m e n o na n d r u l e s i ti sc o n v e n i e n tt ot r a n s f e re x p e r i m e n t a lr e l a t e dk n o w l e d g e t h e a r t i c l ef o c u so nt h ep r o b l e m so nt h et r a d i t i o n a lo b j e c t i v ee x p e r i m e n t a lt e a c h i n g ， e x p l o r i n gt h e “n o n o b j e c t i v e ”e x p e r i m e n t a lt e a c h i n gp r o c e s s ，u s i n gt h ea d v a n t a g eo f v i d e op i c t u r ea c t i v e ，e a s yt or e m e m b e r ，a d o p t i n gt h ev i d e ot os u p p o s et h ee x p e r i m e n t a l c o u r s e ，p u t t i n gf o r w a r dt h ed e s i g np r o j e c tb a s e do nt h ev i d e ow a yo fe x p e r i m e n t a l t e a c h i n gs y s t e mt h r o u g ht h ei n t e r n e ts h a r i n gb e t w e e nt h ev i d e oe x p e r i m e n t a lf l a ta n d t h ev i d e oc o u r s e w a r e f i r s t l y ，w ed e p l o yp r o b l e m sa n di n f l u e n c e se x i s t e di nt h ep r e s e n t o b j e c t i v ee x p e r i m e n t a lt e a c h i n gm e t h o d ，o n t h e b a s e ，p r o v i d e a n da n a l y s i st h e a d v a n t a g eo fv i d e om e t h o di n s t e a do fo b j e c t i v ee x p e r i m e n t a lt e a c h i n gm e t h o d t h e n ， w em a k ead e t a i la n a l y s i so ft h ed e m a n da n di t sf u n c t i o nr e q u i r e m e n ta b o u tt h ev i d e o e x p e r i m e n t a lt e a c h i n gs y s t e m l a s t l y ，w ed e p i c t t h ew h o l ed e s i g n a t i o no ft h es y s t e m f r o mt h ep r o s p e c to fs o 胁a r ep r o j e c t ，i n c l u d i n gt h er e a l i z a t i o no f e v e r yf u n c t i o nm o d e l d e s i g n ，d i g i t a ls e c u r i t yd e s i g na n d t h ec o r ep a n t h et e x tp a y sm u c h a t t e n t i o nt o t h er e s e a r c h i n ga n dd e s i g n a t l o n o ft h e e x p e r i m e n t a lt e a c h i n gs y s t e m b a s e do nt h ev i d e om e t h o d t h es y s t e m 1 sm a l n l y c o m p o s e db yb a c k g r o u n dm a n a g e m e n ts y s t e m ，l a n d i n gm a n a g e m e n t s y s t e m v l d e o c o u r s em a n a g e m e n ts y s t e m ，a n de x p e r i m e n t a ls t u d y i n gt e s t i n gm a n a g e m e n ts y s t e m a n d i n f o 咖a t i o nc o m m u n i c a t i o ns y s t e m i tc a nu p g r a d et h ee x p e r i m e n t a ls c a l e , l o w e 。t n e e x p e r i m e n t a lc o s t ，d e a l i n g w i t ht h ef o l l o w i n gp r o b l e m s ，s u c h a s h i g h c o s t ， u 帆a n a g e a b l e ，o u to fd a t em a t e r i a l s ，u n p l e a s a n te f f e c t i n t h ep r a c t i c a lu s l n g ，w ec a n a c h i e v el u x u r i o u si nt h ew a yo fc u t t i n gt h ec o s ti n t h ev i d e oe x p e r i m e n t a lt e a c h l n g d r o c e s s i tc a nr e a l i z ea n yt i m e ，s p a c el o a d i n gs y s t e mo f t h es t u d e n tt h a t1 sw ec a nm a k e t h ee x p e r i m e n t a ll e a r n i n ga n d f i n i s ht h ee x p e r i m e n t a lt e s ta u t o m a t i c a l l y w ec a n r e a l l z e a 1 1t h ee x p e r i m e n t a ls i t u a t i o nt h a ti so n e t e a c h e rc a nc h a r g es e v e r a lm o r es t u d e n t sa n d c a ng u i l dt h e s es t u d e n t so np u r p o s e i ti sc o n v e n i e n t ，r e a l i z a b l ea n d e a s yt om a n a g e k e yw o r d s ：e x p e r i m e n t a lt e a c h i n g ；v i d e om e t h o d ；v i r t u a l e x p e r i m e n t a lp r o c e s s ； s y s t e md e s i g n 目录 第一章绪论1 1 1 选题背景和研究思路1 1 1 1 实验教学的作用及重要地位1 1 1 2 信息社会对实验教学发展的新需求1 1 1 3 目前我国实验教学人才培养现状2 1 1 4 我国实验教学痼疾久治不愈的根源及解决方法分析3 1 2 国内外研究现状4 1 2 1 实物型实验教学基础上的改革4 1 2 2 纯软件虚拟实验教学改革5 1 3 本文研究目的与主要研究内容6 1 3 1 本文研究目的6 1 3 2 本文主要研究内容6 1 4 本文的社会、科学意义和应用前景分析7 1 5 主要创新点8 1 6 本文组织结构9 第二章实物型实验教学模式存在的主要问题分析1 1 2 1 实验成本高昂1 1 2 2 时空固定性强、资源共享性差、隐性平均成本高1 2 2 3 实验项目匮乏1 2 2 4 实验内容陈旧痼疾难除1 2 2 5 运行管理难度大1 3 2 6 实验教学质量不高、高校培养的人才素质存在短板缺陷1 3 2 6 1 实验教学质量不高1 3 2 6 2 高校毕业生综合素质存在短板缺陷1 4 2 7 本章小结1 5 第三章视频实验教学模式概述1 6 3 1 视频实验相关概念1 6 3 2 视频实验教学模式1 7 3 2 1 视频实验教学目标1 8 3 2 2 视频实验教学主要环节1 8 3 3 视频模式优势1 8 3 3 1 实验教学成本低1 8 3 3 2 运行管理方便、高效1 9 3 3 3 项目内容与时俱进1 9 3 3 4 实验质量佳1 9 3 4 本章小结2 0 第四章视频实验教学系统设计2 1 4 1 视频实验教学系统需求分析2 1 4 2 视频实验教学系统总体设计目标2 3 4 3 视频实验教学系统总体设计原则2 3 4 4 视频实验教学系统功能结构设计2 4 4 4 1 系统功能结构设计原则2 5 4 4 2 物理结构设计2 5 4 4 3 功能结构设计2 7 4 4 4 功能模块设计3 1 4 5 视频实验教学系统数据库设计3 5 4 5 1 数据库设计基本原则3 5 4 5 2 数据库概念结构设计3 6 4 5 3 数据库实体属性表设计4 2 4 6 视频实验教学系统安全性设计4 6 4 7 本章小结4 7 第五章视频实验教学系统核心部分实现。4 8 5 1 系统用户及用户信息管理的实现4 8 5 2 系统登录的实现5 0 5 3 视频实验项目课件学习与考核的实现5 0 5 4 系统疑难问答的实现5 2 5 5 系统程序界面5 3 5 6 本章小结5 8 第六章总结与展望5 9 致谢61 参考文献6 2 在学期间发表的论著及取得的科研成果6 6 第一章绪论 第一章绪论 1 1 选题背景和研究思路 实验教学是我国高校教学的基本构成之一，相对于传授理论知识的课掌教学， 高校实验教学承担着为国家和社会培养具有较强实践能力和创新能力的人才的重 任瞳m3 。然而目前高校实验教学质量普遍偏低，高校毕业生普遍的实践能力和创 新能力偏低，不能满足国家和社会的人才需求的问题也一直未能得到根本的解决。 2 0 1 0 年，国家“十二五 规划颁布实施国家中长期教育改革和发展规划纲要， 再次强调全面提高人才培养质量，增强毕业生的就业竞争力n 5 引。在此背景下， 本文对目前实验教学现状存在的问题，及导致问题的根本原因进行分析，提出能 从根本上解决这些问题的办法，并对相关内容作详细的设计、分析。 1 1 1 实验教学的作用及重要地位 对于实验对理论知识的强化和验证作用，大家并不陌生，人们很早就意识到 了实验的重要性，早在1 3 世纪，伟大实验科学先驱者培根就曾提出观察和实验才 是获得真知的唯一方法的理论口8 1 。著名的华裔美国人实验物理学家丁肇中在荣获 1 9 7 6 年度的诺贝尔科学奖金之后曾说过：“作者希望作者得到诺贝尔奖能提高中 国人对实验的认识，希望从此以后能够摆脱中国人轻视实验、过分重视理论的旧 传统9 | 。 另外，纵观世界范围内的重大的科技发现，大多都来自于实验室。例如：英 国物理学家汤姆生研究气体导电，意大利科学家马可尼、德国科学家布劳恩发明 无线电报技术，德国物理学家伦琴发现x 射线，法国科学家居里夫妇发现放射性 元素镭，爱因斯坦发现光电效应定律等等，这些在实验室得出的研究成果，都获 得了诺贝尔奖学金。 因此，实验不仅能帮助人们形成正确的概念，加深对规律的理解，而且更强 调实际动手的客观性操作学习们n 1 2 3 。基于实验的重要性，高校教学除了理论教 学以外，还包括实验教学，以理论与实践相结合基本教学思路，实验教学一直作 为培养学生掌握科学实验方法与技能、提高学生动手能力与创新能力的主要手段， 实验教学在学科教学人才培养中具有不可替代的作用n 3 儿h 1 5 1 。 1 1 2 信息社会对实验教学发展的新需求 随着人类社会不断向前发展，自人类由工业化时代进入信息化时代以后，“信 息”成为了第一生产要素，同时构成了信息化社会的重要技术物质基础，尤其是 2 ， 第一章绪论 近年来，我国的信息化建设更是突飞猛进，信息产业高速发展n 刚n7 1 。随着信息技 术的快速发展以及对各行业的技术渗透与融合，由此形成了国家和社会对信息化 人才的强劲需求引。然而，合格的信息化人才除了与时俱进地掌握相关的基础型 知识，更应当是具备不断学习新技术、学习新知识的能力和动手能力、创新能力， 只有适应信息化建设需求的信息化人才才是合格的信息化建设人才n 町啪3 。 因此，在新的形势下挑战下，作为人才培养摇篮的高校实验教学更应继续发挥 其重要作用，实验教学被赋予了更新的内涵，而培养出实践能力强，创新能力佳 的社会需要型人才，必须满足以下两个条件：第一，由于信息技术发展迅速、变 化非常快，学生需要实验项目所涵盖的内容信息必须与迅速发展的科技信息接轨， 才能保证学生学习并实践的知识和能力的与时俱进性，待完成培养过程后能为社 会所用瞳小2 2 j 。第二，要保障学生对信息社会科技文化知识的正确性、全面性、客 观性，实验项目必须足够涵盖课堂教学知识体系中所有需要实验的项目内容。综 上，实验教学作为学生分析问题、解决问题的能力和创新思维形成的主要渠道过 程，必须满足高质量、科学、全面的内涵要求，只有在此前提下，实验教学才能 更为国家和社会培养真正适应社会需求和发展的人才，从而充分体现高校在国家 建设中的重要作用乜3 2 制。 1 1 3 目前我国实验教学人才培养现状 目前，我国实验教学多为传统实物型实验教学模式，即根据学科知识需求， 设置与之一一对应的实验项目，并投入资金购置相关实验设备。在经历了长期的 积累和发展以后，我国实验教学条件相对过去取得了很大的进步，也为国家对知 识型+ 实践型高等人才的培养做出了很大的贡献。如今随着新兴尖端科技的迅猛发 展，社会对人才的需求量空前增大。为了培养多一些高素质的人才，以满足社会 对人才的大量需求，适应国家经济发展的需要，各高校进行扩招，高校人才培养 人数在短短1 0 年内翻了近3 翻乜副啪儿2 7 1 。 如图1 1 所示，据统计，随着1 9 9 9 年实施的高校扩招政策的推出，我国高等 教育进入新发展阶段，全国普通高校毕业生人数以每年超出5 0 万人的惊人数目飞 速增长，至2 0 0 3 年，已达到2 1 2 万人，随后，2 0 0 4 年为2 8 0 万人，2 0 0 5 年就已 超过3 0 0 万人达到3 4 0 万的毕业生人数，又过5 年至今，2 0 1 0 年我国普通高校毕 业生人数已达到6 3 1 万人，相比2 0 0 5 年翻了近两番，虽然2 0 0 9 年后毕业人数增 长速度有所减缓，但每年毕业人数规模庞大，高校人才培养责任越来越重，难度 也日益增大。 然而，如图1 1 所示，在大学生人数剧增的同时，相应地高校毕业生的就业 率却逐年下降，2 0 0 4 年就业率为7 5 ，2 0 0 5 年就业率为7 3 ，自2 0 0 6 到2 0 0 8 年 第一章绪论3 期间，就业率都仅仅维持在7 0 左右，截止2 0 0 9 年上半年，全国普通高校毕业生 就业率降低到6 8 ，约2 0 0 万毕业生失业。2 0 0 9 年，毕业生人数增加了约2 0 万， 但就业率并未有所增长。随着普通高校毕业生人数的迅速增加，待就业基数变大， 就业率的下降更加剧了待业毕业生人数。 i _ # 描j _ 二l _ ，* j ，h 弛囊* f 冀i 臻j 暂 图1 12 0 0 4 - 2 0 0 9 我国高校毕业生就业情况统计图 f i g 1 1t h es t a t i s t i c a lc h a r to fe m p l o y m e n to fc o l l e g eg r a d u a t e sf r o m2 0 0 4t o2 0 0 9 在待业毕业生增多的背后，存在着一种奇怪的现象，有大量的用人单位存在 需求空缺，那为什么找人才和找工作这两个看似一致的需求却产生了矛盾呢。调 查分析发现，用人单位并非不想招聘人才，而是往往组织了多次招聘都难以选拔 出满足其要求的人才。究其本质原因，在于目前高校毕业生虽多，却普遍存在专 业知识未巩固扎实、动手能力和处理突发事件的能力偏低、自主学习和创新能力 欠缺等问题，真j 下符合新型信息社会需要的人才比例正在随着毕业人数基数的增 加而日益降低心别口9 1 。 综上，伴随着我国经济结构的调整，经济发展对大学生的需求将会更大，必 须从高校实验教学入手，解决这个人才培养和人才需求的矛盾。 1 1 4 我国实验教学痼疾久治不愈的根源及解决方法分析 一直以来各高校均能正确地认识到实验教学的重要性，各高校均不断地致力 于提高实验教学质量m 3 。部分高校争取投入更多的资金、时间等资源，不断新建 实验项目，尽量与项目对应的不断更新的学科知识同步发展。然而，随着新投入 建设的实验项目设施的再次“过时”。部分高校通过改进实验管理方式，提高设 4 第一章绪论 备利用率，时间利用率等方式，在促进实验教学的进步发展方面还是取得了一定 得成果，但实验教学质量并未能得到实质性的提高口3 2 儿3 副。 事实上，高校倾力投入实验教学改革均不能治愈实验教学痼疾的根源，在于 其不论采取任何方式改，其本质都是实物型的实验教学，并没有改变要建设新项 目，就要投入高昂成本的实验事实，随着不断地投入，必将越来越显得力不从心、 捉襟见肘。凑合使用的淘汰的旧实验设备，在固定的实验课堂时间，安排学生统 - i i i 实验室学习内容旧、数量不全的实验项目，实验教学质量显然较低，所培养 出的学生的动手能力、创新能力较低也一种必然b 4 1 。尤其在大学生扩招之后，这 个实物性痼疾所导致的实验教学人才培养的问题越发突显出来，随着时代地发展， 学生实践能力和创新能力偏低，将越来越不能满足信息社会对人才的越来越高的 要求。 因此，从本质上来看，要想彻底改变实验教学人才培养现状，唯一且可行的 办法，即彻底改变目前实验教学的实物性、高成本性、时空限制性特点。视频技 术诞生并广泛应用于政府、军队、飞机、商场等方面，使之成为可能5 儿删船7 1 。利 用视频所含信息量广、易于传播，且不受时间和地点的限制等优势特点，本文以 开展非“实物型实验教学的思路，基于图片编辑和动画模拟方法，用视频方式 虚拟实验过程，通过视频实验平台的建立和视频课件的网络共享，大幅提升实验 规模、降低实验成本，从根本上解决现有实验教学成本高、管理难、内容陈旧、 效果不佳等问题。同时，由于视频形象生动、直观、准确，符合人类思维习惯， 能调动学生多种感觉器官进行学习，易于接受等特性，其实验效果与实物性实验 相当。 综上，本文设计视频实验教学系统代替传统实验教学过程，以较低成本实现 项目课件全面、丰富、与时俱进；实现学生在任何时间、空间登录系统即可进行 实验学习和实验考核，大幅度提高实验教学对创新型、实践型人才培养质量。 1 2 国内外研究现状 由于实验教学是学生接受知识、培养动手能力、创新能力的一个重要过程， 受到国内外各高校的重视，各高校深入研究提高实验教学质量。主要有两类：一 种为在实物型实验教学基础上进行改革，另一种为彻底改传统实物型实验教学模 式，采用纯虚拟软件编程型实验教学模式。 1 2 1 实物型实验教学基础上的改革 多数高校本质上仍延用传统的实物型实验教学模式，即根据科目需求设置相 应实验项目、购置实验设备和建设实验环境，随着科学技术发展进步，再更新实 第一章绪论 5 验项目与之适应，并重新投入实验设备购置、场地建设等成本m 3 。在实物实验教 学模式下，主要有两类运行管理模式，即“条条”管理模式和“块块管理模式。 “条条”管理模式的实验资源分散在各学科专业中，实行“专管专用”；而“块 块”管理模式下，通过开放实验室的方式，整合实验器材设备供所有学生使用 。挎4 引。目前，为了提高资源共享率，降低平均实验成本，多数高校倾向于采用“块 块”管理模式。但是，由于实验项目存在的多变性、复杂性、专业性和技术性等 客观原因，此类高校难以保证每个与教学科目需求一一对应的实验项目都能开设， 尤其不能开设耗时长、成本高昂的实验项目。 1 2 2 纯软件虚拟实验教学改革 从广义的角度而言，虚拟实验是指非实物操作型的实验，通过虚拟仪器、设 备等代替传统的实物实验仪器和实验设备进行实验n 订n2 | 。目前的虚拟实验，无论 是基于2 d 模拟或是3 d 模拟的，还是基于f l a s h 等技术的实验系统，均属于纯软 件开发方式的虚拟实验系统，需极为专业的软件编程者编程模拟实验项目h 3 “4 5 3 。 国内外研究现状如下： 华中科技大学液压与气压传动虚拟实验室，能实现学生在虚拟现实环 境中观摩各零件结构，明确各零件装配关系，并可进行元件的装配与拆卸h 制。 北京大学3 w n v l a b 网络虚拟实验室，北京大学计算机科学与技术系基于w w w 设计了支持大计算量和交互式的网上虚拟实验室的基本结构( 3 1 i n v l a b ) ，初步实现 了c a c h e 设计与流水线设计的两个实验系统h 7 1 。 北京师范大学现代教育技术研究所研制的e v l a b 系统，该系统是一个基于 虚拟空间的三维电子线路实验环境，采用了o t v r 和v r m l 两种技术，目前可实现 学生可以学习电子线路实验中一些常见的仪器操作方法h 8 。 v l a b 是美国俄勒冈大学物理系主办的物理实验网站。该网站系统可实现关 于天体物理、力学、热学等方面的几十种虚拟实验，采用j a v a 语言开发，通过从 服务器端下载实验程序，在客户机上运行n 引。 j a v av i r t u a lp h y s i c sl a b o r a t o r y ，2 0 0 4 年美国巴尔的摩的约翰霍普金 斯大学教育资源中心发起了基于j a v a 技术的虚拟物理实验室项目，基于j a v a a p p l e t 技术实现实验界面与仿真算法，并将该实验程序嵌入到网页中，客户端只 需一个相应的浏览器，即可通过调节实验参数来观察实验现象和、实验结果咖1 。 v i r t u a ll a b s ，美国霍华德休斯医学研究会建立的完全交互式的生物医 学虚拟实验室，包括辨别细菌实验室、心脏病实验室、神经生理学实验室、虚拟 的酶连接的免疫吸收剂化验( e l i s a ) 实验室、基因改造昆虫实验室。v i r t u a ll a b s 6第一章绪论 使用虚拟现实技术构建三维实验场景，当用户在场景中操作虚拟实验时，系统将 给出相关指令帮助他们学习哺。 由于虚拟教学实验较多的集中在模拟实验、计算机制图、c a d c a m ，数控等较 为新兴的领域，因此，其难度较高，难以为我国大多数高校各类专业所使用，且 目前的虚拟实验教学系统中均缺乏对学生实验过程数据的记录，难以进行实验考 核。 1 3 本文研究目的与主要研究内容 1 3 1 本文研究目的 通过分析、研究实验教学现状存在的主要问题及其产生原因，提出从本质上 解决问题的完备的视频实验教学方式，并研究设计“视频实验教学系统”，以低 成本实现实验教学项目全面、丰富、与时俱进，满足学生在任何时间、空间的实 验学习需求，且使用方便、可靠。 1 3 2 本文主要研究内容 针对国家对人才的需求以及目前高校实验教学人才培养现在中存在的主要问 题实验项目匮乏、内容陈旧落后、时空限制性大，虚拟实验开发技术难以为 大多数非软件编程专业教师所掌握和使用等问题，从本质上分析总结并提出整体 解决方案从实质上彻底解决以上问题。具体包括： 实验教学模式改革本质分析 在调查的基础上，理性地分析了导致目前高校所培养出的人才普遍缺乏动手 解决问题的能力、创新思维等社会所重视的素质的原因作为高校培养学生实 际操作能力、设计创新能力的主要手段的实验教学存在实验项目落后、数量不足、 实验学习机会少等问题，并进一步总结出，正是传统实验教学对资金的巨额需求 与时空的高度限制导致这些问题的产生。从而确定，真正能从根本上提高实验教 学质量的实验教学改革，关键点在于彻底突破高成本、高时空占用的实验教学现 状，转而采用一种成本相对低且可自主选择实验时间地点，且实验质量较高的新 方式。 研究将视频应用于实验教学 利用视频低成本、高共享性、无穷时空性优势特性，将视频应用于实验教学 将能从根源上真正实现高校能提供与学科知识同步的、全面的实验项目，供学生 在任何时空根据自身需求可以选择学习。且将视频技术应用与实验教学，相对较 易于各高校广泛开发使用。 第一章绪论 7 视频实验教学系统设计实现 在前面两方面内容研究的基础上，通过对视频实验教学系统物理结构、总体 结构、功能模块划分、系统数据库、系统安全性等的详细设计，能够全面且高质 量地展现实验教学的全过程，且具备了传统实验教学所没有的自动考核功能、自 动实验辅导功能、一对一详细辅导功能，同时，学生的实验时间、地点完全没有 限制，实验项目学习安排自由度最大化，大大提高了实验教学质量。 1 4 本文的社会、科学意义和应用前景分析 实验教学实验项目与对应学科知识同步更新、开设全面覆盖学科目知识所需 实践的实验项目、开设需购置价格高昂的尖端设备或者实验耗时较长的实验项目， 同时实现满足学生时空上、基础上的差异化实验需求的实验教学人才培养目标， 历来都是高校实验教学开展的重点和难点。本文以我国高校实验教学以培养社会 实践型、创新型人才为目标的实验项目设置、实验教学开展现状为背景，提出完 整的解决方案。所设计、开发的视频实验教学系统是一套以实验视频、图片编辑 结合动画模拟为基础，集自主化视频实验、自动实验监管、自动实验考核为一体 的应用系统，首次以相对纯软件编程虚拟方式更加操作简易、使用方便的视频实 验创新方式，根除掉传统实验教学对实物设备的高度依赖，可以从根源上解决因 资金和时空的限制导致的实验教学现状中存在的实验项目不足、内容陈旧等问题， 学生还可以根据自己需求随时随地选择相应的视频实验学习、考核，从而有效避 免高校毕业学生动手能力、自主学习创新能力普遍不高的问题。所研究的基于图 片编辑结合动画模拟的视频实验方式，具有成本低、共享性高、方便使用等特点， 可运用于其他任何单位、个人的实践培训、学习等。 本系统的研发除了解决上述实验教学中存在的问题，有利于保障高校培养的 人才真正符合国家和社会的需要，不断地为国家经济发展注入新鲜的血液力量， 促进国民经济的向前发展外等社会意义外，其直接的经济效益也是非常明显的， 主要表现节省实物设备购置成本、节省实验场地建设成本、节省实验环境和设备 管理维护成本三方面。具体如下： 节省实物设备购置成本 目前，我国高校实验教学多采用根据学科需求购置实物设备的实验开展方式， 实验设备对资金具有绝对占用性，不可能在该设备不符合实验需求后收回原有成 本来添置新设备，造成了旧实验设备资源的闲置浪费。因此，在资金有限的情况 下，实验项目更新困难。而视频实验方式无需占用实物设备进行实验，实验项目 更新容易，即使是一些尖端科技实验项目也能够以较低的成本建设完备。同时， 8第一章绪论 由于不需购置实物设备，该方式不受实验资源归属于哪一个学院、学科的限制， 共享性高。从而节约了大量的成本。 节省实验场地建设成本 采用视频实验方式，高校不需投入大量资金建设实验场地，只需较少的人力 通过对视频资源平台进行管理，即可通过该系统动态掌握学生的实验时间、学习 效果等情况。也杜绝了高校实验设备添置增多时，新的实验场地的建设资源的浪 费。 节省实验环境和设备管理维护成本 视频实验系统中，学生只需利用网络便可以轻松下载实验视频资源进行学习， 因此不需过多的人力物力对实验设备、场地进行管理和维护，也不存在闲置设备 的维护成本的耗费。 综上所述，采用基于图片编辑结合动画模拟的视频实验项目设置方式的视频 实验教学系统，可以省实物设备购置成本、节省试验场地建设成本、节省实验环 境和设备管理维护成本，并通过资源共享在保障实验教学质量满足社会需求的前 提下节约更多的实验成本。若各高校都能够采用此种方式代替实物型实验方式， 将为高校、国家节约大量的实验教学人才培养人力、物力、财力，并促进高校毕 业生都能具备较强的动手能力、创新能力，较好地为社会建设服务。由此可见， 本“视频实验教学系统”的设计开发具有巨大的经济价值、社会意义和推广意义。 1 5 主要创新点 本文研究设计的视频实验教学系统，是在对纯软件编程实现的虚拟实验教学 模式创新的基础上，对传统实物型实验教学模