虚拟实训软件开发方法研究

摘要摘 要：作为一种专业性较强的教育类软件，虚拟实训软件开发既要采用软件工程学方法，也要遵循教育教学的基本规律。提出了将软件工程与教学系统设计相结合的开发方法，并在实际应用中取得了良好的教学效果。

关键词关键词：虚拟实训；软件开发；软件工程

中图分类号：TP302

文献标识码：A 文章编号文章编号：16727800（2014）008004303

1 虚拟实训软件

技能教育是职业教育的核心，职业教育信息化应为职业技能服务，使之成为提高教育质量的重要手段。利用虚拟仿真实训软件来辅助教学是职业教育信息化应用的重要体现，以提高技能水平为核心的虚拟实训软件具有多感知性、沉浸性、交互性等特点，在实训教学中解决了危险性大、费用高、小概率事件再现、环境污染等多项实操中可能出现的问题，与实操实训形成互补，可以显著提高教学效果和效率。

2 虚拟实训软件开发

教学软件是为实现特定教学目标、实施教学过程设计和制作基于网络或多媒体技术的教学材料，计算机技术人员按照软件工程原则指导开发过程，但难以充分体现现代教育思想和理论的指导作用。教师能够较好地把握学科教学内容和教学策略，但在软件开发技术和能力上常常会存在各种困难。因此，教学软件教育教学功能的实现离不开教学设计，而软件的成功开发又离不开软件工程方法。教学设计和软件工程都具有系统论、方法论特点，能指导教学系统和软件系统设计开发的理论和技术，只有将两者进行有机结合，才能够开发出同时符合软件工程要求和教学要求的高质量软件。

2.1 教学系统设计

教学系统设计是综合多种学科理论和技术研究成果的学科，其主要理论基础有学习理论、教学理论、系统理论和传播理论等，其目的是对有关人类学习的所有方面进行分析、创设、实施、评价和管理，使之更加卓有成效[1]。教学设计可分为面向教师以教为主的传统教学设计、建构主义环境下以学为主的教学设计两种模式。

以教为中心的教学设计流程如图1所示。

图1 以教为中心的教学设计流程

建构主义环境下的教学设计是为了促进学生的自主学习，设计流程如图2所示。

图2 以学为中心的教学设计流程

2.2 软件工程

软件工程是一门关于软件开发与维护的工程学科，它涉及软件生产的各个方面，包括工程过程、工程原则、技术方法与工具，以及工程项目管理等，能够为高效地开发高质量的软件产品提供最有效的支持[2]。

软件系统或软件产品也有一个定义、开发、运行维护，直至被淘汰的全过程，可把软件将要经历的全过程称为软件的生命周期。为了使软件生命周期中的各项任务能够有序地按照规程进行，需要一定的工作模型对各项任务给予规程约束，这样的工作模型被称为软件过程模型，或软件生命周期模型。它是一个有关项目任务的结构框架，规定了软件生命周期内各项任务的执行步骤与目标。基于以上原理，经过多年的发展，出现了众多指导软件开发的方法模型，其中比较有代表性和参考价值的模型包括：瀑布模型、原型模型、增量模型、螺旋模型、喷泉模型、组件复用模型等。

2.3 教学系统设计与软件工程相结合的开发方法

教学软件不同于一般的行业软件，能否提高教学质量和效率是衡量其成败的关键，它在需求分析和系统设计方面需要有学科专家和一线教师的大量参与，而要最终形成高质量的教学软件，又离不开程序设计人员的具体实现，如何实现它们的有效合作成了一个关键问题。首先，采用软件工程的开发方法，实现开发过程的结构化和标准化，提高软件产品的质量和开发效率，减少维护困难；其次，在开发过程中采用原型化方法，因为一个好的教学软件需要经过教学实践的检验，需要听取教师、学生的意见并不断改进，才能逐渐完善成熟。可以将一个不够成熟、完善的软件作为最初原型，由学科教师、专业程序员、美工等人员通过沟通与合作将其进一步优化，并在实际教学应用中反复检验和完善。

一门实训课程通常由多个结构相似的教学项目或任务组成，这正符合增量模型的开发思想，在多个项目组件的开发过程中，逐个创建、交付，并可通过螺旋模型的逐步逼近原则逐步提高软件质量。独立的构件也便于不同的教师参与自己最为熟悉的教学项目，并根据不同学习对象和课程安排对教学任务进行灵活组合，并设计教学活动。

实训软件开发与普通软件开发的不同之处还在于，其使用者既包括学生也包括教师。实训软件既可以作为辅助教学软件应用于以教为主的课堂教学，也可以作为学习工具应用于以学为主的课外自主学习。因此，在项目计划制定和需求分析阶段，要同时考虑这两种学习模式的特点和需求，使其能够满足不同学习方式的需要。

由软件开发人员和教师共同完成的虚拟实训软件开发过程如图3所示，开发增量构件螺旋模型如图4所示。其中，灰色部分由教师完成，白色部分由软件开发人员完成。

3 虚拟实训软件增量螺旋式开发与教学应用

3.1 软件开发

中药提取虚拟实训软件开发的增量模型如图5所示。中药提取涉及到中药材的粉碎、过筛、混合、提取、分离、浓缩、干燥等操作，从而将中药材制成一定规格的制剂中间体，是《中药前处理技术》课程的重要组成部分，要求掌握粉碎、提取、浓缩、分离等岗位的职责、设备SOP操作规程以及各种生产记录的规范填写，并通过实训，生产出合格的中药提取物，为中药制剂生产提供合格的原料。

图3 虚拟实训软件开发的增量模型

图4 开发增量构件螺旋模型

基于对实训课程教学目标和学习者特征的分析，为了更真实地再现实训车间的工作环境，将软件定位在任务驱动的虚拟车间，首先三维再现整个车间的空间结构和设备分布，然后对中药提取车间的设备进行梳理和筛选，选择工作原理和内部结构较为复杂的部分设备作为虚拟实训的核心组成部分。针对每个设备需完成设备认识、设备实训和设备考核3个任务，每个任务形成一个独立的构件，基于共同的设计标准并行开发，异步集成。此外，学习过程中所需要的知识库、师生交流、系统管理等支持工具也分别形成独立的构件。

图5 中药提取虚拟实训软件开发的增量模型

针对每个独立构件的开发，均采用螺旋式模型。首先由教师分析教学目标，提出教学策略，并撰写初步的需求文档，开发人员将其转换为具体的软件需求，经教师评估修订后进入软件设计和编程阶段。如有需要，评估、设计、编程等流程将在教师和开发人员中循环多次进行，并最终交付给更广范围的教师和学生试用、评估，最后进入运行维护阶段。中药提取虚拟实训软件构件开发流程如图6所示。

图6 中药提取虚拟实训软件构件开发流程

最终完成的软件采用任务驱动教学法，全3D模拟各种制药设备及药品生产工艺过程，利用Quest 3D的虚拟现实功能，通过虚拟场景漫游、3D互动、虚拟视频、仿真实训和仿真实践考核等手段，打造生动、形象，沉浸感强、交互性好的虚拟仿真教学环境。软件系统主要包含情境导入、设备认识、岗位实训（含岗位操作和岗位考核）、知识库、师生互动和系统管理6个部分，集教学演示、自主学习、岗位操作、岗位考核、系统管理五大功能于一体，具体结构组成如图7所示。

图7 中药提取虚拟实训软件结构

3.2 教学应用

虚拟仿真实训系统为教师讲解设备结构、工作原理、实训过程、安全生产等方面的知识提供了真实的模拟演示环境，同时为学生提供了一个自主学习平台。根据虚拟实训系统的特点及高职人才培养的目标和要求，探索了以下两种虚拟仿真实训系统应用模式。

（1）“协作—探究式”学习模式。“协作—探究式”学习模式是基于建构主义的以学生为中心的学习模式，强调以学生为中心，发挥学生的创新精神、探究能力和协作精神。教师提供完善的虚拟实训手册和实训操作说明后，由学生基于虚拟仿真实训系统自主完成“协作—探究式”学习，以作为传统课程内容的补充，如图8所示。

图8 “协作—探究式”学习模式

（2）“虚实结合”混合学习模式。混合学习模式强调教师的主导作用与学生的主体地位相结合，基本形式是师生面对面教学与学生在线学习有机结合，将虚拟实训融入课程学习的各个阶段。“虚实结合”混合学习模式如图9所示。

图9 “虚实结合”混合学习模式

软件开发完成后，在广东食品药品职业学院2011级中药专业和制药技术专业共8个班级进行试用，95%以上的用户对软件给予了肯定性评价，认为该软件对教学帮助很大。相比于传统教学，学生通过《中药提取虚拟车间》的学习，可更加直观、深入地掌握中药提取车间提取浓缩机组的设备构成、提取岗位操作方法及常用设备操作规程等知识与技能，从而能够在真实的实训操作中较顺利地完成中药提取的生产过程，弥补了真实情景中大型设备数量的不足。虚实结合的教学模式获得了学科教师的认可，有效减少了目前学校实训教学中存在的困难，提高了教学效果。

4 结语

虚拟实训软件作为一种专业性较强的教育软件，其设计和开发需要学科教师的深度参与，将教学系统设计思想贯穿在软件设计的整体思路中，与软件开发人员共同设计、开发和改进。实训课程任务式的教学方式使增量构件式开发成为最适合的开发方式，可以使整个实训软件的架构灵活多变，应用起来也十分方便。

高职实训类课程教学中，学生在进入真实实训环境前，通过虚拟的实训操作，掌握相关实验知识，熟悉相关实验设备的工作原理和操作步骤，可在一定程度上应对实验设备短缺、使用成本高等问题，并提高教学效果。但是虚拟实训并不能完全代替真实实训，应注意虚实结合，这样才能培养出集理论知识和操作技能于一身的应用型人才。

参考文献参考文献：

[1] 何克抗，李克东.教学系统设计[M].北京：北京师范大学出版社，2002.

[2] 曾强聪.软件工程[M].北京：高等教育出版社，2002.

责任编辑（责任编辑：孙 娟）

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