一种虚拟实验在线教学反馈系统技术方案

本发明专利技术公开了一种虚拟实验在线教学反馈系统，通过对学生在虚拟实验操作过程中的行为习惯和在线作业测试结果进行数据采集，结合后台大数据分析技术对数据进行分析比对，对实验操作中体现出的知识易错点和知识薄弱点定制知识掌握权重图，得出学生差异化教学在线反馈教学方案，达到通过实验课了解学生学科掌握程度的目的。该反馈是对课堂教学的有益补充，避免教学实验形式化，深化学生对知识的理解并能让教师及时了解学生知识掌握程度，同时有针对性的对教学内容进行修正和改进。通过上述方式，本发明专利技术能够真正达到通过实验教学深化学科认知和强化知识掌握程度的目的，为考量评估教学效果提供一种新的思路，对提高教学质量有着深远的意义。

A Feedback System for Online Teaching of Virtual Experiments

【技术实现步骤摘要】
一种虚拟实验在线教学反馈系统
本专利技术涉及在线教育领域，特别是涉及一种基于虚拟现实、仿真模拟、数据采集、信息比对、数据库、网络通信、多元统计分析等
，可以应用于教学、培训、教育资源与管理等。
技术介绍
在线教育以其强大的资源共享性、跨越时间和空间限制成为近年来教育发展的热点。高等学校将传统教学模式转变为线上线下均衡发展是教育改革的必然趋势。以美国为代表的在线高等教育经历了从借助技术实现教育手段优化的“媒介应用”阶段、追求教育策略优化的“课程整合”阶段到现在强调教育系统优化的“网络生态”阶段。传统实验教学受到资金、空间限制，无法跟上现代科技的高速发展，学生知识体系在深度和广度上受到一定程度影响。美国Williamwolf提出“虚拟实验”概念，是在虚拟现实基础上对真实实验进行模拟再现，以其高仿真度、多传感交互性以及科学可视化技术得到了迅速发展。美国的JavaVirtualPhysicsLaboratory是一个基于JAVA技术的虚拟物理实验室；VirtualLabs属于交互式的生物医学类实验室模拟系统；美国的北卡罗来那大学创建的LAAPhysic物理实验室；德国Ruhr大学开发的Vclab实验室也非常有名，该学习系统是控制工程虚拟方面一个非常成功的例子。除此之外，还有位于英国萨塞克斯大学的VAST-Lab虚拟实验系统，英国牛津大学的化学虚拟实验室等等。与国外发达国家相比，我国的虚拟实验系统的开发研究起步较晚，但如今虚拟实验室系统的开发建设也得到了充分的重视，如北京大学的网络虚拟实验室，实现了流水线实验和的CACHE实验两个实验系统；华中科技大学开发的“液压与气压传动”实验室，是基于三维环境运行的可实现远程实验的虚拟实验室；中国科技大学的奥锐公司创建的“大学物理仿真实验”和“大学物理虚拟实验教学系统；中国农业大学开发的虚拟土壤实验室利用计算机模拟植物的生长和发展状况，在三维的空间中探索虚拟植物模型在农业领域的应用问题，以上这些虚拟实验是虚拟实验代替传统实验仪器的例子，但这些只是在形式上完全虚拟化，而没有将学生实验中的操作和计算错误反馈给教学老师，即无法将虚拟实验操作结果与理论知识掌握度联系起来，因此需要开发一套虚拟实验在线反馈系统。
技术实现思路
本专利技术开发一套虚拟实验在线教学反馈系统，以解决上述技术不足。以高等教育工科教学实验为基础，在LABVIEW开发平台上设计系统界面和程序，利用图形编辑化语言将虚拟仪器通用化、智能化并网络化。系统开发采用模块化管理包括学生实验操作的注意事项、实验目的、实验原理、实验步骤、随机在线测试等前面板模块。引入TTS系统实现将相关知识点语音化即文本和语音讲解同步推进的模式嵌入到实验操作的过程当中，随着模拟实验操作的开展知识点的不断推进，以求学生在操作的过程中巩固和深化理论知识。通过对学生在虚拟实验操作过程中的行为习惯和在线作业测试结果进行数据采集，根据学生在虚拟实验中通过鼠标点击的操作过程作为触发事件，抓取学生在线操作及在线测试的所有事件收集生成后台数据库的相应数据。在后台预先定义判定正误模式，利用布尔运算，通过对采集到的数据进行分析比对布尔识别后在后台进行数据的分析和整理，同时根据操作痕迹挖掘出知识的薄弱环节以及被忽视的重要知识点。通过对学科知识进行梳理，制定学科知识权重图。实验完成后将学生的实验操作和实验计算数据梳理成定制化的思维导图。汇总学生的操作结果，定制不同学生的专属化、差异性的优化在线反馈集结模型，根据知识点权重图进行统计学分析并将异众比率呈现出来。利用Mindmanager可视化为更直观的框图反馈给学生及任课教师。该在线教学反馈系统根据学生在线实验操作过程不同，为教师提供差异化教学在线反馈教学方案。教师根据知识点掌握的反馈结果来调整教学计划和教学内容，达到通过实验课了解学生学科掌握程度的目的。该反馈系统是对课堂教学的有益补充，避免教学实验形式化，深化学生对知识的理解并能让教师及时了解学生知识掌握程度，同时有针对性的对教学内容进行修正和改进。通过上述方式，本专利技术能够真正达到通过实验教学深化学科认知和强化知识掌握程度的目的，为考量评估教学效果提供一种新的思路，对提高教学质量有着深远的意义。【附图说明】图1为虚拟实验在线教学反馈系统结构示意图图2为虚拟实验操作平台结构示意图图3为大数据挖掘分析系统结构示意图图4为在线教学反馈系统结构图示意图图5为虚拟实验在线教学反馈系统总体设计流程图【具体实施方法】下面借助实例和附图更加详细地说明本专利技术，但不应理解为本专利技术上述主题内容仅局限于下述实施例。在不脱离本专利技术上述技术思想和所公开精神情况下，根据本领域技术知识与惯用手段，做出各种等效、替换、修改或变更，都落入本专利技术保护的范围。本实施例公开一种虚拟实验在线教学反馈系统，如图1所示，包括虚拟实验操作平台、大数据挖掘分析系统、在线教学反馈系统这三个主模块具有特定属性和内容，可实现特定功能与应用，同时又可相互协作与配合，实施在线实验教学及知识掌握程度信息反馈。以流体流态转变综合实验为例，系统将流态转变实验用到的方案分解成不同的独立性模块进行管理，在线虚拟实验操作平台包括实验演示图像呈现模块中的流体在管道中流动的三种不同流动状态；流体质点在不同流态中的运动规律；过渡流中流体由层流变紊流及由紊流变层流过程。理论计算模块中的流体在圆管内流动时的下临界雷诺数测定模块。实验操作模块中的通过调节圆管阀门改变流体流态模块。在线测试模块中的如何判定上临界雷诺数与下临界雷诺数；为何上临界雷诺数对判别流态没有实际意义；如何避免实验误差等。学生只有课堂上认真学习理论知识同时充分的预习实验才能顺利的进行后续的在线实验操作，系统通过抓取学生在线操作的所有痕迹，收集整理为差异化、定制化后台数据。所有学生操作数据汇总为数据库，为后续数据挖掘分析并定制反馈方案提供有力保障。如图2所示，虚拟实验操作平台包括实验场景模拟模块、TTS语音讲解模块、在线作业测试模块，学生可以通过对实验场景模拟模块的操作，深化对实验直观理解；通过TTS语音讲解模块提高对理论知识的掌握；通过在线作业测试模块可以检验知识掌握的薄弱点及易错易混淆知识点。其中实验场景模拟模块包括实验视频动画资源、文档图片等前面板模块；TTS语音讲解模块包括实验场景语音描述、重要知识点语音提示；在线作业测试模块由海量试题库组成。如图3所示，大数据挖掘分析系统包括实验操作采集数据库、理论知识数据库、作业测试数据库组成。其中将抓取操作过程数据及完成在线作业测试生成的数据整理形成后台实验操作采集数据库，将采集的数据进行挖掘整理并与理论知识数据库中的数据进行比对，将比对结果反馈给在线教学反馈系统。如图4所示，在线教学反馈系统包括实验操作错误反馈系统和知识薄弱点反馈系统，其中实验操作错误反馈系统是抓取学生在虚拟实验操作中的错误，进行后台数据的挖掘整理，与在实验操作过程中忽略的知识薄弱点汇总进行分析，通过对学科知识进行梳理，制定学科知识权重图，根据信息分析比对结果定制出知识掌握权重图，在差异化知识体系提交系统中生成全部学生的知识掌握权重图专属化优化在线反馈集结模型，根据知识点权重图进行统计学分析并将异众比率呈现出来。利用Mindmanager可视化为更直观的框图反本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种虚拟实验在线教学反馈系统，其特征在于，包括：虚拟实验在线操作平台、大数据挖掘及分析系统、在线教学反馈系统；所述虚拟实验在线操作平台，用于将高等学校工科实验虚拟化为可视化交互性的在线实验操作平台，为在线教学提供面向不同专业、丰富多样、全面详实的虚拟实验在线平台；所述大数据挖掘及分析系统，用于将在线实验操作过程中学生的操作行为及在线测试完成情况收集、整理、挖掘并分析，同时将与理论知识存储数据库中的信息信息分析比对，为在线教学反馈系统系统必要的数据支撑。所述在线教学反馈系统，用于将虚拟实验操作过程及在线测试结果进行数据采集和分析，对形成的后台大数据与理论知识模块中信息点进行分析比对，得出知识掌握权重图，定制不同学生的专属化、差异性的优化在线反馈集结模型。

【技术特征摘要】
1.一种虚拟实验在线教学反馈系统，其特征在于，包括：虚拟实验在线操作平台、大数据挖掘及分析系统、在线教学反馈系统；所述虚拟实验在线操作平台，用于将高等学校工科实验虚拟化为可视化交互性的在线实验操作平台，为在线教学提供面向不同专业、丰富多样、全面详实的虚拟实验在线平台；所述大数据挖掘及分析系统，用于将在线实验操作过程中学生的操作行为及在线测试完成情况收集、整理、挖掘并分析，同时将与理论知识存储数据库中的信息信息分析比对，为在线教学反馈系统系统必要的数据支撑。所述在线教学反馈系统，用于将虚拟实验操作过程及在线测试结果进行数据采集和分析，对形成的后台大数据与理论知识模块中信息点进行分析比对，得出知识掌握权重图，定制不同学生的专属化、差异性的优化在线反馈集结模型。2.根据权利要求1所述的虚拟实验在线教学反馈系统，其特征在于，虚拟实验在线操作平台将高等学校工科实验虚拟化为可视化交互性的在线实验操作平台，通过设计系统界面和程序，利用图形编辑化语言将虚拟仪器通用化、智能化并网络化；系统开发采用模块化管理包括学生实验操作的注意事项、实验目的、实验原理、实验步骤等前面板模块。引入TTS系统实现将相关知识点语音化即文本和语音讲解同步推进的模式嵌入到实验操作的过程当...

【专利技术属性】
技术研发人员：李娜娜，牛智博，沈伯雄，
申请(专利权)人：河北工业大学，
类型：发明
国别省市：天津,12