自主協(xié)作型虛擬實驗教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)

摘要：從建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論出發(fā)，通過應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，以《高中化學(xué)》課程實驗為例，提出自主協(xié)作型的學(xué)習(xí)模式；開發(fā)虛擬實驗計算機輔助教學(xué)系統(tǒng)，為高中學(xué)習(xí)者創(chuàng)建了基于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的自主協(xié)作型的學(xué)習(xí)環(huán)境，使自主協(xié)作學(xué)習(xí)的教學(xué)實踐達(dá)到更好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：自主協(xié)作；計算機輔助教育；教學(xué)系統(tǒng)；虛擬實驗

0 引言

在信息化社會中計算機廣泛地應(yīng)用于教學(xué)領(lǐng)域。高等教育處于CAI研究、應(yīng)用的前線，CAI在高等教育中得到了重點的發(fā)展。而在中等教育階段，CAI并沒有受到足夠的重視。雖然中等教育領(lǐng)域已經(jīng)開始情境教學(xué)、研究性教學(xué)和利用計算機進(jìn)行輔助教學(xué)，但相對高等教育來說CAI的發(fā)展是比較滯后的。

虛擬實驗教學(xué)系統(tǒng)是一種基于Web的自主型虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，它利用計算機創(chuàng)造的虛擬實驗環(huán)境來模擬教學(xué)現(xiàn)場以及實驗過程。它采用的是Flash技術(shù)，不像專業(yè)的三維虛擬實驗系統(tǒng)基于專有硬件開發(fā)、價格昂貴，因而可以在中等教育領(lǐng)域廣泛地推廣。

高中化學(xué)虛擬實驗教學(xué)系統(tǒng)將計算機輔助教學(xué)運用于化學(xué)實驗教學(xué)，學(xué)生可以通過虛擬實驗教學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行學(xué)習(xí)、模擬、驗證、探討實驗和交流學(xué)習(xí)經(jīng)驗；它還可以消除因客觀因素在實驗中造成失敗的可能性，提高實驗教學(xué)的效率。虛擬實驗系統(tǒng)的應(yīng)用為枯燥乏味的實驗教學(xué)注入了生命和活力。

1 高中化學(xué)實驗教學(xué)現(xiàn)況

傳統(tǒng)的高中化學(xué)是以理論教學(xué)為主，實驗教學(xué)為輔，實驗教學(xué)僅僅是為理論教學(xué)作驗證的一個環(huán)節(jié)，可有可無。因此，學(xué)生的實驗?zāi)芰?、素質(zhì)、思維受到一定的影響。

目前越來越多的教師利用計算機進(jìn)行輔助教育，開發(fā)了—些課件。然而這些課件絕大多數(shù)僅是教師上課使用的助教型課件，而對高中學(xué)生助學(xué)型的課件、教學(xué)系統(tǒng)或者平臺的開發(fā)比較少。

為了提高學(xué)生的實驗素質(zhì)，現(xiàn)在的化學(xué)教學(xué)逐漸加強了實驗教學(xué)的環(huán)節(jié)，逐漸將驗證性實驗向探索性實驗發(fā)展。然而在很多實驗操作中，常常存在一些危險因素，如容易產(chǎn)生有毒有害物質(zhì)危害學(xué)生的身心健康，由于操作不當(dāng)，實驗試劑會灼傷皮膚，甚至損壞儀器，造成很多損失。

2 目前高中化學(xué)實驗教學(xué)狀況引起的思考

在高中階段，學(xué)生課程負(fù)擔(dān)比較重，而且有很多學(xué)生對化學(xué)這門課程并不怎么感興趣，預(yù)習(xí)的學(xué)生就更加少了。怎樣調(diào)動學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性呢?我們從建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論的角度出發(fā)，對助學(xué)型的計算機輔助教學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行了研究，根據(jù)高中學(xué)生的特點，開發(fā)了面向?qū)W生預(yù)習(xí)的自主協(xié)作型高中化學(xué)虛擬實驗教學(xué)系統(tǒng)。高中化學(xué)虛擬教學(xué)系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用，較好地解決了相應(yīng)的一些問題，突出了化學(xué)知識的重點難點，減輕學(xué)生的負(fù)擔(dān)，培養(yǎng)了學(xué)生對化學(xué)課程的興趣，提高了預(yù)習(xí)的自覺性，并消除了實驗的危險因素，避免了一些不必要的損失。

3 自主協(xié)作型高中化學(xué)虛擬實驗教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計

3．1教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計思路

虛擬實驗教學(xué)以實驗為基礎(chǔ)，學(xué)生學(xué)習(xí)、掌握知識。虛擬實驗教學(xué)系統(tǒng)是在自主性、協(xié)作性、探究性的學(xué)習(xí)思想下開發(fā)出來的。自主學(xué)習(xí)指的是主動、自覺、獨立地學(xué)習(xí)，它與被動、機械、接受式地學(xué)習(xí)相反，自主學(xué)習(xí)不僅有利于提高學(xué)生的成績，也是個體終身學(xué)習(xí)和畢生發(fā)展的基礎(chǔ)。協(xié)作性學(xué)習(xí)和探究性學(xué)習(xí)方面則以原理為主體，技能為主線，充分利用網(wǎng)絡(luò)環(huán)境(Web)，通過協(xié)作、會話、研討讓學(xué)生學(xué)習(xí)知識的意義建構(gòu)，重點突出高中化學(xué)課程的特點和理論體系。

在多媒體信息的組織上，我們充分注意信息的編排、組接、傳遞的科學(xué)性、準(zhǔn)確性、邏輯性和嚴(yán)密性，以及學(xué)生接受信息的可選擇性。把著眼點放在提高學(xué)生創(chuàng)造性思維、擴散性思維和“發(fā)現(xiàn)式學(xué)習(xí)”的能力上，提高學(xué)習(xí)效率、提供刺激、誘發(fā)期望行為，從知識的不同角度提出不同問題，提高學(xué)生解決問題的能力。

3．2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

高中化學(xué)虛擬實驗教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計以自主、協(xié)作學(xué)習(xí)理論為基礎(chǔ)，始終以學(xué)生的學(xué)習(xí)為中心。系統(tǒng)能充分發(fā)揮學(xué)生的自主性，有利于協(xié)作性學(xué)習(xí)。該系統(tǒng)由學(xué)習(xí)目標(biāo)、知識體系、練習(xí)反饋、娛樂學(xué)習(xí)、協(xié)作學(xué)習(xí)5個模塊組成。具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3．2．1學(xué)習(xí)目標(biāo)模塊

該模塊提供學(xué)習(xí)的重點內(nèi)容。如重要的反應(yīng)原理、實驗中一些化學(xué)反應(yīng)的重要變化現(xiàn)象。它引導(dǎo)學(xué)生明確學(xué)習(xí)任務(wù)和要求、強化學(xué)習(xí)意識、刺激學(xué)習(xí)激情，是學(xué)習(xí)過程的出發(fā)點和歸宿點。

3．2．2知識體系模塊

該模塊介紹高中化學(xué)知識。它采用文字語音解說配合優(yōu)化的實驗演示，形象生動地闡明化學(xué)知識，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)習(xí)效率。

3．2．3練習(xí)反饋模塊

該模塊為鞏固和拓寬學(xué)生的知識面，培養(yǎng)學(xué)生的擴散性思維而設(shè)計。具有填空選擇和虛擬實驗兩大功能區(qū)。

填空選擇區(qū)是針對知識體系中的內(nèi)容，以及一些課外相關(guān)知識而設(shè)計的練習(xí)，附有相應(yīng)的糾錯分析。

虛擬實驗區(qū)是供學(xué)生進(jìn)行預(yù)習(xí)、操作練習(xí)的場所。具有實驗、實驗報告、幫助手冊三大模塊：

實驗?zāi)K是整個虛擬實驗室中學(xué)習(xí)活動的主體，由實驗設(shè)備、實驗材料、實驗工作區(qū)三部分組成。實驗設(shè)備部分用于讓學(xué)生掌握實驗所需要的器件。學(xué)生根據(jù)實驗的需要可以拖動相應(yīng)的器件到實驗工作區(qū)進(jìn)行實驗；實驗材料部分提供了實驗常用的藥品、藥劑，學(xué)生可通過實驗設(shè)備中的“滴管”、“藥匙”等取得實驗需要的藥品藥劑，并在系統(tǒng)彈出的對話框中選定實驗所需的用量；實驗工作區(qū)是虛擬實驗的操作場所。學(xué)生可以在虛擬實驗平臺上進(jìn)行驗證性實驗，也可以進(jìn)行綜合設(shè)計實驗。系統(tǒng)通過交互式Hash動畫模仿出真實的實驗環(huán)境。

實驗報告模塊采取記事本模式，它與后臺數(shù)據(jù)庫連接，學(xué)生可以實時記錄實驗數(shù)據(jù)、實驗特征以及實驗小結(jié)。該模塊可以協(xié)助教師及時了解學(xué)生掌握學(xué)習(xí)知識的情況。

幫助手冊由知識幫助和使用幫助兩個模塊組成，它以文本的形式呈現(xiàn)。知識幫助提供實驗的相關(guān)知識，用一些探索型的話題，讓學(xué)生自主探索研究實驗；使用幫助提供虛擬實驗區(qū)的使用方法，讓學(xué)生更好地掌握實驗。虛擬實驗區(qū)界面如圖2所示。

3．2．4娛樂學(xué)習(xí)模塊

該模塊具有視頻學(xué)習(xí)和游戲?qū)W習(xí)兩種功能。視頻學(xué)習(xí)部分收集了教師理論講授的視頻資料，使用了Flash流媒體技術(shù)。游戲?qū)W習(xí)設(shè)計的是在情境中學(xué)習(xí)的游戲，將化學(xué)知識有機地與游戲結(jié)合起來，如葡萄糖能補充能量，增加游戲角色的生命值等，讓學(xué)生以一種輕松的方式進(jìn)行學(xué)習(xí)，提高學(xué)習(xí)效率。

3．2．5協(xié)作學(xué)習(xí)模塊

該模塊為學(xué)生提供一個討論的空間。它具有知識交流區(qū)、視頻會議室二大功能區(qū)。

知識交流區(qū)給學(xué)生提供一個非實時交流知識的空間，采用Hash結(jié)合Access數(shù)據(jù)庫，ASP作中間橋梁。每一個登錄的學(xué)生都可以進(jìn)行提問或解答。

視頻會議室給學(xué)生提供一個實時交流知識的空間。它在B／S架構(gòu)上，使用Flash MeSa Server技術(shù)，增加了音頻、視頻功能。沒有多個房間，每個房間支持多人在線。學(xué)生可以自己組成小組，自由討論問題。

4 系統(tǒng)的特點

本CAI系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)始終圍繞著教育性、科學(xué)性、技術(shù)性、藝術(shù)性四個中心點，強調(diào)內(nèi)容的豐富性、學(xué)習(xí)的趣味性、操作的交互性。系統(tǒng)具有自主性、沉浸性、交互性、協(xié)作性等特點。

自主性本系統(tǒng)通過一些增強的、有趣的交互性來提高學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。學(xué)生根據(jù)自身情況，自主地選擇知識進(jìn)行學(xué)習(xí)，也就是說學(xué)生可以為自身“量身定做”學(xué)習(xí)知識。系統(tǒng)根據(jù)自主學(xué)習(xí)思想設(shè)計，能夠充分調(diào)動學(xué)生的積極性，發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性，培養(yǎng)學(xué)生獨立學(xué)習(xí)的能力。

沉浸性學(xué)生進(jìn)入系統(tǒng)后就處在—個虛擬的環(huán)境中，它為學(xué)生創(chuàng)造—個虛擬的學(xué)習(xí)氛圍，有利于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。

交互性系統(tǒng)能夠與學(xué)生直接相互作用，對學(xué)生的每一個動作做出相應(yīng)的反饋，并使學(xué)生產(chǎn)生相應(yīng)的一些心理變化。有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

協(xié)作性系統(tǒng)具有資源共享、超越時空、方便協(xié)作等特點。學(xué)生在自主學(xué)習(xí)的過程中遇到問題，可以通過留言、視頻交流等方式加以解決，有利于提高學(xué)生協(xié)作學(xué)習(xí)的能力。

5 結(jié)束語

本系統(tǒng)的開發(fā)不僅能極大地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)積極性，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力，也提高了學(xué)生的擴散性思維和創(chuàng)新性思維水平，以及學(xué)習(xí)效率，使學(xué)生的素質(zhì)得到了更全面的發(fā)展。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請以PDF格式閱讀原文。