淺析虛擬實驗與教學(xué)應(yīng)用

單菊芬

摘 要：虛擬實驗技術(shù)的成熟發(fā)展和實驗教學(xué)改革的迫切需要使得虛擬實驗在教學(xué)中的應(yīng)用從理論研究走向了實際應(yīng)用。虛擬實驗不僅是一種先進(jìn)的技術(shù)手段，而且是一種新的科學(xué)研究方法。該文以虛擬實驗理論為基礎(chǔ)，進(jìn)行了新的理論思考：從技術(shù)實現(xiàn)和教學(xué)應(yīng)用的角度來構(gòu)建虛擬實驗系統(tǒng)，從幫助學(xué)生的概念知識和技能掌握角度分析虛擬實驗的方法特點在培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維能力和互助合作精神等方面的作用。

關(guān)鍵詞：虛擬實驗 教學(xué)應(yīng)用 創(chuàng)新能力

中圖分類號：G4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2012）12（b）-0-01

該文圍繞虛擬實驗系統(tǒng)以及其教學(xué)應(yīng)用問題展開分析，主要內(nèi)容分為以下幾個部分。

1 虛擬實驗原理

1.1 含義和特征

虛擬實驗系統(tǒng)是以數(shù)學(xué)理論、相似原理、信息技術(shù)、系統(tǒng)技術(shù)以其應(yīng)用領(lǐng)域有關(guān)的專業(yè)技術(shù)為基礎(chǔ)，以計算機(jī)和各種物理效應(yīng)設(shè)備為工具，采用“面向?qū)ο蟆彼枷雱?chuàng)建的，能夠?qū)崟r操作的、非實在的實驗空間，在此環(huán)境中，實驗者可以像在真實的環(huán)境中一樣完成各種預(yù)定的實驗項目。

它可以打破時間、空間的限制，拓展我們實驗的空間，可以虛擬生命起源、地球的形成之類的實驗，可以虛擬地殼之內(nèi)、太空之外的實驗，甚至可以虛擬人類心理活動的實驗，向我們展示我們從未感受過的時空景象。由于虛擬實驗具有上述優(yōu)勢，人們很快發(fā)現(xiàn)它不僅可以應(yīng)用于科學(xué)研究和科學(xué)實驗，也可以將它引入教育教學(xué)活動。

1.2 虛擬與真實連結(jié)的紐帶

眾所周知，現(xiàn)實世界與虛擬世界是整體的客觀實在世界的兩個相互補(bǔ)充的方面，一方面人們不能沒有對自然界的深刻體驗，同樣另一方面也離不開對生活空間的想象。那么在虛擬實驗環(huán)境中究竟要怎樣學(xué)習(xí)？怎樣與實踐活動相聯(lián)系？怎樣分析虛擬世界與真實世界之間的關(guān)聯(lián)，并從經(jīng)驗和人的感知覺等角度探討虛擬實驗與真實世界的聯(lián)系，以便學(xué)生較好地掌握虛擬實驗中的相關(guān)因素，進(jìn)行真正意義上的自主學(xué)習(xí)，從而獲得自身能動性的最佳延伸。

教育教學(xué)改革的不斷深化對實驗教學(xué)在培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)研究能力和綜合素質(zhì)等方面提出了更高的要求。相對于理論教學(xué)，傳統(tǒng)的實驗教學(xué)的教學(xué)內(nèi)容、模式和方法亟待革新與完善。依據(jù)人們的認(rèn)識規(guī)律和教學(xué)規(guī)律，借助于計算機(jī)等技術(shù)，有機(jī)地將教學(xué)內(nèi)容、虛擬實驗設(shè)備和學(xué)生操作緊密結(jié)合起來，更具有直觀性、實踐性、綜合性和創(chuàng)新性等特點。隨著虛擬實驗越來越廣泛地被各種教學(xué)活動所采用，這類實踐活動越來越迫切地需要理論的指導(dǎo)；而隨著實踐經(jīng)驗積累得越來越多，也為系統(tǒng)地開展關(guān)于虛擬實驗及其教學(xué)應(yīng)用問題提供了可以依賴的基礎(chǔ)。

2 虛擬實驗系統(tǒng)的具體應(yīng)用

2.1 概念與技能掌握

在概念學(xué)習(xí)中，奧蘇貝爾認(rèn)為概念的獲取主要有兩種方式，一是概念形成，二是概念同化。事實上，學(xué)生掌握的許多科學(xué)概念都是從日常概念中發(fā)展而來的。實驗教學(xué)中概念掌握，應(yīng)該從感知具體的物質(zhì)和現(xiàn)象開始，從已有的知識出發(fā)，通過實驗或推理，由表及里、由淺入深，有層次地由感性認(rèn)識上升到理性認(rèn)識。

而實驗教學(xué)過程中的技能訓(xùn)練是使學(xué)生把已獲得的知識運(yùn)用于實踐在實踐活動中指導(dǎo)學(xué)生動手操作，把知識轉(zhuǎn)化為能力，從而獲得應(yīng)用知識的本領(lǐng)。

2.2 探索與合作學(xué)習(xí)

實驗活動強(qiáng)調(diào)探索與合作，是創(chuàng)造性的活動，不僅能引導(dǎo)和培養(yǎng)學(xué)生勤于思考、善于發(fā)現(xiàn)和提出問題，而且能培養(yǎng)學(xué)生觀察、分析和解決問題的能力。特別是，在虛擬實驗環(huán)境中學(xué)生之間的探索與合作學(xué)習(xí)，有助于培養(yǎng)學(xué)生認(rèn)真負(fù)責(zé)的精神和合作的意識，不同的智慧水平、知識結(jié)構(gòu)、思維方式的學(xué)習(xí)者之間可以互補(bǔ)，是一種有效傳授知識技能的方式。協(xié)作式虛擬實驗系統(tǒng)已經(jīng)成功地應(yīng)用于宇航員訓(xùn)練中。

總之，虛擬實驗所提供的任務(wù)整合了多重的內(nèi)容和技能，學(xué)生可以嘗試著從接近日常的角度來觀察世界，突出其中的特定規(guī)律，有助于學(xué)生意識到他們所學(xué)知識的相關(guān)性和意義性。因而在虛擬實驗環(huán)境中，可以幫助學(xué)生從簡化的世界中獲得關(guān)于真實世界里的各種現(xiàn)象和科學(xué)知識。值得一提的是，虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)不可能與真實訓(xùn)練環(huán)境完全一樣，所以要重視培養(yǎng)學(xué)生掌握解決問題的模式和策略，啟發(fā)學(xué)生把虛擬訓(xùn)練中學(xué)到的知識和技能運(yùn)用于實踐。

3 虛擬實驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.1 系統(tǒng)設(shè)計

電腦游戲之所以能吸引參與者，在于它能及時提供反饋，參與者并不因達(dá)不到目標(biāo)而失掉興趣，相反更具有挑戰(zhàn)性。如果虛擬實驗系統(tǒng)具有游戲的性質(zhì)，則實驗環(huán)境更能豐富學(xué)生的經(jīng)驗，引導(dǎo)學(xué)生探索，嘗試新的解決方法。因此，虛擬實驗內(nèi)容與組織的設(shè)計首先應(yīng)該考慮的是如何激發(fā)學(xué)生的興趣，以達(dá)到實驗?zāi)康摹Ｌ摂M實驗系統(tǒng)設(shè)計和開發(fā)的相關(guān)原則如下：一致性原則、開放性原則、交互性原則、冗余原則和合用準(zhǔn)則。

3.2 環(huán)境架構(gòu)

構(gòu)建虛擬試驗系統(tǒng)的方法有很多，但基本思想應(yīng)該是一致的，即用軟件方法來模擬硬件設(shè)備的功能。虛擬實驗系統(tǒng)一般由用戶界面、實驗處理系統(tǒng)、控制管理系統(tǒng)和系統(tǒng)中的其他庫（如數(shù)據(jù)庫、案例庫、規(guī)則庫、知識庫、模型庫部分）等共同構(gòu)成。

虛擬實驗的教學(xué)過程是建立在一般實驗教學(xué)活動過程、學(xué)生的認(rèn)知過程和實踐活動以及教學(xué)的基本規(guī)律的基礎(chǔ)之上的。虛擬實驗系統(tǒng)的過程模型有4個，分別是①用戶界面②情境設(shè)置③過程模擬④總結(jié)評價。這四個方面構(gòu)成了一個較完整的體系，系統(tǒng)根據(jù)實驗者所示定的參數(shù)，將實驗過程中發(fā)生的變化和實驗結(jié)果直觀地呈現(xiàn)出來，以便實驗者對自己的操作有一個整體的把握。在實驗教學(xué)的實際應(yīng)用中，根據(jù)學(xué)生的特點和實驗需要出發(fā)，有針對性地運(yùn)用虛擬實驗系統(tǒng)，更好地體現(xiàn)“學(xué)生為主體”這一教學(xué)思想，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)和創(chuàng)新

能力。

在虛擬環(huán)境中，實驗的成功與否，當(dāng)然與學(xué)生的認(rèn)知活動密切相關(guān)，同時也離不開虛擬實驗系統(tǒng)所提供的實驗環(huán)境。了解虛擬實驗系統(tǒng)的實際及常用的開發(fā)工具，可以根據(jù)實際的實驗需要，開發(fā)新的虛擬實驗系統(tǒng)，或者改進(jìn)已有的虛擬實驗系統(tǒng)，用來提高學(xué)生的實驗興趣，從而提高實驗教學(xué)的針對性和實

效性。

隨著相關(guān)技術(shù)和學(xué)習(xí)理論的發(fā)展，虛擬實驗系統(tǒng)將更為完善和人性化，更加適應(yīng)實驗教學(xué)發(fā)展的需要。使用虛擬實驗系統(tǒng)輔助實驗教學(xué)在某種程度上改善實驗教學(xué)條件，但是也有可能限制學(xué)生能動性的發(fā)揮。教師要發(fā)揮重要作用，不僅要提高學(xué)生對虛擬實驗的概念、原則和技術(shù)的認(rèn)識，又要結(jié)合實際情況考慮虛擬實驗的組織與實施以及存在的問題?？傊?，要因地制宜，既要考慮學(xué)習(xí)目標(biāo)、實驗內(nèi)容，也要考慮學(xué)生特點、教師態(tài)度、實驗環(huán)境等因素，都是為了更好地采用合理的實驗教學(xué)組織形式，滿足不同學(xué)生的不同學(xué)習(xí)要求，從而實現(xiàn)實驗教學(xué)的個性化。

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