科學(xué)教育專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中虛擬實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用研究

李文娟　王瓊

【摘 要】實(shí)驗(yàn)教學(xué)是科學(xué)教育專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)過(guò)程中提高學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)、增強(qiáng)學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力的重要途徑。如何提升實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)質(zhì)量是該專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)過(guò)程中需要關(guān)注的重要問(wèn)題。虛擬實(shí)驗(yàn)是教育信息化背景下出現(xiàn)的一種新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，具有新穎、靈活、開(kāi)放、成本低等多種優(yōu)勢(shì)，可以有效改進(jìn)與提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)的品質(zhì)。基于此背景，本文致力研究在科學(xué)教育專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中實(shí)施虛擬實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢(shì)、原則等，并針對(duì)構(gòu)建與應(yīng)用虛擬實(shí)驗(yàn)時(shí)的問(wèn)題與不足，進(jìn)行了一些思考和探索。

【關(guān)鍵詞】實(shí)驗(yàn)教學(xué)；虛擬實(shí)驗(yàn)；科學(xué)教育專(zhuān)業(yè)

Research on the application of virtual experiment in the teaching of Science Education Major

LI Wen-juan WANG Qiong

（Department of elementary education，Changsha Teachers College，Hunan Changsha 410100，China）

【Abstract】Experimental teaching is an important way to improve students' scientific literacy and enhance students' innovation ability in the process of scientific training for the Science Education Major. How to improve the teaching quality of experimental course is a hot issue that needs to be paid attention to in the process of cultivating talents. Virtual experiment is a new experimental teaching mode under the background of Educational informationization. It has many advantages， such as flexible， open and low cost， which can effectively improve and enhance the quality of experimental teaching. Based on this background， this paper aims to study the implementation of the principle， advantage of virtual experiment in experimental teaching in the Science Education Major. And this paper makes some exploration for the problems which are arisen in constructing and applicating the virtual experiment.

【Key words】Experiment teaching； Virtual experiments； Science Education Major

1 科學(xué)教育專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中常見(jiàn)問(wèn)題分析

科學(xué)教育專(zhuān)業(yè)是為解決中小學(xué)科學(xué)課程師資需求而開(kāi)設(shè)本科專(zhuān)業(yè)?？茖W(xué)課程是培養(yǎng)中小學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的重要啟蒙性課程，而科學(xué)素養(yǎng)的內(nèi)涵較為廣泛，包含學(xué)知識(shí)、科學(xué)技能、科學(xué)方法、與科學(xué)精神等多方面。因此，在校期間，科學(xué)教育專(zhuān)業(yè)的學(xué)生除了需要掌握扎實(shí)的科學(xué)知識(shí)外，還需要進(jìn)行全面的實(shí)驗(yàn)技能訓(xùn)練。目前，多數(shù)高校由于實(shí)驗(yàn)條件、實(shí)驗(yàn)管理人員等綜合因素的影響，科學(xué)教育專(zhuān)業(yè)的實(shí)驗(yàn)課程大都以物理、化學(xué)、生物、地理等分科形式獨(dú)立呈現(xiàn)，而分科式的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式不利于學(xué)生形成綜合的科學(xué)實(shí)驗(yàn)觀念[1]。

同時(shí)，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)流程“預(yù)習(xí)-教師講解-操作-實(shí)驗(yàn)報(bào)告”的模式存在一定弊端。例如：①實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師通過(guò)演示示范，逐條將實(shí)驗(yàn)原理及注意事項(xiàng)傳達(dá)給學(xué)生，造成學(xué)生自主能動(dòng)性較差；②實(shí)驗(yàn)報(bào)告作為課后作業(yè)，由于缺乏老師的監(jiān)管，抄襲現(xiàn)象較為嚴(yán)重。這些都極大影響了科學(xué)教育專(zhuān)業(yè)學(xué)生的主觀能動(dòng)性，不利于學(xué)生形成高水平的科學(xué)實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)。

此外，由于實(shí)驗(yàn)室建設(shè)工程繁瑣，縱觀國(guó)內(nèi)開(kāi)設(shè)科學(xué)教育專(zhuān)業(yè)的院校，基本都面臨實(shí)驗(yàn)室建設(shè)緩慢的困境，國(guó)內(nèi)只有少數(shù)學(xué)校建設(shè)有針對(duì)于科學(xué)教育專(zhuān)業(yè)的實(shí)驗(yàn)室。即便建設(shè)成功具有科學(xué)教育專(zhuān)業(yè)特色的實(shí)驗(yàn)室，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室管理方法——即實(shí)驗(yàn)結(jié)束就關(guān)閉實(shí)驗(yàn)室，也極大的限制了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)時(shí)間，不利于學(xué)生開(kāi)展自主創(chuàng)新活動(dòng)[2]。

2 解決科學(xué)教育專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)問(wèn)題的可行對(duì)策

為解決上述科學(xué)教育專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中常見(jiàn)的基本問(wèn)題，同時(shí)相應(yīng)教育信息化的號(hào)召，高校大力引入虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)[3]。虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)這一新模式是以數(shù)學(xué)理論和相似原理為基礎(chǔ)，以計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)為核心，通過(guò)信息技術(shù)或設(shè)備模擬出一個(gè)可交互、虛幻的三位空間場(chǎng)景，學(xué)生可應(yīng)用這種虛擬儀器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并能像真實(shí)實(shí)驗(yàn)一樣觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)等。

虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)具有真實(shí)實(shí)驗(yàn)沒(méi)有的優(yōu)點(diǎn)：

（1）虛擬實(shí)驗(yàn)憑借自身信息化的特點(diǎn)，可解決科學(xué)教育專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)中分科教學(xué)的困擾，學(xué)生可依據(jù)實(shí)驗(yàn)主題，自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方法，自主選擇實(shí)驗(yàn)儀器，突破學(xué)科的限制。

（2）虛擬實(shí)驗(yàn)可通過(guò)修改軟件達(dá)到擴(kuò)展和更新實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的目的，可以節(jié)約實(shí)驗(yàn)室建設(shè)成本，不需要重復(fù)購(gòu)買(mǎi)實(shí)驗(yàn)耗材。

（3）它可打破時(shí)間和空間的限制，充分肯定了學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的主體地位，學(xué)生可自由安排、自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)步驟方法等，有較高的自主性。endprint

（4）虛擬實(shí)驗(yàn)操作還具備安全、便捷、圖文并茂的優(yōu)勢(shì)，可排除實(shí)驗(yàn)器材、場(chǎng)地等因素的限制，將一些反映最新科學(xué)技術(shù)成果應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)第一時(shí)間開(kāi)設(shè)出來(lái)，讓學(xué)生及時(shí)掌握科技發(fā)展的最新動(dòng)態(tài)，極大提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣以及對(duì)科學(xué)事業(yè)的熱愛(ài)程度。

3 在科學(xué)教育專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，開(kāi)發(fā)虛擬實(shí)驗(yàn)的原則

基于虛擬實(shí)驗(yàn)的諸多優(yōu)勢(shì)，在科學(xué)教育專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，我們可充分利用虛擬實(shí)驗(yàn)來(lái)豐富教學(xué)模式。但開(kāi)發(fā)與應(yīng)用虛擬實(shí)驗(yàn)時(shí)，要兼顧以下基本原則：

（1）全面性

科學(xué)教育專(zhuān)業(yè)的實(shí)驗(yàn)課程包含理、化、生、地等多門(mén)課程的知識(shí)。構(gòu)建科學(xué)教育專(zhuān)業(yè)虛擬實(shí)驗(yàn)體系時(shí)，要充分考慮學(xué)科間的融合，吸收多門(mén)學(xué)科中理科基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的精華，從介紹實(shí)驗(yàn)原理的基本概念出發(fā)，將實(shí)驗(yàn)進(jìn)行合理的結(jié)構(gòu)安排。讓學(xué)生不僅可以獲得基本的知識(shí)和技能，還可收獲綜合實(shí)驗(yàn)的思維和意識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生形成良好的實(shí)驗(yàn)品質(zhì)。

（2）生活化

科學(xué)教育專(zhuān)業(yè)的學(xué)生未來(lái)將承擔(dān)中小學(xué)科學(xué)課程，而中小學(xué)科學(xué)課程的特色就是科學(xué)知識(shí)和學(xué)生日常生活緊密相連。例如，教育科學(xué)出版社發(fā)行的小學(xué)五年級(jí)科學(xué)上冊(cè)教材中，有“光和影”的教學(xué)內(nèi)容，教材是通過(guò)手影游戲開(kāi)始，進(jìn)而引導(dǎo)學(xué)生自主拿著手電筒照射長(zhǎng)方體，觀察長(zhǎng)方體影子的變化。因此，開(kāi)發(fā)適用于科學(xué)教育專(zhuān)業(yè)的虛擬實(shí)驗(yàn)體系時(shí)，要多用生活中存在的物品，易于科教專(zhuān)業(yè)學(xué)生將所學(xué)實(shí)驗(yàn)直接遷移至未來(lái)的科學(xué)課堂。

（3）創(chuàng)新性

創(chuàng)新精神是當(dāng)下大學(xué)生最為匱乏的基本科學(xué)素養(yǎng)，創(chuàng)新教育需要為學(xué)生提供一個(gè)自由發(fā)展的空間，擴(kuò)大學(xué)生的知識(shí)面。因此，為科教專(zhuān)業(yè)開(kāi)發(fā)虛擬實(shí)驗(yàn)體系時(shí)，要增加探究性實(shí)驗(yàn)、綜合性實(shí)驗(yàn)，減少驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。讓學(xué)生像科學(xué)家一樣體驗(yàn)探究的過(guò)程，讓學(xué)生用科學(xué)的眼光創(chuàng)造性地研究生活中、社會(huì)中、自然界中存在的科學(xué)現(xiàn)象，形成愛(ài)科學(xué)、善用科學(xué)的創(chuàng)新精神。

4 開(kāi)發(fā)與應(yīng)用虛擬實(shí)驗(yàn)課程資源時(shí)應(yīng)注意的問(wèn)題

（1）處理好虛擬實(shí)驗(yàn)與真實(shí)實(shí)驗(yàn)之間的關(guān)系

在開(kāi)發(fā)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系時(shí)，要注意理清虛擬實(shí)驗(yàn)與真實(shí)實(shí)驗(yàn)之間的關(guān)系。應(yīng)當(dāng)牢記虛擬實(shí)驗(yàn)僅是真實(shí)實(shí)驗(yàn)的有效補(bǔ)充，絕對(duì)不能代替真實(shí)實(shí)驗(yàn)在教學(xué)中的地位。因此，在設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)虛擬實(shí)驗(yàn)之前，要依據(jù)科學(xué)教育專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)方案合理規(guī)劃實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，制定虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)，編排虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，建立適合于虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)教學(xué)的評(píng)價(jià)體系。

（2）開(kāi)發(fā)具有科學(xué)教育專(zhuān)業(yè)特色的虛擬實(shí)驗(yàn)體系

構(gòu)建具有科學(xué)教育專(zhuān)業(yè)特色的虛擬實(shí)驗(yàn)體系，需要了解社會(huì)、科學(xué)教師以及科教專(zhuān)業(yè)學(xué)生對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建議。在構(gòu)思之初，就充分考慮各方的需求，將設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用需求緊密結(jié)合，依據(jù)“設(shè)計(jì)—應(yīng)用反饋—再設(shè)計(jì)完善”的指導(dǎo)思想，全方位、多視角收集用戶(hù)對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)體系的評(píng)價(jià)建議，實(shí)時(shí)檢驗(yàn)所開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)的有效性，進(jìn)而促進(jìn)科教專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)平臺(tái)逐步趨于完善。

（3）探索高效的虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式

虛擬實(shí)驗(yàn)可以打破時(shí)空的限制，通過(guò)可視化界面讓學(xué)生體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)的基本過(guò)程。但虛擬實(shí)驗(yàn)也存在不真實(shí)的弊端，無(wú)法讓學(xué)生體會(huì)實(shí)驗(yàn)中各種基本操作偏差之后的結(jié)果。因此，應(yīng)用虛擬實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，要探索得到耦合利用虛擬與真實(shí)實(shí)驗(yàn)的成功教學(xué)模式。教師要發(fā)揮重要作用，既要提高學(xué)生對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)的認(rèn)識(shí)，又要結(jié)合實(shí)際情況考慮如何實(shí)施虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。比如，教師可以先帶學(xué)生實(shí)體體驗(yàn)一次雞蛋的觀察過(guò)程，然后通過(guò)虛擬實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生觀察不同動(dòng)物的卵的基本結(jié)構(gòu)。這一方面可以減少實(shí)驗(yàn)損耗，另一方面可以讓學(xué)生體驗(yàn)大自然的千姿百態(tài)，達(dá)到良好的實(shí)驗(yàn)效果。

（4）突破技術(shù)難關(guān)，重視軟件開(kāi)發(fā)

構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)體系時(shí)，一般都包含用戶(hù)界面、情境設(shè)置、過(guò)程模擬和總結(jié)評(píng)價(jià)四個(gè)環(huán)節(jié)。而實(shí)施這四個(gè)環(huán)節(jié)時(shí)，都需要基于特定的仿真平臺(tái)。目前，技術(shù)發(fā)展較為成熟的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)有美國(guó)國(guó)家儀器公司開(kāi)發(fā)的Labview圖形化虛擬儀器平臺(tái)、還有基于VRML虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的仿真實(shí)驗(yàn)、基于Flash的交互式虛擬實(shí)驗(yàn)、基于Active技術(shù)的仿真實(shí)驗(yàn)、基于Java技術(shù)的虛擬實(shí)驗(yàn)、基于QuickTime VR技術(shù)的虛擬實(shí)驗(yàn)和基于MATLAB仿真軟件的Simulink和GUI來(lái)實(shí)現(xiàn)的虛擬實(shí)驗(yàn)等。在以上技術(shù)的支持下，開(kāi)發(fā)適用于科學(xué)教育專(zhuān)業(yè)的虛擬實(shí)驗(yàn)體系時(shí)，就需要結(jié)合專(zhuān)業(yè)培養(yǎng)需求及特色，形成穩(wěn)定的、系統(tǒng)的虛擬實(shí)驗(yàn)軟件體系。

5 結(jié)語(yǔ)

利用虛擬實(shí)驗(yàn)體系來(lái)擴(kuò)充科學(xué)教育專(zhuān)業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系、提升科學(xué)教育專(zhuān)業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量，是教育信息化背景下一項(xiàng)切實(shí)可行的策略。虛擬實(shí)驗(yàn)軟件的開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)是一個(gè)系統(tǒng)的工程，它的內(nèi)容要以科學(xué)教育專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)方案為依據(jù)，結(jié)合科學(xué)教育專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，還要充分考慮科學(xué)教育專(zhuān)業(yè)學(xué)生的需求與建議。同時(shí)，虛擬實(shí)驗(yàn)作為軟件支撐的實(shí)驗(yàn)體系，在給學(xué)習(xí)者帶來(lái)便捷的同時(shí)，也會(huì)給科學(xué)教育專(zhuān)業(yè)學(xué)生帶來(lái)“真實(shí)”與“虛擬”之間的認(rèn)知沖突，需要注重對(duì)學(xué)生進(jìn)行前期虛擬實(shí)驗(yàn)的培訓(xùn)工作，也需要注重對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)體系進(jìn)行后期的維護(hù)完善過(guò)程。

總之，在培養(yǎng)與提升科學(xué)教育專(zhuān)業(yè)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能時(shí)，需要充分發(fā)揮虛擬實(shí)驗(yàn)和真實(shí)實(shí)驗(yàn)的耦合效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)虛擬實(shí)驗(yàn)和真實(shí)實(shí)驗(yàn)之間的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，使學(xué)生既可以掌握扎實(shí)的基礎(chǔ)知識(shí)與實(shí)踐能力，又可以具備全面的創(chuàng)新精神與科學(xué)素養(yǎng)，順應(yīng)信息時(shí)代的需求。

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