基于虛擬現(xiàn)實技術的中考理化生實驗考試系統(tǒng)的設計

李娜

摘要：目前中考理化生實驗考試存在考試組織管理工作量大、考試評價標準不統(tǒng)一、考試題目局限性大，探究類題偏少等問題。在構建虛擬實驗的基礎上，以虛擬實驗的自動化評價為核心，結合考務管理信息化，促進中考理化生實驗考試的進一步完善，提升實驗考試的探究性，達到以考促教的目的。

關鍵詞：虛擬現(xiàn)實;中考;理化生;實驗考試

中圖分類號：G642.41 ? ? 文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1674-9324（2019）21-0275-02

一、問題的提出

國家推動教育信息化工作以來，教學手段的科技化、教育傳播的信息化、教學方式的現(xiàn)代化都取得了明顯的成績，教育公平大大提升。十九大報告、教育部又出臺了一系列文件，通過考試招生制度改革等來加強學生動手實踐能力。初中理化生實驗操作考試是中等教育改革的一項重要措施，旨在以考促教，通過強化實驗操作考試的舉措達到轉(zhuǎn)變教育觀念、推動實驗教學、完善教學評估體系、促進素質(zhì)教育實施的目的。而其根本的目標是利用信息化教學手段，促進中學理化生實驗教學質(zhì)量的提升。

隨著虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，簡稱VR）技術的不斷發(fā)展，其在教育中的相關應用研究也在不斷深入。虛擬現(xiàn)實技術沉浸感、交互性和構想性的特點，使得虛擬現(xiàn)實技術在構建虛擬實驗環(huán)境，實現(xiàn)交互式虛擬實驗具有獨特的優(yōu)勢。那么，在構建虛擬實驗的基礎上，以虛擬實驗的自動化評價為核心，結合考務管理信息化，將是促進中考理化生實驗考試的進一步完善。

二、實驗考試現(xiàn)狀

全國范圍內(nèi)已有不同省市地區(qū)逐步開展了初中理化生實驗操作考試，取得了一定的成效，但是并未實現(xiàn)實驗考試的統(tǒng)一化和標準化。在已開展實驗考試地區(qū)的實施過程中，也存在考試組織管理工作量大、考試評價標準不統(tǒng)一、考試題目局限性大，探究類題偏少等問題，最終未能充分發(fā)揮以考促教的作用，也未達到提高學生實驗動手能力和創(chuàng)新能力、促進素質(zhì)教育實施的目的。考試基本情況如下：一是中考理化生實驗考試在部分省區(qū)實現(xiàn)了全省統(tǒng)一化，還有的省只在部分地區(qū)開展了實驗課考試，考試的命題和組織沒有統(tǒng)一。二是目前的實驗課考試采用人工監(jiān)考，一名監(jiān)考教師負責3—4名考生的評分，一場考試需要十多名監(jiān)考老師，耗費大量的人力資源。很多監(jiān)考老師并不是專業(yè)理化生老師，而是臨時抽調(diào)的人員，人員的培訓也是一項考前必須的工作，費時費力。三是監(jiān)考老師同一時間監(jiān)考3—4人，有的地區(qū)甚至監(jiān)考到6人以上。難免存在監(jiān)考不到位、主觀因素影響評判結果，使得考試的客觀性和公平性受到質(zhì)疑。四是實驗考試分數(shù)在記錄、管理、公布過程中，需要人工處理，存在人為因素的干擾。五是實驗考試題目在每次考試前由命題小組命題若干，考生現(xiàn)場隨機抽題。沒有構建題庫，對題目進行積累和科學的評價。六是部分地區(qū)會提前公布試題，有些不允許公布試題的地區(qū)也會公布試題的范圍，以考促教的目標會變形為為了應付考試的集中突擊練習。七是由于監(jiān)考難度耗費人力大，操作困難，實驗考試在日常教學的學期末也很少進行。

另外，考慮到實驗教學和考試的安全性，很多實驗都是驗證性的，無法讓學生充分發(fā)揮想象力實現(xiàn)探究，并不能充分地發(fā)揮實驗教學促進對學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)的作用。

三、基于虛擬現(xiàn)實技術的中考理化生實驗考試系統(tǒng)的設計

（一）設計概述

該系統(tǒng)是一套以虛擬現(xiàn)實技術為核心，融合人工智能、大數(shù)據(jù)、云計算、移動互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等先進信息技術的智能化中學物理、化學、生物實驗課程教考評系統(tǒng)，全面應用于中學理化生實驗課的教學、考試及分析評價過程，實現(xiàn)實驗教學、考試及評價的信息化、智能化。

（二）系統(tǒng)功能

系統(tǒng)包括真實實驗教學管理和虛擬考試管理兩部分，二者相輔相成，共同達到促進實驗考試改革和實驗教學質(zhì)量提升的目的。

1.虛擬考試管理 系統(tǒng)的核心功能是基于虛擬現(xiàn)實技術的智能化自動評分實驗考試管理。包括選擇虛擬的實驗用具，進行交互式的實驗操作，系統(tǒng)在數(shù)字化環(huán)境中便捷地自動完成評分。關鍵技術是虛擬實驗環(huán)境建構，包括實驗室環(huán)境、實驗臺、實驗儀器、虛擬實驗人物等[3];虛擬實驗交互行為，實驗人物選擇實驗儀器，完成實驗任務的流程;虛擬實驗自動評分，在虛擬環(huán)境中，通過與實驗模型的匹配，實現(xiàn)自動評分，充分彌補之前人工評分存在的人為干擾因素。如圖1所示。

在虛擬實驗的構建基礎上虛擬考試系統(tǒng)的功能還包括考試管理的基本功能，如圖2所示。其中，題庫建設將根據(jù)課程標準和當?shù)剡x擇教材設計實驗考試題目，進行虛擬實驗的構建，形成豐富的題庫，并統(tǒng)計題目難度、區(qū)分度，實現(xiàn)題庫的優(yōu)化?？荚嚦煽儏R總將進行中考成績統(tǒng)計，針對總體學生匯總當年中考實驗考試數(shù)據(jù)，自動生成各類數(shù)據(jù)報表及上報教育部門報表。

2.真實教學管理 真實教學管理模塊實現(xiàn)日常實驗教學的信息化管理，功能如圖3所示，教學優(yōu)勢體現(xiàn)在以下幾個方面：一是實現(xiàn)實驗教學的個性化指導。將實驗流程錄制視頻上傳到網(wǎng)絡平臺，學生可以反復觀看，解決了傳統(tǒng)教師演示方式下學生不能清楚看到的問題。二是充分發(fā)揮實驗教學的作用。在日常實驗教學中，規(guī)范實驗操作，提高學生的動手能力;利用虛擬實驗，提高學生的創(chuàng)新能力。三是學習資源的自動化推送。在平臺資源存儲中，建立實驗內(nèi)容和理論教學的鏈接，實現(xiàn)實驗教學和理論學習的聯(lián)通，通過實驗操作問題發(fā)現(xiàn)理論學習不足，實現(xiàn)學習資源的自動化推送。

四、結語

在實驗教學中，以培養(yǎng)學生真正的動手能力為目標，基于虛擬現(xiàn)實技術的實驗考試系統(tǒng)實現(xiàn)理化生實驗中考主要目標是解決考試組織難、評價難的問題。但是，也必須深刻地認識到虛擬實驗在實現(xiàn)探究性實驗中的作用，利用虛擬現(xiàn)實的優(yōu)勢，允許學生在虛擬的環(huán)境中，完成創(chuàng)新實驗，而不用擔心實驗失誤帶來的風險。所以在解決了基本的實驗考試問題后，繼續(xù)探索基于VR技術的探究性虛擬實驗也將具有更深遠的意義。實現(xiàn)以考促教，以教促考的良性循環(huán)，真正到達通過中學理化生實驗培養(yǎng)學生探究能力、創(chuàng)新能力的目標。

參考文獻：

[1]宋蔚.基于虛擬現(xiàn)實的虛擬實驗研究[D].重慶大學，2005.

[2]袁學倩，鄔家煒.基于協(xié)作實驗模式的虛擬實驗系統(tǒng)研究[J].計算機與現(xiàn)代化，2010（06）：23-27.

[3]Tassos A.Mikropoulos*，Antonis Natsis .Educational virtual environments：A ten-year review of empirical research（1999–2009）.Computers & Education 56 （2011） 769-780.