虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中存在的問題分析與對(duì)策研究
——從“以學(xué)生為中心”為主切入點(diǎn)

曹錦佳，趙佳蔚，向 東

（南華大學(xué) 核科學(xué)技術(shù)學(xué)院，湖南 衡陽 421001）

引言

隨著近年來網(wǎng)絡(luò)和線上教育的普及，教學(xué)不再僅局限于實(shí)體課堂，而是越來越傾向于網(wǎng)絡(luò)化、虛擬化。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)領(lǐng)域，關(guān)于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的探索已開展許久，早在2013年，教育部高等教育司發(fā)布了《關(guān)于開展國家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的建設(shè)工作的通知》［1］；2017年，教育部辦公廳出臺(tái)相關(guān)文件推進(jìn)示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的建設(shè)［2］。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開展雖然暴露出一些問題，但在某些課程，尤其是在核類專業(yè)相關(guān)課程中完全采取實(shí)物實(shí)驗(yàn)是不經(jīng)濟(jì)、不現(xiàn)實(shí)的。

以往關(guān)于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的探索、設(shè)計(jì)多從教師的視角出發(fā)，即使強(qiáng)調(diào)了“以學(xué)生為中心”，但進(jìn)行探索的主體仍是已經(jīng)進(jìn)行過大量專業(yè)訓(xùn)練的教師，少有從初學(xué)、未經(jīng)訓(xùn)練的學(xué)生視角出發(fā)進(jìn)行的探索。

本研究將從學(xué)生視角分析目前實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問題，提出學(xué)生參與教學(xué)設(shè)計(jì)的重要性，以建構(gòu)主義的教學(xué)理論為出發(fā)點(diǎn)，批判“以虛為主，能虛不實(shí)”的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)傾向，指出虛實(shí)結(jié)合的重要性及意義。

一、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的問題

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)經(jīng)多年的推行，逐漸暴露出一些問題。胡今鴻等以首批國家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心和178 所高校反饋的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源開放共享研究調(diào)研問卷為樣本，總結(jié)了目前虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)普遍存在的問題，如：資源重復(fù)建設(shè)、質(zhì)量不高、在資源建設(shè)上“寧濫勿缺”［3］。同時(shí)調(diào)研問卷顯示，超過70%的高校認(rèn)為本?，F(xiàn)有虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源數(shù)量不足、質(zhì)量有待提高。

以南華大學(xué)為例，目前開設(shè)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)多是圍繞某一特定題目的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行虛擬化后，要求學(xué)生集中在學(xué)校機(jī)房用電腦完成。一方面，相比于實(shí)物設(shè)備，儲(chǔ)存在電腦中的虛擬實(shí)驗(yàn)室的設(shè)備設(shè)計(jì)功能比較單一，僅能夠滿足特定的實(shí)驗(yàn)，類似于函數(shù)計(jì)算器，存在不能交互的問題。這樣做能降低虛擬仿真實(shí)驗(yàn)開發(fā)的難度和周期，但也極大地降低了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)積極性，扼殺了學(xué)生自我探索的空間。而虛擬仿真實(shí)驗(yàn)應(yīng)當(dāng)具有的特點(diǎn)之一就是能夠讓學(xué)生充分試錯(cuò)并開展啟發(fā)求知欲的探索。另一方面，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)仍然像傳統(tǒng)實(shí)物實(shí)驗(yàn)一樣受到極大的時(shí)空限制。在進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)時(shí)，學(xué)生仍需要提前完成紙質(zhì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告的預(yù)習(xí)、預(yù)約實(shí)驗(yàn)室，然后分批次在特定的時(shí)間進(jìn)行集體實(shí)驗(yàn)，縱然這樣的安排方便開展集中教學(xué)，但除了實(shí)驗(yàn)部分與實(shí)物實(shí)驗(yàn)不一樣，其余部分和傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)流程無差別。目前，設(shè)計(jì)的聯(lián)網(wǎng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)尚未進(jìn)行完善、推廣，其功能不全，僅能夠網(wǎng)上操作。總而言之，對(duì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用仍停留在較初級(jí)的階段，相當(dāng)一部分虛擬仿真實(shí)驗(yàn)被當(dāng)成了一種節(jié)約實(shí)驗(yàn)成本、完成教改指標(biāo)和評(píng)獎(jiǎng)的工具，而非一種拓展實(shí)驗(yàn)教學(xué)邊界、改革實(shí)驗(yàn)教學(xué)、激發(fā)學(xué)生自我探索欲的新途徑。

二、解決問題的對(duì)策和建議

（一）“以學(xué)生為中心”，讓學(xué)生的想法融入課程的建設(shè)

隨著近年來“以學(xué)生為中心”教育理念的興起，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)領(lǐng)域的改革中也越來越強(qiáng)調(diào)將學(xué)生作為教學(xué)的主體。在《教育部辦公廳關(guān)于2017—2020年開展示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)的通知》中，關(guān)于建設(shè)部分首先強(qiáng)調(diào)的就是示范性虛擬仿真項(xiàng)目應(yīng)該具有“以學(xué)生為中心”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)理念［2］。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)形式對(duì)學(xué)生的課堂參與度、自主度和構(gòu)建學(xué)問的能力有著更高的要求，其建設(shè)要求相當(dāng)接近理想中的“以學(xué)生為中心”的課堂，有在“以學(xué)生為中心”教學(xué)改革浪潮中充當(dāng)領(lǐng)頭羊的潛質(zhì)。在教學(xué)改革中，我們更需要認(rèn)真思考什么是真正的“以學(xué)生為中心”，以及如何做到真正的“以學(xué)生為中心”。

最根本的是要實(shí)現(xiàn)從以“教”為中心向以“學(xué)”為中心轉(zhuǎn)變，即從教師將知識(shí)傳授給學(xué)生向讓學(xué)生自己發(fā)現(xiàn)和創(chuàng)造知識(shí)轉(zhuǎn)變，從傳授模式向?qū)W習(xí)模式轉(zhuǎn)變［4］。目前，關(guān)于“以學(xué)生為中心”的教育改革仍是教師在起主要推動(dòng)作用，在想辦法將課堂活動(dòng)的主體引導(dǎo)到學(xué)生身上，引導(dǎo)學(xué)生自主發(fā)現(xiàn)和構(gòu)建學(xué)問。但值得注意的是，雖然課堂的中心變成了學(xué)生，但課程的設(shè)計(jì)者仍是教師，整個(gè)課程的設(shè)計(jì)從上到下討論的都是在教師視角下如何引導(dǎo)學(xué)生的看法，很少給學(xué)生的反饋留下空間。教師認(rèn)為恰當(dāng)?shù)慕虒W(xué)方式和實(shí)際學(xué)生愿意接受的教學(xué)方式存在著應(yīng)然與實(shí)然的矛盾，這也必然會(huì)導(dǎo)致課程改革過程出現(xiàn)視野盲區(qū)。所以，如果說原本“以學(xué)生為中心”的教學(xué)改革強(qiáng)調(diào)了學(xué)生在教學(xué)過程中的中心地位，那么向著“以學(xué)生為中心”為目標(biāo)前進(jìn)的課程改革就要具有前瞻性，讓學(xué)生參與進(jìn)來，提前鍛煉其自主思考發(fā)現(xiàn)問題的能力。無論是針對(duì)優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容的改革還是針對(duì)如何引導(dǎo)學(xué)生自主思考的方法論探索，對(duì)于任課教師后續(xù)對(duì)課程的進(jìn)一步優(yōu)化都有著相當(dāng)大的參考價(jià)值。

在實(shí)際操作中，對(duì)師生交流的深度和形式有更高的要求?，F(xiàn)有師生間交流的大多是課程理論知識(shí)，少有關(guān)于課程本身的意見。一方面，教師忽視了學(xué)生視角在課程改革中的作用；另一方面，學(xué)生主動(dòng)提供意見的自覺和動(dòng)力不足?？梢哉f師生之間的交流并沒有物理上的隔閡，而是沒有從主觀上激發(fā)起交流的意愿，因此，由教師主動(dòng)邁出與學(xué)生交流的第一步相當(dāng)關(guān)鍵。這就需要教師主動(dòng)與學(xué)生溝通，積極尋求學(xué)生的意見，鼓勵(lì)其參與教學(xué)改革，提出自己關(guān)于課程的觀點(diǎn)和看法。

在具體實(shí)施上要采取靈活的方式，切忌強(qiáng)制將其布置為一項(xiàng)學(xué)期作業(yè)。學(xué)生主觀上認(rèn)為教育改革是教師的義務(wù)，如果以分?jǐn)?shù)為驅(qū)使將非學(xué)習(xí)的任務(wù)強(qiáng)加給學(xué)生，強(qiáng)制要求學(xué)生提供自己的意見，只會(huì)引起學(xué)生的逆反心理，很難收集到學(xué)生視角提出的教改觀點(diǎn)。在學(xué)生主觀能動(dòng)力不強(qiáng)的情況下，可以將這個(gè)過程以附加分、小獎(jiǎng)勵(lì)等形式巧妙融入課程過程考核，在不影響教學(xué)公平的情況下收集學(xué)生的想法，同時(shí)向?qū)W生釋放出教師積極接受學(xué)生觀點(diǎn)的信號(hào)，學(xué)生也能感受到教師尊重學(xué)生意見，且有著附加分值的激勵(lì)，愿意參與跟進(jìn)這個(gè)過程的學(xué)生也會(huì)更多。

（二）虛實(shí)結(jié)合，將虛擬仿真與實(shí)物教學(xué)巧妙結(jié)合取長補(bǔ)短

教育部頒布的《關(guān)于開展國家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)工作的通知》，就虛擬仿真中心的建設(shè)任務(wù)提出，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)應(yīng)充分體現(xiàn)虛實(shí)結(jié)合、相互補(bǔ)充、能實(shí)不虛的原則。在涉及高?；驑O端的環(huán)境、不可及或不可逆的操作，以及高成本、高消耗、大型或綜合訓(xùn)練等情況時(shí)，提供可靠、安全和經(jīng)濟(jì)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

“以學(xué)生為中心”的教學(xué)理念是建立在建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論之上的，強(qiáng)調(diào)讓學(xué)生通過自己的主動(dòng)行為構(gòu)建知識(shí)體系。建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論是在建構(gòu)主義這一認(rèn)知領(lǐng)域概念的基礎(chǔ)上形成的，建構(gòu)主義最早的提出者是在認(rèn)知發(fā)展領(lǐng)域最有影響的瑞士心理學(xué)家皮亞杰，他認(rèn)為兒童是在與周圍環(huán)境的相互作用過程中，逐步建構(gòu)起關(guān)于外部世界的認(rèn)識(shí)，從而使自身認(rèn)知結(jié)構(gòu)得到發(fā)展的［5］。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)將與周圍環(huán)境相互作用的過程放到了電腦屏幕上，而且越來越呈現(xiàn)虛實(shí)不合、能虛不實(shí)的傾向。學(xué)生面對(duì)的是一個(gè)虛擬不真實(shí)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，對(duì)于實(shí)驗(yàn)設(shè)備、操作手法、具體的操作流程沒有直觀的認(rèn)識(shí)。比如在涉及光學(xué)器件的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中，大多會(huì)有一個(gè)將儀器調(diào)平以獲得水平光路的過程，教科書雖寫有調(diào)平的技巧，但在實(shí)物實(shí)驗(yàn)過程中大部分學(xué)生仍在這一步花費(fèi)大量的時(shí)間，而在涉及光學(xué)器件的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中相關(guān)的交互只有一個(gè)“調(diào)平”按鈕，在擬真性較差的課程中連調(diào)平這一步都會(huì)省略，只要用鼠標(biāo)將器材的圖標(biāo)拖到大致的區(qū)域，系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)調(diào)平儀器校準(zhǔn)光路，跳過調(diào)平步驟。

這是一個(gè)很值得深思的現(xiàn)象，在這樣的實(shí)驗(yàn)流程下，學(xué)生的思考過程不會(huì)出現(xiàn)需要將儀器調(diào)平的想法及如何將儀器調(diào)平的認(rèn)知，其能夠想到的只是將圖標(biāo)拖動(dòng)到一起“連接”起來，這個(gè)過程手點(diǎn)點(diǎn)鼠標(biāo)幾秒鐘就結(jié)束了，然后就直接跳到下一步操作。相比第一次接觸的初學(xué)者在實(shí)物實(shí)驗(yàn)室中數(shù)十分鐘的調(diào)平過程，這個(gè)過程快到?jīng)]有讓學(xué)生意識(shí)到這個(gè)過程的時(shí)間，更不用談?wù)莆障鄳?yīng)的技巧了。大多涉及光學(xué)儀器的實(shí)驗(yàn)都會(huì)有儀器調(diào)平的步驟，其重要性可以想象，像這樣在虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)中或主動(dòng)或被動(dòng)地省去太多步驟，可能對(duì)于單個(gè)實(shí)驗(yàn)來說并無大礙，但如果這種問題在整個(gè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系中廣泛存在就是一個(gè)相當(dāng)嚴(yán)重的問題，這也是為什么學(xué)生“一虛擬就會(huì)，一上手就廢”的原因。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)能讓學(xué)生體會(huì)前人設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的思路，重新體驗(yàn)其探索新的物理規(guī)律的過程，而虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)讓學(xué)生體驗(yàn)?zāi)切└呶ｋU(xiǎn)、不可及、成本大的實(shí)驗(yàn)成為可能，但在實(shí)際的教學(xué)設(shè)計(jì)中卻存在著以虛為主、能虛不實(shí)的傾向，而且這一情況早有表現(xiàn)。《2013年國家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)工作小結(jié)及2014年申報(bào)建議》這一文章指出，在部分院校申報(bào)國家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心的申報(bào)書中有著以虛為主、能虛不實(shí)的傾向［6］?！耙詫W(xué)生為中心”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)終究還是要服務(wù)于“讓學(xué)生自我構(gòu)建通過實(shí)驗(yàn)探索未知的能力”這一目標(biāo)，這一目標(biāo)最終還是要立足于物質(zhì)世界、服務(wù)于現(xiàn)實(shí)需要，也就要求學(xué)生掌握與實(shí)物環(huán)境進(jìn)行交互、在實(shí)物環(huán)境中探索的能力。而這是目前的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境無法提供的。所以，我們需要強(qiáng)調(diào)虛實(shí)結(jié)合、相互補(bǔ)充、能實(shí)不虛的虛擬實(shí)驗(yàn)課程建設(shè)原則，將實(shí)物實(shí)驗(yàn)與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)相結(jié)合。

仍以光學(xué)儀器的調(diào)平為例，在實(shí)物實(shí)驗(yàn)中接觸過此操作的學(xué)生，在后續(xù)涉及光學(xué)儀器的其他實(shí)驗(yàn)中，調(diào)平儀器的速度更快、技術(shù)更好。通過一次實(shí)驗(yàn)，學(xué)生能夠入門一種或者多種操作手法，后續(xù)其他實(shí)驗(yàn)中每一次相同的操作都是對(duì)學(xué)生能力的一種鍛煉，因此，多次實(shí)驗(yàn)操作能積累經(jīng)驗(yàn)，實(shí)物實(shí)驗(yàn)的次數(shù)越多，學(xué)生的技巧也就越熟練，而這種鍛煉在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中是得不到的。這也是為什么要強(qiáng)調(diào)能實(shí)不虛，就是要在條件允許的范圍內(nèi)給學(xué)生提供盡可能多的訓(xùn)練機(jī)會(huì)。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是對(duì)實(shí)物實(shí)驗(yàn)中實(shí)驗(yàn)條件不允許的、高危的部分進(jìn)行仿真以便教學(xué)，只有極個(gè)別的實(shí)驗(yàn)需要完全采用仿真實(shí)驗(yàn)的方式進(jìn)行教學(xué)，其他大部分實(shí)驗(yàn)應(yīng)該是虛擬仿真實(shí)驗(yàn)為實(shí)物實(shí)驗(yàn)教學(xué)服務(wù)，虛實(shí)結(jié)合，不能喧賓奪主。

結(jié)語

本文從學(xué)生的視角對(duì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)壳按嬖诘膯栴}進(jìn)行了分析，從“以學(xué)生為中心”這一切入點(diǎn)討論了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革中僅從教師視角出發(fā)而造成的盲點(diǎn)，強(qiáng)調(diào)了讓學(xué)生參與虛擬仿真教學(xué)改革的必要性和前瞻性，提出了將學(xué)生視角納入教學(xué)改革的一種方法論。以建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論為出發(fā)點(diǎn)批判了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革目前能虛不實(shí)的傾向，結(jié)合“虛實(shí)結(jié)合、相互補(bǔ)充、能實(shí)不虛”的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原則，以培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力為主，分析了如何做到虛實(shí)結(jié)合、取長補(bǔ)短，強(qiáng)調(diào)了其現(xiàn)實(shí)意義，提出了實(shí)驗(yàn)教學(xué)虛實(shí)結(jié)合的建議。