摘要：如何開展實踐課程的有效教學(xué)是當(dāng)前高職院校面臨的一個重要問題。高職生化制藥技術(shù)專業(yè)實踐課傳統(tǒng)教學(xué)由于受實驗設(shè)施、實驗場地、教學(xué)手段等各方面的制約，難以取得理想的教學(xué)效果。虛擬仿真實驗因其具有直觀動態(tài)、訓(xùn)練充分、容錯性好、經(jīng)濟(jì)節(jié)約、安全環(huán)保、資源共享等優(yōu)勢，不僅可極大地提升高職生化制藥技術(shù)專業(yè)實踐課程教學(xué)的有效性，而且在高職相關(guān)專業(yè)的實踐教學(xué)中也具有普遍的推廣價值。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真實驗；有效教學(xué)；實踐教學(xué)；教學(xué)改革

隨著時代的快速發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，傳統(tǒng)的教學(xué)思想、教學(xué)方法及教學(xué)手段等都面臨著前所未有的挑戰(zhàn)，特別是計算機(jī)、多媒體技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及通信技術(shù)等都已廣泛應(yīng)用于教學(xué)的各領(lǐng)域，引發(fā)了教學(xué)方法和教學(xué)手段的革命。其中計算機(jī)虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于教育也是教育技術(shù)發(fā)展的一個飛躍，使得教與學(xué)方式發(fā)生了革命性的變化。它營造了“自主學(xué)習(xí)”的環(huán)境，由傳統(tǒng)的“以教促學(xué)”的學(xué)習(xí)方式轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)習(xí)者通過自身與信息環(huán)境的相互作用來得到知識、技能的新型學(xué)習(xí)方式。虛擬仿真教學(xué)是理論與實踐之間一座新的橋梁，既是實踐教學(xué)手段，也是實踐教學(xué)內(nèi)容。積極地開展虛擬仿真實驗可以極大地提升高職實踐教學(xué)的教學(xué)效果、效率及效益。

有效教學(xué)的內(nèi)涵

有效教學(xué)是教師通過教學(xué)過程的有效性即符合教學(xué)規(guī)律，成功引起、維持和促進(jìn)學(xué)生的學(xué)習(xí)，相對有效地達(dá)到預(yù)期教學(xué)效果的教學(xué)。有效教學(xué)是教學(xué)過程符合規(guī)律性、有效果、有效益、有效率的教學(xué)。其中，有效果指對教學(xué)活動結(jié)果與預(yù)期教學(xué)目標(biāo)的吻合程度的評價；有效率指教學(xué)活動本身是一種精神性生產(chǎn)活動，沿用經(jīng)濟(jì)學(xué)概念，可將教學(xué)效率表述為：教學(xué)效率=教學(xué)產(chǎn)出（效果）/教學(xué)投入，或教學(xué)效率=有效教學(xué)時間/實際教學(xué)時間；有效益是指教學(xué)活動的收益、教學(xué)活動價值的實現(xiàn)。具體而言，是指對教學(xué)目標(biāo)與特定的社會和個人的教育需求是否吻合及吻合程度的評價；教學(xué)有效性的三重意蘊(yùn)及相互關(guān)系，如下圖所示。

傳統(tǒng)實踐課教學(xué)存在“三低”問題

從有效教學(xué)角度講，傳統(tǒng)專業(yè)實踐課教學(xué)由于受到實驗設(shè)施、實驗場地、教學(xué)手段等各方面原因的限制，存在著效果差、效率低、效益低的“三低”問題。

（一）教學(xué)效果差

其一，傳統(tǒng)實驗課一般先由指導(dǎo)教師講解實驗原理及步驟等，然后再進(jìn)行實驗操作的簡單示范，教學(xué)手段單調(diào)，學(xué)習(xí)十分枯燥。而實驗操作演示往往不夠全面細(xì)致，有的學(xué)生甚至看不到教師的演示操作。在實驗過程中，常常很多學(xué)生一邊看實驗指導(dǎo)書，一邊按要求進(jìn)行操作，導(dǎo)致學(xué)生脫離實際，達(dá)不到教學(xué)目的。

其二，實驗經(jīng)費(fèi)缺乏，實驗設(shè)備有限，有些實驗容易出現(xiàn)盲目操作和“走過場“現(xiàn)象。例如，化工原理實驗是生化制藥技術(shù)專業(yè)必修的基礎(chǔ)實驗，由于實驗室建設(shè)需要經(jīng)費(fèi)投入比較大、實驗裝置占用場地比較多，實驗裝置套數(shù)非常有限，有的學(xué)校還沒有化工原理實驗室。而學(xué)生數(shù)量在逐年增多，這就出現(xiàn)了一個突出矛盾，即學(xué)生數(shù)量增多與實驗裝置相對不足之間的矛盾。這一矛盾導(dǎo)致學(xué)生很難獨(dú)立完成實驗，在實驗的過程中，不能全面了解裝置特性及操作流程，對一些實驗現(xiàn)象不能作全面而細(xì)致的觀察、記錄和分析；有的學(xué)生甚至貪圖省事，看看其他同學(xué)做的實驗，然后根據(jù)同組的數(shù)據(jù)，抄寫出實驗報告，草率應(yīng)付行事，實驗效果不理想。再如，儀器分析也是生化制藥專業(yè)學(xué)生必須熟悉和掌握的基本技能之一，但是，由于分析儀器如液相色譜儀、核磁共振儀、質(zhì)譜儀等比較昂貴，一般的高職院校只有一兩臺液相色譜儀，而核磁共振儀與質(zhì)譜儀等儀器可能還沒有。教師一般采用演示法進(jìn)行教學(xué)，對于講授大部分儀器內(nèi)部構(gòu)造也只能是教師講解或用課件演示。短時間的演示講解，學(xué)生的印象很難深刻，而且學(xué)生很少有機(jī)會親自動手進(jìn)行實驗操作。因此，造成學(xué)生對儀器分析的操作缺乏訓(xùn)練，這對學(xué)生的全面實驗技能培養(yǎng)極為不利。

其三，實習(xí)實踐是訓(xùn)練學(xué)生專業(yè)綜合分析能力和解決問題能力的必備環(huán)節(jié)。但是，生產(chǎn)實習(xí)時學(xué)生到工廠參觀，被動地聽技術(shù)人員講解而不能親自動手操作；工廠為了安全和效益等因素一般也不允許學(xué)生親自動手操作。因此，學(xué)生很少能得到實際鍛煉，很難達(dá)到培養(yǎng)目標(biāo)。

（二）教學(xué)效率低

其一，實驗教學(xué)經(jīng)費(fèi)的投入大而實驗教學(xué)效果不理想。例如，投入大量經(jīng)費(fèi)建立的化工原理實驗室，由于學(xué)時數(shù)限制、學(xué)生人數(shù)的增多以及實驗操作存在一定的技術(shù)和安全隱患，學(xué)生只能匆匆地進(jìn)行一些簡單的實驗，即使實驗操作失誤了也很少有機(jī)會重復(fù)實驗。再如，在儀器分析實驗中，液相色譜儀、氣相色譜儀都是比較昂貴的儀器，儀器臺數(shù)很有限，教師一般采用演示實驗教學(xué)，學(xué)生很少能得到實際動手操作的機(jī)會。

其二，教師投入時間和精力多，但教學(xué)效果不理想。因為在采用傳統(tǒng)教學(xué)方法的教學(xué)過程中，一般是教師講解實驗要點，學(xué)生按照實驗指導(dǎo)書依樣畫葫蘆地做一遍，學(xué)生被動地學(xué)習(xí)和實踐。因此，“教師教得辛苦，學(xué)生學(xué)得痛苦”的現(xiàn)象并不少見，難以達(dá)到理想的教學(xué)效果。

（三）教學(xué)效益低

其一，許多實驗由于裝置復(fù)雜、藥品稀缺而昂貴、操作技術(shù)要求高、危險性大、反應(yīng)速率過慢等原因而無法進(jìn)行，在一定程度上影響了實驗教學(xué)過程的完整性，不能很好地滿足教育需要。

其二，生化制藥技術(shù)專業(yè)實驗常常伴有“三廢”，即廢液、廢氣和廢渣的產(chǎn)生，而“三廢”大部分是有毒有害的，對人體和環(huán)境都有一定危害性。

其三，傳統(tǒng)實踐課教學(xué)，學(xué)生在實驗時存在一定的安全隱患。學(xué)生在不熟悉操作流程或操作失誤等情況下，可能發(fā)生危險。

傳統(tǒng)實踐課教學(xué)方法在積極開展高職有效教學(xué)方面，顯得力不從心。為了更好地提高高職實踐教學(xué)質(zhì)量，提高教學(xué)有效性，迫切需要引入先進(jìn)的教學(xué)手段和方法，而虛擬仿真實驗就是這樣一種教學(xué)手段。

虛擬仿真實驗概述

虛擬仿真實驗是利用計算機(jī)創(chuàng)建的一個可視化實驗操作環(huán)境，其中的每一個可視化仿真物體代表一種實驗儀器或設(shè)備，通過操作這些虛擬的實驗儀器或設(shè)備，即可進(jìn)行各種實驗，達(dá)到與真實實驗相一致的教學(xué)目的和要求。虛擬仿真實驗的開發(fā)是以真實的實驗原理、實驗現(xiàn)象、實驗過程和實驗數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的，是虛擬仿真技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)和專業(yè)理論知識等多方面的結(jié)合。

（一）虛擬仿真實驗的組成

虛擬仿真實驗包含虛擬儀器和虛擬實驗兩大部分。

虛擬儀器虛擬儀器就是利用現(xiàn)有的計算機(jī)配上相應(yīng)的硬件和專用軟件，形成既有普通儀器的基本功能，又有一般儀器所沒有的特殊功能的高檔低價的新型儀器。這種技術(shù)實質(zhì)上是充分利用最新的計算機(jī)技術(shù)實現(xiàn)和擴(kuò)展傳統(tǒng)儀器的功能，其特點在于：（1）將信號的分析、顯示、保存、打印和其他管理集中交由計算機(jī)處理。（2）強(qiáng)調(diào)“軟件就是儀器”的新概念。（3）儀器由用戶自己定義，系統(tǒng)的功能、規(guī)模等均可通過軟件修改，可方便地與外設(shè)、網(wǎng)絡(luò)及其他應(yīng)用設(shè)備連接。（4）用戶可以將儀器的設(shè)計、使用和管理統(tǒng)一到虛擬儀器標(biāo)準(zhǔn)。（5）在同一臺計算機(jī)上可以虛擬出數(shù)十種儀器來，節(jié)省辦學(xué)資金，提高設(shè)備使用率。

虛擬實驗虛擬實驗就是利用鼠標(biāo)的點擊、拖動，將計算機(jī)上虛擬的各種儀器，按實驗要求組裝成一個完整的實驗系統(tǒng)。同時，在這個系統(tǒng)上完成整個實驗，包括原材料的添加、實驗條件的改變、數(shù)據(jù)采集以及實驗結(jié)果的模擬、分析等。

（二）虛擬仿真實驗的基本特點

各種虛擬仿真實驗一般具有以下三個基本特點：

仿真性實驗環(huán)境和實驗儀器具有高度真實感，學(xué)生在計算機(jī)上進(jìn)行操作就如同置身于真實的實驗環(huán)境，面對真實的實驗儀器進(jìn)行操作。

交互性仿真實驗可以實現(xiàn)學(xué)生與計算機(jī)的雙向交流。學(xué)生利用鼠標(biāo)或鍵盤可以自由地對儀器進(jìn)行操作，選擇實驗內(nèi)容和實驗進(jìn)程，極大地調(diào)動了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

網(wǎng)絡(luò)性虛擬仿真實驗通過網(wǎng)絡(luò)傳輸，同一個實驗可以由不同地點、不同機(jī)器上的多人協(xié)同完成。

虛擬仿真實驗可極大地提高實踐教學(xué)的有效性

1999年，美國學(xué)者楊和肖（S. Young G. Shaw）研究大學(xué)有效教學(xué)特征時發(fā)現(xiàn)，判斷大學(xué)教學(xué)有效性的標(biāo)準(zhǔn)有：教學(xué)內(nèi)容對學(xué)生的價值、激勵學(xué)生學(xué)習(xí)、教學(xué)內(nèi)容組織得合理、有效地與學(xué)生交流與溝通、營造愉快的學(xué)習(xí)氣氛、關(guān)心學(xué)生的學(xué)習(xí)、完全尊重學(xué)生。虛擬仿真技術(shù)在實驗實踐教學(xué)中的積極開展和應(yīng)用，能夠很好地提高高職實驗實踐課的教學(xué)效果。教師在實驗實踐課教學(xué)時，能夠結(jié)合虛擬仿真實驗進(jìn)行教學(xué)，可以有效地激勵學(xué)生學(xué)習(xí)，營造愉快的學(xué)習(xí)氣氛，使自己的教學(xué)更好地符合教學(xué)有效性的標(biāo)準(zhǔn)，取得更好的教學(xué)效果。

強(qiáng)化激勵學(xué)習(xí)計算機(jī)虛擬仿真實驗的特點是真實、形象，可以直觀、動態(tài)地把實驗過程反映出來。學(xué)生置身于仿真環(huán)境之中，通過人機(jī)對話，教與學(xué)互動，能夠及時獲得反饋信息，主動調(diào)整自己的學(xué)習(xí)進(jìn)度和速度，充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和熱情，學(xué)習(xí)效率明顯提高。通過對傳統(tǒng)實驗教學(xué)方式和利用虛擬仿真實驗教學(xué)效果的比較可以看出，虛擬仿真教學(xué)能使學(xué)生記住70%的內(nèi)容，而傳統(tǒng)的教師講、學(xué)生聽的實驗教學(xué)，學(xué)生只能記憶約30%的內(nèi)容。虛擬仿真實驗不僅可強(qiáng)化教學(xué)強(qiáng)度，還能把學(xué)生從被動聽講和消極接受知識的狀態(tài)中解放出來，增強(qiáng)教學(xué)效果，有效地實施程序化教學(xué)，為因材施教提供現(xiàn)代化實施手段。學(xué)生可以在沒有教師的情況下自學(xué)；可以根據(jù)實際情況安排實驗進(jìn)度，并可反復(fù)進(jìn)行實驗，直到掌握知識為止。

一人一機(jī)，充分訓(xùn)練由于實驗儀器設(shè)備限制，傳統(tǒng)的教學(xué)方法很難保證每個學(xué)生都能親自動手實驗，而虛擬仿真實驗完全可以做到一人一機(jī)，保證每個學(xué)生都能得到充分訓(xùn)練。虛擬仿真實驗的實驗周期短，學(xué)生可以反復(fù)地進(jìn)行多次實驗，以加深對實驗原理、實驗步驟、注意事項等的理解和把握，提高學(xué)習(xí)的效果和效率。

容錯性好，可開展探究式實驗 虛擬仿真實驗可積極引導(dǎo)學(xué)生順利地完成實驗，并允許發(fā)生錯誤或失誤，允許探究。學(xué)生可以在虛擬仿真實驗平臺上進(jìn)行任何故障模擬而不必?fù)?dān)心出現(xiàn)任何意外的危險結(jié)果，甚至可以設(shè)定實驗室或?qū)嶋H工廠不可能進(jìn)行的各種事故和極限運(yùn)行狀態(tài)，以提高自身分析問題能力和在復(fù)雜情況下的決策能力。學(xué)生可以直接從屏幕上觀察到錯誤操作的后果，在糾正錯誤操作過程中掌握正確的操作方法，這是實際實驗無法做到的。實際實驗若操作錯誤或失誤，可能引起設(shè)備損壞、人員受傷甚至發(fā)生爆炸、火災(zāi)等危險后果。虛擬仿真實驗允許探究，學(xué)生可結(jié)合所學(xué)知識，進(jìn)行反復(fù)試驗，直到找到正確的操作方法，有利于開拓學(xué)生視野，增強(qiáng)分析問題和解決問題的能力。

保證實驗數(shù)目和質(zhì)量，節(jié)省實驗經(jīng)費(fèi) 利用虛擬仿真技術(shù)，可以在一臺計算機(jī)上虛擬仿真出很多儀器設(shè)備，設(shè)置很多實驗。傳統(tǒng)教學(xué)中許多實驗由于裝置復(fù)雜、藥品稀缺而昂貴、操作技術(shù)要求高、危險性大、反應(yīng)速率過慢等原因而無法進(jìn)行的，可完全利用虛擬仿真實驗進(jìn)行教學(xué)訓(xùn)練。對核磁、質(zhì)譜等昂貴的儀器，學(xué)生也完全可以在計算機(jī)上反復(fù)進(jìn)行操作訓(xùn)練，保證實驗數(shù)目和質(zhì)量，保證實驗教學(xué)過程的完整性。虛擬仿真實驗費(fèi)用只需軟件開發(fā)費(fèi)或軟件使用費(fèi)，結(jié)合已有的電腦設(shè)備就可以進(jìn)行實驗，可大大地節(jié)省有限的實驗經(jīng)費(fèi)。

實現(xiàn)實驗“綠色化”，保障實驗安全化虛擬仿真實驗不會產(chǎn)生“三廢”。學(xué)生在進(jìn)行真實實驗前，先進(jìn)行仿真實驗，可以減少因?qū)W生實驗的盲目性造成的試劑、藥品浪費(fèi)，有利于實驗的“綠色化”。生化制藥技術(shù)專業(yè)很多實驗在實際操作過程中都存在著一定的危險性，而進(jìn)行虛擬仿真實驗不存在任何危險。而且先進(jìn)行虛擬仿真實驗，學(xué)生對實驗原理、實驗步驟、實驗注意事項等有了比較清楚地理解和掌握，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行實際實驗操作，就可以避免實驗的盲目性，避免引發(fā)實驗的安全隱患。

網(wǎng)絡(luò)教學(xué)，資源共享虛擬仿真實驗結(jié)合現(xiàn)代的通信技術(shù)，可以輕松地實現(xiàn)實驗網(wǎng)絡(luò)化教育，學(xué)生可以不受時間和地點的限制完成虛擬仿真實驗、上傳實驗報告、與教師交流等。同一個實驗可以在不同的地方完成，還可以實現(xiàn)跨單位、跨地區(qū)乃至全國范圍內(nèi)的教學(xué)協(xié)作，充分實現(xiàn)資源的共享利用。

虛擬仿真實驗是一種現(xiàn)代化的教學(xué)手段，可以拓展學(xué)生的創(chuàng)新思維，激勵學(xué)生動手操作，從而彌補(bǔ)傳統(tǒng)教學(xué)手段的許多不足之處，具有傳統(tǒng)教學(xué)手段無法比擬的優(yōu)點。虛擬仿真實驗的開發(fā)和應(yīng)用，極大地提高了高職實驗教學(xué)的效果、效率和效益，能夠更好地符合有效教學(xué)規(guī)律，穩(wěn)步地提高高職教學(xué)質(zhì)量。但是，虛擬仿真實驗不能完全代替真實實驗，因為虛擬仿真實驗缺乏對實驗的真實感受，實驗技能和技巧沒有實際動手實驗是無法掌握和提高的。最佳的方案是虛擬仿真實驗與傳統(tǒng)實驗相結(jié)合，可以采用“虛擬仿真實驗（實習(xí)）+傳統(tǒng)實驗（實習(xí)）”、“虛擬仿真實驗（實習(xí)）+傳統(tǒng)實驗（實習(xí)）+虛擬仿真實驗（實習(xí)）”等模式進(jìn)行高職實踐課程教學(xué)。高職院校在實踐課教學(xué)中要積極引入或開發(fā)虛擬仿真實驗，提升高職專業(yè)實踐課程教學(xué)的有效性。教師應(yīng)提高自身計算機(jī)技能操作水平，盡可能自己動手制作虛擬仿真實驗，不斷完善虛擬仿真實驗系統(tǒng)，實現(xiàn)教學(xué)過程的靈活性?？傊?，虛擬仿真技術(shù)是一種行之有效的現(xiàn)代教學(xué)手段，值得推廣應(yīng)用。

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作者簡介：

柯中爐（1981—），男，浙江臺州人，碩士，臺州職業(yè)技術(shù)學(xué)院生化系助教，主要從事天然藥物提取及藥物合成研究。

牟惠康（1967—），男，浙江臺州人，碩士，臺州職業(yè)技術(shù)學(xué)院副教授、副院長。