李文娟　王瓊

【摘 要】實驗教學(xué)是科學(xué)教育專業(yè)人才培養(yǎng)過程中提高學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)、增強學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力的重要途徑。如何提升實驗課程的教學(xué)質(zhì)量是該專業(yè)人才培養(yǎng)過程中需要關(guān)注的重要問題。虛擬實驗是教育信息化背景下出現(xiàn)的一種新的實驗教學(xué)資源，具有新穎、靈活、開放、成本低等多種優(yōu)勢，可以有效改進與提升實驗教學(xué)的品質(zhì)?；诖吮尘?，本文致力研究在科學(xué)教育專業(yè)實驗教學(xué)中實施虛擬實驗的優(yōu)勢、原則等，并針對構(gòu)建與應(yīng)用虛擬實驗時的問題與不足，進行了一些思考和探索。

【關(guān)鍵詞】實驗教學(xué)；虛擬實驗；科學(xué)教育專業(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)教育專業(yè)實驗教學(xué)中常見問題分析

科學(xué)教育專業(yè)是為解決中小學(xué)科學(xué)課程師資需求而開設(shè)本科專業(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、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)教育專業(yè)的學(xué)生除了需要掌握扎實的科學(xué)知識外，還需要進行全面的實驗技能訓(xùn)練。目前，多數(shù)高校由于實驗條件、實驗管理人員等綜合因素的影響，科學(xué)教育專業(yè)的實驗課程大都以物理、化學(xué)、生物、地理等分科形式獨立呈現(xiàn)，而分科式的實驗教學(xué)模式不利于學(xué)生形成綜合的科學(xué)實驗觀念[1]。

同時，傳統(tǒng)的實驗流程“預(yù)習(xí)-教師講解-操作-實驗報告”的模式存在一定弊端。例如：①實驗指導(dǎo)教師通過演示示范，逐條將實驗原理及注意事項傳達給學(xué)生，造成學(xué)生自主能動性較差；②實驗報告作為課后作業(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)教育專業(yè)學(xué)生的主觀能動性，不利于學(xué)生形成高水平的科學(xué)實驗素養(yǎng)。

此外，由于實驗室建設(shè)工程繁瑣，縱觀國內(nèi)開設(shè)科學(xué)教育專業(yè)的院校，基本都面臨實驗室建設(shè)緩慢的困境，國內(nèi)只有少數(shù)學(xué)校建設(shè)有針對于科學(xué)教育專業(yè)的實驗室。即便建設(shè)成功具有科學(xué)教育專業(yè)特色的實驗室，傳統(tǒng)的實驗室管理方法——即實驗結(jié)束就關(guān)閉實驗室，也極大的限制了學(xué)生的實驗時間，不利于學(xué)生開展自主創(chuàng)新活動[2]。

2 解決科學(xué)教育專業(yè)實驗教學(xué)問題的可行對策

為解決上述科學(xué)教育專業(yè)實驗教學(xué)中常見的基本問題，同時相應(yīng)教育信息化的號召，高校大力引入虛擬實驗教學(xué)[3]。虛擬實驗教學(xué)這一新模式是以數(shù)學(xué)理論和相似原理為基礎(chǔ)，以計算機網(wǎng)絡(luò)為核心，通過信息技術(shù)或設(shè)備模擬出一個可交互、虛幻的三位空間場景，學(xué)生可應(yīng)用這種虛擬儀器進行實驗，并能像真實實驗一樣觀察實驗現(xiàn)象、采集實驗數(shù)據(jù)等。

虛擬實驗系統(tǒng)具有真實實驗沒有的優(yōu)點：

（1）虛擬實驗憑借自身信息化的特點，可解決科學(xué)教育專業(yè)實驗培養(yǎng)中分科教學(xué)的困擾，學(xué)生可依據(jù)實驗主題，自行設(shè)計實驗方法，自主選擇實驗儀器，突破學(xué)科的限制。

（2）虛擬實驗可通過修改軟件達到擴展和更新實驗內(nèi)容的目的，可以節(jié)約實驗室建設(shè)成本，不需要重復(fù)購買實驗耗材。

（3）它可打破時間和空間的限制，充分肯定了學(xué)生在實驗過程中的主體地位，學(xué)生可自由安排、自行設(shè)計實驗步驟方法等，有較高的自主性。endprint

（4）虛擬實驗操作還具備安全、便捷、圖文并茂的優(yōu)勢，可排除實驗器材、場地等因素的限制，將一些反映最新科學(xué)技術(shù)成果應(yīng)用的實驗第一時間開設(shè)出來，讓學(xué)生及時掌握科技發(fā)展的最新動態(tài)，極大提高學(xué)生的實驗興趣以及對科學(xué)事業(yè)的熱愛程度。

3 在科學(xué)教育專業(yè)實驗教學(xué)中，開發(fā)虛擬實驗的原則

基于虛擬實驗的諸多優(yōu)勢，在科學(xué)教育專業(yè)實驗教學(xué)中，我們可充分利用虛擬實驗來豐富教學(xué)模式。但開發(fā)與應(yīng)用虛擬實驗時，要兼顧以下基本原則：

（1）全面性

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

（2）生活化

科學(xué)教育專業(yè)的學(xué)生未來將承擔(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)五年級科學(xué)上冊教材中，有“光和影”的教學(xué)內(nèi)容，教材是通過手影游戲開始，進而引導(dǎo)學(xué)生自主拿著手電筒照射長方體，觀察長方體影子的變化。因此，開發(fā)適用于科學(xué)教育專業(yè)的虛擬實驗體系時，要多用生活中存在的物品，易于科教專業(yè)學(xué)生將所學(xué)實驗直接遷移至未來的科學(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)生提供一個自由發(fā)展的空間，擴大學(xué)生的知識面。因此，為科教專業(yè)開發(fā)虛擬實驗體系時，要增加探究性實驗、綜合性實驗，減少驗證性實驗。讓學(xué)生像科學(xué)家一樣體驗探究的過程，讓學(xué)生用科學(xué)的眼光創(chuàng)造性地研究生活中、社會中、自然界中存在的科學(xué)現(xiàn)象，形成愛科學(xué)、善用科學(xué)的創(chuàng)新精神。

4 開發(fā)與應(yīng)用虛擬實驗課程資源時應(yīng)注意的問題

（1）處理好虛擬實驗與真實實驗之間的關(guān)系

在開發(fā)虛擬實驗教學(xué)體系時，要注意理清虛擬實驗與真實實驗之間的關(guān)系。應(yīng)當(dāng)牢記虛擬實驗僅是真實實驗的有效補充，絕對不能代替真實實驗在教學(xué)中的地位。因此，在設(shè)計、開發(fā)虛擬實驗之前，要依據(jù)科學(xué)教育專業(yè)人才培養(yǎng)方案合理規(guī)劃實驗教學(xué)體系，制定虛實結(jié)合的實驗教學(xué)目標(biāo)，編排虛實結(jié)合的實驗教學(xué)內(nèi)容，建立適合于虛實結(jié)合實驗教學(xué)的評價體系。

（2）開發(fā)具有科學(xué)教育專業(yè)特色的虛擬實驗體系

構(gòu)建具有科學(xué)教育專業(yè)特色的虛擬實驗體系，需要了解社會、科學(xué)教師以及科教專業(yè)學(xué)生對虛擬實驗平臺的建議。在構(gòu)思之初，就充分考慮各方的需求，將設(shè)計開發(fā)與應(yīng)用需求緊密結(jié)合，依據(jù)“設(shè)計—應(yīng)用反饋—再設(shè)計完善”的指導(dǎo)思想，全方位、多視角收集用戶對虛擬實驗體系的評價建議，實時檢驗所開發(fā)實驗的有效性，進而促進科教專業(yè)實驗開發(fā)平臺逐步趨于完善。

（3）探索高效的虛實結(jié)合的實驗教學(xué)模式

虛擬實驗可以打破時空的限制，通過可視化界面讓學(xué)生體驗實驗的基本過程。但虛擬實驗也存在不真實的弊端，無法讓學(xué)生體會實驗中各種基本操作偏差之后的結(jié)果。因此，應(yīng)用虛擬實驗的過程中，要探索得到耦合利用虛擬與真實實驗的成功教學(xué)模式。教師要發(fā)揮重要作用，既要提高學(xué)生對虛擬實驗的認識，又要結(jié)合實際情況考慮如何實施虛實結(jié)合的實驗教學(xué)。比如，教師可以先帶學(xué)生實體體驗一次雞蛋的觀察過程，然后通過虛擬實驗，讓學(xué)生觀察不同動物的卵的基本結(jié)構(gòu)。這一方面可以減少實驗損耗，另一方面可以讓學(xué)生體驗大自然的千姿百態(tài)，達到良好的實驗效果。

（4）突破技術(shù)難關(guān)，重視軟件開發(fā)

構(gòu)建虛擬實驗體系時，一般都包含用戶界面、情境設(shè)置、過程模擬和總結(jié)評價四個環(huán)節(jié)。而實施這四個環(huán)節(jié)時，都需要基于特定的仿真平臺。目前，技術(shù)發(fā)展較為成熟的虛擬實驗平臺有美國國家儀器公司開發(fā)的Labview圖形化虛擬儀器平臺、還有基于VRML虛擬現(xiàn)實技術(shù)的仿真實驗、基于Flash的交互式虛擬實驗、基于Active技術(shù)的仿真實驗、基于Java技術(shù)的虛擬實驗、基于QuickTime VR技術(shù)的虛擬實驗和基于MATLAB仿真軟件的Simulink和GUI來實現(xiàn)的虛擬實驗等。在以上技術(shù)的支持下，開發(fā)適用于科學(xué)教育專業(yè)的虛擬實驗體系時，就需要結(jié)合專業(yè)培養(yǎng)需求及特色，形成穩(wěn)定的、系統(tǒng)的虛擬實驗軟件體系。

5 結(jié)語

利用虛擬實驗體系來擴充科學(xué)教育專業(yè)的實驗教學(xué)體系、提升科學(xué)教育專業(yè)的實驗教學(xué)質(zhì)量，是教育信息化背景下一項切實可行的策略。虛擬實驗軟件的開發(fā)與設(shè)計是一個系統(tǒng)的工程，它的內(nèi)容要以科學(xué)教育專業(yè)人才培養(yǎng)方案為依據(jù)，結(jié)合科學(xué)教育專業(yè)實驗教學(xué)內(nèi)容，還要充分考慮科學(xué)教育專業(yè)學(xué)生的需求與建議。同時，虛擬實驗作為軟件支撐的實驗體系，在給學(xué)習(xí)者帶來便捷的同時，也會給科學(xué)教育專業(yè)學(xué)生帶來“真實”與“虛擬”之間的認知沖突，需要注重對學(xué)生進行前期虛擬實驗的培訓(xùn)工作，也需要注重對虛擬實驗體系進行后期的維護完善過程。

總之，在培養(yǎng)與提升科學(xué)教育專業(yè)學(xué)生的實驗技能時，需要充分發(fā)揮虛擬實驗和真實實驗的耦合效應(yīng)，實現(xiàn)虛擬實驗和真實實驗之間的優(yōu)勢互補，使學(xué)生既可以掌握扎實的基礎(chǔ)知識與實踐能力，又可以具備全面的創(chuàng)新精神與科學(xué)素養(yǎng)，順應(yīng)信息時代的需求。

【參考文獻】

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[3]李凌云，王海軍.網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗系統(tǒng)構(gòu)建方式的比較研究[J].中國電化教育，2008，（1）：102-105.endprint