虛擬技術：提升高職專業課實踐教學的有效策略

摘要：如何開展實踐課程的有效教學是當前高職院校面臨的一個重要問題。高職生化制藥技術專業實踐課傳統教學由于受實驗設施、實驗場地、教學手段等各方面的制約，難以取得理想的教學效果。虛擬仿真實驗因其具有直觀動態、訓練充分、容錯性好、經濟節約、安全環保、資源共享等優勢，不僅可極大地提升高職生化制藥技術專業實踐課程教學的有效性，而且在高職相關專業的實踐教學中也具有普遍的推廣價值。

關鍵詞：虛擬仿真實驗；有效教學；實踐教學；教學改革

隨著時代的快速發展和科學技術的進步，傳統的教學思想、教學方法及教學手段等都面臨著前所未有的挑戰，特別是計算機、多媒體技術、網絡技術及通信技術等都已廣泛應用于教學的各領域，引發了教學方法和教學手段的革命。其中計算機虛擬仿真技術應用于教育也是教育技術發展的一個飛躍，使得教與學方式發生了革命性的變化。它營造了“自主學習”的環境，由傳統的“以教促學”的學習方式轉變為學習者通過自身與信息環境的相互作用來得到知識、技能的新型學習方式。虛擬仿真教學是理論與實踐之間一座新的橋梁，既是實踐教學手段，也是實踐教學內容。積極地開展虛擬仿真實驗可以極大地提升高職實踐教學的教學效果、效率及效益。

有效教學的內涵

有效教學是教師通過教學過程的有效性即符合教學規律，成功引起、維持和促進學生的學習，相對有效地達到預期教學效果的教學。有效教學是教學過程符合規律性、有效果、有效益、有效率的教學。其中，有效果指對教學活動結果與預期教學目標的吻合程度的評價；有效率指教學活動本身是一種精神性生產活動，沿用經濟學概念，可將教學效率表述為：教學效率=教學產出（效果）/教學投入，或教學效率=有效教學時間/實際教學時間；有效益是指教學活動的收益、教學活動價值的實現。具體而言，是指對教學目標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；教學有效性的三重意蘊及相互關系，如下圖所示。

傳統實踐課教學存在“三低”問題

從有效教學角度講，傳統專業實踐課教學由于受到實驗設施、實驗場地、教學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）教學效果差

其一，傳統實驗課一般先由指導教師講解實驗原理及步驟等，然后再進行實驗操作的簡單示范，教學手段單調，學習十分枯燥。而實驗操作演示往往不夠全面細致，有的學生甚至看不到教師的演示操作。在實驗過程中，常常很多學生一邊看實驗指導書，一邊按要求進行操作，導致學生脫離實際，達不到教學目的。

其二，實驗經費缺乏，實驗設備有限，有些實驗容易出現盲目操作和“走過場“現象。例如，化工原理實驗是生化制藥技術專業必修的基礎實驗，由于實驗室建設需要經費投入比較大、實驗裝置占用場地比較多，實驗裝置套數非常有限，有的學校還沒有化工原理實驗室。而學生數量在逐年增多，這就出現了一個突出矛盾，即學生數量增多與實驗裝置相對不足之間的矛盾。這一矛盾導致學生很難獨立完成實驗，在實驗的過程中，不能全面了解裝置特性及操作流程，對一些實驗現象不能作全面而細致的觀察、記錄和分析；有的學生甚至貪圖省事，看看其他同學做的實驗，然后根據同組的數據，抄寫出實驗報告，草率應付行事，實驗效果不理想。再如，儀器分析也是生化制藥專業學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，而核磁共振儀與質譜儀等儀器可能還沒有。教師一般采用演示法進行教學，對于講授大部分儀器內部構造也只能是教師講解或用課件演示。短時間的演示講解，學生的印象很難深刻，而且學生很少有機會親自動手進行實驗操作。因此，造成學生對儀器分析的操作缺乏訓練，這對學生的全面實驗技能培養極為不利。

其三，實習實踐是訓練學生專業綜合分析能力和解決問題能力的必備環節。但是，生產實習時學生到工廠參觀，被動地聽技術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生親自動手操作。因此，學生很少能得到實際鍛煉，很難達到培養目標。

（二）教學效率低

其一，實驗教學經費的投入大而實驗教學效果不理想。例如，投入大量經費建立的化工原理實驗室，由于學時數限制、學生人數的增多以及實驗操作存在一定的技術和安全隱患，學生只能匆匆地進行一些簡單的實驗，即使實驗操作失誤了也很少有機會重復實驗。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，儀器臺數很有限，教師一般采用演示實驗教學，學生很少能得到實際動手操作的機會。

其二，教師投入時間和精力多，但教學效果不理想。因為在采用傳統教學方法的教學過程中，一般是教師講解實驗要點，學生按照實驗指導書依樣畫葫蘆地做一遍，學生被動地學習和實踐。因此，“教師教得辛苦，學生學得痛苦”的現象并不少見，難以達到理想的教學效果。

（三）教學效益低

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

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

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

傳統實踐課教學方法在積極開展高職有效教學方面，顯得力不從心。為了更好地提高高職實踐教學質量，提高教學有效性，迫切需要引入先進的教學手段和方法，而虛擬仿真實驗就是這樣一種教學手段。

虛擬仿真實驗概述

虛擬仿真實驗是利用計算機創建的一個可視化實驗操作環境，其中的每一個可視化仿真物體代表一種實驗儀器或設備，通過操作這些虛擬的實驗儀器或設備，即可進行各種實驗，達到與真實實驗相一致的教學目的和要求。虛擬仿真實驗的開發是以真實的實驗原理、實驗現象、實驗過程和實驗數據為基礎的，是虛擬仿真技術、計算機技術和專業理論知識等多方面的結合。

（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有的計算機配上相應的硬件和專用軟件，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。這種技術實質上是充分利用最新的計算機技術實現和擴展傳統儀器的功能，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處理。（2）強調“軟件就是儀器”的新概念。（3）儀器由用戶自己定義，系統的功能、規模等均可通過軟件修改，可方便地與外設、網絡及其他應用設備連接。（4）用戶可以將儀器的設計、使用和管理統一到虛擬儀器標準。（5）在同一臺計算機上可以虛擬出數十種儀器來，節省辦學資金，提高設備使用率。

虛擬實驗虛擬實驗就是利用鼠標的點擊、拖動，將計算機上虛擬的各種儀器，按實驗要求組裝成一個完整的實驗系統。同時，在這個系統上完成整個實驗，包括原材料的添加、實驗條件的改變、數據采集以及實驗結果的模擬、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：

仿真性實驗環境和實驗儀器具有高度真實感，學生在計算機上進行操作就如同置身于真實的實驗環境，面對真實的實驗儀器進行操作。

交互性仿真實驗可以實現學生與計算機的雙向交流。學生利用鼠標或鍵盤可以自由地對儀器進行操作，選擇實驗內容和實驗進程，極大地調動了學生的學習積極性。

網絡性虛擬仿真實驗通過網絡傳輸，同一個實驗可以由不同地點、不同機器上的多人協同完成。

虛擬仿真實驗可極大地提高實踐教學的有效性

1999年，美國學者楊和肖（S. Young G. Shaw）研究大學有效教學特征時發現，判斷大學教學有效性的標準有：教學內容對學生的價值、激勵學生學習、教學內容組織得合理、有效地與學生交流與溝通、營造愉快的學習氣氛、關心學生的學習、完全尊重學生。虛擬仿真技術在實驗實踐教學中的積極開展和應用，能夠很好地提高高職實驗實踐課的教學效果。教師在實驗實踐課教學時，能夠結合虛擬仿真實驗進行教學，可以有效地激勵學生學習，營造愉快的學習氣氛，使自己的教學更好地符合教學有效性的標準，取得更好的教學效果。

強化激勵學習計算機虛擬仿真實驗的特點是真實、形象，可以直觀、動態地把實驗過程反映出來。學生置身于仿真環境之中，通過人機對話，教與學互動，能夠及時獲得反饋信息，主動調整自己的學習進度和速度，充分調動學生的學習興趣和熱情，學習效率明顯提高。通過對傳統實驗教學方式和利用虛擬仿真實驗教學效果的比較可以看出，虛擬仿真教學能使學生記住70%的內容，而傳統的教師講、學生聽的實驗教學，學生只能記憶約30%的內容。虛擬仿真實驗不僅可強化教學強度，還能把學生從被動聽講和消極接受知識的狀態中解放出來，增強教學效果，有效地實施程序化教學，為因材施教提供現代化實施手段。學生可以在沒有教師的情況下自學；可以根據實際情況安排實驗進度，并可反復進行實驗，直到掌握知識為止。

一人一機，充分訓練由于實驗儀器設備限制，傳統的教學方法很難保證每個學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，保證每個學生都能得到充分訓練。虛擬仿真實驗的實驗周期短，學生可以反復地進行多次實驗，以加深對實驗原理、實驗步驟、注意事項等的理解和把握，提高學習的效果和效率。

容錯性好，可開展探究式實驗 虛擬仿真實驗可積極引導學生順利地完成實驗，并允許發生錯誤或失誤，允許探究。學生可以在虛擬仿真實驗平臺上進行任何故障模擬而不必擔心出現任何意外的危險結果，甚至可以設定實驗室或實際工廠不可能進行的各種事故和極限運行狀態，以提高自身分析問題能力和在復雜情況下的決策能力。學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，可能引起設備損壞、人員受傷甚至發生爆炸、火災等危險后果。虛擬仿真實驗允許探究，學生可結合所學知識，進行反復試驗，直到找到正確的操作方法，有利于開拓學生視野，增強分析問題和解決問題的能力。

保證實驗數目和質量，節省實驗經費 利用虛擬仿真技術，可以在一臺計算機上虛擬仿真出很多儀器設備，設置很多實驗。傳統教學中許多實驗由于裝置復雜、藥品稀缺而昂貴、操作技術要求高、危險性大、反應速率過慢等原因而無法進行的，可完全利用虛擬仿真實驗進行教學訓練。對核磁、質譜等昂貴的儀器，學生也完全可以在計算機上反復進行操作訓練，保證實驗數目和質量，保證實驗教學過程的完整性。虛擬仿真實驗費用只需軟件開發費或軟件使用費，結合已有的電腦設備就可以進行實驗，可大大地節省有限的實驗經費。

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

網絡教學，資源共享虛擬仿真實驗結合現代的通信技術，可以輕松地實現實驗網絡化教育，學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，還可以實現跨單位、跨地區乃至全國范圍內的教學協作，充分實現資源的共享利用。

虛擬仿真實驗是一種現代化的教學手段，可以拓展學生的創新思維，激勵學生動手操作，從而彌補傳統教學手段的許多不足之處，具有傳統教學手段無法比擬的優點。虛擬仿真實驗的開發和應用，極大地提高了高職實驗教學的效果、效率和效益，能夠更好地符合有效教學規律，穩步地提高高職教學質量。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實驗相結合，可以采用“虛擬仿真實驗（實習）+傳統實驗（實習）”、“虛擬仿真實驗（實習）+傳統實驗（實習）+虛擬仿真實驗（實習）”等模式進行高職實踐課程教學。高職院校在實踐課教學中要積極引入或開發虛擬仿真實驗，提升高職專業實踐課程教學的有效性。教師應提高自身計算機技能操作水平，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，實現教學過程的靈活性。總之，虛擬仿真技術是一種行之有效的現代教學手段，值得推廣應用。

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作者簡介：

柯中爐（1981—），男，浙江臺州人，碩士，臺州職業技術學院生化系助教，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，臺州職業技術學院副教授、副院長。