遠程模擬實驗的探索與研究

【摘要】在基于網絡的遠程教育中，學生所處的學習空間與已熟悉的真實學習環境有很大不同，它是一種計算機和網絡技術營造出的虛擬學習環境，而為了減少遠程教育中時間和空間分離對學習帶來的困難，這種虛擬學習環境需要更逼真，一定程度上作為真實學習環境的延伸和拓展。對于遠程教育中工科專業課程的學習，因其有不可缺少的實踐環節要求，所以，需要創建一種利于學生進行工科實驗的虛擬環境，而且這種虛擬學習空間必須要符合工科專業課程線性和邏輯性的特點。該文從工科專業課程的實驗課程作為切入點，按照虛擬學習環境的模式開發了遠程模擬實驗系統，依據引導式學習理論進行設計，并且遵循課程本身的科學要求，使學生達到工科專業課程的教學要求。

【關鍵詞】遠程教育;虛擬學習環境;工科;遠程模擬實驗

【中圖分類號】G420【文獻標識碼】A【論文編號】1009—8097(2010)02—0127—04

一 遠程工科教育中的虛擬學習環境

虛擬學習環境是相對真實學習環境而言的，真實的學習環境是由固定的地點、具體的物體構成的，而虛擬學習環境是由計算機和網絡技術營造的，呈現在學習者面前的計算機屏幕上，在這一環境中學習者所看到的物體不是真實的而是虛擬的。為了達到學習的目的，虛擬學習環境不僅向學習者呈現以文字、圖形圖像形式表達的學習對象，還通過交互方式使學習者獲得更多的感受。對基于網絡的遠程教育，其教學活動的開展主要是在這種虛擬學習環境中進行的。

遠程教育中開設的文科類專業課程的學習一般是非線性的，并且邏輯性要求較弱。在現有計算機和網絡技術的支持下，比較容易在虛擬學習環境中實現多種形式的教學。而遠程教育中的工科專業課程尤其是實驗環節的學習要求則不同，一般是線性的、邏輯性較強的，并且實驗環節是不可缺少的部分，目的是加深學生對課程基礎知識和基本原理的理解，掌握相關實驗的基本操作技能，培養科學嚴謹的實驗態度。因此更好地發揮虛擬學習環境在遠程工科教育中的效果是目前我國遠程教育所面臨的難題之一。

我們認為解決這一問題的切入點之一是開發遠程實驗。在我們已開設的工科類如化工類、藥學類、機械類等專業中，實驗部分的學分要求平均約占總學分的10%，因此開發遠程實驗本身也是課程的教學要求。

遠程實驗一般分為遠程模擬實驗和遠程控制實驗，遠程模擬實驗的實現相對比較簡單，通過計算機和網絡技術就可以實現，屬于一種基于模擬的課程，而遠程控制實驗還增加了實驗硬件設備及對其進行控制的系統。

根據德國遠程教育工業化理論專家奧托#8226;彼得斯(Otto Peters)[1]的觀點，基于模擬的學習是一種在虛擬學習空間中的學習(本文對虛擬學習空間和虛擬學習環境的概念不作區分)，虛擬學習空間的一種類型可以表示為圖1。

我們試圖從某些課程的模擬實驗開發中對遠程教育工科專業課程的虛擬學習環境進行探索和研究。

二 遠程模擬實驗系統

1 設計原理

(1) 采用模塊化設計

根據課程要求，每門實驗課程包括多個不同的實驗，相比其他普通課程，實驗課程中每個實驗的內容比較固定，學習目標比較明確，并且所涉及的學習資源比較單一，因此在開發遠程模擬實驗過程中，我們對照真實的實驗學習環節，探索設計了一種通用模型，即每個實驗都由七個主要模塊組成:

① 實驗目的和原理:說明該實驗對學生的要求及實驗所依據的原理;

② 實驗內容:說明實驗的儀器、試劑、物理常數、裝置圖、實驗步驟和結果等;

③ 實驗演示:演示實驗操作步驟;

④ 儀器選取:學生操作選取實驗所用儀器;

⑤ 試劑選取:學生操作選取實驗所用試劑;

⑥ 操作步驟排序或實驗操作:學生操作對實驗操作步驟進行排序，或者學生通過鼠標點擊操作模擬實驗裝置;

⑦ 實驗報告:學生填寫并提交實驗報告。

這七個模塊是我們所構建的模擬實驗系統的核心部分，在實際的實驗課程開發時，根據各個實驗的具體要求增減或修改組成模塊，當然，也可以根據課程需要添加其他的輔助模塊。

(2) 運用引導式學習策略

在基于網絡的遠程教育中，學習者的學習方式主要是自主學習，需要其具有一定的自主學習能力。如果在課程中包含較多的學習資源和學習要求，就會使自主學習能力較低的學習者很容易分散學習注意力，不能集中在既定的學習目標上，致使學習效率較低、學習效果較差。而遠程工科實驗課程邏輯性較強、課程內容基本呈線性方式，這就需要在課程設計時遵循這一特點，加強各部分學習內容中對學生的引導，使學生循序漸進地達到實驗課程的教學要求。

對照上述的虛擬學習空間模型，我們將模擬實驗系統的七個模塊按照一定的邏輯結構進行設計，形成如圖2所示的對照圖。

其中模塊1、模塊2和模塊3之間無線性關系，可以互相跳轉，但是進入模塊4后，學習者必須按照既定的步驟進行模塊4至模塊7的學習，并且進入每個模塊時都有相關提示，向學習者說明該模塊的目的以及完成該模塊后的下一步操作，引導學習者按要求完成整個實驗的操作和學習。

2 系統實現

(1) 實現方式

我們在實際開發中采用了B/S架構的方式，目前在系統中主要設置了三類用戶:學生、教師、管理員。不同的用戶通過各自的賬號登錄系統時，系統會判斷其身份，學生登錄進入該實驗系統即可進行相關實驗課程的學習和操作。

系統各模塊的主要實現方式可見表1。

因模塊1至模塊3對應作為VLE表達的空間，只是單向的表達傳遞，因此用文本及視音頻的方式將文字或圖形圖像形式的學習內容呈現給學習者。模塊4至模塊7中每個模塊既有作為VLE語義學空間的作用，也有作為交互空間的作用，因此我們利用Flash交互、視頻及網頁的形式，一方面通過模擬方式呈現相關內容，另一方面通過學生和系統的交互完成實驗要求的內容。

(2) 模塊設計界面

在模擬實驗系統中所包含的模塊以導航條的形式展現在系統界面左側，相應的模塊內容展現在界面右側中心區域，整體界面設計可見圖3。

我們在系統界面圖中的模塊4至模塊7標示了單向箭頭，而模塊1至模塊3之間沒有箭頭，并且通過編程控制各模塊間的跳轉，更明確地向學生表示了各模塊學習的順序要求，體現引導式學習策略，而這種有明確引導的學習使得課程內容符合其線性和邏輯性的要求。各個不同的實驗課程都可依據此模塊界面圖進行具體設計。

(3) 具體的遠程模擬實驗課程案例

我們以有機化學實驗課程中的“苯甲酸乙酯的水蒸氣蒸餾實驗”為例介紹遠程模擬實驗的流程。根據該實驗的原理和實驗內容，實驗的系統設計中包含了上述的七個主要模塊，并且增加了一項“思考練習”，共八個模塊。

“實驗目的原理”、“實驗內容”和“實驗視頻(即實驗演示)”是用文本、圖形圖像及視音頻的形式將實驗的要求呈現給學生。學生可以在“實驗目的原理”、“實驗內容”、“實驗視頻”三個模塊中相互跳轉，充分了解該實驗的要求。然后再進入之后的幾個模塊，“實驗內容”、“實驗視頻” 可見圖4、圖5。

從“儀器選取”模塊開始之后的這幾個模塊都是線性關系，學生根據學習提示必須一步步地通過與實驗系統交互操作學習、掌握實驗要求。在“儀器選取”這一模塊中必須正確選取實驗所用的全部儀器。根據實驗課程的要求，儀器的選擇順序可以是任意排列的，全部儀器選擇完成后點擊提交，如果其中有選錯的儀器，則錯誤次數記錄為1次，學生需重新進行選擇，直到選擇正確，才可進入下一環節。 “儀器選取”可見圖6。“試劑、耗材選取”與此類似，但是根據實驗原理會增加對試劑選擇的順序要求。

“操作步驟”模塊與“儀器選取”、“試劑、耗材選取”類似，在這一部分中學習者必須正確選擇每一步實驗操作步驟，選擇正確的操作步驟后會演示這一步的實驗操作視頻，如果選擇錯誤，系統會提示重新選擇。“操作步驟”可見圖7。

學生完成“操作步驟”、“儀器選取”、“試劑、耗材選取”這三個部分的操作學習后，進入“實驗報告”，在這一部分中，我們將實驗報告內容按不同要求設計成幾部分，如實驗目的、實驗裝置、實驗步驟等，學生回答相關內容的問題，完成的各部分結果形成一份最終的實驗報告，提交后教師用戶就可進入實驗系統進行批閱。這樣學生在做實驗報告的過程中更明確地體會了該實驗課程的要求。“實驗報告”可見圖8。

在“思考練習”部分，我們根據實驗要求補充設計了計時題目，進一步鞏固學生的學習結果，如圖9所示。

3 效果

我們將已開發完成的兩門實驗課程:物理化學、化工原理進行了初期試用，有36名學生自愿參加。我們對實驗報告的成績進行了統計，將每個學生每門實驗課程的平均分進行分段，再統計各段的人數比例，統計結果可見圖10。

從完成實驗報告的情況看，學生基本都能達到實驗課程的要求，并且從學生的反饋來看，模擬實驗系統運行較穩定，操作界面簡單易用。

三 總結與展望

目前除物理化學、化工原理兩門課程外，我們還完成了其他四門實驗課程的開發:有機化學、化學工程與工藝專業實驗、大學基礎化學、機械設計，將于下一期投入使用。除了擴大該模擬實驗系統的使用范圍外，我們還將學生在實驗平臺上的實驗報告成績作為其該課程的一項過程考核標準，突出工科課程的實驗教學要求。

遠程模擬實驗只是對遠程教育工科專業課程的虛擬學習環境探索的一個發展階段，為開發遠程控制實驗提供了很好的基礎。

當然，要充分滿足遠程工科課程的實驗教學要求，僅依靠遠程實驗系統是不夠的，我們對開設相關專業課程的學習中心事先進行了審核，確保其具有一定的實驗裝備條件。在此前提下我們實施“遠程實驗+現場實驗”的工科實驗課程的教學模式，對于遠程實驗目前還未實現或難以實現的內容通過現場實驗的方式進行，不僅使遠程實驗和現場實驗相互補充，還使遠程實驗的開發更有目的性和針對性，效率更高。

參考文獻

[1] 奧托#8226;彼得斯(Otto Peters).轉型中的遠程教育:新的趨勢與挑戰[M].上海:上海高教電子音像出版社，2008.

[2] 周躍良，林秀欽.意義生成與虛擬學習環境系統中的知識建構機制設計[J].中國電化教育，2005，(4):14-18.

[3] 黃杰，吳平東，陳之龍，馬樹元.基于因特網的遠程控制實驗系統的構建[J].計算機工程與應用，2003，(23):26-29.

[4] 朱敏，朱焱.虛擬實驗與物理課程教學[M].南京:東南大學出版社，2008.

The Exploration and Research on Distance Simulated Experiment

SUN YingYAO JunGAO Jian-bao

(East China University of Science and Technology， Shanghai 200237， China.)

Abstract: In web-based distance education， the learning environment is virtual， which is constructed by the computer and network technology， so it’s different to the real environment which is familiar to the learner. As we try to minimize the difficulties brought by the spatial and/or temporal separation in distance education， the virtual learning environment has to be more realistic， or to extend and expand the real learning environment. For the engineering curriculum in distance education which has practice teaching requirements， it’s necessary to build a virtual environment which can be helpful for the learner to do the experiment and in line with the curriculum’s characteristics of linearity and logic. To make the students meet the requirements of the engineering curriculum， we explore and design the distance simulated experiment system which follows both the guidance learning theory and the curriculum’s scientific demand.

Keywords: Distance Education; Virtual Learning Environment; Engineering Curriculum; Distance Simulated Experiment