科學教育專業實驗教學中虛擬實驗的應用研究

李文娟　王瓊

【摘 要】實驗教學是科學教育專業人才培養過程中提高學生科學素養、增強學生創新創業能力的重要途徑。如何提升實驗課程的教學質量是該專業人才培養過程中需要關注的重要問題。虛擬實驗是教育信息化背景下出現的一種新的實驗教學資源，具有新穎、靈活、開放、成本低等多種優勢，可以有效改進與提升實驗教學的品質。基于此背景，本文致力研究在科學教育專業實驗教學中實施虛擬實驗的優勢、原則等，并針對構建與應用虛擬實驗時的問題與不足，進行了一些思考和探索。

【關鍵詞】實驗教學；虛擬實驗；科學教育專業

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 科學教育專業實驗教學中常見問題分析

科學教育專業是為解決中小學科學課程師資需求而開設本科專業。科學課程是培養中小學生科學素養的重要啟蒙性課程，而科學素養的內涵較為廣泛，包含學知識、科學技能、科學方法、與科學精神等多方面。因此，在校期間，科學教育專業的學生除了需要掌握扎實的科學知識外，還需要進行全面的實驗技能訓練。目前，多數高校由于實驗條件、實驗管理人員等綜合因素的影響，科學教育專業的實驗課程大都以物理、化學、生物、地理等分科形式獨立呈現，而分科式的實驗教學模式不利于學生形成綜合的科學實驗觀念[1]。

同時，傳統的實驗流程“預習-教師講解-操作-實驗報告”的模式存在一定弊端。例如：①實驗指導教師通過演示示范，逐條將實驗原理及注意事項傳達給學生，造成學生自主能動性較差；②實驗報告作為課后作業，由于缺乏老師的監管，抄襲現象較為嚴重。這些都極大影響了科學教育專業學生的主觀能動性，不利于學生形成高水平的科學實驗素養。

此外，由于實驗室建設工程繁瑣，縱觀國內開設科學教育專業的院校，基本都面臨實驗室建設緩慢的困境，國內只有少數學校建設有針對于科學教育專業的實驗室。即便建設成功具有科學教育專業特色的實驗室，傳統的實驗室管理方法——即實驗結束就關閉實驗室，也極大的限制了學生的實驗時間，不利于學生開展自主創新活動[2]。

2 解決科學教育專業實驗教學問題的可行對策

為解決上述科學教育專業實驗教學中常見的基本問題，同時相應教育信息化的號召，高校大力引入虛擬實驗教學[3]。虛擬實驗教學這一新模式是以數學理論和相似原理為基礎，以計算機網絡為核心，通過信息技術或設備模擬出一個可交互、虛幻的三位空間場景，學生可應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象、采集實驗數據等。

虛擬實驗系統具有真實實驗沒有的優點：

（1）虛擬實驗憑借自身信息化的特點，可解決科學教育專業實驗培養中分科教學的困擾，學生可依據實驗主題，自行設計實驗方法，自主選擇實驗儀器，突破學科的限制。

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

（3）它可打破時間和空間的限制，充分肯定了學生在實驗過程中的主體地位，學生可自由安排、自行設計實驗步驟方法等，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技術成果應用的實驗第一時間開設出來，讓學生及時掌握科技發展的最新動態，極大提高學生的實驗興趣以及對科學事業的熱愛程度。

3 在科學教育專業實驗教學中，開發虛擬實驗的原則

基于虛擬實驗的諸多優勢，在科學教育專業實驗教學中，我們可充分利用虛擬實驗來豐富教學模式。但開發與應用虛擬實驗時，要兼顧以下基本原則：

（1）全面性

科學教育專業的實驗課程包含理、化、生、地等多門課程的知識。構建科學教育專業虛擬實驗體系時，要充分考慮學科間的融合，吸收多門學科中理科基礎實驗的精華，從介紹實驗原理的基本概念出發，將實驗進行合理的結構安排。讓學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，培養學生形成良好的實驗品質。

（2）生活化

科學教育專業的學生未來將承擔中小學科學課程，而中小學科學課程的特色就是科學知識和學生日常生活緊密相連。例如，教育科學出版社發行的小學五年級科學上冊教材中，有“光和影”的教學內容，教材是通過手影游戲開始，進而引導學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，開發適用于科學教育專業的虛擬實驗體系時，要多用生活中存在的物品，易于科教專業學生將所學實驗直接遷移至未來的科學課堂。

（3）創新性

創新精神是當下大學生最為匱乏的基本科學素養，創新教育需要為學生提供一個自由發展的空間，擴大學生的知識面。因此，為科教專業開發虛擬實驗體系時，要增加探究性實驗、綜合性實驗，減少驗證性實驗。讓學生像科學家一樣體驗探究的過程，讓學生用科學的眼光創造性地研究生活中、社會中、自然界中存在的科學現象，形成愛科學、善用科學的創新精神。

4 開發與應用虛擬實驗課程資源時應注意的問題

（1）處理好虛擬實驗與真實實驗之間的關系

在開發虛擬實驗教學體系時，要注意理清虛擬實驗與真實實驗之間的關系。應當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中的地位。因此，在設計、開發虛擬實驗之前，要依據科學教育專業人才培養方案合理規劃實驗教學體系，制定虛實結合的實驗教學目標，編排虛實結合的實驗教學內容，建立適合于虛實結合實驗教學的評價體系。

（2）開發具有科學教育專業特色的虛擬實驗體系

構建具有科學教育專業特色的虛擬實驗體系，需要了解社會、科學教師以及科教專業學生對虛擬實驗平臺的建議。在構思之初，就充分考慮各方的需求，將設計開發與應用需求緊密結合，依據“設計—應用反饋—再設計完善”的指導思想，全方位、多視角收集用戶對虛擬實驗體系的評價建議，實時檢驗所開發實驗的有效性，進而促進科教專業實驗開發平臺逐步趨于完善。

（3）探索高效的虛實結合的實驗教學模式

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

（4）突破技術難關，重視軟件開發

構建虛擬實驗體系時，一般都包含用戶界面、情境設置、過程模擬和總結評價四個環節。而實施這四個環節時，都需要基于特定的仿真平臺。目前，技術發展較為成熟的虛擬實驗平臺有美國國家儀器公司開發的Labview圖形化虛擬儀器平臺、還有基于VRML虛擬現實技術的仿真實驗、基于Flash的交互式虛擬實驗、基于Active技術的仿真實驗、基于Java技術的虛擬實驗、基于QuickTime VR技術的虛擬實驗和基于MATLAB仿真軟件的Simulink和GUI來實現的虛擬實驗等。在以上技術的支持下，開發適用于科學教育專業的虛擬實驗體系時，就需要結合專業培養需求及特色，形成穩定的、系統的虛擬實驗軟件體系。

5 結語

利用虛擬實驗體系來擴充科學教育專業的實驗教學體系、提升科學教育專業的實驗教學質量，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與設計是一個系統的工程，它的內容要以科學教育專業人才培養方案為依據，結合科學教育專業實驗教學內容，還要充分考慮科學教育專業學生的需求與建議。同時，虛擬實驗作為軟件支撐的實驗體系，在給學習者帶來便捷的同時，也會給科學教育專業學生帶來“真實”與“虛擬”之間的認知沖突，需要注重對學生進行前期虛擬實驗的培訓工作，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，在培養與提升科學教育專業學生的實驗技能時，需要充分發揮虛擬實驗和真實實驗的耦合效應，實現虛擬實驗和真實實驗之間的優勢互補，使學生既可以掌握扎實的基礎知識與實踐能力，又可以具備全面的創新精神與科學素養，順應信息時代的需求。

【參考文獻】

[1]于繼東.科學教育專業實驗體系的構建[D].長春師范學院，2010.6.

[2]趙建云.關于高校科學教育專業若干問題的思考[J].吉林省教育學院學報，2012，（08）：89-90.

[3]李凌云，王海軍.網絡虛擬實驗系統構建方式的比較研究[J].中國電化教育，2008，（1）：102-105.endprint