面向師范生核心素養培育的虛擬仿真實驗平臺應用研究

朱家華，李 兵，李春陽，崔 鴻

(華中師范大學 a.教師教育學院; b.生命科學學院;c.國家級生物學虛擬仿真實驗教學中心，武漢 430079)

面向師范生核心素養培育的虛擬仿真實驗平臺應用研究

朱家華a，李 兵b,c，李春陽b，崔 鴻b

(華中師范大學 a.教師教育學院; b.生命科學學院;c.國家級生物學虛擬仿真實驗教學中心，武漢 430079)

虛擬仿真實驗平臺對彌補傳統實驗教學不足、培育師范生核心素養具有良好的促進作用。探討了虛擬仿真實驗平臺對改善實驗課程教學質量的有效性和在培育師范生核心素養中的必要性，提出了面向師范生核心素養培育的虛擬仿真實驗平臺建設策略，給出了虛擬仿真實驗平臺在培育師范生核心素養中的應用實例，分析了基于該實驗平臺的師范生核心素養培育的價值，認為虛擬仿真實驗平臺在提高師范生探究能力和高級思維能力、提升信息素養水平、樹立終身學習理念等方面具有一定積極作用。

師范生； 核心素養; 虛擬仿真實驗; 探究能力; 終身學習

0 引 言

實驗是人類認識和改造客觀世界的重要手段。近年來，隨著信息化社會和學習型社會構建的訴求，技術在各領域迅猛發展，而虛擬仿真實驗技術作為一種基于真實環境和真實用戶體驗的技術手段，全面整合多媒體技術、仿真技術、虛擬現實技術，利用計算機等硬件、軟件工具營造可輔助、部分替代甚至全部替代傳統實驗各操作環節的相關軟硬件操作環境，在醫學、地球空間科學等領域具有良好的推廣應用。

在教育領域，人們也普遍認為，虛擬實驗能夠適應信息化環境中時空分離的特性，為學習者提供靈活、開放、自主的實驗教學環境和學習資源，幫助學習者完成實驗學習。尤其在國家大力推進教育信息化的當下，可以說，虛擬仿真實驗教學是高等教育信息化建設的重要內容，體現出信息技術與教育教學融合發展和與學科專業深度融合帶來的實驗教學改革與創新[1]。《教育信息化十年發展規劃綱要(2010-2020年)》中明確指出：“要建設虛擬實驗室”，特別是在職業教育領域“要建設虛擬仿真實訓基地，增加虛擬仿真實訓教學軟件的數量、應用滿意度以及專業覆蓋面”等。師范生教育作為一種特殊的職業教育，如何將虛擬仿真實驗平臺應用于其培養過程中，是本文的研究宗旨。

1 虛擬仿真實驗平臺對改善師范生實驗課程教學質量的有效性

生物科學是自然科學中的一門實驗性較強的基礎學科。實驗教學具有直觀性、開放性、綜合性、創造性等特征，有助于幫助學生理解基礎知識、概念和原理，有助于培養學生的動手操作能力、創新實踐能力、觀察能力和深度思考問題的能力[2]。

在當前高等師范教育階段，生物科學(師范)專業的實驗課程開設中存在：① 課程任務重，難以滿足學生個性化學習；② 有的實驗周期長，操作難度大；③ 步驟復雜的實驗，不易于重復操作，導致知識遺忘；④ 處理某些實驗動物材料時出于倫理性與福利性的考慮；⑤ 某些特殊實驗材料存在潛在危險性，如放射性材料等。

隨著虛擬實驗出現和在教學中應用，傳統實驗課程的這些不足在一定程度上都能得到彌補。① 虛擬實驗可以滿足學生的個性化學習、碎片化學習，學生能夠隨時隨地獲取學習資源；② 對于實際生活中操作難度大、不易于實驗室開展的實驗，通過虛擬實驗可獲得真實體驗[3]；③ 在實驗操作不熟練、知識出現遺忘時，虛擬實驗有利于對復雜實驗的重復學習；④ 廣泛應用虛擬實驗可以減少實驗動物材料不必要的浪費；⑤ 能提供安全的操作環境；⑥ 相對于傳統實驗，虛擬實驗能夠提升學生學習興趣、增強教學趣味性；⑦ 其開放性的環境能夠支持探究性學習和小組合作學習；⑧ 線上線下結合，能夠豐富實驗課程的教學形式。可以說，虛擬實驗的應用不僅改變了以往的場地式教學模式，也使實驗課程教與學的方式發生了革命性的變化。

2 虛擬仿真實驗平臺在師范生核心素養培育中的必要性

時下，“核心素養”(Key Competencies)躍升為教育界的新焦點，成為借以深化教育課程改革、落實素質教育目標的重要著力點。核心素養，是學生在接受相應學段的教育過程中，逐步形成的適應個人終身發展和社會發展需要的必備品格與關鍵能力[4]。OECD認為核心素養具備如下特點：有助于社會和個人獲得有價值的成果產出，有助于個體滿足各個社會生活領域的重要需求，對每個人都有重要意義[5]。歐盟定義核心素養為：在知識社會中每個人發展自我、融入社會及勝任工作所必需的一系列知識、技能和態度的集合[6]。從與專業情境相結合的角度出發，筆者認為，師范生的核心素養應當是具備適應信息時代和知識社會的教育教學的需要，能在專業領域內解決復雜教育問題，培養適應多變的教學情境的能力和品格。

核心素養的形成與發展離不開信息化時代的大背景。由于信息技術迅猛發展和廣泛應用，21世紀社會環境和學習情境的一大特點是虛擬環境和現實世界的互動與融合[7]。在國家大力推進教育信息化的當下，虛擬仿真實驗平臺作為一種信息化資源，不僅能夠彌補傳統環境下實驗教學的不足，還能夠利用技術工具模擬、延伸、增強客觀世界的真實現象，相當于把技術工具演化成為師范生手中的一把鑰匙，可以打開更加寬廣的自然法則之門。因此，虛擬仿真實驗平臺在生物學實驗教學中的應用也將成為應然的趨勢。虛擬實驗平臺的實驗環境是否真實、操作過程和數據是否科學可信，以及如何將虛擬實驗應用到實驗教學中，怎樣進行教學組織，這需要師范生具備解決復雜教育問題的能力，適應不可預測教學情境的高級能力和人性能力，即需要具備相當水平的核心素養。

3 面向師范生核心素養培育的虛擬仿真實驗平臺建設的策略探討

(1) 建設理念。建設面向師范生核心素養培育的虛擬仿真實驗平臺，應以“科學規劃、共享資源、突出重點、提高效益、持續發展”為指導思想[8]，堅持“虛實結合、相互補充、能實不虛、以虛促實”的建設原則[9]，利用虛擬現實、多媒體、人機交互、數據庫和網絡通信等技術，模擬高度仿真的虛擬實驗環境和實驗對象，實現一批真實實驗無法完成、或者具有高風險或高成本的實驗項目[10]，為在線學習提供數字化實驗資源，全面促進學生自主學習、自主實驗、自主創新。

(2) 建設內容。面向師范生核心素養培育的虛擬仿真實驗平臺建設，首先應當正視傳統師范生實驗課程體系和中學生物學實驗教學的不足。在傳統師范生實驗課程體系中，除了固有實驗條件的不足，還存在師范生實驗教學設計與中學教學情境脫離等問題，教學方法和思路相對僵化，自主實驗能力不足，實驗資源開發、技術工具利用、學科教學整合能力欠缺。在中學生物學實驗教學中，則普遍存在以“以講代做”“以背代做”“以練代做”的現象。

基于此，虛擬仿真實驗平臺除開設師范生高等教育階段常規內容模塊(如動物學、植物學、細胞生物學等)之外，還應專門開設師范生實驗教學技能訓練虛擬實驗模塊，選取中學生物學實驗教學中的代表性實驗開展虛擬實驗教學，如果蠅雜交、動物細胞培養等，加強師范生中學生物學實驗教學技能訓練，不斷提高其實驗教學技能和水平，不僅滿足目前中學生物學實驗教學實際需求，也為培養綜合素質高、實踐能力強、富有創新精神的基礎教育教師提供支撐。

20世紀中期，著名心理學家皮亞杰進一步概括到“個體的發展實際上就是練習、經驗、對環境的作用等意義上的大量活動的產物”[11]，而以維果茨基、列昂捷夫和達維多夫為代表的一批前蘇聯教育家和心理學家將人的發展基礎確定為在主體對客體的主動實踐活動上，認為人的發展是在他完成某種活動的過程中實現的[12]。因此，針對具體的實驗內容，應立足師范生核心素養培育這一關鍵落腳點，設計還原度高、探究性強、操作模式多元化的實驗軟件，不僅能夠科學真實的演繹客觀生命現象，也能夠立足學習者思維培養、探究能力培養的需要。每一個實驗課題的設計，都應立足于活動學習理論，有專業教師、技術人員的密切配合，有較為復雜、科學的設計思路，既能夠充分適應學習者的需求，也能反映一定的情境性和人文性，充分調動學習者的主觀能動性。

4 虛擬仿真實驗平臺在培育師范生核心素養中的實踐應用

虛擬實驗平臺的建成，可有效解決師范生或職后教師培訓的學習需求，獲得充分的實驗知識和技能，提升個人問題解決能力、思維能力、科學探究能力，深入理解學科本質，形成穩定的世界觀和方法論。

虛擬仿真實驗平臺應用于培育師范生核心素養的過程，是一個循次漸進的、統整師范生技術思維、學科思維、教學法思維的過程。如圖1所示，虛擬仿真實驗平臺在師范生的培養中，首先組織其參與虛擬實驗平臺的學習，掌握基礎實驗技能，以學習者的視角體驗虛擬實驗軟件；其次，師范生轉換角色為教學設計者，結合教學理論，進行基于虛擬實驗軟件的實驗教學設計；最后，師范生以教學實踐者或課堂觀察者的角色，開展教學實踐，并進行教學反思。

圖1 虛擬仿真實驗平臺在培育師范生核心素養中的實踐應用

以高中生物學必修三“穩態與環境”中的“種間關系”一節為例，研究中，利用虛擬仿真實驗平臺進行了實驗教學設計，并以華中師范大學第一附屬中學某高三班級作為研究客體，組織展開教學實踐研究。具體應用過程如下：

(1) 掌握實驗技能環節,虛擬實驗軟件的開發與利用。“種間關系”是高中生物學教材(人教版)必修三第四章第三節“群落的結構”中極為重要的一部分內容。它涵蓋了種群間互利共生、競爭、捕食與寄生4種關系，教學過程中重點在于4種關系的概念、實例與曲線，傳統教學通過分析曲線變化，來闡明種間關系的實質，學生理解時比較抽象。如圖2所示，本研究借鑒了國外虛擬實驗網站Virtual biology lab中的有關內容，在取得平臺開發小組的同意之后，利用Netlogo對虛擬實驗軟件進行了漢化和完善，圍繞著如何更好地探究種群間互利共生、競爭、捕食與寄生4種關系，進一步設計為可開展探究實驗和學習互動的便于實際實驗教學的軟件，將虛擬實驗軟件科學地應用到課堂教學中。

圖2 “種間關系”虛擬實驗軟件操作界面

(2) 進行教學設計,基于虛擬實驗軟件進行教學設計。在進行教學設計時，考慮學情，為使虛擬實驗教學效果達到最優化，課堂教學按照2課時進行教學組織，并且第1課時采用翻轉課堂的方式組織教學，第2課時的虛擬實驗教學在智慧教室中展開，該教室可提供充分的條件性資源。在虛擬實驗學習環節，每個小組配發1部平板電腦，教師發布實驗任務，組織學生分小組進行合作學習，要求學生通過設計盡可能少的實驗方案，探究4個未知物種的種間關系，并提供數字化資源支持。學生結合翻轉課堂理論學習，利用資源展開實驗探究，并可實時與教師和其他小組展開討論，在觸控式電子白板上進行演示交流。

(3) 開展教學實踐,虛擬實驗教學實踐的開展。教學設計完成后，利用虛擬實驗軟件開展了教學實踐。實踐過程中，學生學習興致很高，課堂氣氛活躍，但同時也增加了教學組織的難度；學生在虛擬實驗軟件操作過程中會遇到各種各樣的問題，這對教師在解決復雜教學問題、適應不可預測教學情境等能力上提出了更高的要求。教學結果顯示，相比傳統的學習方式，學生在此種情境下的學習呈現多元化的勢頭，更能夠深入挖掘細節性的學習問題，甚至能夠將各種知識用聯系的眼光進行學習和探索，學習效果顯著。

筆者編制“學習效果自我評價”問卷并進行調查，結果表明，相較傳統學習方式，許多學生認為開展信息化教學，應用虛擬實驗教學更能夠滿足自身個性化的學習需求，在激發學習自主性、開展合作學習等方面均能取得令人滿意的學習效果，如表1所示。

表1 調查問卷部分調查項統計結果 %

在“種間關系”虛擬實驗教學實例中，師范生在開發完善虛擬實驗軟件的過程中，獲得了相關知識和技能；在進行虛擬實驗教學設計時，對于如何將虛擬實驗軟件應用到教學中、如何使教學達到最優化、應該選擇怎樣的教學策略、在新的教學情境下會出現哪些問題及其對策等問題，筆者與授課者都進行了深入的思考；在整個摸索探究過程中，也進一步增強了筆者對生物學學科本質的理解。

因此，在師范生的培養環節，可要求學生在熟練掌握虛擬實驗軟件的前提下，嘗試在中學開展虛擬實驗教學設計，然后再展開一線實驗教學實踐，能夠完成實踐到理論再到實踐的轉化。這個過程一方面是統整其學科思維、教學法思維和技術思維的過程，同時也是要求其針對復雜教學問題進行具體解決的過程。

5 基于虛擬仿真實驗平臺的師范生核心素養培育的價值分析

(1) 有助于認識學科本質，提升科學探究能力和高級思維能力。根據美國視聽教育專家愛德加·戴爾(Edger Gale)“經驗之塔”理論，不難得到啟示：在教學中，越是直接具體的經驗，越易于學習。因此，教學應當從真實情境出發，基于學生的具體經驗，逐步從具體過渡到抽象。學習間接經驗應盡可能以直接經驗作為充實的基礎，同時也要適時引導學生向抽象思維發展[13]。有國外學者通過對科學探究和工程實驗的研究表明，模擬實驗在加深概念理解方面具有明顯的促進作用[14]。

虛擬仿真實驗平臺構建了一個自主、交互、開放的學習環境，模擬了現實世界的真實情境，把學習者置于復雜的、有意義的、真實的問題中，借助教師和同伴的幫助，在積極參與和互動的過程中，獲得真實的體驗并進而形成高級思維能力，即是構建一個“真實性學習”的空間和過程，這將有助于學生在學習中深刻認識和理解概念，提升科學探究能力。

(2) 有助于培養數字資源整合意識，利用技術工具豐富課堂表達。虛擬仿真實驗平臺作為一種信息化技術工具，其在實驗教學中的應用，不僅重塑了物理環境和師生情感環境，甚至使學習呈現多樣化、數字化的態勢。

在這種形勢下，師范生作為虛擬仿真實驗的親歷者，又具有良好的學習體驗，極有可能將自身的學習方法轉化為個人教學方法，并能夠以此為突破口，充分意識到整合數字資源、利用新技術新工具變革課程教與學的重要價值。因此，如何整合應用多種數字資源和技術工具，實施以學習者為中心、以學為主、以問題為導向的研究型教學，延展教學空間從以課堂為主到課內外相結合，構建更適應當前學習者需求的教學環境和學習資源，將成為師范生核心素養培育體系中的重要內容。

(3) 有助于實現技術—教學法—學科知識的有機整合，提升信息化素養。信息化素養是當代師范生核心素養的重要內容，它體現出師范生對信息技術的理解力、適應力和實踐能力。在基于虛擬仿真實驗平臺的教學中，學習環境不斷虛擬化、師生關系趨向伙伴化、教學組織形式逐漸合作化，當硬件、軟件、潛件充分投入后，學習者或施教者的信息技術素養將成為制約信息化發展的瓶頸。因此，某種程度而言，虛擬仿真實驗平臺賴以共享和使用的基礎是以學習者和施教者信息化素養為核心搭建的教學共同體。

作為學習者的師范生，其課堂學習本身就應當是能動的、交互的、全天候性的，在課堂中不僅學習到知識和技能，更應該能從施教者的角度進行反思，提升學科知識、教學法與技術的整合能力，提升個人信息化素養。

(4) 順應信息時代發展，樹立終身學習思想。當今信息技術發展迅速，以虛擬仿真實驗平臺為例，搭載其程序內容的軟硬件都受到使用壽命的制約，即技術工具的更新是與時俱進的，一方面具有迭代周期短、應用轉化周期長的特點，另一方面技術工具也向著大眾化、簡易化、人性化的方向發展。盡管如此，信息時代，信息技術與教學的相互融合是個不可逆轉的趨勢，因此，對于師范生或一線教師而言，若要順應信息時代的發展，就必須樹立終身學習思想。信息時代的終身學習，既要重視自身的知識補充和信息技術技能的訓練，也要重視提高自身的可持續發展的能力，不斷增強教育適應能力和創新能力，轉變只重視維持性學習而忽視創新性學習、只重視培養而忽視自我提升的教育觀，真正確立終身發展、終身受教育的可持續發展觀。

6 結 語

虛擬仿真實驗平臺的建設與開發帶給教育的不僅是技術上的進步，更是它所體現的內涵豐富的教育思想和理念。當然，虛擬實驗只是真實實驗的補充，它不可能完全替代真實實驗[13]。真實實驗的魅力在于它的不可預測和人在接觸實在物體、操作實驗時身處其中的真實感覺和感受。虛擬實驗對實驗過程的設計在一定程度上限制了實驗的豐富性，學生在反復操作同一種方案時，每次出現的結論或“現象”完全相同，容易處于抑制狀態，大腦對實驗信息的接受能力將會降低[15]。

因此，利用虛擬實驗作為教師輔助教學的工具，就應該做到“虛實結合”，從而有效地利用虛擬仿真實驗平臺展開教學。而親歷學習體驗的師范生在當前是該平臺的使用者，在今后可能就是虛擬仿真實驗資源的建設者、傳播者，二者相互促進，相得益彰。因此，如何在虛擬仿真實驗平臺中促進師范生核心素養的培育是一個頗具研究價值的課題，值得進一步去思考和探索。

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堅持傳授知識、培養能力、提高素質協調發展、注重對學生探索精神、科學思維、實踐能力和創新能力的培養。

——摘自《教育[2005]8號文件》

ResearchontheApplicationoftheVirtualSimulationExperimentPlatformforCultivatingtheKeyCompetenciesofStudentTeachers

ZHUJiahuaa,LIBingb,c,LIChunyangb,CUIHongb

(a.School of Teacher Education； b.School of Life Sciences； c.The National Biology Virtual Simulation Experiment Teaching Center, Central China Normal University, Wuhan 430079, China)

The virtual simulation experiment platform has a good effect to make up the deficiency of traditional experiment teaching, and cultivate the key competencies of student teachers.The effectiveness of the virtual simulation experiment platform to improve the quality of experiment teaching and the necessity of cultivating the key competencies of student teachers are discussed, the strategy for constructing the platform tocultivatethe key competences of student teachers is presented,the application of virtual simulation experiment platform in cultivating the core competence of normal students is given and the value of the cultivation of the key competences of students teachers based on the experimental platform is analyzed.It is believed that the virtual simulation experiment platform has a positive effect on improving students’ exploring abilities and higher order thinking skills(HOTS), and enhancesthe level of information literacy and helpsstudents to set up the concept of lifelong learning.

student teachers; key competencies; virtual simulation experiment; exploring ability; lifelong learning

G 642.0

A

1006-7167(2017)10-0205-05

2016-11-17

教育部卓越教師培養計劃改革項目(教師廳[2014]5號)：卓越中學數字化教師培養；華中師范大學信息化應用自主科研項目(項目編號CCNU16IT0318)：基于虛擬實驗的中學生物學教學資源設計與實施

朱家華(1989-)，男，山東淄博人，博士生，研究方向為：課程與教學論、科學教育。Tel.: 13554324029; E-mail: 292301642@qq.com

崔 鴻(1963-)，女，河南南陽人，教授，博士生導師，研究方向為：科學教育、教師教育、信息化教學。Tel.: 027-67867724； E-mail: cuihong@mail.ccnu.edu.cn