基于虛擬實驗環境的創新性教學實驗模式探討

王振華

摘要：本文基于虛擬實驗平臺的特色，針對目前中小學教學與實踐環節中存在的不足，從實踐教學和課堂教學兩個方面探討如何利用虛擬實驗技術進行教學改革研究，為學校的創新性實踐教學改革提供較好的參考。

關鍵詞：教學改革；虛擬實驗；實踐教學

虛擬實驗室是一個應用計算機技術的網絡化的虛擬實驗環境，因其特有的開放性、共享性、低耗性以及不受時空限制的特點，具有廣泛的應用前景。但是，現有的研究主要針對虛擬實驗平臺實現技術和實踐教學改革方面進行探討，很少涉及課程教學改革方面的應用。本文將從課程實踐教學改革和課堂教學改革兩個方面出發進行探討。

一、問題的提出

（一）實踐教學方面

實踐教學環節的改革主要有兩個方面：優化實踐教學內容和加強實踐教學環境建設，二者相輔相成。前者一般比較容易實現，而后者往往由于硬件設施建設費用高而難以實施。由于信息技術的迅猛發展，新技術的引入要求課程實驗內容及實驗設備不斷更新，而設備更新與擴充的費用開支、設備耗損的維修開支以及管理開支制約了新課程體系配套的實踐教學環節改革。因此，很多實踐教學環節的改革忽略了實踐教學環境的改革。

其次，傳統的實踐教學環境開放性不夠，限制了學生自主設計和創新能力的培養。實踐環境的硬件設備需要人員維護和管理，不可能針對學生隨時開放。教師的指導也局限于課內教學和輔導，遠程教學實驗很難順利開展，限制了學生動手能力和工程實踐能力的培養。

（二）課堂教學方面

目前的課堂教學改革主要針對傳統教學模式存在的弊端，提出啟發式、互動式等方式，促進教學風格的多樣化。利用多媒體技術能豐富教學內容，激發學生興趣，但大部分多媒體課件僅僅是采用圖片或動畫的形式將書本知識形象化，對于以程序設計、硬件設計和算法應用為主的實踐性強的信息類課程而言，并不能有效而直觀地向學生展示算法或者硬件設計流程的功能和數據處理的效果，不能引導學生形成思考問題的習慣。

因此，結合虛擬實驗環境的優勢特色，探討適應社會需求的創新性教學實驗模式，提出一個能較好解決目前中小學課程教學實踐環節中存在的問題的方案，對于培養學生的創新能力具有重要的意義。

二、虛擬實驗平臺的特色

與傳統實驗模式相比，虛擬實驗平臺具有如下特色：1）易擴充與更新。能顯著降低科研成本和節省研究經費。通過聯網實現大型科學儀器的資源共享，避免其重復添置、購買，提高使用效率。2）不受客觀條件的影響。虛擬實驗平臺中不存在對實物設備的毀壞，也不受設備數量和設備經費不足的局限，因而可實現在現實實驗中難于進行的毀壞性實驗和綜合性實驗項目，方便搭建大規模實驗。3）提供協作平臺。虛擬實驗平臺以計算機網絡為信息載體，使用者通過網絡進行交流。例如教師在線演示，開展生生，師生之間的信息交流等。4）提供開放實驗平臺。虛擬實驗平臺突破了傳統教學模式受時間、地點的限制。學生可以通過虛擬實驗平臺自主開展實驗，避免資源的浪費。5）運行維護方便。虛擬實驗平臺借助于仿真和虛擬現實等技術在計算機和網絡上營造可輔助、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。所有的實驗芯片都是用軟件模擬，因而沒有設備損耗，很方便進行運行維護和管理。

三、基于虛擬實驗平臺的教學實驗模式

（一）課程教學改革方面

教師在授課過程中可以通過校園網使用瀏覽器即可訪問相應課程的虛擬實驗系統，在課堂中進行相應的實驗，將理論與實踐聯系起來進行講解，能有效改善課堂授課效果。如教師在講授《數字圖像處理》課程時，需要向學生講解圖像處理算法的思想與處理效果。在傳統的授課模式中，處理效果往往難以展示，如果教師在授課過程中使用虛擬實驗平臺則可以實時的展現算法對圖像的處理效果，并可以通過調節參數來進一步闡述算法的思想。

（二）實踐教學改革方面

虛擬實驗平臺突破傳統的場地限制，提供遠程協同支持。學生在實驗過程中不再僅僅是按照實驗指導書而展開，可以自由搭建和運行實驗。虛擬實驗平臺可充分利用構件和Web服務技術的優勢，使得添加和維護實驗器件十分的方便，實驗設備能隨時與更新的教學內容同步。虛擬實驗平臺還能提供一個可保存可異地打開的實驗方式，能方便開展大規模實驗。

四、應用效果

（一）對于教師而言，虛擬實驗室具有的易管理、易指導和可擴充的特點，有助于改進教學方法，也有助于科學研究。1）虛擬實驗平臺的使用，有效地緩解了目前學校實驗場地和儀器緊張的情況。由于虛擬設備以組件的形式存在，具有良好的擴展性，用戶可以方便地添加新的設備。教師可以根據教學內容及時更新實踐內容而不受實驗設備的限制，有助于教師將最新的科研成果及時應用于教學中。2）虛擬實驗平臺的自主開放性特點，能夠使教師的教學不再局限于上課時間和上課地點。教師可以方便地對學生進行在線指導和答疑，及時得到學生在實踐過程中存在的問題與不足。

（二）對學生而言，虛擬實驗室具有易操作性、自主性和創新性等特點，有利于實踐能力和創新能力的提高。1）通過Internet向遠程教育的校內外學生提供一個不受時空限制的開放性實踐平臺。無論校內還是校外學生均可以通過網絡訪問網站進行多門課程的實驗。2）不受客觀條件的影響，可實現“實物實驗”難于進行的毀壞性實驗和綜合性實驗項目。在信息安全課程實驗中可避免因為病毒或者網絡入侵造成的系統崩潰等。3）具有良好的用戶交互性。系統提供了豐富的實驗例程與模板，學生可以很直觀的選取所需要的設備來定制自己的實驗流程，通過實驗流程理解教學內容。

五、結論

本文探討了基于虛擬實驗環境下的教學實驗模式。指出虛擬實驗環境的建立是有效的，借助于網絡信息資源來擴展實驗的時間和空間，可以節省大量的管理維護開支，有效提高學生實踐的開放性、靈活性、自主性以及與教師的互動性。無論是課程課堂教學還是實踐教學，虛擬實驗平臺對于學生動手能力、工程實踐能力以及創新能力的培養都提供了一個很好的有效平臺，對于教學改革具有重要的研究意義和應用價值。

參考文獻：

[1]Qiang Gao，Min Chen，Li Yuefeng.The explore of automation of professional practice Teaching based on the virtual laboratory[C].International Conference on e-Education，e-Business，e-Management and e-Learning，2010：361-364.

[2]劉乃美，張建青.高校外語教師學習共同體中隱性知識顯性化研究[J].外語教學，2016（4）：51-55.

[3]李盧一，鄭燕林.基于RIA技術的虛擬實驗室的設計與開發研究[J].現代遠距離教育，2012（4）：64-69.

（作者單位：山東省蒙陰縣八一希望小學）