教師教育虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心探索與實(shí)踐

齊貴超 張華瑞 吳平頤

摘? 要 隨著在線教育和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展，開(kāi)發(fā)基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。在教育現(xiàn)代化背景下，華東師范大學(xué)教師教育實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心積極開(kāi)展教育資源信息化、虛擬化和仿真化的建設(shè)與應(yīng)用，通過(guò)架構(gòu)教師教育虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心，切實(shí)促進(jìn)教學(xué)資源的有效運(yùn)用，建立師范生多元化、多途徑和多維度的學(xué)習(xí)機(jī)制。

關(guān)鍵詞 教師教育;虛擬仿真;實(shí)驗(yàn)教學(xué);實(shí)驗(yàn)室

中圖分類號(hào)：TP391.9? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2019）20-0013-04

Research and Practice of East China Normal University Virtual Simulation Experiment Center for Teacher Education//QI Gui-chao， ZHANG Huarui， WU Pingyi

Abstract With the development of online education and virtual rea-lity technology， network-based virtual simulation laboratory has be-come a hot research topic. In the context of the modernization of edu-

cation， East China Normal University has actively carried out the construction and application of informationization， virtualization and

simulation for educational resources. By framing Virtual Simulation Experiment Teaching Center for Teacher Education， East China Nor-

mal University will effectively promote the application of educatio-nal resources and build a diversified， multi-channel and multi-dimen-

sional learning mechanism.

Key words teacher education; virtual reality; experimental teaching; laboratory

1 前言

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室是指在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的各種虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，實(shí)驗(yàn)者可以像在真實(shí)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中完成預(yù)定的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目[1]。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室最初的發(fā)展主要側(cè)重于科學(xué)研究與工程應(yīng)用領(lǐng)域，從20世紀(jì)80年代開(kāi)始，虛擬實(shí)驗(yàn)室在教學(xué)方面的應(yīng)用逐步推廣開(kāi)來(lái)[2]。

基于教師教育鮮明的實(shí)踐性特征，華東師范大學(xué)依托國(guó)家級(jí)教師教育實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，有效應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)、多媒體、人機(jī)交互、數(shù)據(jù)庫(kù)和網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)，持續(xù)推進(jìn)教師教育實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的信息化建設(shè)，積極開(kāi)展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心的探索與實(shí)踐，培養(yǎng)師范生的專業(yè)技能、科學(xué)素養(yǎng)和綜合能力。

2 教師教育虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心建設(shè)的必要性

教師是一種專業(yè)性很強(qiáng)的職業(yè)，和醫(yī)生、律師、技工等一樣，需要掌握嫻熟的專業(yè)技能。教師的教學(xué)技能、教學(xué)研究、綜合科學(xué)素養(yǎng)共同決定了一個(gè)教師的綜合素質(zhì)。心理學(xué)上已經(jīng)驗(yàn)證，任何一種技能的提升都需要有效的實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練，一方面實(shí)踐教學(xué)理論，另一方面訓(xùn)練強(qiáng)化技能動(dòng)作，在做的過(guò)程中不斷提高技能的準(zhǔn)確性和嫻熟度。因此，未來(lái)的優(yōu)秀教師和教育家在高等教育階段需要接受大量?jī)?yōu)秀的實(shí)驗(yàn)課程[3]。華東師范大學(xué)在師范生的培養(yǎng)方面，非常注意教育實(shí)踐和技能類課程的建設(shè)，并建有國(guó)家級(jí)教師教育實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，為師范生提供大量的實(shí)戰(zhàn)性的教育教學(xué)技能方面的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)活動(dòng)。

經(jīng)多年努力，學(xué)校教師教育實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果顯著，但距離培養(yǎng)一流的師范生還存在一些問(wèn)題：有些實(shí)驗(yàn)受客觀條件影響，如財(cái)力、安全性等，學(xué)校不能提供這些實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目;由于教師指導(dǎo)資源和實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所資源有限，某些實(shí)驗(yàn)教學(xué)不能滿足所有師范生的實(shí)驗(yàn)需求，如口語(yǔ)訓(xùn)練、教學(xué)模擬訓(xùn)練等;實(shí)驗(yàn)資源共享程度比較低，各院系和實(shí)驗(yàn)室“隔閡”嚴(yán)重;實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目地域靈活性差，學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)必須跑到實(shí)驗(yàn)室，尤其是對(duì)于學(xué)校兩個(gè)校區(qū)的情況，愈顯不合理和非人性化。

針對(duì)上述問(wèn)題，學(xué)校對(duì)相關(guān)數(shù)字化教師教育實(shí)驗(yàn)室和實(shí)驗(yàn)教學(xué)優(yōu)質(zhì)資源進(jìn)行整合和功能提升，積極推進(jìn)教師教育虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心建設(shè)。教師教育虛擬仿真實(shí)驗(yàn)為學(xué)生提供了一種嶄新的實(shí)驗(yàn)方式，學(xué)生可以很方便地進(jìn)入虛擬實(shí)驗(yàn)室，自主進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練，甚至進(jìn)行學(xué)校真實(shí)實(shí)驗(yàn)室不存在的實(shí)驗(yàn)，并且虛擬實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)效果等同或者優(yōu)于真實(shí)實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)效果[4]。

3 教師教育虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心的建設(shè)內(nèi)容

為充分發(fā)揮全校教師教育優(yōu)質(zhì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的效益，借助信息化技術(shù)，通過(guò)功能提升和系統(tǒng)整合，學(xué)校全面推進(jìn)教師教育實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的虛擬化、仿真化建設(shè)。教師教育虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心的建設(shè)目標(biāo)是：立足培養(yǎng)樂(lè)教、適教、善教的優(yōu)秀人民教師，以全面提升師范生的專業(yè)技能、科學(xué)素養(yǎng)和綜合能力為目標(biāo)，深化和基礎(chǔ)教育改革與發(fā)展的良性互動(dòng)，促進(jìn)仿真理念和虛擬技術(shù)在教師教育領(lǐng)域的研究與推廣，加快虛擬實(shí)驗(yàn)和仿真方法在學(xué)科教學(xué)論領(lǐng)域的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，鼓勵(lì)跨學(xué)科交流和協(xié)作，努力建設(shè)成為國(guó)內(nèi)一流、國(guó)際上有影響力的具有鮮明教師教育特征的國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心。

構(gòu)建多層次立體式網(wǎng)絡(luò)化的教師教育虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心布局? 教師教育虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心整合優(yōu)質(zhì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，提升教師教育實(shí)驗(yàn)功能，建立集教育教學(xué)技能、實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究和綜合科學(xué)素養(yǎng)訓(xùn)練于一體的多層次立體式網(wǎng)絡(luò)化的虛擬實(shí)驗(yàn)中心。該虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心根據(jù)師范生的培養(yǎng)需求，細(xì)分為五部分，如圖1所示，分別是教學(xué)技能測(cè)訓(xùn)區(qū)、管理溝通訓(xùn)練區(qū)、科學(xué)素養(yǎng)訓(xùn)練區(qū)、虛擬課堂評(píng)測(cè)區(qū)、仿真實(shí)驗(yàn)研發(fā)區(qū)。

1）教學(xué)技能測(cè)訓(xùn)區(qū)：通過(guò)模擬訓(xùn)練，提供學(xué)生普通話教學(xué)、普通話自主訓(xùn)練、普通話模擬測(cè)試和測(cè)試服務(wù)，提供基于平板和在線技術(shù)的學(xué)生“三筆一畫”等教學(xué)基本技能的訓(xùn)練與測(cè)試。

2）管理溝通訓(xùn)練區(qū)：通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，模擬各種教學(xué)情境下的心理和行為，進(jìn)行測(cè)量和研究，提升學(xué)生的教學(xué)管理能力和理念。

3）科學(xué)素養(yǎng)訓(xùn)練區(qū)：科學(xué)素養(yǎng)訓(xùn)練區(qū)由物理素養(yǎng)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室、化學(xué)素養(yǎng)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室、生物素養(yǎng)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室組成，各數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)一系列具有探索性、趣味性、互動(dòng)性、科普性的虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，滿足本專業(yè)學(xué)生、相關(guān)理科專業(yè)學(xué)生、其他專業(yè)學(xué)生等三類群體的不同需要。

4）虛擬課堂評(píng)測(cè)區(qū)：為師范生提供小組微格教學(xué)實(shí)踐活動(dòng)的綜合評(píng)價(jià)，教學(xué)功能包括課堂教學(xué)技能訓(xùn)練、課堂教學(xué)模擬、教學(xué)語(yǔ)言觀摩與訓(xùn)練、教態(tài)觀摩與訓(xùn)練等，在仿真場(chǎng)景中開(kāi)展教學(xué)演練、教學(xué)管理、教學(xué)實(shí)驗(yàn)、教學(xué)技能比賽，營(yíng)造交互與交流學(xué)習(xí)的共同體環(huán)境。

5）仿真實(shí)驗(yàn)研發(fā)區(qū)：提供各類多媒體教學(xué)課件制作的工作環(huán)境，如Flash、Java、QuickTime VR等制作軟件，教學(xué)活動(dòng)前的課件比對(duì)研究、演練、優(yōu)化與整合，指導(dǎo)和鼓勵(lì)學(xué)生結(jié)合今后基礎(chǔ)教育教學(xué)需要，開(kāi)展仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)和制作。

以上所有實(shí)驗(yàn)室均由智能集成中控系統(tǒng)控制，已實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)直播與控制、多媒體傳送與交換、視頻采集與管理等技術(shù)功能。

建設(shè)豐富的教師教育虛擬仿真實(shí)驗(yàn)資源庫(kù)? 教師教育虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心針對(duì)不同實(shí)驗(yàn)（訓(xùn)）課程和項(xiàng)目的特點(diǎn)，結(jié)合學(xué)生的專業(yè)知識(shí)和基礎(chǔ)、認(rèn)知規(guī)律和水平，采用不同的虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)、方法和手段，形成五個(gè)模塊的實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源庫(kù)體系，詳見(jiàn)圖2。

1）教學(xué)技能模塊：通過(guò)普通話模擬測(cè)試與學(xué)習(xí)系統(tǒng)，利用語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)開(kāi)展學(xué)生的普通話、口語(yǔ)表達(dá)方面的技能訓(xùn)練與評(píng)估;運(yùn)用高清視頻遠(yuǎn)程可視化協(xié)同教學(xué)技術(shù)，觀摩學(xué)習(xí)校外實(shí)驗(yàn)基地教師的課堂教學(xué)的語(yǔ)言表達(dá)、板書和板畫;利用在線評(píng)測(cè)技術(shù)開(kāi)展學(xué)生粉筆字、鋼筆字方面技能的訓(xùn)練和評(píng)價(jià)。

2）管理溝通模塊：基于教育心理學(xué)，建設(shè)組織管理模擬訓(xùn)練平臺(tái)，以情境模擬和計(jì)算機(jī)模擬為手段，訓(xùn)練學(xué)生掌握基本的師生溝通技巧、班級(jí)組織和管理能力，并學(xué)會(huì)運(yùn)用信息化手段（如社會(huì)性軟件）增強(qiáng)管理與溝通能力。

3）科學(xué)素養(yǎng)模塊：各數(shù)字化理科實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)一系列具有探索性、趣味性、互動(dòng)性、科普性的虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，滿足本專業(yè)學(xué)生、相關(guān)理科專業(yè)學(xué)生、其他專業(yè)學(xué)生等三類群體的不同需要。

4）虛擬課堂模塊：采用案（課）例教學(xué)與學(xué)習(xí)任務(wù)驅(qū)動(dòng)相結(jié)合的方法，在課程學(xué)習(xí)期間，根據(jù)不同技能訓(xùn)練要求，教師設(shè)計(jì)相應(yīng)的學(xué)習(xí)任務(wù)，在虛擬課堂中，讓每位學(xué)生圍繞各自的學(xué)習(xí)任務(wù)來(lái)完成相應(yīng)技能訓(xùn)練;在完成學(xué)習(xí)任務(wù)的基礎(chǔ)上，利用網(wǎng)絡(luò)互動(dòng)教學(xué)平臺(tái)和視頻語(yǔ)義標(biāo)注技術(shù)，開(kāi)展生生互動(dòng)和師生互動(dòng)，實(shí)現(xiàn)教師對(duì)學(xué)生訓(xùn)練的指導(dǎo)和反饋，結(jié)合課堂教學(xué)評(píng)價(jià)，開(kāi)展課堂教學(xué)的能力訓(xùn)練;同時(shí)，遠(yuǎn)程觀摩校外實(shí)驗(yàn)基地優(yōu)秀教師的課堂教學(xué)實(shí)況，并與優(yōu)秀教師就教學(xué)設(shè)計(jì)與信息技術(shù)的整合、課堂教學(xué)技能等問(wèn)題進(jìn)行實(shí)時(shí)交流，促進(jìn)師范生更好更快地適應(yīng)中學(xué)教學(xué)的需要。

5）仿真研發(fā)模塊：以制作新型仿真實(shí)驗(yàn)為目的，以項(xiàng)目興趣驅(qū)動(dòng)的方式，通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)制作環(huán)境的搭建，了解仿真實(shí)驗(yàn)的制作原理和創(chuàng)新仿真實(shí)驗(yàn)的制作內(nèi)涵，培養(yǎng)學(xué)生根據(jù)教材中實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需要自主研發(fā)相應(yīng)的仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，為未來(lái)成為一位較高信息素養(yǎng)的教師奠定基礎(chǔ)。

通過(guò)這些仿真虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的練習(xí)，可以方便學(xué)生更好掌握和鞏固知識(shí)點(diǎn)，在每一個(gè)分實(shí)驗(yàn)中都設(shè)計(jì)詳細(xì)的原理展示動(dòng)畫模塊，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)前或是實(shí)驗(yàn)后都可以自行學(xué)習(xí)[5]。同時(shí)，模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)一些參數(shù)的選擇是隨機(jī)的，因此，每次實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)果有所不同，使用者只要按下重置按鈕，便可以進(jìn)行新一輪的實(shí)驗(yàn)?zāi)M。為使學(xué)生通過(guò)實(shí)踐達(dá)到一定的學(xué)習(xí)目標(biāo)，“中心”為這些模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)參考文本。

搭建教師教育虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心支撐平臺(tái)? 近年來(lái)，華東師范大學(xué)教師教育實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心在教育信息化的基礎(chǔ)設(shè)施、資源建設(shè)、人才培養(yǎng)以及教育系統(tǒng)應(yīng)用水平等方面均做出較大努力。中心的信息平臺(tái)是一個(gè)以學(xué)生發(fā)展為中心的開(kāi)放的、人性化的在線學(xué)習(xí)和管理環(huán)境。通過(guò)該環(huán)境，學(xué)生既可以直接學(xué)習(xí)儀器設(shè)備的操作預(yù)知，還可以方便快捷地通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行學(xué)習(xí)（可在學(xué)習(xí)過(guò)中進(jìn)行提問(wèn)，可進(jìn)行師生互動(dòng)交流，可直接參與實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)等），同時(shí)為教師提供了良好的實(shí)驗(yàn)教學(xué)、研究環(huán)境，實(shí)現(xiàn)各個(gè)分中心資源的有效共享。精品課程、CAI課件、多媒體電子教案、電子講稿、實(shí)驗(yàn)教材、活頁(yè)講義、教學(xué)大綱、課程進(jìn)度表、教學(xué)素材庫(kù)、教學(xué)規(guī)章制度、實(shí)驗(yàn)設(shè)備介紹等也納入中心平臺(tái)的管理，統(tǒng)一管理，適時(shí)更新，方便教師與教師、教師與學(xué)生之間的相互交流，為學(xué)生課后自學(xué)、深化理解課程內(nèi)容，真正地參與教學(xué)互動(dòng)，提供了良好條件，初步構(gòu)建開(kāi)放的實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源數(shù)字化平臺(tái)。

整個(gè)中心信息平臺(tái)的功能包括人員管理、設(shè)備管理、學(xué)習(xí)資源管理、教學(xué)服務(wù)、資源集成，通過(guò)若干子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。基本信息維護(hù)子系統(tǒng)包括實(shí)驗(yàn)室信息管理、實(shí)驗(yàn)室功能管理、實(shí)驗(yàn)室人員管理和實(shí)驗(yàn)室設(shè)備維護(hù)等功能;實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放管理子系統(tǒng)則包括實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放時(shí)間設(shè)置、學(xué)生網(wǎng)上選課、實(shí)驗(yàn)時(shí)間預(yù)約等功能;教學(xué)管理子系統(tǒng)則包括實(shí)驗(yàn)（訓(xùn)）課程和內(nèi)容管理、實(shí)驗(yàn)科目的開(kāi)發(fā)、實(shí)驗(yàn)室上課時(shí)間分配、實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱修訂、實(shí)驗(yàn)報(bào)告的展示等功能;網(wǎng)上學(xué)習(xí)子系統(tǒng)包括實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)題目的維護(hù)、學(xué)生網(wǎng)上預(yù)習(xí)、實(shí)驗(yàn)示范視頻的維護(hù)等功能;教學(xué)案例子系統(tǒng)則包括教學(xué)案例的維護(hù)、實(shí)驗(yàn)資料的上傳與下載等功能;虛擬實(shí)驗(yàn)子系統(tǒng)包括

理、化、生等學(xué)科的在線虛擬實(shí)驗(yàn)。整個(gè)平臺(tái)的信息通過(guò)中控室交互，并與數(shù)字化校園及教務(wù)管理系統(tǒng)互相銜接，資源和數(shù)據(jù)能夠充分共享。

4 規(guī)劃與展望

教師教育虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心的建設(shè)將增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)平臺(tái)可擴(kuò)展性，提高實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)內(nèi)容先進(jìn)性，促進(jìn)實(shí)驗(yàn)課程遠(yuǎn)程教育的發(fā)展，有效實(shí)現(xiàn)：基于現(xiàn)代信息技術(shù)和大數(shù)據(jù)分析方法的教師教育在線訓(xùn)練系統(tǒng);信息、數(shù)據(jù)、資源的全網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)行、管理和評(píng)價(jià);實(shí)踐教學(xué)活動(dòng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控、實(shí)時(shí)信息與數(shù)據(jù)的傳輸與存儲(chǔ)、實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程互動(dòng)與多網(wǎng)絡(luò)的信息整合。

中心將在培養(yǎng)塑造一大批優(yōu)秀教師和未來(lái)教育家的目標(biāo)指引下，不斷開(kāi)拓創(chuàng)新，用3～5年的時(shí)間，打造一流虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)師資隊(duì)伍，開(kāi)發(fā)虛擬化教師教育實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，完善基于信息技術(shù)環(huán)境的運(yùn)行與管理模式，探索開(kāi)放共享機(jī)制，使之成為向師范生及相關(guān)人員在教師教育虛擬仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)方面提供高水平指導(dǎo)和服務(wù)的技術(shù)平臺(tái)與訓(xùn)練體系，成為中國(guó)教育家和優(yōu)秀教師培養(yǎng)的搖籃。

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