自主協作型虛擬實驗教學系統的設計與開發

摘要：從建構主義學習理論出發，通過應用網絡技術，以《高中化學》課程實驗為例，提出自主協作型的學習模式；開發虛擬實驗計算機輔助教學系統，為高中學習者創建了基于網絡技術的自主協作型的學習環境，使自主協作學習的教學實踐達到更好的教學效果。

關鍵詞：自主協作；計算機輔助教育；教學系統；虛擬實驗

0 引言

在信息化社會中計算機廣泛地應用于教學領域。高等教育處于CAI研究、應用的前線，CAI在高等教育中得到了重點的發展。而在中等教育階段，CAI并沒有受到足夠的重視。雖然中等教育領域已經開始情境教學、研究性教學和利用計算機進行輔助教學，但相對高等教育來說CAI的發展是比較滯后的。

虛擬實驗教學系統是一種基于Web的自主型虛擬現實系統，它利用計算機創造的虛擬實驗環境來模擬教學現場以及實驗過程。它采用的是Flash技術，不像專業的三維虛擬實驗系統基于專有硬件開發、價格昂貴，因而可以在中等教育領域廣泛地推廣。

高中化學虛擬實驗教學系統將計算機輔助教學運用于化學實驗教學，學生可以通過虛擬實驗教學系統進行學習、模擬、驗證、探討實驗和交流學習經驗；它還可以消除因客觀因素在實驗中造成失敗的可能性，提高實驗教學的效率。虛擬實驗系統的應用為枯燥乏味的實驗教學注入了生命和活力。

1 高中化學實驗教學現況

傳統的高中化學是以理論教學為主，實驗教學為輔，實驗教學僅僅是為理論教學作驗證的一個環節，可有可無。因此，學生的實驗能力、素質、思維受到一定的影響。

目前越來越多的教師利用計算機進行輔助教育，開發了—些課件。然而這些課件絕大多數僅是教師上課使用的助教型課件，而對高中學生助學型的課件、教學系統或者平臺的開發比較少。

為了提高學生的實驗素質，現在的化學教學逐漸加強了實驗教學的環節，逐漸將驗證性實驗向探索性實驗發展。然而在很多實驗操作中，常常存在一些危險因素，如容易產生有毒有害物質危害學生的身心健康，由于操作不當，實驗試劑會灼傷皮膚，甚至損壞儀器，造成很多損失。

2 目前高中化學實驗教學狀況引起的思考

在高中階段，學生課程負擔比較重，而且有很多學生對化學這門課程并不怎么感興趣，預習的學生就更加少了。怎樣調動學生自主學習的積極性呢?我們從建構主義學習理論的角度出發，對助學型的計算機輔助教學系統進行了研究，根據高中學生的特點，開發了面向學生預習的自主協作型高中化學虛擬實驗教學系統。高中化學虛擬教學系統的開發和應用，較好地解決了相應的一些問題，突出了化學知識的重點難點，減輕學生的負擔，培養了學生對化學課程的興趣，提高了預習的自覺性，并消除了實驗的危險因素，避免了一些不必要的損失。

3 自主協作型高中化學虛擬實驗教學系統的設計

3．1教學系統的設計思路

虛擬實驗教學以實驗為基礎，學生學習、掌握知識。虛擬實驗教學系統是在自主性、協作性、探究性的學習思想下開發出來的。自主學習指的是主動、自覺、獨立地學習，它與被動、機械、接受式地學習相反，自主學習不僅有利于提高學生的成績，也是個體終身學習和畢生發展的基礎。協作性學習和探究性學習方面則以原理為主體，技能為主線，充分利用網絡環境(Web)，通過協作、會話、研討讓學生學習知識的意義建構，重點突出高中化學課程的特點和理論體系。

在多媒體信息的組織上，我們充分注意信息的編排、組接、傳遞的科學性、準確性、邏輯性和嚴密性，以及學生接受信息的可選擇性。把著眼點放在提高學生創造性思維、擴散性思維和“發現式學習”的能力上，提高學習效率、提供刺激、誘發期望行為，從知識的不同角度提出不同問題，提高學生解決問題的能力。

3．2系統結構設計

高中化學虛擬實驗教學系統的設計以自主、協作學習理論為基礎，始終以學生的學習為中心。系統能充分發揮學生的自主性，有利于協作性學習。該系統由學習目標、知識體系、練習反饋、娛樂學習、協作學習5個模塊組成。具體結構如圖1所示。

3．2．1學習目標模塊

該模塊提供學習的重點內容。如重要的反應原理、實驗中一些化學反應的重要變化現象。它引導學生明確學習任務和要求、強化學習意識、刺激學習激情，是學習過程的出發點和歸宿點。

3．2．2知識體系模塊

該模塊介紹高中化學知識。它采用文字語音解說配合優化的實驗演示，形象生動地闡明化學知識，激發學生的學習興趣，提高學習效率。

3．2．3練習反饋模塊

該模塊為鞏固和拓寬學生的知識面，培養學生的擴散性思維而設計。具有填空選擇和虛擬實驗兩大功能區。

填空選擇區是針對知識體系中的內容，以及一些課外相關知識而設計的練習，附有相應的糾錯分析。

虛擬實驗區是供學生進行預習、操作練習的場所。具有實驗、實驗報告、幫助手冊三大模塊：

實驗模塊是整個虛擬實驗室中學習活動的主體，由實驗設備、實驗材料、實驗工作區三部分組成。實驗設備部分用于讓學生掌握實驗所需要的器件。學生根據實驗的需要可以拖動相應的器件到實驗工作區進行實驗；實驗材料部分提供了實驗常用的藥品、藥劑，學生可通過實驗設備中的“滴管”、“藥匙”等取得實驗需要的藥品藥劑，并在系統彈出的對話框中選定實驗所需的用量；實驗工作區是虛擬實驗的操作場所。學生可以在虛擬實驗平臺上進行驗證性實驗，也可以進行綜合設計實驗。系統通過交互式Hash動畫模仿出真實的實驗環境。

實驗報告模塊采取記事本模式，它與后臺數據庫連接，學生可以實時記錄實驗數據、實驗特征以及實驗小結。該模塊可以協助教師及時了解學生掌握學習知識的情況。

幫助手冊由知識幫助和使用幫助兩個模塊組成，它以文本的形式呈現。知識幫助提供實驗的相關知識，用一些探索型的話題，讓學生自主探索研究實驗；使用幫助提供虛擬實驗區的使用方法，讓學生更好地掌握實驗。虛擬實驗區界面如圖2所示。

3．2．4娛樂學習模塊

該模塊具有視頻學習和游戲學習兩種功能。視頻學習部分收集了教師理論講授的視頻資料，使用了Flash流媒體技術。游戲學習設計的是在情境中學習的游戲，將化學知識有機地與游戲結合起來，如葡萄糖能補充能量，增加游戲角色的生命值等，讓學生以一種輕松的方式進行學習，提高學習效率。

3．2．5協作學習模塊

該模塊為學生提供一個討論的空間。它具有知識交流區、視頻會議室二大功能區。

知識交流區給學生提供一個非實時交流知識的空間，采用Hash結合Access數據庫，ASP作中間橋梁。每一個登錄的學生都可以進行提問或解答。

視頻會議室給學生提供一個實時交流知識的空間。它在B／S架構上，使用Flash MeSa Server技術，增加了音頻、視頻功能。沒有多個房間，每個房間支持多人在線。學生可以自己組成小組，自由討論問題。

4 系統的特點

本CAI系統的設計開發始終圍繞著教育性、科學性、技術性、藝術性四個中心點，強調內容的豐富性、學習的趣味性、操作的交互性。系統具有自主性、沉浸性、交互性、協作性等特點。

自主性本系統通過一些增強的、有趣的交互性來提高學生學習的自主性，激發學生的學習興趣。學生根據自身情況，自主地選擇知識進行學習，也就是說學生可以為自身“量身定做”學習知識。系統根據自主學習思想設計，能夠充分調動學生的積極性，發揮學生的主觀能動性，培養學生獨立學習的能力。

沉浸性學生進入系統后就處在—個虛擬的環境中，它為學生創造—個虛擬的學習氛圍，有利于提高學生的學習效率。

交互性系統能夠與學生直接相互作用，對學生的每一個動作做出相應的反饋，并使學生產生相應的一些心理變化。有利于激發學生的學習興趣。

協作性系統具有資源共享、超越時空、方便協作等特點。學生在自主學習的過程中遇到問題，可以通過留言、視頻交流等方式加以解決，有利于提高學生協作學習的能力。

5 結束語

本系統的開發不僅能極大地激發學生的學習興趣和學習積極性，培養學生發現問題、分析問題和解決問題的能力，也提高了學生的擴散性思維和創新性思維水平，以及學習效率，使學生的素質得到了更全面的發展。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文。