基于教學設計的虛擬實驗中心研究

摘要：結合教學設計的基本理論，在系統分析虛擬實驗構成要素的基礎上，重點研究了虛擬實驗中心應具有的功能，并按照實驗流程設計了六大功能模塊，為虛擬實驗中心的建設研究提供了一些參考。

關鍵詞：教學設計，虛擬實驗，實驗中心

中圖分類號：G203文獻標識碼：A文章編號：1009-3044(2008)23-1075-03

Virtual Experiment Center Research Based on Instructional Design

AN Li-na

(Nanjing Normal University， Nanjing 210097， China)

Abstract: Combining with the basic theory of instructional design，the research analyzed the constituent elements of virtual experiment systematically，and focused on the functions that the virtual experiment center should have.On this basis，the research concluded that virtual experimental center should have six modules according to the experimental process.Hope that the research can provide reference for the study of virtual experiment center.

Key words: instructional design; virtual experiment; experimental Center

1 引言

以計算機技術為核心的現代教育技術在教育領域中的應用已成為衡量教育現代化的一個重要標志，虛擬實驗研究可以說是教育領域應用教育技術的一種創新。目前已有許多高校重視并致力于虛擬實驗的研究、開發及實驗中心的建設工作，并取得了一定的進展，但是在實際應用中暴露出許多問題，比如系統化程度欠缺，內容設置不夠合理，實用性能較差，與學生要求不符合等，與我們的預期目標仍有很大差距。因此我們迫切需要以基本教育原理為指導，建設一批符合教學要求、學科門類齊全的高質量的虛擬實驗中心。以教學效果最優化為目的的教學設計，綜合考慮需求分析，學習者分析，內容分析，教學策略分析，恰好可以解決我們在建設虛擬實驗中心過程中遇到的一系列實際問題，因此我嘗試著以教學設計為指導原則，全盤、系統化的設計虛擬實驗中心的建設問題。

2 虛擬實驗的要素分析及設計

教學設計強調運用系統方法發現、分析、解決教學問題，從而實現教學效果的最優化，因此在分析虛擬實驗要素及流程時，本人借鑒教學設計的基本理論，對虛擬實驗的需求、內容、目標等七大方面進行了分析，并提出自己的觀點。

2.1 實驗需求分析

雖然從技術角度來說，理工科的大多數學科可以借助虛擬實驗來完成實驗任務，但從我國目前的設施與資源狀況來看，不可能一一到位，因此需要認真調查社會、學校對虛擬實驗的需求，分出輕重緩急，統籌安排。建設時，在借鑒國外經驗的基礎上，應該充分利用國內現有的基礎設施和人力資源，有組織、有規劃的進行，最好能集體研制，共享成果，避免重復投入。

2.2 實驗內容分析

通過分析實驗需求，確定了應該建設虛擬實驗的學科，但實驗內容的組織及呈現方式也關系著實驗的最終效果。因此應該按照邏輯層次和心理程序組織實驗內容，慎重安排呈現序列，而且每個實驗組塊的大小應該按照內容的復雜和困難程度以及學生的學習風格確定。

另外，應該鼓勵學生綜合運用知識，自主設計實驗，驗證設想，以調動學生實驗的積極性和主動性，培養其創造能力和綜合能力。

2.3 實驗目標分析

明確闡明實驗目標，學生就會有強烈的參與感，積極參加實驗，還可以為以后制定實驗策略及開展評價提供依據。需要注意的是，目標的表述應力求明確、具體，可以觀察和測量；而且盡量展示給學生實驗結束后所要完成的行為表現的典型例子，使學生對需要掌握的技能有理解的方向和模仿的榜樣。

2.4 實驗對象分析

實驗對象分析在于了解他們的實驗準備情況和學習風格。

實驗準備情況的分析是要確定實驗的起始點，了解學生是否具備了進行新的實驗所必須掌握的知識與技能，這是操作新實驗的基礎；了解學生是否已經掌握或部分掌握了實驗目標中要求學會的知識和技能，以便調整實驗內容。

了解學生學習風格，就能夠以學生為本制定實驗策略，尊重學生獨特的認知特征、情感特征和人格特征。當然，為每一個學生都量身定做一套適合其學習風格的實驗方案不太現實，在實際操作中存在著很大的困難，但我們不應該因為困難的存在，就放棄這方面的研究。

2.5 實驗策略分析

實驗策略選擇得當與否關系到實驗能否順利進行，下面主要從實驗方法、組織形式及實驗程序方面綜合考慮實驗策略的選擇原則。

虛擬實驗方法有兩種形式：觀摩型實驗和操作型實驗。對于觀摩型實驗，學生只能調閱觀察，無權操作。對于操作型實驗，學生可以觀看實驗內容，還可以運用輸入設備對實驗過程進行實時操作。

實驗組織形式也主要有兩種：個人操作和小組協作。對于觀摩型實驗或者小型操作型實驗，學生個人就能完成，則不需要協作。對于大型操作型實驗，可以利用網絡技術和設施，使實驗人員聯機合作，為他們提供一個協作研究的環境。

實驗程序可以分為三大階段：預備、操作、遷移鞏固。

預備階段，確定一個前瞻性、時效性的問題，激發學生的興趣，并提供實驗的有關資源、案例及求助信息，供學生學習、研討和利用；操作階段，學生自主實驗，教師及時跟蹤解難；遷移鞏固階段，及時將實驗結果反饋給學生，給以激勵，并且提供在不同情境應用實驗技能或在相同情境中反復練習的機會，以利于技能的遷移和鞏固。

2.6 實驗監控

在虛擬實驗中學生比較自主隨意，而且可能隨時會遇到一些困難，如果得不到及時解決將會影響實驗效率。為保證實驗順利完成，設計時必須考慮建立相應的監控機制，以便及時了解學生的實驗情況，提供適當的督促、指導策略，保障實驗順利有序的完成。

2.7 實驗評價

實驗評價主要針對兩方面，一是實驗情況，二是系統本身。

第一類評價要對實驗教程、學生實驗的達標程度給以判斷，并解釋需要改進的地方，對實驗起到監督和控制的作用，并為師生調整教學行為提供依據，使實驗效果越來越接近預期目標。第二類評價是為優化系統功能而設計。一定學時的實驗結束后，應及時向實驗教師、學生發放一些調查問卷，跟蹤了解中心目前的功能能否滿足他們的需求，哪些地方需要改進，從而對系統進行調整。

評價方式要結合運用多種評價方法，以求結果公正準確。

如圖1為虛擬實驗分析設計的一般模式。

3 虛擬實驗中心功能模塊研究

在綜合考慮教學設計幾大因素的基礎上，本人認為虛擬實驗中心需有六大功能模塊：登陸管理模塊、診斷性測試模塊、學生實驗系統模塊、教師實驗系統模塊、考核模塊、數據管理模塊。其中登陸管理和數據管理模塊是兩大輔助模塊，主要負責后臺管理。而診斷性測試模塊、學生實驗系統模塊、教師實驗系統模塊、考核模塊是中心的主要模塊，主要保障虛擬實驗順利而有效的進行。下面將分別論述幾大模塊的主要功能。

3.1 登陸管理模塊

主要進行身份驗證，若身份合法，則允許用戶進入系統；若身份非法，則拒絕登陸。

用戶具有不同的操作權限，只能進行與其身份相適應的操作，不得越權。非用戶在遵守一系列安全協議和使用協議的條件下，也可以注冊成為中心會員，從而實現網絡資源的共享。

3.2 診斷性測試模塊

本模塊將采用問卷或者其他形式對學生進行測試，主要判斷學生是否已經具備了進行新實驗所必需的理論知識、安全知識及基本操作能力；判斷學生對新實驗理論知識的掌握程度等。

第一類測試是資格性的，合格則說明學生具備進行新實驗的資格，并且可以自行選擇實驗類型及內容，開始實驗；如果未合格，則系統自動調出與本實驗相關的資料供學生學習，然后再考察。第二類測試是輔助性的，合格則可以跳過實驗學習這一環節，直接進行操作，未合格則進行實驗學習。

3.3 學生實驗系統模塊

本模塊是實驗中心建設最重要的模塊，學生的一系列學習及交流將通過本模塊進行，主要具有實驗學習、實驗操作、在線交流三大功能。

3.3.1 實驗學習

本模塊向學生提供實驗教程和指導書或者其他數字化學習資源，確保學生掌握新實驗的基本理論知識。學生還可以通過這一模塊提交實驗報告、實驗預約申請等。

需要注意區分的是，在診斷性測試模塊中，向測試未及格學生提供的相關資料與這一部分資料是不同的，前一模塊是為了了解學生是否具有進行新實驗所必須掌握的知識與技能，因此所提供的資料也是對欠缺知識和技能的補充；而這一模塊則是完全關于新實驗學習的資料，是學生要達到新的實驗目標必須掌握的知識與技能。

另外，如果診斷性結果顯示學生已經掌握新實驗的基本理論知識，只是實驗技能需要培養的話，學生可以跳過具體的實驗學習環節，但必須提交實驗報告。

3.3.2 實驗操作

觀摩型實驗一般不需要學生和計算機交互，學生可以觀看實驗內容，但不能動手操作，如一些演示性的虛擬實驗課件，但在實驗前要提前預習，發現問題，提出假設，帶著問題觀察、思考，以解決問題、驗證假設。

操作型實驗一般需要學生和計算機交互，學生不僅可以觀看實驗內容，還可以運用輸入設備進行實時操作。學生操作時要嚴格按照安全規則和實驗順序進行，不能因為是虛擬實驗而忽視安全問題，省略細節步驟。如果學生操作根本不依據安全規則或有重大安全隱患，系統應該及時給以提醒，并根據安全事故的嚴重性扣掉學生實驗得分，或在考核中體現出來，以利于學生科學實驗態度的培養。

3.3.3 在線交流

這一模塊具有在線實驗討論、在線疑難提問等功能，為學生提供一個與同學交流討論，向實驗教師求教的在線學習支持環境。

3.4 教師實驗系統模塊

這一模塊主要具有資源維護、實驗指導等功能，保障學生實驗安全、順利、有效的完成。

資源維護主要是維護和更新實驗學習資源，并審核學生提交的實驗預約申請，統一調度實驗資源，合理分配給學生使用。

實驗指導應體現在實驗學習、實驗操作以及實驗考核等各個環節上，主要有兩種形式，一種是實時的在線指導，一種是延遲的公示型指導。在線指導主要在討論區進行，教師借助在線交流工具對學生遇到的問題隨時隨地給以指導，以保障實驗的順利進行。公示型指導主要借助于留言板。教師在留言板上針對一些常見的、普遍的實驗疑難問題進行解答公示，并且教師還可以在此和學生共同研究開發實驗方案等。

3.5 考核模塊

實驗考核主要考核學生兩方面的能力，即實驗設計能力和實驗操作能力。

實驗設計能力的考核主要通過分析評閱學生提交的實驗預習報告、實驗報告、考試試卷等文檔資料獲得；實驗操作能力的考核主要依靠系統實時監測學生實驗中的具體步驟和關鍵細節給以定性或定量考查。

3.6 數據管理模塊

數據管理模塊主要有兩大功能：一是管理維護實驗中心自身的數據，以利于發現運行中的問題，不斷改進和完善；二是存儲和分析學生實驗過程中的數據及最終考核成績，便于教師統計學生出勤率、達標率及發現實驗過程中的問題，改進實驗教學資源。

如圖2是虛擬實驗流程設計圖。

4 結束結

虛擬實驗具有經濟性、開放性、安全性、針對性等優點，能夠實現現實環境和資源在空間和時間上的延伸，這也是我們致力于虛擬實驗中心研究開發的原因。但與此同時，我們應該明白，虛擬實驗對于學生來說，整個過程是通過鼠標和鍵盤完成的。由于學生和實際實驗對象沒有直接接觸，虛擬環境也不可能無差別地模擬真實環境，因此虛擬實驗教學依然存在著局限，在學生創造能力和科學態度、動手能力的培養上均存在著不足，因此，真實實驗在實驗教學中仍有必要性和基礎性，虛擬實驗只是對真實實驗的補充。因此我們努力的方向是使虛擬實驗盡可能真實的模擬真實實驗。

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