淺析虛擬實驗與教學應用

單菊芬

摘 要：虛擬實驗技術的成熟發展和實驗教學改革的迫切需要使得虛擬實驗在教學中的應用從理論研究走向了實際應用。虛擬實驗不僅是一種先進的技術手段，而且是一種新的科學研究方法。該文以虛擬實驗理論為基礎，進行了新的理論思考：從技術實現和教學應用的角度來構建虛擬實驗系統，從幫助學生的概念知識和技能掌握角度分析虛擬實驗的方法特點在培養學生的創造性思維能力和互助合作精神等方面的作用。

關鍵詞：虛擬實驗 教學應用 創新能力

中圖分類號：G4 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2012）12（b）-0-01

該文圍繞虛擬實驗系統以及其教學應用問題展開分析，主要內容分為以下幾個部分。

1 虛擬實驗原理

1.1 含義和特征

虛擬實驗系統是以數學理論、相似原理、信息技術、系統技術以其應用領域有關的專業技術為基礎，以計算機和各種物理效應設備為工具，采用“面向對象”思想創建的，能夠實時操作的、非實在的實驗空間，在此環境中，實驗者可以像在真實的環境中一樣完成各種預定的實驗項目。

它可以打破時間、空間的限制，拓展我們實驗的空間，可以虛擬生命起源、地球的形成之類的實驗，可以虛擬地殼之內、太空之外的實驗，甚至可以虛擬人類心理活動的實驗，向我們展示我們從未感受過的時空景象。由于虛擬實驗具有上述優勢，人們很快發現它不僅可以應用于科學研究和科學實驗，也可以將它引入教育教學活動。

1.2 虛擬與真實連結的紐帶

眾所周知，現實世界與虛擬世界是整體的客觀實在世界的兩個相互補充的方面，一方面人們不能沒有對自然界的深刻體驗，同樣另一方面也離不開對生活空間的想象。那么在虛擬實驗環境中究竟要怎樣學習？怎樣與實踐活動相聯系？怎樣分析虛擬世界與真實世界之間的關聯，并從經驗和人的感知覺等角度探討虛擬實驗與真實世界的聯系，以便學生較好地掌握虛擬實驗中的相關因素，進行真正意義上的自主學習，從而獲得自身能動性的最佳延伸。

教育教學改革的不斷深化對實驗教學在培養學生的科學研究能力和綜合素質等方面提出了更高的要求。相對于理論教學，傳統的實驗教學的教學內容、模式和方法亟待革新與完善。依據人們的認識規律和教學規律，借助于計算機等技術，有機地將教學內容、虛擬實驗設備和學生操作緊密結合起來，更具有直觀性、實踐性、綜合性和創新性等特點。隨著虛擬實驗越來越廣泛地被各種教學活動所采用，這類實踐活動越來越迫切地需要理論的指導；而隨著實踐經驗積累得越來越多，也為系統地開展關于虛擬實驗及其教學應用問題提供了可以依賴的基礎。

2 虛擬實驗系統的具體應用

2.1 概念與技能掌握

在概念學習中，奧蘇貝爾認為概念的獲取主要有兩種方式，一是概念形成，二是概念同化。事實上，學生掌握的許多科學概念都是從日常概念中發展而來的。實驗教學中概念掌握，應該從感知具體的物質和現象開始，從已有的知識出發，通過實驗或推理，由表及里、由淺入深，有層次地由感性認識上升到理性認識。

而實驗教學過程中的技能訓練是使學生把已獲得的知識運用于實踐在實踐活動中指導學生動手操作，把知識轉化為能力，從而獲得應用知識的本領。

2.2 探索與合作學習

實驗活動強調探索與合作，是創造性的活動，不僅能引導和培養學生勤于思考、善于發現和提出問題，而且能培養學生觀察、分析和解決問題的能力。特別是，在虛擬實驗環境中學生之間的探索與合作學習，有助于培養學生認真負責的精神和合作的意識，不同的智慧水平、知識結構、思維方式的學習者之間可以互補，是一種有效傳授知識技能的方式。協作式虛擬實驗系統已經成功地應用于宇航員訓練中。

總之，虛擬實驗所提供的任務整合了多重的內容和技能，學生可以嘗試著從接近日常的角度來觀察世界，突出其中的特定規律，有助于學生意識到他們所學知識的相關性和意義性。因而在虛擬實驗環境中，可以幫助學生從簡化的世界中獲得關于真實世界里的各種現象和科學知識。值得一提的是，虛擬訓練系統不可能與真實訓練環境完全一樣，所以要重視培養學生掌握解決問題的模式和策略，啟發學生把虛擬訓練中學到的知識和技能運用于實踐。

3 虛擬實驗系統結構

3.1 系統設計

電腦游戲之所以能吸引參與者，在于它能及時提供反饋，參與者并不因達不到目標而失掉興趣，相反更具有挑戰性。如果虛擬實驗系統具有游戲的性質，則實驗環境更能豐富學生的經驗，引導學生探索，嘗試新的解決方法。因此，虛擬實驗內容與組織的設計首先應該考慮的是如何激發學生的興趣，以達到實驗目的。虛擬實驗系統設計和開發的相關原則如下：一致性原則、開放性原則、交互性原則、冗余原則和合用準則。

3.2 環境架構

構建虛擬試驗系統的方法有很多，但基本思想應該是一致的，即用軟件方法來模擬硬件設備的功能。虛擬實驗系統一般由用戶界面、實驗處理系統、控制管理系統和系統中的其他庫（如數據庫、案例庫、規則庫、知識庫、模型庫部分）等共同構成。

虛擬實驗的教學過程是建立在一般實驗教學活動過程、學生的認知過程和實踐活動以及教學的基本規律的基礎之上的。虛擬實驗系統的過程模型有4個，分別是①用戶界面②情境設置③過程模擬④總結評價。這四個方面構成了一個較完整的體系，系統根據實驗者所示定的參數，將實驗過程中發生的變化和實驗結果直觀地呈現出來，以便實驗者對自己的操作有一個整體的把握。在實驗教學的實際應用中，根據學生的特點和實驗需要出發，有針對性地運用虛擬實驗系統，更好地體現“學生為主體”這一教學思想，培養學生的科學素養和創新

能力。

在虛擬環境中，實驗的成功與否，當然與學生的認知活動密切相關，同時也離不開虛擬實驗系統所提供的實驗環境。了解虛擬實驗系統的實際及常用的開發工具，可以根據實際的實驗需要，開發新的虛擬實驗系統，或者改進已有的虛擬實驗系統，用來提高學生的實驗興趣，從而提高實驗教學的針對性和實

效性。

隨著相關技術和學習理論的發展，虛擬實驗系統將更為完善和人性化，更加適應實驗教學發展的需要。使用虛擬實驗系統輔助實驗教學在某種程度上改善實驗教學條件，但是也有可能限制學生能動性的發揮。教師要發揮重要作用，不僅要提高學生對虛擬實驗的概念、原則和技術的認識，又要結合實際情況考慮虛擬實驗的組織與實施以及存在的問題。總之，要因地制宜，既要考慮學習目標、實驗內容，也要考慮學生特點、教師態度、實驗環境等因素，都是為了更好地采用合理的實驗教學組織形式，滿足不同學生的不同學習要求，從而實現實驗教學的個性化。

參考文獻

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