基于虛擬現實技術的中考理化生實驗考試系統的設計

李娜

摘要：目前中考理化生實驗考試存在考試組織管理工作量大、考試評價標準不統一、考試題目局限性大，探究類題偏少等問題。在構建虛擬實驗的基礎上，以虛擬實驗的自動化評價為核心，結合考務管理信息化，促進中考理化生實驗考試的進一步完善，提升實驗考試的探究性，達到以考促教的目的。

關鍵詞：虛擬現實;中考;理化生;實驗考試

中圖分類號：G642.41 ? ? 文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1674-9324（2019）21-0275-02

一、問題的提出

國家推動教育信息化工作以來，教學手段的科技化、教育傳播的信息化、教學方式的現代化都取得了明顯的成績，教育公平大大提升。十九大報告、教育部又出臺了一系列文件，通過考試招生制度改革等來加強學生動手實踐能力。初中理化生實驗操作考試是中等教育改革的一項重要措施，旨在以考促教，通過強化實驗操作考試的舉措達到轉變教育觀念、推動實驗教學、完善教學評估體系、促進素質教育實施的目的。而其根本的目標是利用信息化教學手段，促進中學理化生實驗教學質量的提升。

隨著虛擬現實（Virtual Reality，簡稱VR）技術的不斷發展，其在教育中的相關應用研究也在不斷深入。虛擬現實技術沉浸感、交互性和構想性的特點，使得虛擬現實技術在構建虛擬實驗環境，實現交互式虛擬實驗具有獨特的優勢。那么，在構建虛擬實驗的基礎上，以虛擬實驗的自動化評價為核心，結合考務管理信息化，將是促進中考理化生實驗考試的進一步完善。

二、實驗考試現狀

全國范圍內已有不同省市地區逐步開展了初中理化生實驗操作考試，取得了一定的成效，但是并未實現實驗考試的統一化和標準化。在已開展實驗考試地區的實施過程中，也存在考試組織管理工作量大、考試評價標準不統一、考試題目局限性大，探究類題偏少等問題，最終未能充分發揮以考促教的作用，也未達到提高學生實驗動手能力和創新能力、促進素質教育實施的目的?？荚嚮厩闆r如下：一是中考理化生實驗考試在部分省區實現了全省統一化，還有的省只在部分地區開展了實驗課考試，考試的命題和組織沒有統一。二是目前的實驗課考試采用人工監考，一名監考教師負責3—4名考生的評分，一場考試需要十多名監考老師，耗費大量的人力資源。很多監考老師并不是專業理化生老師，而是臨時抽調的人員，人員的培訓也是一項考前必須的工作，費時費力。三是監考老師同一時間監考3—4人，有的地區甚至監考到6人以上。難免存在監考不到位、主觀因素影響評判結果，使得考試的客觀性和公平性受到質疑。四是實驗考試分數在記錄、管理、公布過程中，需要人工處理，存在人為因素的干擾。五是實驗考試題目在每次考試前由命題小組命題若干，考生現場隨機抽題。沒有構建題庫，對題目進行積累和科學的評價。六是部分地區會提前公布試題，有些不允許公布試題的地區也會公布試題的范圍，以考促教的目標會變形為為了應付考試的集中突擊練習。七是由于監考難度耗費人力大，操作困難，實驗考試在日常教學的學期末也很少進行。

另外，考慮到實驗教學和考試的安全性，很多實驗都是驗證性的，無法讓學生充分發揮想象力實現探究，并不能充分地發揮實驗教學促進對學生創新能力的培養的作用。

三、基于虛擬現實技術的中考理化生實驗考試系統的設計

（一）設計概述

該系統是一套以虛擬現實技術為核心，融合人工智能、大數據、云計算、移動互聯網、物聯網等先進信息技術的智能化中學物理、化學、生物實驗課程教考評系統，全面應用于中學理化生實驗課的教學、考試及分析評價過程，實現實驗教學、考試及評價的信息化、智能化。

（二）系統功能

系統包括真實實驗教學管理和虛擬考試管理兩部分，二者相輔相成，共同達到促進實驗考試改革和實驗教學質量提升的目的。

1.虛擬考試管理 系統的核心功能是基于虛擬現實技術的智能化自動評分實驗考試管理。包括選擇虛擬的實驗用具，進行交互式的實驗操作，系統在數字化環境中便捷地自動完成評分。關鍵技術是虛擬實驗環境建構，包括實驗室環境、實驗臺、實驗儀器、虛擬實驗人物等[3];虛擬實驗交互行為，實驗人物選擇實驗儀器，完成實驗任務的流程;虛擬實驗自動評分，在虛擬環境中，通過與實驗模型的匹配，實現自動評分，充分彌補之前人工評分存在的人為干擾因素。如圖1所示。

在虛擬實驗的構建基礎上虛擬考試系統的功能還包括考試管理的基本功能，如圖2所示。其中，題庫建設將根據課程標準和當地選擇教材設計實驗考試題目，進行虛擬實驗的構建，形成豐富的題庫，并統計題目難度、區分度，實現題庫的優化。考試成績匯總將進行中考成績統計，針對總體學生匯總當年中考實驗考試數據，自動生成各類數據報表及上報教育部門報表。

2.真實教學管理 真實教學管理模塊實現日常實驗教學的信息化管理，功能如圖3所示，教學優勢體現在以下幾個方面：一是實現實驗教學的個性化指導。將實驗流程錄制視頻上傳到網絡平臺，學生可以反復觀看，解決了傳統教師演示方式下學生不能清楚看到的問題。二是充分發揮實驗教學的作用。在日常實驗教學中，規范實驗操作，提高學生的動手能力;利用虛擬實驗，提高學生的創新能力。三是學習資源的自動化推送。在平臺資源存儲中，建立實驗內容和理論教學的鏈接，實現實驗教學和理論學習的聯通，通過實驗操作問題發現理論學習不足，實現學習資源的自動化推送。

四、結語

在實驗教學中，以培養學生真正的動手能力為目標，基于虛擬現實技術的實驗考試系統實現理化生實驗中考主要目標是解決考試組織難、評價難的問題。但是，也必須深刻地認識到虛擬實驗在實現探究性實驗中的作用，利用虛擬現實的優勢，允許學生在虛擬的環境中，完成創新實驗，而不用擔心實驗失誤帶來的風險。所以在解決了基本的實驗考試問題后，繼續探索基于VR技術的探究性虛擬實驗也將具有更深遠的意義。實現以考促教，以教促考的良性循環，真正到達通過中學理化生實驗培養學生探究能力、創新能力的目標。

參考文獻：

[1]宋蔚.基于虛擬現實的虛擬實驗研究[D].重慶大學，2005.

[2]袁學倩，鄔家煒.基于協作實驗模式的虛擬實驗系統研究[J].計算機與現代化，2010（06）：23-27.

[3]Tassos A.Mikropoulos*，Antonis Natsis .Educational virtual environments：A ten-year review of empirical research（1999–2009）.Computers & Education 56 （2011） 769-780.