虚拟实验教学系统

赵满旭,严丽霞

(运城学院公共计算机教学部,山西运城044000)

我国高等教育的主要任务是培养具有创新精神和实践能力的高级专门人才,造就数以亿计的高素质劳动者、数以千万计的专门人才和一大批拔尖创新人才来适应知识经济时代和我国社会主义建设事业的需要[1]。创新人才是指具有创新意识、创新思维和创新能力的人才,创新思维是创新意识和创新能力的基础,培养创新人才的关键是培养创新思维,创新能力是在不断解决实践问题的过程中锻炼和培养出来的。因此实践教学环节是创新教育体系的基础和载体,建立创新实践教学环节是搞好创新教育的重要举措。实验教学是实践教学最重要的形式,对培养学生的科学意识、锻炼动手能力具有重要作用。现有的实验教学模式存在的问题主要体现在:(1)演示性、验证性实验内容较多;(2)实验内容千篇一律,没有层次性和侧重点;(3)实验效率低,运行成本高;(4)实验设备陈旧,手段落后;(5)实验结果可控性差,教学效果受限。使用虚拟实验教学系统可以营造培养创新意识和能力的环境;可以降低实验成本,避免各种风险;可以确保综合性、设计性、创新性、障碍性实验的正常开设;可以适应学科发展,突破时空限制;虚拟实验功能全,实验效率高。

一、系统的设计目标

虚拟实验教学系统是一个基于网络环境下的实验教学系统,为学生搭建一个类似于实际实验的虚拟环境[2]。与实验室中的实物原型实验相比,该系统可以突破硬件的限制,当实验内容确定后,可以通过调用不同的虚拟实验加工单元,组成不同的实验,而不用增加耗资巨大、造价昂贵的大型实验设备。因此,在大大节省资源的同时,学生可以选择实验项目,提高学生的学习主动性,激发学生的学习兴趣。可以说,虚拟实验教学系统的主要任务是实现虚拟实验功能,同时还应具有一定的辅助实验教学的功能,并能通过网络方便地访问远程教学系统中的相应资源。

虚拟实验教学系统应实现以下目标:(1)能够为实验人员提供高度逼真的虚拟实验环境;(2)实验人员在高度逼真的环境下可对所用的虚拟实验设备、虚拟实验仪器和虚拟实验对象任意搭接和操作;(3)能够对实验内容、过程进行实时仿真;(4)具有良好的开放性,用户可根据需要扩展实验对象、实验设备和实验仪器数据库,定制实验内容等;(5)具有与实验教学要求相适应的辅助功能,如自主学习和预习功能、实验指导和演示功能、实验报告提交和评阅功能、考核和评价功能、实验资料检索功能等。

二、系统的功能

(一)系统功能图

虚拟实验教学系统从逻辑上分为教师平台、学生平台和系统管理员平台,主要由三类用户组成:管理员、教师和学生。其中,管理员主要负责用户管理、安全策略管理和系统的管理与配置;教师主要负责实验教学资源的制作和管理,实验项目的生成和管理,实验仪器、实验设备及实验对象数据库管理和维护,实验过程和实验结果的监控和评价;学生进入虚拟实验教学系统主要选择实验项目,进行实验的相关操作。虚拟实验教学系统的总体功能设计如图1所示。

(二)系统功能图说明

1.系统管理员功能。系统信息管理:实验教学课件、实验项目、实验教学资源、实验指导教师等方面的介绍,信息的增加、删除和更新等功能。用户信息管理:用户注册,建立用户(学生、教师和管理员)档案,用户登录认证、账号管理、用户权限设置等功能。数据库维护:各种数据库的备份、恢复等。

图1 虚拟实验教学系统功能

2.教师功能。实验教学资源管理:实验教学课件的增加、删除和维护,实验演示课件的制作和维护,相关实验资料的征集、评价、更新和补充,实验仪器、实验设备及实验对象的介绍。实验项目管理:描述实验原理、内容和目的,介绍实验所需的仪器、设备及对象,阐述实验过程和仪器设备操作步骤。实验系统数据库管理:实验仪器、实验设备和实验对象数据库的更新和补充。实验过程监控与评价:监控学生实验操作过程,提供在线咨询,参加交互学习,解答学生实验过程中的疑难问题。实验结果分析与考核:审阅实验数据和结果,考核实验报告。

3.学生功能。基本信息设置:设置学生个人的基本信息,安全信息。实验学习:实验开始前,也就是实验准备阶段,观看实验教学课件和实验演示课件,熟悉实验目的、原理、内容和实验所需的仪器、设备及实验对象;了解实验过程和实验仪器、设备的操作步骤;查阅相关实验资料。实验设计与操作:设计实验项目,选择实验仪器、设备及实验对象并对其进行搭建和操作,实时仿真实验内容和过程,记录实验数据和结果。实验报告上传与反馈:分析实验数据和结果,撰写提交实验报告,查看教师评定。

交互式学习:学习者可申请创建学习小组,根据个人兴趣参加学习小组进行交流;发表学习意见,上传学习资源等。可设立积分制激发交流兴趣。教师可根据实验项目设立答疑室,解答问题。

学生是这个系统的主体,占据着中心地位。该系统设计的最终目的就是为学生提供一个良好的实验平台,锻炼学生的动手实践能力,培养学生分析和解决问题的能力,提高学生创新意识和创新能力;同时,计算机可以把教师从简单的重复性智力劳动中解放出来,更多关注实验过程中的一些高级诊断、管理、推理性工作。可以说,教师在系统中依然占据着主导地位,虚拟实验的开设与实施都需要教师通过教学平台积极的参与。同时,也只有教师通过教学平台在对实验教学资源开发、充实并不断更新实验教学资源相关内容的基础上,学生才能通过学习平台对具体的实验项目展开有效的实践学习。而系统管理员的作用是更好的辅助学生的学和教师的教、维护系统的正常运行、做好系统的安全以及数据备份等工作。实验过程仿真、实验内容虚拟、实验结果显示与分析、实验报告生成等事宜都由系统内部处理。

三、系统的结构模型

(一)系统的结构模型

虚拟实验教学系统主要采用虚拟现实技术,为学习者提供一个虚拟的实验环境,在该环境中学生可以设计实验项目,选择实验仪器、设备及对象并对其进行搭建和操作,可以观察实验数据和结果;通过系统的辅助教学系统,学生可以学习实验项目的目的、原理及有关信息,观看实验的演示过程和实验仪器设备的操作步骤。教师通过该系统可以更改实验教学资源,管理和维护虚拟实验仪器、设备及对象,可以与学生交互学习并对实验过程进行监控和评价实验结果。该模型的结构如图2所示。

其中,虚拟实验仿真模块是建立该系统的关键构件,主要是利用虚拟现实技术为学习者提供实验项目的仿真实验过程和实验结果仿真,监控和指导学习者的实验过程,反馈实验结果和实验数据。

图2 虚拟实验教学系统结构图

(二)各模块的说明

1.学生平台。(1)学习实验教学课件,了解实验的目的及原理;观看实验演示过程,了解实验仪器、设备的操作步骤;对整个实验有一个感性认识。(2)设计实验项目,选择实验仪器、设备及对象,观察实验仿真过程,分析实验结果和数据,提交实验报告并查看教师评定,进行交互式学习,提出问题。

2.教师平台。制作实验教学课件和实验演示课件,更新和补充实验资料;管理和维护虚拟实验对象、仪器和设备数据库;修改和更新实验条件及实验结果数据库;监控实验过程和回答疑难问题;分析实验结果和考核实验报告。

3.虚拟实验仿真模块。依据学习者选择的实验对象、仪器及设备,根据实验条件,仿真实验过程和实验结果。

4.实验教学资源库。存放实验教学课件和实验演示课件;存放实验项目的相关资料;存放实验仪器、设备及对象的介绍资料,由教师进行管理和维护,学生可以浏览但不可修改。

5.虚拟实验对象、仪器及设备库。存放实验项目所需虚拟实验对象、虚拟实验设备和虚拟实验仪器。允许学生选择和操作,由教师进行维护和更新。

6.实验条件和结果库。贮存实验条件和实验结果,由教师进行设定和维护。在实验过程中,虚拟实验仿真模块进行访问和修改。

四、系统的过程模型

在虚拟实验活动过程中,学生的自我监控能力至关重要,但是这种能力不是先天就有的,而是在长期的学习活动中逐渐形成发展的。虚拟实验环境中的自我监控既与学生的知识、动机、学习信念和认知过程有关,又受到虚拟实验系统自身的限制(如系统的真实性、稳定性、反馈环节、探索空间等)。因此,在虚拟实验环境中,对学生的自我监控能力的培养既要结合学生的个性特点,又要考虑环境因素。从个人角度考虑,在元认知方面,要善于对实验过程的不同阶段进行计划、组织、自我指导,提高自我观察、自我判断的能力和调节能力;在动机方面,应端正实验态度,把自己视为有能力、自我有效和自律者;在行为方面,积极主动参与实验,使实验过程能够有效地进行。从环境角度考虑,由于虚拟实验教学系统本身既是一种实验环境,同时又充当着教师指导的角色,因此在为学生提供丰富的想象空间和协作互助的实验氛围的同时,要注重激发学生内在的学习动机,并提供丰富的资源以便学生遇到问题时能有效地找到解决方法,满足学生的成就动机。虚拟实验教学系统过程模型应由以下几个方面组成。

1.用户界面。虚拟实验系统不同于真实的实验室环境,实验者是通过用户界面与之交互作用的。因此,界面的设计既要方便友好、易于操作,又要使得实验者感觉处于一种解决实际问题的情境中。即使面对的是科学家们早己熟知的资料以及已有确定答案的问题,随着问题的逐步进展,学生依然能体验到发现问题、寻求解决问题方案过程的成就感。可以说,虚拟实验系统的真实性可以丰富学生在虚拟情境中的体验,智能化表现在实验过程中跟踪学生的实验进度,并适时为其提出指导性建议。

2.情景设置。实验指导教师(可以是教师,也可以是系统)依据学生的经验、知识背景及需求,提出具体的实验目标,呈现融于仿真过程中的概念。在利用虚拟实验教学的过程中,应有意识地安排一些省略(这种省略可以是一个实验计划,可以是某一实验中控制某一因素的方法,可以是从所给资料中得出的结沦,也可以是用来解释所给资料的一个假设)、空白或者令人感到新奇之处,让学生把它们填补出来,以激发学生的兴趣。

3.过程仿真。虚拟实验过程仿真阶段,学生通过观察、分析实验现象,处理实验数据,并根据反馈调整策略、澄清错误概念,检验自己的假设和实验设计方案,这有助于提高学生的反应能力以及对因果关系的敏感性。另外,在虚拟实验过程中,学生必须有意识地关注自己的经验,明确叙述实验结果,并用现有的思想综合它们。通过这种力式,使自己的想法重新组合成新的、更强有力的形式。

4.总结评价分析。分析虚拟实验的进程,描述自己的感觉和反应,以判断自己掌握概念以及分析问题和解决能力,意识到自己存在的问题和不足,并寻求新的解决方法。同时,把虚拟情境与真实世界相比较,把虚拟实验和实际应用联系起来,将在虚拟情境中掌握的概念和解决问题的方法运用于实际情境中,提高学生的自信心和灵活性。

图3 虚拟实验教学系统过程模型

虚拟实验教学系统的过程模型如图3所示。从图中可看出,虚拟实验教学系统的四个方面构成了一个较完整的休系,使用者通过真实智能化的界面与系统交互,系统根据用户的实际情况做出反应(根据实验者所设定的参数,将实验过程中发生的变化和实验结果直观地呈现出来,将实验者的误操作及时予以反馈,在必要时给予提示和帮助),以便实验者对自己的操作有一个整体的把握,这有利于培养学生的独立性、判断决策能力和应用能力。

五、总结

虚拟实验教学系统可以激发学习者的学习兴趣,培养学习者的创新意识和创新精神,提高学习者的创新能力和实践能力。文中主要从系统设计目标、系统各功能模块、系统结构模型及系统过程模型等方面阐述了虚拟实验教学系统。

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