基于虚拟实验环境的创新性教学实验模式探讨

王振华

摘要：本文基于虚拟实验平台的特色，针对目前中小学教学与实践环节中存在的不足，从实践教学和课堂教学两个方面探讨如何利用虚拟实验技术进行教学改革研究，为学校的创新性实践教学改革提供较好的参考。

关键词：教学改革；虚拟实验；实践教学

虚拟实验室是一个应用计算机技术的网络化的虚拟实验环境，因其特有的开放性、共享性、低耗性以及不受时空限制的特点，具有广泛的应用前景。但是，现有的研究主要针对虚拟实验平台实现技术和实践教学改革方面进行探讨，很少涉及课程教学改革方面的应用。本文将从课程实践教学改革和课堂教学改革两个方面出发进行探讨。

一、问题的提出

（一）实践教学方面

实践教学环节的改革主要有两个方面：优化实践教学内容和加强实践教学环境建设，二者相辅相成。前者一般比较容易实现，而后者往往由于硬件设施建设费用高而难以实施。由于信息技术的迅猛发展，新技术的引入要求课程实验内容及实验设备不断更新，而设备更新与扩充的费用开支、设备耗损的维修开支以及管理开支制约了新课程体系配套的实践教学环节改革。因此，很多实践教学环节的改革忽略了实践教学环境的改革。

其次，传统的实践教学环境开放性不够，限制了学生自主设计和创新能力的培养。实践环境的硬件设备需要人员维护和管理，不可能针对学生随时开放。教师的指导也局限于课内教学和辅导，远程教学实验很难顺利开展，限制了学生动手能力和工程实践能力的培养。

（二）课堂教学方面

目前的课堂教学改革主要针对传统教学模式存在的弊端，提出启发式、互动式等方式，促进教学风格的多样化。利用多媒体技术能丰富教学内容，激发学生兴趣，但大部分多媒体课件仅仅是采用图片或动画的形式将书本知识形象化，对于以程序设计、硬件设计和算法应用为主的实践性强的信息类课程而言，并不能有效而直观地向学生展示算法或者硬件设计流程的功能和数据处理的效果，不能引导学生形成思考问题的习惯。

因此，结合虚拟实验环境的优势特色，探讨适应社会需求的创新性教学实验模式，提出一个能较好解决目前中小学课程教学实践环节中存在的问题的方案，对于培养学生的创新能力具有重要的意义。

二、虚拟实验平台的特色

与传统实验模式相比，虚拟实验平台具有如下特色：1）易扩充与更新。能显著降低科研成本和节省研究经费。通过联网实现大型科学仪器的资源共享，避免其重复添置、购买，提高使用效率。2）不受客观条件的影响。虚拟实验平台中不存在对实物设备的毁坏，也不受设备数量和设备经费不足的局限，因而可实现在现实实验中难于进行的毁坏性实验和综合性实验项目，方便搭建大规模实验。3）提供协作平台。虚拟实验平台以计算机网络为信息载体，使用者通过网络进行交流。例如教师在线演示，开展生生，师生之间的信息交流等。4）提供开放实验平台。虚拟实验平台突破了传统教学模式受时间、地点的限制。学生可以通过虚拟实验平台自主开展实验，避免资源的浪费。5）运行维护方便。虚拟实验平台借助于仿真和虚拟现实等技术在计算机和网络上营造可辅助、部分替代甚至全部替代传统实验各操作环节的相关软硬件操作环境。所有的实验芯片都是用软件模拟，因而没有设备损耗，很方便进行运行维护和管理。

三、基于虚拟实验平台的教学实验模式

（一）课程教学改革方面

教师在授课过程中可以通过校园网使用浏览器即可访问相应课程的虚拟实验系统，在课堂中进行相应的实验，将理论与实践联系起来进行讲解，能有效改善课堂授课效果。如教师在讲授《数字图像处理》课程时，需要向学生讲解图像处理算法的思想与处理效果。在传统的授课模式中，处理效果往往难以展示，如果教师在授课过程中使用虚拟实验平台则可以实时的展现算法对图像的处理效果，并可以通过调节参数来进一步阐述算法的思想。

（二）实践教学改革方面

虚拟实验平台突破传统的场地限制，提供远程协同支持。学生在实验过程中不再仅仅是按照实验指导书而展开，可以自由搭建和运行实验。虚拟实验平台可充分利用构件和Web服务技术的优势，使得添加和维护实验器件十分的方便，实验设备能随时与更新的教学内容同步。虚拟实验平台还能提供一个可保存可异地打开的实验方式，能方便开展大规模实验。

四、应用效果

（一）对于教师而言，虚拟实验室具有的易管理、易指导和可扩充的特点，有助于改进教学方法，也有助于科学研究。1）虚拟实验平台的使用，有效地缓解了目前学校实验场地和仪器紧张的情况。由于虚拟设备以组件的形式存在，具有良好的扩展性，用户可以方便地添加新的设备。教师可以根据教学内容及时更新实践内容而不受实验设备的限制，有助于教师将最新的科研成果及时应用于教学中。2）虚拟实验平台的自主开放性特点，能够使教师的教学不再局限于上课时间和上课地点。教师可以方便地对学生进行在线指导和答疑，及时得到学生在实践过程中存在的问题与不足。

（二）对学生而言，虚拟实验室具有易操作性、自主性和创新性等特点，有利于实践能力和创新能力的提高。1）通过Internet向远程教育的校内外学生提供一个不受时空限制的开放性实践平台。无论校内还是校外学生均可以通过网络访问网站进行多门课程的实验。2）不受客观条件的影响，可实现“实物实验”难于进行的毁坏性实验和综合性实验项目。在信息安全课程实验中可避免因为病毒或者网络入侵造成的系统崩溃等。3）具有良好的用户交互性。系统提供了丰富的实验例程与模板，学生可以很直观的选取所需要的设备来定制自己的实验流程，通过实验流程理解教学内容。

五、結论

本文探讨了基于虚拟实验环境下的教学实验模式。指出虚拟实验环境的建立是有效的，借助于网络信息资源来扩展实验的时间和空间，可以节省大量的管理维护开支，有效提高学生实践的开放性、灵活性、自主性以及与教师的互动性。无论是课程课堂教学还是实践教学，虚拟实验平台对于学生动手能力、工程实践能力以及创新能力的培养都提供了一个很好的有效平台，对于教学改革具有重要的研究意义和应用价值。

参考文献：

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（作者单位：山东省蒙阴县八一希望小学）