虚拟仿真实验中存在的问题分析与对策研究——从“以学生为中心”为主切入点

曹锦佳，赵佳蔚，向 东

（南华大学 核科学技术学院，湖南 衡阳 421001）

引言

随着近年来网络和线上教育的普及，教学不再仅局限于实体课堂，而是越来越倾向于网络化、虚拟化。在实验教学领域，关于虚拟仿真实验教学的探索已开展许久，早在2013年，教育部高等教育司发布了《关于开展国家级虚拟仿真实验教学中心的建设工作的通知》［1］；2017年，教育部办公厅出台相关文件推进示范性虚拟仿真实验教学项目的建设［2］。虚拟仿真实验教学的开展虽然暴露出一些问题，但在某些课程，尤其是在核类专业相关课程中完全采取实物实验是不经济、不现实的。

以往关于虚拟仿真实验教学的探索、设计多从教师的视角出发，即使强调了“以学生为中心”，但进行探索的主体仍是已经进行过大量专业训练的教师，少有从初学、未经训练的学生视角出发进行的探索。

本研究将从学生视角分析目前实验教学中存在的问题，提出学生参与教学设计的重要性，以建构主义的教学理论为出发点，批判“以虚为主，能虚不实”的虚拟仿真实验设计倾向，指出虚实结合的重要性及意义。

一、虚拟仿真实验教学存在的问题

虚拟仿真实验教学经多年的推行，逐渐暴露出一些问题。胡今鸿等以首批国家级虚拟仿真实验教学中心和178 所高校反馈的虚拟仿真实验教学资源开放共享研究调研问卷为样本，总结了目前虚拟仿真实验教学普遍存在的问题，如：资源重复建设、质量不高、在资源建设上“宁滥勿缺”［3］。同时调研问卷显示，超过70%的高校认为本校现有虚拟仿真实验教学资源数量不足、质量有待提高。

以南华大学为例，目前开设的虚拟仿真实验多是围绕某一特定题目的实验进行虚拟化后，要求学生集中在学校机房用电脑完成。一方面，相比于实物设备，储存在电脑中的虚拟实验室的设备设计功能比较单一，仅能够满足特定的实验，类似于函数计算器，存在不能交互的问题。这样做能降低虚拟仿真实验开发的难度和周期，但也极大地降低了学生的实验积极性，扼杀了学生自我探索的空间。而虚拟仿真实验应当具有的特点之一就是能够让学生充分试错并开展启发求知欲的探索。另一方面，虚拟仿真实验仍然像传统实物实验一样受到极大的时空限制。在进行虚拟仿真实验时，学生仍需要提前完成纸质实验报告的预习、预约实验室，然后分批次在特定的时间进行集体实验，纵然这样的安排方便开展集中教学，但除了实验部分与实物实验不一样，其余部分和传统实验教学流程无差别。目前，设计的联网虚拟仿真实验平台尚未进行完善、推广，其功能不全，仅能够网上操作。总而言之，对虚拟仿真实验系统的开发和应用仍停留在较初级的阶段，相当一部分虚拟仿真实验被当成了一种节约实验成本、完成教改指标和评奖的工具，而非一种拓展实验教学边界、改革实验教学、激发学生自我探索欲的新途径。

二、解决问题的对策和建议

（一）“以学生为中心”，让学生的想法融入课程的建设

随着近年来“以学生为中心”教育理念的兴起，在实验教学领域的改革中也越来越强调将学生作为教学的主体。在《教育部办公厅关于2017—2020年开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设的通知》中，关于建设部分首先强调的就是示范性虚拟仿真项目应该具有“以学生为中心”的实验教学理念［2］。

虚拟仿真实验教学形式对学生的课堂参与度、自主度和构建学问的能力有着更高的要求，其建设要求相当接近理想中的“以学生为中心”的课堂，有在“以学生为中心”教学改革浪潮中充当领头羊的潜质。在教学改革中，我们更需要认真思考什么是真正的“以学生为中心”，以及如何做到真正的“以学生为中心”。

最根本的是要实现从以“教”为中心向以“学”为中心转变，即从教师将知识传授给学生向让学生自己发现和创造知识转变，从传授模式向学习模式转变［4］。目前，关于“以学生为中心”的教育改革仍是教师在起主要推动作用，在想办法将课堂活动的主体引导到学生身上，引导学生自主发现和构建学问。但值得注意的是，虽然课堂的中心变成了学生，但课程的设计者仍是教师，整个课程的设计从上到下讨论的都是在教师视角下如何引导学生的看法，很少给学生的反馈留下空间。教师认为恰当的教学方式和实际学生愿意接受的教学方式存在着应然与实然的矛盾，这也必然会导致课程改革过程出现视野盲区。所以，如果说原本“以学生为中心”的教学改革强调了学生在教学过程中的中心地位，那么向着“以学生为中心”为目标前进的课程改革就要具有前瞻性，让学生参与进来，提前锻炼其自主思考发现问题的能力。无论是针对优化教学内容的改革还是针对如何引导学生自主思考的方法论探索，对于任课教师后续对课程的进一步优化都有着相当大的参考价值。

在实际操作中，对师生交流的深度和形式有更高的要求。现有师生间交流的大多是课程理论知识，少有关于课程本身的意见。一方面，教师忽视了学生视角在课程改革中的作用；另一方面，学生主动提供意见的自觉和动力不足。可以说师生之间的交流并没有物理上的隔阂，而是没有从主观上激发起交流的意愿，因此，由教师主动迈出与学生交流的第一步相当关键。这就需要教师主动与学生沟通，积极寻求学生的意见，鼓励其参与教学改革，提出自己关于课程的观点和看法。

在具体实施上要采取灵活的方式，切忌强制将其布置为一项学期作业。学生主观上认为教育改革是教师的义务，如果以分数为驱使将非学习的任务强加给学生，强制要求学生提供自己的意见，只会引起学生的逆反心理，很难收集到学生视角提出的教改观点。在学生主观能动力不强的情况下，可以将这个过程以附加分、小奖励等形式巧妙融入课程过程考核，在不影响教学公平的情况下收集学生的想法，同时向学生释放出教师积极接受学生观点的信号，学生也能感受到教师尊重学生意见，且有着附加分值的激励，愿意参与跟进这个过程的学生也会更多。

（二）虚实结合，将虚拟仿真与实物教学巧妙结合取长补短

教育部颁布的《关于开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知》，就虚拟仿真中心的建设任务提出，虚拟仿真实验教学中心建设应充分体现虚实结合、相互补充、能实不虚的原则。在涉及高危或极端的环境、不可及或不可逆的操作，以及高成本、高消耗、大型或综合训练等情况时，提供可靠、安全和经济的实验项目。

“以学生为中心”的教学理念是建立在建构主义学习理论之上的，强调让学生通过自己的主动行为构建知识体系。建构主义学习理论是在建构主义这一认知领域概念的基础上形成的，建构主义最早的提出者是在认知发展领域最有影响的瑞士心理学家皮亚杰，他认为儿童是在与周围环境的相互作用过程中，逐步建构起关于外部世界的认识，从而使自身认知结构得到发展的［5］。

虚拟仿真实验教学将与周围环境相互作用的过程放到了电脑屏幕上，而且越来越呈现虚实不合、能虚不实的倾向。学生面对的是一个虚拟不真实的实验环境，对于实验设备、操作手法、具体的操作流程没有直观的认识。比如在涉及光学器件的大学物理实验中，大多会有一个将仪器调平以获得水平光路的过程，教科书虽写有调平的技巧，但在实物实验过程中大部分学生仍在这一步花费大量的时间，而在涉及光学器件的虚拟仿真实验中相关的交互只有一个“调平”按钮，在拟真性较差的课程中连调平这一步都会省略，只要用鼠标将器材的图标拖到大致的区域，系统就会自动调平仪器校准光路，跳过调平步骤。

这是一个很值得深思的现象，在这样的实验流程下，学生的思考过程不会出现需要将仪器调平的想法及如何将仪器调平的认知，其能够想到的只是将图标拖动到一起“连接”起来，这个过程手点点鼠标几秒钟就结束了，然后就直接跳到下一步操作。相比第一次接触的初学者在实物实验室中数十分钟的调平过程，这个过程快到没有让学生意识到这个过程的时间，更不用谈掌握相应的技巧了。大多涉及光学仪器的实验都会有仪器调平的步骤，其重要性可以想象，像这样在虚拟实验教学中或主动或被动地省去太多步骤，可能对于单个实验来说并无大碍，但如果这种问题在整个虚拟仿真实验教学体系中广泛存在就是一个相当严重的问题，这也是为什么学生“一虚拟就会，一上手就废”的原因。

实验教学能让学生体会前人设计实验的思路，重新体验其探索新的物理规律的过程，而虚拟仿真实验教学让学生体验那些高危险、不可及、成本大的实验成为可能，但在实际的教学设计中却存在着以虚为主、能虚不实的倾向，而且这一情况早有表现。《2013年国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作小结及2014年申报建议》这一文章指出，在部分院校申报国家级虚拟仿真实验中心的申报书中有着以虚为主、能虚不实的倾向［6］。“以学生为中心”的实验教学终究还是要服务于“让学生自我构建通过实验探索未知的能力”这一目标，这一目标最终还是要立足于物质世界、服务于现实需要，也就要求学生掌握与实物环境进行交互、在实物环境中探索的能力。而这是目前的虚拟仿真实验环境无法提供的。所以，我们需要强调虚实结合、相互补充、能实不虚的虚拟实验课程建设原则，将实物实验与虚拟仿真实验相结合。

仍以光学仪器的调平为例，在实物实验中接触过此操作的学生，在后续涉及光学仪器的其他实验中，调平仪器的速度更快、技术更好。通过一次实验，学生能够入门一种或者多种操作手法，后续其他实验中每一次相同的操作都是对学生能力的一种锻炼，因此，多次实验操作能积累经验，实物实验的次数越多，学生的技巧也就越熟练，而这种锻炼在虚拟仿真实验教学中是得不到的。这也是为什么要强调能实不虚，就是要在条件允许的范围内给学生提供尽可能多的训练机会。虚拟仿真实验是对实物实验中实验条件不允许的、高危的部分进行仿真以便教学，只有极个别的实验需要完全采用仿真实验的方式进行教学，其他大部分实验应该是虚拟仿真实验为实物实验教学服务，虚实结合，不能喧宾夺主。

结语

本文从学生的视角对虚拟仿真实验目前存在的问题进行了分析，从“以学生为中心”这一切入点讨论了虚拟仿真实验教学改革中仅从教师视角出发而造成的盲点，强调了让学生参与虚拟仿真教学改革的必要性和前瞻性，提出了将学生视角纳入教学改革的一种方法论。以建构主义学习理论为出发点批判了虚拟仿真实验教学改革目前能虚不实的倾向，结合“虚实结合、相互补充、能实不虚”的虚拟仿真实验设计原则，以培养学生的实验动手能力为主，分析了如何做到虚实结合、取长补短，强调了其现实意义，提出了实验教学虚实结合的建议。