基于教学设计的虚拟实验中心研究

摘要：结合教学设计的基本理论，在系统分析虚拟实验构成要素的基础上，重点研究了虚拟实验中心应具有的功能，并按照实验流程设计了六大功能模块，为虚拟实验中心的建设研究提供了一些参考。

关键词：教学设计，虚拟实验，实验中心

中图分类号：G203文献标识码：A文章编号：1009-3044(2008)23-1075-03

Virtual Experiment Center Research Based on Instructional Design

AN Li-na

(Nanjing Normal University, Nanjing 210097, China)

Abstract: Combining with the basic theory of instructional design,the research analyzed the constituent elements of virtual experiment systematically,and focused on the functions that the virtual experiment center should have.On this basis,the research concluded that virtual experimental center should have six modules according to the experimental process.Hope that the research can provide reference for the study of virtual experiment center.

Key words: instructional design; virtual experiment; experimental Center

1 引言

以计算机技术为核心的现代教育技术在教育领域中的应用已成为衡量教育现代化的一个重要标志，虚拟实验研究可以说是教育领域应用教育技术的一种创新。目前已有许多高校重视并致力于虚拟实验的研究、开发及实验中心的建设工作，并取得了一定的进展，但是在实际应用中暴露出许多问题，比如系统化程度欠缺，内容设置不够合理，实用性能较差，与学生要求不符合等，与我们的预期目标仍有很大差距。因此我们迫切需要以基本教育原理为指导，建设一批符合教学要求、学科门类齐全的高质量的虚拟实验中心。以教学效果最优化为目的的教学设计，综合考虑需求分析，学习者分析，内容分析，教学策略分析，恰好可以解决我们在建设虚拟实验中心过程中遇到的一系列实际问题，因此我尝试着以教学设计为指导原则，全盘、系统化的设计虚拟实验中心的建设问题。

2 虚拟实验的要素分析及设计

教学设计强调运用系统方法发现、分析、解决教学问题，从而实现教学效果的最优化，因此在分析虚拟实验要素及流程时，本人借鉴教学设计的基本理论，对虚拟实验的需求、内容、目标等七大方面进行了分析，并提出自己的观点。

2.1 实验需求分析

虽然从技术角度来说，理工科的大多数学科可以借助虚拟实验来完成实验任务，但从我国目前的设施与资源状况来看，不可能一一到位，因此需要认真调查社会、学校对虚拟实验的需求，分出轻重缓急，统筹安排。建设时，在借鉴国外经验的基础上，应该充分利用国内现有的基础设施和人力资源，有组织、有规划的进行，最好能集体研制，共享成果，避免重复投入。

2.2 实验内容分析

通过分析实验需求，确定了应该建设虚拟实验的学科，但实验内容的组织及呈现方式也关系着实验的最终效果。因此应该按照逻辑层次和心理程序组织实验内容，慎重安排呈现序列，而且每个实验组块的大小应该按照内容的复杂和困难程度以及学生的学习风格确定。

另外，应该鼓励学生综合运用知识，自主设计实验，验证设想，以调动学生实验的积极性和主动性，培养其创造能力和综合能力。

2.3 实验目标分析

明确阐明实验目标，学生就会有强烈的参与感，积极参加实验，还可以为以后制定实验策略及开展评价提供依据。需要注意的是，目标的表述应力求明确、具体，可以观察和测量；而且尽量展示给学生实验结束后所要完成的行为表现的典型例子，使学生对需要掌握的技能有理解的方向和模仿的榜样。

2.4 实验对象分析

实验对象分析在于了解他们的实验准备情况和学习风格。

实验准备情况的分析是要确定实验的起始点，了解学生是否具备了进行新的实验所必须掌握的知识与技能，这是操作新实验的基础；了解学生是否已经掌握或部分掌握了实验目标中要求学会的知识和技能，以便调整实验内容。

了解学生学习风格，就能够以学生为本制定实验策略，尊重学生独特的认知特征、情感特征和人格特征。当然，为每一个学生都量身定做一套适合其学习风格的实验方案不太现实，在实际操作中存在着很大的困难，但我们不应该因为困难的存在，就放弃这方面的研究。

2.5 实验策略分析

实验策略选择得当与否关系到实验能否顺利进行，下面主要从实验方法、组织形式及实验程序方面综合考虑实验策略的选择原则。

虚拟实验方法有两种形式：观摩型实验和操作型实验。对于观摩型实验，学生只能调阅观察，无权操作。对于操作型实验，学生可以观看实验内容，还可以运用输入设备对实验过程进行实时操作。

实验组织形式也主要有两种：个人操作和小组协作。对于观摩型实验或者小型操作型实验，学生个人就能完成，则不需要协作。对于大型操作型实验，可以利用网络技术和设施，使实验人员联机合作，为他们提供一个协作研究的环境。

实验程序可以分为三大阶段：预备、操作、迁移巩固。

预备阶段，确定一个前瞻性、时效性的问题，激发学生的兴趣，并提供实验的有关资源、案例及求助信息，供学生学习、研讨和利用；操作阶段，学生自主实验，教师及时跟踪解难；迁移巩固阶段，及时将实验结果反馈给学生，给以激励，并且提供在不同情境应用实验技能或在相同情境中反复练习的机会，以利于技能的迁移和巩固。

2.6 实验监控

在虚拟实验中学生比较自主随意，而且可能随时会遇到一些困难，如果得不到及时解决将会影响实验效率。为保证实验顺利完成，设计时必须考虑建立相应的监控机制，以便及时了解学生的实验情况，提供适当的督促、指导策略，保障实验顺利有序的完成。

2.7 实验评价

实验评价主要针对两方面，一是实验情况，二是系统本身。

第一类评价要对实验教程、学生实验的达标程度给以判断，并解释需要改进的地方，对实验起到监督和控制的作用，并为师生调整教学行为提供依据，使实验效果越来越接近预期目标。第二类评价是为优化系统功能而设计。一定学时的实验结束后，应及时向实验教师、学生发放一些调查问卷，跟踪了解中心目前的功能能否满足他们的需求，哪些地方需要改进，从而对系统进行调整。

评价方式要结合运用多种评价方法，以求结果公正准确。

如图1为虚拟实验分析设计的一般模式。

3 虚拟实验中心功能模块研究

在综合考虑教学设计几大因素的基础上，本人认为虚拟实验中心需有六大功能模块：登陆管理模块、诊断性测试模块、学生实验系统模块、教师实验系统模块、考核模块、数据管理模块。其中登陆管理和数据管理模块是两大辅助模块，主要负责后台管理。而诊断性测试模块、学生实验系统模块、教师实验系统模块、考核模块是中心的主要模块，主要保障虚拟实验顺利而有效的进行。下面将分别论述几大模块的主要功能。

3.1 登陆管理模块

主要进行身份验证，若身份合法，则允许用户进入系统；若身份非法，则拒绝登陆。

用户具有不同的操作权限，只能进行与其身份相适应的操作，不得越权。非用户在遵守一系列安全协议和使用协议的条件下，也可以注册成为中心会员，从而实现网络资源的共享。

3.2 诊断性测试模块

本模块将采用问卷或者其他形式对学生进行测试，主要判断学生是否已经具备了进行新实验所必需的理论知识、安全知识及基本操作能力；判断学生对新实验理论知识的掌握程度等。

第一类测试是资格性的，合格则说明学生具备进行新实验的资格，并且可以自行选择实验类型及内容，开始实验；如果未合格，则系统自动调出与本实验相关的资料供学生学习，然后再考察。第二类测试是辅助性的，合格则可以跳过实验学习这一环节，直接进行操作，未合格则进行实验学习。

3.3 学生实验系统模块

本模块是实验中心建设最重要的模块，学生的一系列学习及交流将通过本模块进行，主要具有实验学习、实验操作、在线交流三大功能。

3.3.1 实验学习

本模块向学生提供实验教程和指导书或者其他数字化学习资源，确保学生掌握新实验的基本理论知识。学生还可以通过这一模块提交实验报告、实验预约申请等。

需要注意区分的是，在诊断性测试模块中，向测试未及格学生提供的相关资料与这一部分资料是不同的，前一模块是为了了解学生是否具有进行新实验所必须掌握的知识与技能，因此所提供的资料也是对欠缺知识和技能的补充；而这一模块则是完全关于新实验学习的资料，是学生要达到新的实验目标必须掌握的知识与技能。

另外，如果诊断性结果显示学生已经掌握新实验的基本理论知识，只是实验技能需要培养的话，学生可以跳过具体的实验学习环节，但必须提交实验报告。

3.3.2 实验操作

观摩型实验一般不需要学生和计算机交互，学生可以观看实验内容，但不能动手操作，如一些演示性的虚拟实验课件，但在实验前要提前预习，发现问题，提出假设，带着问题观察、思考，以解决问题、验证假设。

操作型实验一般需要学生和计算机交互，学生不仅可以观看实验内容，还可以运用输入设备进行实时操作。学生操作时要严格按照安全规则和实验顺序进行，不能因为是虚拟实验而忽视安全问题，省略细节步骤。如果学生操作根本不依据安全规则或有重大安全隐患，系统应该及时给以提醒，并根据安全事故的严重性扣掉学生实验得分，或在考核中体现出来，以利于学生科学实验态度的培养。

3.3.3 在线交流

这一模块具有在线实验讨论、在线疑难提问等功能，为学生提供一个与同学交流讨论，向实验教师求教的在线学习支持环境。

3.4 教师实验系统模块

这一模块主要具有资源维护、实验指导等功能，保障学生实验安全、顺利、有效的完成。

资源维护主要是维护和更新实验学习资源，并审核学生提交的实验预约申请，统一调度实验资源，合理分配给学生使用。

实验指导应体现在实验学习、实验操作以及实验考核等各个环节上，主要有两种形式，一种是实时的在线指导，一种是延迟的公示型指导。在线指导主要在讨论区进行，教师借助在线交流工具对学生遇到的问题随时随地给以指导，以保障实验的顺利进行。公示型指导主要借助于留言板。教师在留言板上针对一些常见的、普遍的实验疑难问题进行解答公示，并且教师还可以在此和学生共同研究开发实验方案等。

3.5 考核模块

实验考核主要考核学生两方面的能力，即实验设计能力和实验操作能力。

实验设计能力的考核主要通过分析评阅学生提交的实验预习报告、实验报告、考试试卷等文档资料获得；实验操作能力的考核主要依靠系统实时监测学生实验中的具体步骤和关键细节给以定性或定量考查。

3.6 数据管理模块

数据管理模块主要有两大功能：一是管理维护实验中心自身的数据，以利于发现运行中的问题，不断改进和完善；二是存储和分析学生实验过程中的数据及最终考核成绩，便于教师统计学生出勤率、达标率及发现实验过程中的问题，改进实验教学资源。

如图2是虚拟实验流程设计图。

4 结束结

虚拟实验具有经济性、开放性、安全性、针对性等优点，能够实现现实环境和资源在空间和时间上的延伸，这也是我们致力于虚拟实验中心研究开发的原因。但与此同时，我们应该明白，虚拟实验对于学生来说，整个过程是通过鼠标和键盘完成的。由于学生和实际实验对象没有直接接触，虚拟环境也不可能无差别地模拟真实环境，因此虚拟实验教学依然存在着局限，在学生创造能力和科学态度、动手能力的培养上均存在着不足，因此，真实实验在实验教学中仍有必要性和基础性，虚拟实验只是对真实实验的补充。因此我们努力的方向是使虚拟实验尽可能真实的模拟真实实验。

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