实验课程的网络虚拟实验室教学探讨

摘 要：虚拟仿真技术与实验课程结合可以实现高校实验实训教学的网络虚拟化，不但实现实验课程的网络教学，提高教学效率，而且提高了学生的学习兴趣，充分发挥其学习主动性和创造性。介绍了实验课程中虚拟实验的发展现状、种类、特点以及模拟过程，讨论了网络虚拟实验课程的发展趋势，提出改进虚拟实验室的建议和意见。

关键词：实验课程；虚拟实验室；教学

1 实验课程网络虚拟实验室教学的现状

随着科技的发展，计算机技术和网络通信技术的日益成熟，网络教育与教学平台也越来越得到普及与发展。在现代教学中，不仅需要师生面对面的交流，为了更深入地指导学生，还应借助现代计算机技术、多媒体技术和现代通信技术，将知识的载体丰富化和多样化，进一步丰富教学手段。网络实验教学是整个现代教育中不可或缺的重要组成部分，并在其中发挥着重要作用。网络实验教学与网络课堂教学的方式是有不同之处，在网络实验教学中，基点是学生必须亲自动手，只不过不是在实验室而是在虚拟实验室；而网络课堂教学偏重于理论课的网络化与虚拟化，许多课程是通过远距离的多媒体教学手段完成的。相对于网络实验课的教学而言，网络课堂教学更抽象，后者不能动手操作。网络实验课教学的特点，是在网络页面中创建出一个可视化高度仿真的实验操作环境，通过操作虚拟的实验仪器或设备，即可模拟各种复杂的实验，达到与真实实验环境一致的教学要求和目的。它是虚拟仿真技术、计算机技术、网络技术与专业理论知识多方面的结合体，同时也解决了目前远程网络教学中缺乏实验教学环节的难题，必将促进远程教学质量的大幅度提高。

网络实验教学中，最为关键也最难解决的是实验过程的实际操作，既要达到实验室教学的效果，又要允许学生出现实验室可能发生的错误操作。

2 实验课程网络教学的种类

目前已经存在的网络实验课程形式主要有：网络实验动画演示、仿真实验和虚拟实验等。网络实验动画演示是网络实验教学初期的主要形式，以教师播放，学生观看为主，学生被动接受，全部过程很少有学生主动参与的环节，类似于视频化的演示实验，以动画的形式展示，不利于学生主观能动性的发挥，其不足之处显而易见。

仿真实验主要是将实验室仪器和设备照片通过软件加工使其电子化，在计算机中用软件模拟仪器、设备和元器件等实验器材。进行实验的学生进入仿真实验室后，可以根据实验要求选择、利用虚拟实验室器材库中的“实验器材”，按照实验要求进行组合连接。同早期的动画相比，仿真实验更真实，更易发挥学生的主观能动性，也更有利于提高他们的实验兴趣，同时利用仿真实验还可以开展传统实验室中一般无法进行的“破坏性”实验，加深学生对实验内容的理解和认识，充分鼓励学生在仿真实验课中的创新设计和思维。

仿真实验课程的实验环境贴近实际，可以为学生提供自主探索的学习环境，使之自由安排时间，发挥其主动性，并且可以通过软件资源全校共享，改善了教学资源缺乏的现状。利用仿真软件解决现代实验教学中遇到的问题，在一定程度上可以达到事半功倍的效果。

虚拟实验室是将实际操作的实验过程用计算机以及3D等多媒体技术更形象、更贴近实验室实际情况地模拟出来，并在实验进行中适当地呈现文字和提示，或者随着实验的进行。教师对整个实验过程加以详细的解释和说明；学生既可以在虚拟实验台上动手操作，又可自主设计实验，有利于培养学生的操作能力、分析诊断能力、设计能力和创新意识。在虚拟实验室中，学生更易获得相关的知识、科学的指导和敏捷的反馈，产生身临其境的感觉。学生不但能够有效地掌控实验过程，而且能够最大限度地获取整个实验过程的关键所在，掌握整个实验的精髓，并在真实实验中得以验证。

3 实验课程网络教学的特点

将网络技术应用到实验课程中，充分发挥其优势，可以使学生的实验操作技能得到大幅度提高，其特点如下：

3.1 感知性

感知性除了一般模拟实验所具有的视觉感知外，还有听觉、力觉、触觉、运动等感知。理想的虚拟实验应该具有真实实验所具有的全部感知功能，达到真实实验的效果，从而丰富学生的感性认识，充分拓展学生的观察力和科研思维，为形成正确而深刻的理性认识奠定基础。实验课程在设计时要充分发挥虚拟实验直观性、趣味性强的优势，对容易出错的地方和注意事项，设置提示性对话框，将一些学生平时观察不细的操作步骤和真正实验无法演示的错误操作与可能产生的危险结果运用虚拟实验表现出来，充分发挥学生的能动性，吸引学生的注意力，体现出实验的趣味性，使学生乐于体验，从而提高教学效率。

3.2 沉浸感

沉浸感是指在虚拟实验操作中学生感到作为主角存在于虚拟环境中的真实程度。理想的虚拟实验应该达到使学生难以分辨虚拟与真实的程度并取得与真实实验一样的效果。目前的科技水平还很难达到这样的效果，或者说即使达到了，但因成本太高，难以应用，是以后虚拟实验室发展的趋势。

利用虚拟实验室的教学环境造就学生学习的情境，使学生的心理、思想、行为发生一系列的反应，即虚拟实验的学习过程。这要依赖于合理、巧妙，乃至宏观、微观的实验设计，使学生在娱乐中学习，引起学生的好奇心，启发科研思维。

3.3 交互性

交互性是在虚拟实验中教师与学生之间的双向、多向反馈，是在虚拟实验中教与学的交流、交往、沟通、联系、影响及相互作用。交互性虚拟实验具有民主性、多样性、激励性、开放性、反馈性等特征，它可以充分发挥学生的能动性。

学生与虚拟实验室之间通过窗口传递信息。学生可以独立完成实验的操作，并由软件根据学生的操作实时做出反馈，帮助学生改正不正确的操作，最终通过操作虚拟实验室的仪器设备，实现学生在真实实验中的操作和效果，完成实验知识点的学习。由于虚拟实验室教与学时空分离的特点，教师对学生的操作不能实时地做出评判，尤其是实验的操作，需要由虚拟软件对学生的每一个操作给出及时准确的判断，如果出现错误操作，实时提示并予以改正，能够帮助学生正确掌握每一个实验的实验原理，熟悉实验操作、仪器和试剂的选用，并了解数据处理的过程和方法等相关内容。

3.4 真实性

真实性是指虚拟实验中仪器操作对真实操作的模拟程度，是虚拟实验室和真实实验室的差异程度，真实性越强，虚拟实验模拟效果越好。如果学生在虚拟实验室中感受到和真实实验室一样的效果，那么在真实实验中的失误操作就会越少，安全系数越高，学生的好奇心也会被激发，从而在实验中感受到学习的乐趣。真实程度的高低直接影响到虚拟实验室的模拟效果。例如：使用试剂瓶时，试剂瓶会按学生的要求移动、摇动或振动；滴定时颜色逐渐发生变化；燃烧实验中火焰的颜色及沸腾程度会发生变化等。

3.5 科学性

科学性是指虚拟实验的内容和操作符合学生的认知规律，符合真实的实验过程，掌握学生实际操作水平，科学合理地安排实验进度和实验的操作技术，在虚拟实验中将每个实验的操作原理、操作技能科学而严谨地展现出来。同时将教师平时积累的学生的不规范或错误操作，在软件中以案例的形式展现出来，在学生出现同样错误时予以提示和警告。将复杂、枯燥的操作技能，用类似于游戏的方式展示，使之变成有趣的实验，让学生在轻松的氛围中掌握规范性操作；充分利用虚拟实验室进行基本操作训练，避免实际操作时出现大的失误和危险。

3.6 直观性

直观性是指在虚拟实验过程中，学生通过实验观察或界面语言的形象描述，形成对虚拟实验过程的清晰印象，对实验有整体的把握，强化对实验的感性认知，从而能够正确理解课堂知识，并挖掘自己认识事物的能力。

网络实验教学的直观性表现在过程的可视性和易于理解。例如对于微生物外表结构的观察，由于微生物个体是微米量级的，一般的光学显微镜很难观察到其细致的亚显微结构，但在虚拟的网络实验中可以进一步放大，从显微结构到亚显微结构，都可以淋漓尽致地表现出来，还可以对微生物上色，不同的结构使用不同的颜色，学生既观察了结构，还练习了微生物的染色方法，使得在真实实验室难以实现的操作，在虚拟实验室轻而易举地得到实现，而且更加形象生动，其效果甚至优于真实实验。

4 实验课程网络教学的一般途径

实验操作的虚拟化是现代科学技术在教育领域的应用与发展，它丰富了实验内容，提供了多方面的实验手段。虚拟实验突破了空间和时间的限制，改变了传统教学的方式，也改变了学生的学习方式。

虚拟实验教学过程主要包括实验目标的制定、预习实验、虚拟实验、现实试验、评估交流5部分（如图1所示）。

4.1 实验目标的制定

科学的实验目标首先应结合课程实验教学体系进行设计，然后根据该学科培养目标及具体课程的教学内容进行确定，同时结合学生的学习特点，设计出切实可行的实验方案。方案的设计应由易到难，由简单到复杂，循序渐进，并且征求学生的意见和建议，使教学目标符合学校的要求和学生的实际情况。

4.2 预习实验

实验前的预习，要求学生明确实验目的和要求，理解和把握实验的基本原理和方法，明确实验所要测定的内容及操作步骤，更要明确实验的注意事项。多次实验证明，预习是实验成功的关键步骤之一。传统的实验教学一般采用让学生写预习报告的方式预习实验，并作为一项任务布置给学生，让学生还没开始实验，就已经产生厌倦情绪，因为学生没有实际动手操作，很难想象出实验的步骤。因此预习效果差，并且流于形式，达不到预习的目的，甚至有的学生为了完成任务抄袭别人的预习报告。

为了提高预习效果，并激发学生的学习兴趣，我们讲授实验时尽量展现与实验相关的知识，同时将抽象的实验原理和方法变成易于学生接受的图片或者动画，加深学生的印象。针对不同性质的实验，学生可以根据自己的兴趣和需要选择课堂或网络信息作为实验预习的参考材料，通过多种渠道和方式了解实验的相关知识。

4.3 虚拟实验

预备工作完成之后，学生进入虚拟实验阶段，网络上展示实验教学视频。在进行虚拟实验时，没有预习好的学生还有补救的机会，他们可以选择收看实验的视频，看完之后再继续虚拟实验。当学生进行模拟实验时，如果操作出现失误或操作错误，软件会及时提醒，如果学生不改正，软件将会把错误操作导致的结果模拟出来或者让学生看到错误操作带来的危害。在虚拟实验的同时，学生还可进行网上沟通，交流实验的进展、实验结果和做实验的感受，了解到不同的操作将出现不同的结果。

4.4 真实实验

真实实验主要分为3部分：实验过程，数据处理，实验报告。通过已经进行的虚拟实验，学生改进真实实验的操作步骤和实验方案，并与教师讨论，选择最佳方案，然后进入实验室做实验。在实验过程中，学生应尤其注意与虚拟实验不同的地方，并如实记录现实实验现象及数据。与网络实验不同的是，现实操作需要真正地接触实验药品和仪器，其中的操作和虚拟操作会有出入，并且实验结束后，还要将相关的仪器和试剂归位，打扫卫生，这些在虚拟实验中均不存在。实验过程中，如果有意外情况或者疑问，学生可随时与教师交流，实现了面对面的交流和沟通。学生通过网络与其他学生或教师进行讨论交流，充分发现实验的兴趣，同时加深对实验原理的理解。实验结束后，学生通过计算机处理数据。教师要告诉学生正确的处理方式和使用的原理。最后是提交本次实验的实验报告，学生还可以将实验的收获和感受写入实验报告。

4.5 评估交流

无论是虚拟实验还是真实实验，实验的过程同时也是交流的过程。整个实验结束之后，教师应总结实验中出现的一些现象和结果，认真分析其原因，同时概括总结学生的建议和感受，接受学生合理的建议和意见。教师可将好的经验在全校范围内交流，同时进一步完善实验的教学目标，明确教学任务。

5 虚拟实验课程教学的发展趋势

目前网络虚拟实验系统还不完善，与真实的实验操作还有相当大的差距，所以目前仍以真实实验为主，这就需要进一步设计与开发更逼真的虚拟实验系统和更成熟的技术。同时开发虚拟实验通用模型或者模块，实现不同的实验使用相同的虚拟实验室，类似于在同一个实验室做不同的实验，以避免不必要的重复开发软件，从而降低虚拟实验室的成本，使虚拟实验室成为普遍的教学手段。

加强虚拟实验室的平台共享。目前大多数虚拟实验室局限于很小的范围之内，如学院、局域网或校园网。科学实验是多方面的协作性活动，应多方面沟通合作，实现不同院校和不同单位之间的协作共享，同时交流不同的教学经验，加快改进的步伐，促进虚拟实验室的进一步普及和利用。

加强合作共同构建虚拟实验室。虚拟实验室建设初期需要配备硬件和软件，基础投入较大，同时实验本身就是一种相互合作共同进步的活动，所以未来虚拟实验室的构建更趋向于不同地域和不同平台之间的相互合作。

教学评估与自适应。虚拟实验室将从虚拟实验过程中获取不同的实验信息和数据，并根据这些信息和数据的变化，不断地修正虚拟实验的环境、性能和参数，丰富虚拟实验的数据库，为学生提供一个具备自适应特征的实验学习环境。

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