浅析虚拟实验与教学应用

摘 要：虚拟实验技术的成熟发展和实验教学改革的迫切需要使得虚拟实验在教学中的应用从理论研究走向了实际应用。虚拟实验不仅是一种先进的技术手段，而且是一种新的科学研究方法。该文以虚拟实验理论为基础，进行了新的理论思考：从技术实现和教学应用的角度来构建虚拟实验系统，从帮助学生的概念知识和技能掌握角度分析虚拟实验的方法特点在培养学生的创造性思维能力和互助合作精神等方面的作用。

关键词：虚拟实验 教学应用 创新能力

中图分类号：G4 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2012）12（b）-0-01

该文围绕虚拟实验系统以及其教学应用问题展开分析，主要内容分为以下几个部分。

1 虚拟实验原理

1.1 含义和特征

虚拟实验系统是以数学理论、相似原理、信息技术、系统技术以其应用领域有关的专业技术为基础，以计算机和各种物理效应设备为工具，采用“面向对象”思想创建的，能够实时操作的、非实在的实验空间，在此环境中，实验者可以像在真实的环境中一样完成各种预定的实验项目。

它可以打破时间、空间的限制，拓展我们实验的空间，可以虚拟生命起源、地球的形成之类的实验，可以虚拟地壳之内、太空之外的实验，甚至可以虚拟人类心理活动的实验，向我们展示我们从未感受过的时空景象。由于虚拟实验具有上述优势，人们很快发现它不仅可以应用于科学研究和科学实验，也可以将它引入教育教学活动。

1.2 虚拟与真实连结的纽带

众所周知，现实世界与虚拟世界是整体的客观实在世界的两个相互补充的方面，一方面人们不能没有对自然界的深刻体验，同样另一方面也离不开对生活空间的想象。那么在虚拟实验环境中究竟要怎样学习？怎样与实践活动相联系？怎样分析虚拟世界与真实世界之间的关联，并从经验和人的感知觉等角度探讨虚拟实验与真实世界的联系，以便学生较好地掌握虚拟实验中的相关因素，进行真正意义上的自主学习，从而获得自身能动性的最佳延伸。

教育教学改革的不断深化对实验教学在培养学生的科学研究能力和综合素质等方面提出了更高的要求。相对于理论教学，传统的实验教学的教学内容、模式和方法亟待革新与完善。依据人们的认识规律和教学规律，借助于计算机等技术，有机地将教学内容、虚拟实验设备和学生操作紧密结合起来，更具有直观性、实践性、综合性和创新性等特点。随着虚拟实验越来越广泛地被各种教学活动所采用，这类实践活动越来越迫切地需要理论的指导；而随着实践经验积累得越来越多，也为系统地开展关于虚拟实验及其教学应用问题提供了可以依赖的基础。

2 虚拟实验系统的具体应用

2.1 概念与技能掌握

在概念学习中，奥苏贝尔认为概念的获取主要有两种方式，一是概念形成，二是概念同化。事实上，学生掌握的许多科学概念都是从日常概念中发展而来的。实验教学中概念掌握，应该从感知具体的物质和现象开始，从已有的知识出发，通过实验或推理，由表及里、由浅入深，有层次地由感性认识上升到理性认识。

而实验教学过程中的技能训练是使学生把已获得的知识运用于实践在实践活动中指导学生动手操作，把知识转化为能力，从而获得应用知识的本领。

2.2 探索与合作学习

实验活动强调探索与合作，是创造性的活动，不仅能引导和培养学生勤于思考、善于发现和提出问题，而且能培养学生观察、分析和解决问题的能力。特别是，在虚拟实验环境中学生之间的探索与合作学习，有助于培养学生认真负责的精神和合作的意识，不同的智慧水平、知识结构、思维方式的学习者之间可以互补，是一种有效传授知识技能的方式。协作式虚拟实验系统已经成功地应用于宇航员训练中。

总之，虚拟实验所提供的任务整合了多重的内容和技能，学生可以尝试着从接近日常的角度来观察世界，突出其中的特定规律，有助于学生意识到他们所学知识的相关性和意义性。因而在虚拟实验环境中，可以帮助学生从简化的世界中获得关于真实世界里的各种现象和科学知识。值得一提的是，虚拟训练系统不可能与真实训练环境完全一样，所以要重视培养学生掌握解决问题的模式和策略，启发学生把虚拟训练中学到的知识和技能运用于实践。

3 虚拟实验系统结构

3.1 系统设计

电脑游戏之所以能吸引参与者，在于它能及时提供反馈，参与者并不因达不到目标而失掉兴趣，相反更具有挑战性。如果虚拟实验系统具有游戏的性质，则实验环境更能丰富学生的经验，引导学生探索，尝试新的解决方法。因此，虚拟实验内容与组织的设计首先应该考虑的是如何激发学生的兴趣，以达到实验目的。虚拟实验系统设计和开发的相关原则如下：一致性原则、开放性原则、交互性原则、冗余原则和合用准则。

3.2 环境架构

构建虚拟试验系统的方法有很多，但基本思想应该是一致的，即用软件方法来模拟硬件设备的功能。虚拟实验系统一般由用户界面、实验处理系统、控制管理系统和系统中的其他库（如数据库、案例库、规则库、知识库、模型库部分）等共同构成。

虚拟实验的教学过程是建立在一般实验教学活动过程、学生的认知过程和实践活动以及教学的基本规律的基础之上的。虚拟实验系统的过程模型有4个，分别是①用户界面②情境设置③过程模拟④总结评价。这四个方面构成了一个较完整的体系，系统根据实验者所示定的参数，将实验过程中发生的变化和实验结果直观地呈现出来，以便实验者对自己的操作有一个整体的把握。在实验教学的实际应用中，根据学生的特点和实验需要出发，有针对性地运用虚拟实验系统，更好地体现“学生为主体”这一教学思想，培养学生的科学素养和创新

能力。

在虚拟环境中，实验的成功与否，当然与学生的认知活动密切相关，同时也离不开虚拟实验系统所提供的实验环境。了解虚拟实验系统的实际及常用的开发工具，可以根据实际的实验需要，开发新的虚拟实验系统，或者改进已有的虚拟实验系统，用来提高学生的实验兴趣，从而提高实验教学的针对性和实

效性。

随着相关技术和学习理论的发展，虚拟实验系统将更为完善和人性化，更加适应实验教学发展的需要。使用虚拟实验系统辅助实验教学在某种程度上改善实验教学条件，但是也有可能限制学生能动性的发挥。教师要发挥重要作用，不仅要提高学生对虚拟实验的概念、原则和技术的认识，又要结合实际情况考虑虚拟实验的组织与实施以及存在的问题。总之，要因地制宜，既要考虑学习目标、实验内容，也要考虑学生特点、教师态度、实验环境等因素，都是为了更好地采用合理的实验教学组织形式，满足不同学生的不同学习要求，从而实现实验教学的个性化。

参考文献

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