虚拟实验中半自动实验报告的设计

【摘 要】

文章首先分析了基于网络的实验报告使用现状，以及使用过程中存在设计模式单一、实验报告和实验过程“两张皮”现象、实验报告评价不及时、不完善等问题；然后为解决上述问题，构建了基于虚拟实验的半自动实验报告系统，并从功能实现、系统设计、数据库表的设计、界面设计这四个方面分别进行了阐述；最后为了使学生能够顺利熟练地使用该实验报告系统，给出了相应的使用建议。

【关键词】 虚拟实验；半自动实验报告；设计

【中图分类号】 G642.0 【文献标识码】 A 【文章编号】 1009―458x（2011）12―0085―06

《初中化学新课程标准》在基本理念中指出： “要让学生有更多的机会主动地体验探究过程，在知识的形成、联系、应用过程中养成科学的态度，获得科学的方法，在‘做科学’的探究实践中逐步形成终身学习的意识和能力。”[1]按照新课程的设计理念，化学教学中要使学生有更多的机会主动地体验探究过程，从而发展学生分析问题、解决问题的能力以及观察、思考、归纳总结的能力，而上述目标只有在实验教学中才能更好地实现。实验报告是实验教学一个极其重要的组成部分，它是学生对整个实验工作包括实验目的、原理、方法、步骤和结果的归纳、分析和全面的总结，也是对学生观察能力、逻辑归纳能力、综合分析能力、文字表达能力的培养和锻炼[2]，撰写实验报告的过程就是学生综合思维能力的培养过程，是学生养成科学的态度，获得科学方法的重要手段。教师可以通过批改查阅学生的实验报告，发现学生的认知模糊点，获得教学效果的反馈信息。但是，在目前的实验教学过程中，对于实验报告的设计、使用、评价却出现了很多问题。为了能够更好地解决这些问题，改善中学化学实验教学，优化其教学效果，本文设计了基于虚拟实验的半自动实验报告。这里的“半自动实验报告”是指实验报告的一部分是系统自动生成的，另一部分需要学生手动填写。

一、基于网络的实验报告的使用现状

随着虚拟现实技术和计算机技术的飞速发展，虚拟实验在教学中的应用越来越普遍。笔者在查阅文献的过程中发现，关于虚拟实验方面的研究很多，国外的有麻省理工学院的WEBLAB、Science Space等，国内的有中科院上海有机化学研究所的虚拟化学实验室、浙江大学的虚拟化学实验、VCM仿真实验网站等。然而，关于基于网络的实验报告的研究却不是很多，其中主要有“基于Web构建在线实验报告系 统”[3]、“基于网络的实验报告管理系统”[4]、“通用实验报告网络化管理系统”[5]、“电子实验报告自动批改系统的设计与实现”[6]等文献。以上这些文献对实验报告的优化设计、使用和管理、减轻教师批改负担等方面进行了探讨，但是对于如何将虚拟实验和实验报告有机的联系起来，使学生在做实验的同时将观察到的实验现象、问题记录在实验报告中；如何有效地利用实验报告更好地帮助学生进行自我评价，使学生在填写实验报告时发现还有哪些问题没有解决；如何利用数据库表自动记录学生在操作虚拟实验时生成的数据；如何有效防止学生互相抄袭实验报告；如何利用实验报告更好地培养学生观察、分析、归纳总结问题的能力等，在现有的研究中几乎很少提到。

为了能够更好地解决这些问题，本文设计了基于虚拟实验的半自动生成实验报告。所谓半自动生成实验报告是指在设计的过程中，我们将实验报告分成了三个部分，分别是：①客观部分（如实验说明、目的），这是直接记录在实验报告里的部分；②学生在操作虚拟实验时系统自动记录的部分；③主观部分（如实验中存在的问题、反思等），这是学生手动填写的部分。前两个部分系统可自动判断正误、给出评价反馈信息、记录分数并将分数显示在实验报告的客观题得分部分，第三部分则需要学生手动填写，故此称其为基于虚拟实验的半自动实验报告。

二、实验报告存在的问题及反思

通过查阅大量文献，调查研究现有的实验报告系统，并对部分中学化学骨干教师进行访谈和问卷调查，我们发现目前的实验报告无论是纸质的，还是电子版的，在设计和使用方面都存在着很多问题，这主要表现在以下五个方面：

1. 实验报告的设计模式单一

实验报告的设计模式比较单一，不能根据具体的实验设计合适的实验报告。常见的各种初中化学实验册中的实验报告大多是填空式的，一般包括实验目的、实验原理、实验药品及仪器、实验装置图、实验步骤等。通常学生在填写实验报告时积极性不高，对实验步骤、细节考虑不周，不会分析和解释实验中出现的现象，不会考虑为什么要这样做，更不会考虑实验中可能存在什么问题，以及如何去解决，有的学生甚至编造或抄袭他人的数据，无法对整个实验进行更深入地理解和思考[7]。

2.师生不重视实验报告的使用

在实际的中学化学实验教学中，教师和学生不重视实验报告的使用，没有意识到实验报告的重要性。教师一般对于实验目的、原理、操作较为重视，但对学生书写的实验报告往往要求较低，有的甚至只是为了应付学校的教务检查，让学生突击书写实验报告；有的教师教务繁重，没有足够的时间、精力认真批阅大量的实验报告；有的教师在批阅实验报告时也不认真对待，不能给予学生及时的反馈，不能给出相应的问题解决建议或方法。另外学生在书写实验报告时也不认真对待，如书写潦草、层次不清、不能如实及时地记录实验中遇到的问题、不重视实验结果的分析和讨论等等。

3. 实验报告和实验过程“两张皮”现象严重

“两张皮”指的是相互之间原本存在必然联系或依附关系的两种事物发生游离而单独存在。现有的基于网络的实验和实验报告的“两张皮”现象就十分严重，它们将实验和实验报告截然分开，忽视了两者之间的必然联系。目前基于网络的在线实验报告系统，仅仅设计了实验报告部分，单单支持实验报告的上传、管理与批改，而关于如何设计实验，如何将实验和实验报告有机联系起来却只字未提。我们设想一下，学生在真实的环境中做完实验之后，再登录实验报告系统将实验数据填写到已经设计好的实验报告上，暂且不说这一过程是多么的繁琐，只要想到实验中观察到的现象、存在的问题、实验数据等如何当场记录就是一个很大的问题。然而，学生在真实的实验室中，可以边做实验边将观察到的实验现象、得到的实验数据及时地填写在实验报告中。因此，在线的实验报告系统只有具备这种功能，才符合化学实验教学的实际，才能为学生实验能力的培养提供一个较好的平台。

4. 不能动态的增减实验项目和实验报告

现有的实验报告系统大多是静态的，不能动态的增添、删除、修改实验项目和实验报告。它们只是设计了几个实验科目和相应的实验报告，支持实验报告的上传、管理和批改查阅。但是，如果学科教师根据课堂实际，想增减实验报告项目，就不得不重新制作网页、规划网站。这既加重了教师的负担，也不利于实验报告系统的后期管理和使用。

5. 实验报告的评价不及时、不完善

在当前的中学实验教学中，教师和学生之所以不重视实验报告的使用，一个很重要的原因就是缺乏评价实验报告的有效机制。目前实验报告在评价方面存在的问题主要有以下三点：①对实验报告本身的评价功能不完备，如设计模式、内容的难易程度等等，不能充分评价学生的实验能力；②教师不重视实验报告的评价功能，不能将学生实验报告中存在的问题及时地反馈给学生；③学生不能依据实验报告的反馈，发现实验中存在的问题，找出学习上的不足之处。

三、基于虚拟实验的半自动

实验报告的设计

为了解决上述实验报告设计与应用中存在的问题，更好地利用实验报告提高学生自主学习的积极性、提高学生实验操作能力、培养学生的综合应用能力[8]，依据中学化学实验教学的特点，我们构建了基于虚拟实验的半自动生成实验报告，以下主要从功能实现、系统设计、数据库表的设计、界面设计这四个方面进行详细的阐述。

1. 功能实现

首先，用户依据身份登录或注册，进入相应的模块。图1中的VCE是Virtual Chemical Experiment虚拟化学实验室的简称，学生、教师、管理员分别以各自的学号或教师号登录，同时，用户也可根据要求注册账号，取得相应的权限后才可进入。一般情况下教师只能选择进入教师模块，同理学生也只能选择进入学生模块，而不可随意选择，任意进入其他模块，以避免造成使用和管理上的混乱。

其次，预习实验。对于学生来说，应选择即将要学的实验项目并预习实验，在这一项操作中，学生可以了解实验演示、实验目的、实验原理、实验说明、仪器药品五项内容。其中实验演示这部分我们设计了两种不同的演示实验，一种是在真实的实验室中操作的实验，这种设计有利于学生熟悉真实的实验仪器，给学生以形象直观的感受，从而尽量减少学生在虚拟实验环境中产生的不真实感；另一种是Flash演示实验，该实验的设计与本系统中的虚拟实验也不一样，它是以其他的方法实现的，例如“实验室制取氢气”一课，在演示部分我们设计了“启普发生器制取氢气”的动画，这样设计有利于拓宽学生思路，熟悉不同的操作方法。从而在“实验准备”环节中使学生能够熟悉实验的要求、知道实验的目的和原理、熟知仪器药品的使用方法、注意事项等。以便学生更加深入地学习与实验相关的内容，做到心中有数，尽量减小实验操作的失误率。对于教师来说，则可在实验前或后，在多媒体教室中为学生集体讲授实验准备部分的相关知识，也可边操作“演示实验”边告知学生实验的目的、原理、注意事项等事宜。

再次，做虚拟实验、填写实验报告。这一环节是整个系统中最为重要的组成部分，前面已经介绍该实验报告是半自动生成的，这一说法也体现在此。如图2所示，该实验报告共有三部分组成：①客观部分（如实验说明、目的等）是设计者直接记录在实验报告里的，而不需要学生再去花时间、精力去填写这一部分，从而在一定程度上减轻了学生的负担；②学生在操作虚拟实验时系统自动记录的内容，如在设计虚拟实验时，为了让学生能够熟练地掌握本实验用到的仪器药品，我们设计了“选择实验仪器药品”这一环节，同时为了降低选择的难度，使学生有足够的信心去做，我们为学生提供了三次选择的机会并同时给出了相应的提示，如“有三次选择机会，共需三种”。在分值的计算上，我们采用了依次递减计分的方法即第一次全选对计为满分（如本题的30分），第二次选对则为30*90%，第三次选对为30*80%，否则计为0分。这些得分是直接记录在数据库文件“实验操作表”中，然后系统从“实验操作表”中调取该部分得分到实验报告中；③主观部分（如实验中存在的问题、反思等）是学生填写的内容。前两个部分系统可以自动生成，第三部分则需要学生完成虚拟实验后手工填写。前两个部分系统可自动判断正误、记录分数并将分数显示在实验报告的客观题得分部分。而对于第三部分的主观性问题，由于学生思维的灵活多样性，每一个学生在做实验时遇到的问题也存在差异性，因此，系统不会以一种标准答案的方式来评判学生。这就需要教师在批改报告时具体问题具体分析，共性问题着重讲解，发挥教师评价反馈的作用，这也在一定程度上体现了多元化评价的思想。

最后，批改查阅实验报告。在学生完成并提交实验报告之后，教师可直接调取实验报告进行批改，此时教师只需批改实验报告中的主观性问题，如学生填写的实验现象，这一部分是学生在做虚拟实验时直接观察并记录的内容，该部分可自动生成在报告中的相应位置，呈灰色显示，并且不支持修改。这样设计的目的是防止学生随意抄袭他人的实验报告、更改实验数据和现象，从而为以后评价学生的实验能力提供科学的依据。另外，教师在批阅主观性问题时，如实验中存在哪些问题、实验反思评价等，由于此项是学生回顾、反思、总结和拓展知识的过程，应给予足够的重视。要考虑到由于学生思维的灵活多样性，对于同一问题，不同的学生有不同的理解，教师应根据具体问题具体分析，而不可用一种评价标准去统一的评价学生。要注意到学生思维的闪光点，培养他们分析和解决问题的能力，更重要的是培养他们敢于思考、敢于创新的勇气和能力。因此从培养学生思维能力、评价学生的角度来说，此项内容的书写应是实验报告的重点和难点[9]。

教师批改完实验报告之后，系统自动将实验报告标记为已修改。学生再次进入虚拟实验系统，直接点击“实验报告批改查询”项，查阅教师批改后的实验报告。此时，实验每一项的具体得分都已在实验报告中显示，该系统可将得分评语快速、准确地反馈给学生，并可自动汇总实验报告中出现的问题，以便于学生查漏补缺，更便于教师发现教学中存在的问题，及时地为学生提供解决问题的建议或方法，这种设计方式既可以体现出该实验报告评价得及时性和针对性，又能清楚地告诉学生在操作实验时存在的问题、认知上的薄弱点，从而可较好地解决目前实验报告评价不及时、不完善等问题。

现有的实验报告系统大多是静态的，不能动态地增添、删除、修改实验项目和实验报告。为了解决这个问题，我们结合ASP技术在“管理员模块”特意加入了动态的添加、删减实验项目部分。如果任课教师根据教学的需要，欲增加一个实验项目，可以直接点击“添加”项，将实验准备、实验操作、实验报告等内容上传即可。倘若需要修改、删除某些实验项目，其方法同上。这种动态增减、修改的设计方法既不需要任课教师去修改网页，又可根据教学需要快速地更新实验内容。这样不但减轻了学科教师的负担，更便于后期的使用和管理。

不同类型的实验其实验报告的模式也不一样，因此明确实验类型和实验目标是我们设计实验报告的第一步。为了解决实验报告设计模式单一（呆板）的问题，我们将中学化学中的所有实验依次归类，共分为以下几种类型：基础操作性实验、验证性实验、探究性实验、综合设计性实验等。基础操作性实验强调让学生熟知各种仪器的操作要求、使用方法；验证性实验强调实验技能的训练、实验结果的分析、知识性结论的获得；探究性实验强调学生参与探究的过程。针对不同类型的实验，我们设计了不同的实验报告模式。如在设计验证性实验报告时，我们特意加入了“实验中还存在哪些问题？”“你认为该实验如何改进？”等问题，以便于学生养成科学的态度，在“做科学”的实践活动中体验知识能力形成的过程，培养自身观察、分析、归纳总结的能力。

2. 系统设计

该系统采用Brower/Web模式。服务器端采用IIS+数据库系统+ASP来构成半自动生成实验报告的应用服务系统；客户端采用浏览器和Flash等软件来完成初中化学实验报告的设计。系统设计的模块图如图3所示，该系统共分为三个模块：学生模块、教师模块、管理员模块。学生主要进行虚拟实验课前预习准备、实验的操作、实验报告的填写、实验报告的查阅、实验作业的上传下载、实验拓展等；教师主要进行实验报告的批改、虚拟实验的讲解等；管理员主要负责用户的管理、实验报告的增添、删除等操作。

3. 数据库表的设计

对于数据库表的设计，我们考虑了几种形式，如将该系统中的全部实验报告设计成一个大表的形式，但是考虑到每个虚拟实验所对应实验报告形式和内容都不一样，倘若都设计进一个表里面，将面临数据库表字段的分配、字段的拆分、变量层次级别问题等等。易出现管理混乱、层次不清的局面，更不利于以后用户的管理、实验报告的添加以及后续的开发利用。

鉴于此，我们采取了如图4所示的形式，为每个虚拟实验设计两个表：一个是实验操作表；另一个是实验报告表。两个表之间的关系是：①学生做虚拟实验。系统将学生在操作虚拟实验的过程中生成的数据、填写的实验现象等记录在实验操作表中，同时将实验操作表中的数据传送给实验报告表。②学生填写实验报告。这是实验报告中的主观性问题部分，需要学生手动填写。③教师批改实验报告。在此环节教师只需批改报告的主观部分。④学生查阅教师批改过的实验报告。另外，在设计实验报告表时，为了便于以后查找错误、增添实验内容，特意采用了层级划分字段的形式，如实验步骤设计成“sybz1、 sybz11、sybz12、sybz13、sybz2、sybz21、sybz 22、sybz 23……”这种形式，并根据变量的类型、大小分配相应的字段，具体内容如图5所示。

如前面所述，一个虚拟实验由两个表组成：实验操作表和实验报告表，那么二者是如何通信的呢？如图5中的箭头所示，学生在完成虚拟实验之后，系统将相关的实验数据、填写的实验现象等记录在实验操作表中，此时，客观部分每个项目的得分将分别用相应的字段记录（如检查气密性的字段是qmfs2），并用“zongfen”这个字段记录客观部分的总分，实验报告表则直接从实验操作表中调取“zongfen”，再用“zdcj”这个字段记录。同样对于主观部分，也是先记录在实验操作表中的，然后由实验报告表调取，最后自动显示在实验报告中的相应位置。如氢气集满的现象“jmfs5”、氢气纯净的现象“ycfs6”分别对应与实验报告表中的“sybz32”和“sybz42”这两个字段。

4. 界面设计

界面设计主要包括界面布局设计、视觉界面的逻辑关系设计、视觉效果设计等内容。好的界面设计应符合美感、操作舒适，简洁且具有索引功能，使用户在使用过程中始终保持愉快的心情[10]。考虑到学生的认知特点及化学实验的特殊性，该系统分为三个独立的主页面：学生界面、教师界面和管理员界面。其界面布局设计上主要采用了左、上架构的方式，即主导航栏在页面的左侧，次导航栏在上侧。视觉效果的设计主要关注色彩的搭配，因为颜色能够对用户的情绪产生很大影响。而蓝色给人以简洁、安静的感觉，鉴于此该界面设计主要以淡蓝色系为主。另外界面的交互设计、信息反馈的设计等，都考虑到了学习者的年龄、认知特点，力争使界面设计简洁、美观，文本、图形等可视化元素搭配协调得当。

四、使用的建议

基于虚拟实验的半自动实验报告设计好之后，我们选择几所中学进行试用。在试用的过程中，发现学生进入系统之后，不知道该做什么、何时做、怎么做。因此，为了使学生能够顺利熟练地使用该实验报告系统，我们特提出以下建议：

1. 预习实验，熟悉系统

当学生做虚拟实验时，由于虚拟实验系统自身存在的或技术上的缺陷，加上学习者自身认知负荷的增加，就可能会出现所谓的“认知摩擦”[11]。所以学生在使用该基于虚拟实验的半自动实验报告系统之前，除了要预习实验，明确实验目的、原理、要求之外，教师还应指导学生熟悉该系统的使用方法，如怎样进入虚拟实验系统，如何操作虚拟实验，如何填写实验报告，如何根据虚拟实验中提供的反馈改进自己的学习，尽量避免出现过多的“认知摩擦”。

2. 实验报告内容难度适宜

该系统的设计是动态的，它支持教师添加或删除一些实验项目。因此，教师在添加一些实验项目时，在实验报告内容的设计上，除了要依据具体的实验类型和实验目的，还应注意报告内容的难易程度要符合学生的认知规律。因为过难的内容易使学生产生抵触情绪；反之，如果设计的内容太容易，则不能充分体现实验报告的作用，更不利于培养学生的实验能力。因此，实验报告各个环节内容的难度应体现层次性，以促进不同层次学生学习的积极性。

3. 告知评价方法，及时反馈

首先在做虚拟实验之前，教师应告诉学生该实验报告成绩的评价方法、一些具体的评价指标，让学生知道该半自动实验报告系统是如何对其进行评价的，以及在做实验的过程中，系统会直接给出相应操作正确与否的反馈，如“你选择不正确，请再考虑一下，还有2次选择机会”。同时要提醒学生查阅实验报告时，注意系统给出的反馈，明确各个学习阶段处于哪种状态，离学习目标还有多远，最终目标是否实现，从而调控自己的学习进程，维持学习动机，反思学习过程，总结经验，不断地规范和调整自己的学 习[12]。此外，教师在批阅学生的实验报告时，如果发现报告中存在某些问题，要及时将其反馈给学生，必要时提供解决问题的建议或方法。

4. 虚拟实验与真实实验优势互补

在运用该系统时，应当首先明确虚拟实验和真实实验各自的优缺点，虚拟实验的局限性恰恰又是真实实验的优点，二者是相辅相成的。只有发挥各自的优势，精心组织实验教学，才能做到扬长补短、优势互补[13]。

结 语

基于虚拟实验的半自动实验报告系统的设计，可以很好地解决现有的网络实验报告中存在的问题。它不仅仅包括实验报告的设计，还有虚拟实验项目、实验准备、实验拓展、在线考试等内容，可以为中学化学实验教学提供一个较好的平台。但是，在设计的过程中也存在着一些问题，如实验报告内容的设计，笔者查阅了中学化学实验教学和实验报告内容设计的相关文献，又访谈了部分中学化学骨干教师，在此基础上设计了该系统中的实验报告。尽管如此，也不能说该实验报告能全面客观的评价学生，其有效性和针对性还待进一步的验证。另外，关于虚拟实验的设计，访谈的部分化学教师意见不同，他们思考的角度和方法都在某一个方面上有道理，这就给设计带来了一些麻烦。以上所有的这些问题都需要进一步的研究，再思考，再修正设计，这也是以后研究的重点。

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收稿日期： 2011－10－15

作者简介：王阿习，硕士研究生；张学军，教授，博士，硕士生

导师。西北师范大学教育技术与传播学院（730070）。