科学教育专业实验教学中虚拟实验的应用研究

李文娟　王琼

【摘 要】实验教学是科学教育专业人才培养过程中提高学生科学素养、增强学生创新创业能力的重要途径。如何提升实验课程的教学质量是该专业人才培养过程中需要关注的重要问题。虚拟实验是教育信息化背景下出现的一种新的实验教学资源，具有新颖、灵活、开放、成本低等多种优势，可以有效改进与提升实验教学的品质。基于此背景，本文致力研究在科学教育专业实验教学中实施虚拟实验的优势、原则等，并针对构建与应用虚拟实验时的问题与不足，进行了一些思考和探索。

【关键词】实验教学；虚拟实验；科学教育专业

Research on the application of virtual experiment in the teaching of Science Education Major

LI Wen-juan WANG Qiong

（Department of elementary education，Changsha Teachers College，Hunan Changsha 410100，China）

【Abstract】Experimental teaching is an important way to improve students' scientific literacy and enhance students' innovation ability in the process of scientific training for the Science Education Major. How to improve the teaching quality of experimental course is a hot issue that needs to be paid attention to in the process of cultivating talents. Virtual experiment is a new experimental teaching mode under the background of Educational informationization. It has many advantages， such as flexible， open and low cost， which can effectively improve and enhance the quality of experimental teaching. Based on this background， this paper aims to study the implementation of the principle， advantage of virtual experiment in experimental teaching in the Science Education Major. And this paper makes some exploration for the problems which are arisen in constructing and applicating the virtual experiment.

【Key words】Experiment teaching； Virtual experiments； Science Education Major

1 科學教育专业实验教学中常见问题分析

科学教育专业是为解决中小学科学课程师资需求而开设本科专业。科学课程是培养中小学生科学素养的重要启蒙性课程，而科学素养的内涵较为广泛，包含学知识、科学技能、科学方法、与科学精神等多方面。因此，在校期间，科学教育专业的学生除了需要掌握扎实的科学知识外，还需要进行全面的实验技能训练。目前，多数高校由于实验条件、实验管理人员等综合因素的影响，科学教育专业的实验课程大都以物理、化学、生物、地理等分科形式独立呈现，而分科式的实验教学模式不利于学生形成综合的科学实验观念[1]。

同时，传统的实验流程“预习-教师讲解-操作-实验报告”的模式存在一定弊端。例如：①实验指导教师通过演示示范，逐条将实验原理及注意事项传达给学生，造成学生自主能动性较差；②实验报告作为课后作业，由于缺乏老师的监管，抄袭现象较为严重。这些都极大影响了科学教育专业学生的主观能动性，不利于学生形成高水平的科学实验素养。

此外，由于实验室建设工程繁琐，纵观国内开设科学教育专业的院校，基本都面临实验室建设缓慢的困境，国内只有少数学校建设有针对于科学教育专业的实验室。即便建设成功具有科学教育专业特色的实验室，传统的实验室管理方法——即实验结束就关闭实验室，也极大的限制了学生的实验时间，不利于学生开展自主创新活动[2]。

2 解决科学教育专业实验教学问题的可行对策

为解决上述科学教育专业实验教学中常见的基本问题，同时相应教育信息化的号召，高校大力引入虚拟实验教学[3]。虚拟实验教学这一新模式是以数学理论和相似原理为基础，以计算机网络为核心，通过信息技术或设备模拟出一个可交互、虚幻的三位空间场景，学生可应用这种虚拟仪器进行实验，并能像真实实验一样观察实验现象、采集实验数据等。

虚拟实验系统具有真实实验没有的优点：

（1）虚拟实验凭借自身信息化的特点，可解决科学教育专业实验培养中分科教学的困扰，学生可依据实验主题，自行设计实验方法，自主选择实验仪器，突破学科的限制。

（2）虚拟实验可通过修改软件达到扩展和更新实验内容的目的，可以节约实验室建设成本，不需要重复购买实验耗材。

（3）它可打破时间和空间的限制，充分肯定了学生在实验过程中的主体地位，学生可自由安排、自行设计实验步骤方法等，有较高的自主性。endprint

（4）虚拟实验操作还具备安全、便捷、图文并茂的优势，可排除实验器材、场地等因素的限制，将一些反映最新科学技术成果应用的实验第一时间开设出来，让学生及时掌握科技发展的最新动态，极大提高学生的实验兴趣以及对科学事业的热爱程度。

3 在科学教育专业实验教学中，开发虚拟实验的原则

基于虚拟实验的诸多优势，在科学教育专业实验教学中，我们可充分利用虚拟实验来丰富教学模式。但开发与应用虚拟实验时，要兼顾以下基本原则：

（1）全面性

科学教育专业的实验课程包含理、化、生、地等多门课程的知识。构建科学教育专业虚拟实验体系时，要充分考虑学科间的融合，吸收多门学科中理科基础实验的精华，从介绍实验原理的基本概念出发，将实验进行合理的结构安排。让学生不仅可以获得基本的知识和技能，还可收获综合实验的思维和意识，培养学生形成良好的实验品质。

（2）生活化

科学教育专业的学生未来将承担中小学科学课程，而中小学科学课程的特色就是科学知识和学生日常生活紧密相连。例如，教育科学出版社发行的小学五年级科学上册教材中，有“光和影”的教学内容，教材是通过手影游戏开始，进而引导学生自主拿着手电筒照射长方体，观察长方体影子的变化。因此，开发适用于科学教育专业的虚拟实验体系时，要多用生活中存在的物品，易于科教专业学生将所学实验直接迁移至未来的科学课堂。

（3）创新性

创新精神是当下大学生最为匮乏的基本科学素养，创新教育需要为学生提供一个自由发展的空间，扩大学生的知识面。因此，为科教专业开发虚拟实验体系时，要增加探究性实验、综合性实验，减少验证性实验。让学生像科学家一样体验探究的过程，让学生用科学的眼光创造性地研究生活中、社会中、自然界中存在的科学现象，形成爱科学、善用科学的创新精神。

4 开发与应用虚拟实验课程资源时应注意的问题

（1）处理好虚拟实验与真实实验之间的关系

在开发虚拟实验教学体系时，要注意理清虚拟实验与真实实验之间的关系。应当牢记虚拟实验仅是真实实验的有效补充，绝对不能代替真实实验在教学中的地位。因此，在设计、开发虚拟实验之前，要依据科学教育专业人才培养方案合理规划实验教学体系，制定虚实结合的实验教学目标，编排虚实结合的实验教学内容，建立适合于虚实结合实验教学的评价体系。

（2）开发具有科学教育专业特色的虚拟实验体系

构建具有科学教育专业特色的虚拟实验体系，需要了解社会、科学教师以及科教专业学生对虚拟实验平台的建议。在构思之初，就充分考虑各方的需求，将设计开发与应用需求紧密结合，依据“设计—应用反馈—再设计完善”的指导思想，全方位、多视角收集用户对虚拟实验体系的评价建议，实时检验所开发实验的有效性，进而促进科教专业实验开发平台逐步趋于完善。

（3）探索高效的虚实结合的实验教学模式

虚拟实验可以打破时空的限制，通过可视化界面让学生体验实验的基本过程。但虚拟实验也存在不真实的弊端，无法让学生体会实验中各种基本操作偏差之后的结果。因此，应用虚拟实验的过程中，要探索得到耦合利用虚拟与真实实验的成功教学模式。教师要发挥重要作用，既要提高学生对虚拟实验的认识，又要结合实际情况考虑如何实施虚实结合的实验教学。比如，教师可以先带学生实体体验一次鸡蛋的观察过程，然后通过虚拟实验，让学生观察不同动物的卵的基本结构。这一方面可以减少实验损耗，另一方面可以让学生体验大自然的千姿百态，达到良好的实验效果。

（4）突破技术难关，重视软件开发

构建虚拟实验体系时，一般都包含用户界面、情境设置、过程模拟和总结评价四个环节。而实施这四个环节时，都需要基于特定的仿真平台。目前，技术发展较为成熟的虚拟实验平台有美国国家仪器公司开发的Labview图形化虚拟仪器平台、还有基于VRML虚拟现实技术的仿真实验、基于Flash的交互式虚拟实验、基于Active技术的仿真实验、基于Java技术的虚拟实验、基于QuickTime VR技术的虚拟实验和基于MATLAB仿真软件的Simulink和GUI来实现的虚拟实验等。在以上技术的支持下，开发适用于科学教育专业的虚拟实验体系时，就需要结合专业培养需求及特色，形成稳定的、系统的虚拟实验软件体系。

5 结语

利用虚拟实验体系来扩充科学教育专业的实验教学体系、提升科学教育专业的实验教学质量，是教育信息化背景下一项切实可行的策略。虚拟实验软件的开发与设计是一个系统的工程，它的内容要以科学教育专业人才培养方案为依据，结合科学教育专业实验教学内容，还要充分考虑科学教育专业学生的需求与建议。同时，虚拟实验作为软件支撑的实验体系，在给学习者带来便捷的同时，也会给科学教育专业学生带来“真实”与“虚拟”之间的认知冲突，需要注重对学生进行前期虚拟实验的培训工作，也需要注重对虚拟实验体系进行后期的维护完善过程。

总之，在培养与提升科学教育专业学生的实验技能时，需要充分发挥虚拟实验和真实实驗的耦合效应，实现虚拟实验和真实实验之间的优势互补，使学生既可以掌握扎实的基础知识与实践能力，又可以具备全面的创新精神与科学素养，顺应信息时代的需求。

【参考文献】

[1]于继东.科学教育专业实验体系的构建[D].长春师范学院，2010.6.

[2]赵建云.关于高校科学教育专业若干问题的思考[J].吉林省教育学院学报，2012，（08）：89-90.

[3]李凌云，王海军.网络虚拟实验系统构建方式的比较研究[J].中国电化教育，2008，（1）：102-105.endprint