虛擬仿真實驗中存在的問題分析與對策研究
——從“以學生為中心”為主切入點

曹錦佳，趙佳蔚，向 東

（南華大學 核科學技術學院，湖南 衡陽 421001）

引言

隨著近年來網絡和線上教育的普及，教學不再僅局限于實體課堂，而是越來越傾向于網絡化、虛擬化。在實驗教學領域，關于虛擬仿真實驗教學的探索已開展許久，早在2013年，教育部高等教育司發布了《關于開展國家級虛擬仿真實驗教學中心的建設工作的通知》［1］；2017年，教育部辦公廳出臺相關文件推進示范性虛擬仿真實驗教學項目的建設［2］。虛擬仿真實驗教學的開展雖然暴露出一些問題，但在某些課程，尤其是在核類專業相關課程中完全采取實物實驗是不經濟、不現實的。

以往關于虛擬仿真實驗教學的探索、設計多從教師的視角出發，即使強調了“以學生為中心”，但進行探索的主體仍是已經進行過大量專業訓練的教師，少有從初學、未經訓練的學生視角出發進行的探索。

本研究將從學生視角分析目前實驗教學中存在的問題，提出學生參與教學設計的重要性，以建構主義的教學理論為出發點，批判“以虛為主，能虛不實”的虛擬仿真實驗設計傾向，指出虛實結合的重要性及意義。

一、虛擬仿真實驗教學存在的問題

虛擬仿真實驗教學經多年的推行，逐漸暴露出一些問題。胡今鴻等以首批國家級虛擬仿真實驗教學中心和178 所高校反饋的虛擬仿真實驗教學資源開放共享研究調研問卷為樣本，總結了目前虛擬仿真實驗教學普遍存在的問題，如：資源重復建設、質量不高、在資源建設上“寧濫勿缺”［3］。同時調研問卷顯示，超過70%的高校認為本?，F有虛擬仿真實驗教學資源數量不足、質量有待提高。

以南華大學為例，目前開設的虛擬仿真實驗多是圍繞某一特定題目的實驗進行虛擬化后，要求學生集中在學校機房用電腦完成。一方面，相比于實物設備，儲存在電腦中的虛擬實驗室的設備設計功能比較單一，僅能夠滿足特定的實驗，類似于函數計算器，存在不能交互的問題。這樣做能降低虛擬仿真實驗開發的難度和周期，但也極大地降低了學生的實驗積極性，扼殺了學生自我探索的空間。而虛擬仿真實驗應當具有的特點之一就是能夠讓學生充分試錯并開展啟發求知欲的探索。另一方面，虛擬仿真實驗仍然像傳統實物實驗一樣受到極大的時空限制。在進行虛擬仿真實驗時，學生仍需要提前完成紙質實驗報告的預習、預約實驗室，然后分批次在特定的時間進行集體實驗，縱然這樣的安排方便開展集中教學，但除了實驗部分與實物實驗不一樣，其余部分和傳統實驗教學流程無差別。目前，設計的聯網虛擬仿真實驗平臺尚未進行完善、推廣，其功能不全，僅能夠網上操作?？偠灾?，對虛擬仿真實驗系統的開發和應用仍停留在較初級的階段，相當一部分虛擬仿真實驗被當成了一種節約實驗成本、完成教改指標和評獎的工具，而非一種拓展實驗教學邊界、改革實驗教學、激發學生自我探索欲的新途徑。

二、解決問題的對策和建議

（一）“以學生為中心”，讓學生的想法融入課程的建設

隨著近年來“以學生為中心”教育理念的興起，在實驗教學領域的改革中也越來越強調將學生作為教學的主體。在《教育部辦公廳關于2017—2020年開展示范性虛擬仿真實驗教學項目建設的通知》中，關于建設部分首先強調的就是示范性虛擬仿真項目應該具有“以學生為中心”的實驗教學理念［2］。

虛擬仿真實驗教學形式對學生的課堂參與度、自主度和構建學問的能力有著更高的要求，其建設要求相當接近理想中的“以學生為中心”的課堂，有在“以學生為中心”教學改革浪潮中充當領頭羊的潛質。在教學改革中，我們更需要認真思考什么是真正的“以學生為中心”，以及如何做到真正的“以學生為中心”。

最根本的是要實現從以“教”為中心向以“學”為中心轉變，即從教師將知識傳授給學生向讓學生自己發現和創造知識轉變，從傳授模式向學習模式轉變［4］。目前，關于“以學生為中心”的教育改革仍是教師在起主要推動作用，在想辦法將課堂活動的主體引導到學生身上，引導學生自主發現和構建學問。但值得注意的是，雖然課堂的中心變成了學生，但課程的設計者仍是教師，整個課程的設計從上到下討論的都是在教師視角下如何引導學生的看法，很少給學生的反饋留下空間。教師認為恰當的教學方式和實際學生愿意接受的教學方式存在著應然與實然的矛盾，這也必然會導致課程改革過程出現視野盲區。所以，如果說原本“以學生為中心”的教學改革強調了學生在教學過程中的中心地位，那么向著“以學生為中心”為目標前進的課程改革就要具有前瞻性，讓學生參與進來，提前鍛煉其自主思考發現問題的能力。無論是針對優化教學內容的改革還是針對如何引導學生自主思考的方法論探索，對于任課教師后續對課程的進一步優化都有著相當大的參考價值。

在實際操作中，對師生交流的深度和形式有更高的要求?，F有師生間交流的大多是課程理論知識，少有關于課程本身的意見。一方面，教師忽視了學生視角在課程改革中的作用；另一方面，學生主動提供意見的自覺和動力不足?？梢哉f師生之間的交流并沒有物理上的隔閡，而是沒有從主觀上激發起交流的意愿，因此，由教師主動邁出與學生交流的第一步相當關鍵。這就需要教師主動與學生溝通，積極尋求學生的意見，鼓勵其參與教學改革，提出自己關于課程的觀點和看法。

在具體實施上要采取靈活的方式，切忌強制將其布置為一項學期作業。學生主觀上認為教育改革是教師的義務，如果以分數為驅使將非學習的任務強加給學生，強制要求學生提供自己的意見，只會引起學生的逆反心理，很難收集到學生視角提出的教改觀點。在學生主觀能動力不強的情況下，可以將這個過程以附加分、小獎勵等形式巧妙融入課程過程考核，在不影響教學公平的情況下收集學生的想法，同時向學生釋放出教師積極接受學生觀點的信號，學生也能感受到教師尊重學生意見，且有著附加分值的激勵，愿意參與跟進這個過程的學生也會更多。

（二）虛實結合，將虛擬仿真與實物教學巧妙結合取長補短

教育部頒布的《關于開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作的通知》，就虛擬仿真中心的建設任務提出，虛擬仿真實驗教學中心建設應充分體現虛實結合、相互補充、能實不虛的原則。在涉及高?；驑O端的環境、不可及或不可逆的操作，以及高成本、高消耗、大型或綜合訓練等情況時，提供可靠、安全和經濟的實驗項目。

“以學生為中心”的教學理念是建立在建構主義學習理論之上的，強調讓學生通過自己的主動行為構建知識體系。建構主義學習理論是在建構主義這一認知領域概念的基礎上形成的，建構主義最早的提出者是在認知發展領域最有影響的瑞士心理學家皮亞杰，他認為兒童是在與周圍環境的相互作用過程中，逐步建構起關于外部世界的認識，從而使自身認知結構得到發展的［5］。

虛擬仿真實驗教學將與周圍環境相互作用的過程放到了電腦屏幕上，而且越來越呈現虛實不合、能虛不實的傾向。學生面對的是一個虛擬不真實的實驗環境，對于實驗設備、操作手法、具體的操作流程沒有直觀的認識。比如在涉及光學器件的大學物理實驗中，大多會有一個將儀器調平以獲得水平光路的過程，教科書雖寫有調平的技巧，但在實物實驗過程中大部分學生仍在這一步花費大量的時間，而在涉及光學器件的虛擬仿真實驗中相關的交互只有一個“調平”按鈕，在擬真性較差的課程中連調平這一步都會省略，只要用鼠標將器材的圖標拖到大致的區域，系統就會自動調平儀器校準光路，跳過調平步驟。

這是一個很值得深思的現象，在這樣的實驗流程下，學生的思考過程不會出現需要將儀器調平的想法及如何將儀器調平的認知，其能夠想到的只是將圖標拖動到一起“連接”起來，這個過程手點點鼠標幾秒鐘就結束了，然后就直接跳到下一步操作。相比第一次接觸的初學者在實物實驗室中數十分鐘的調平過程，這個過程快到沒有讓學生意識到這個過程的時間，更不用談掌握相應的技巧了。大多涉及光學儀器的實驗都會有儀器調平的步驟，其重要性可以想象，像這樣在虛擬實驗教學中或主動或被動地省去太多步驟，可能對于單個實驗來說并無大礙，但如果這種問題在整個虛擬仿真實驗教學體系中廣泛存在就是一個相當嚴重的問題，這也是為什么學生“一虛擬就會，一上手就廢”的原因。

實驗教學能讓學生體會前人設計實驗的思路，重新體驗其探索新的物理規律的過程，而虛擬仿真實驗教學讓學生體驗那些高危險、不可及、成本大的實驗成為可能，但在實際的教學設計中卻存在著以虛為主、能虛不實的傾向，而且這一情況早有表現?！?013年國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作小結及2014年申報建議》這一文章指出，在部分院校申報國家級虛擬仿真實驗中心的申報書中有著以虛為主、能虛不實的傾向［6］?！耙詫W生為中心”的實驗教學終究還是要服務于“讓學生自我構建通過實驗探索未知的能力”這一目標，這一目標最終還是要立足于物質世界、服務于現實需要，也就要求學生掌握與實物環境進行交互、在實物環境中探索的能力。而這是目前的虛擬仿真實驗環境無法提供的。所以，我們需要強調虛實結合、相互補充、能實不虛的虛擬實驗課程建設原則，將實物實驗與虛擬仿真實驗相結合。

仍以光學儀器的調平為例，在實物實驗中接觸過此操作的學生，在后續涉及光學儀器的其他實驗中，調平儀器的速度更快、技術更好。通過一次實驗，學生能夠入門一種或者多種操作手法，后續其他實驗中每一次相同的操作都是對學生能力的一種鍛煉，因此，多次實驗操作能積累經驗，實物實驗的次數越多，學生的技巧也就越熟練，而這種鍛煉在虛擬仿真實驗教學中是得不到的。這也是為什么要強調能實不虛，就是要在條件允許的范圍內給學生提供盡可能多的訓練機會。虛擬仿真實驗是對實物實驗中實驗條件不允許的、高危的部分進行仿真以便教學，只有極個別的實驗需要完全采用仿真實驗的方式進行教學，其他大部分實驗應該是虛擬仿真實驗為實物實驗教學服務，虛實結合，不能喧賓奪主。

結語

本文從學生的視角對虛擬仿真實驗目前存在的問題進行了分析，從“以學生為中心”這一切入點討論了虛擬仿真實驗教學改革中僅從教師視角出發而造成的盲點，強調了讓學生參與虛擬仿真教學改革的必要性和前瞻性，提出了將學生視角納入教學改革的一種方法論。以建構主義學習理論為出發點批判了虛擬仿真實驗教學改革目前能虛不實的傾向，結合“虛實結合、相互補充、能實不虛”的虛擬仿真實驗設計原則，以培養學生的實驗動手能力為主，分析了如何做到虛實結合、取長補短，強調了其現實意義，提出了實驗教學虛實結合的建議。