當前遠程實驗教學存在的問題及對策

1、    當前遠程實驗教學存在的問題及對策     摘要：本文針對當前遠程實驗教學存在的問題，結合筆者的實驗教學經驗和“現(xiàn)代化教育技術實驗實時診斷檢測系統(tǒng)”的研究結果，提出了現(xiàn)代遠程實驗教學的理念，敘述了實現(xiàn)現(xiàn)代遠程實驗教學的基本任務和策略。關鍵詞：現(xiàn)代遠程實驗教學，實驗學習環(huán)境，對策一、遠程實驗教學存在的問題及原因當前的廣播教學、電視教學和廣域網(wǎng)絡教學均為遠程教學，具有覆蓋面廣、投入產出比低、傳播信息符號表現(xiàn)多元化、學生學習不受時間和空間的限制等優(yōu)點，在各學科理論教學中取得一定的成就。然而，遠程教學實驗課程的實驗是否能做、實驗過程是否有效、實驗

2、評價是否合理、實驗學習軟件是否豐富等方面還存在種種問題，影響遠程教學的進一步發(fā)展和教學質量的提高。遠程學校由于教師和學生不能直接面對面交流，學校沒有自己的實驗室，學生很難及時、直接操作實驗。多數(shù)遠程學校的實驗課程借助其他學校的實驗室上課，在時間和空間上受到該學校的約束，導致應做實驗時學生無實驗可做，只能做延遲性或超前性的實驗。遠程學校布控結構如塔形，居多數(shù)的中間或底層的輔導站點附近無可借助的實驗室，學生可能做不了實驗，或者需乘車遠行做實驗，增加了學生負擔。對于高精尖的實驗，遠程教學更是望而興嘆、難以觸及?？梢?，在遠程教學中有許多學生做不了實驗，也有一些實驗不能做，即使做了一些非及時性的實驗，也

3、是穿新鞋走老路，沒有發(fā)揮遠程教學特有的優(yōu)勢，仍然停留在手工作坊式的傳統(tǒng)實驗教學模式上。即以固定的班級為單位，在同一時間和空間里，運用傳統(tǒng)的實驗裝置，按同一種教材和同一個步驟，做著同一個多以驗證性實驗為主的必做實驗。筆者將遠程學校采用的這種傳統(tǒng)實驗教學的手段和過程叫做傳統(tǒng)實驗教學方式。其過程如圖1所示。 傳統(tǒng)實驗教學方式的過程和結果評價存在一定問題。在實驗過程中，學生做實驗按指導書或教師規(guī)定的實驗操作步驟亦步亦趨地進行，學生不知道為什么這樣做，甚至也不知道操作結果說明了什么，缺少學習的主動性。同時，老師忙于為學生排疑解難，無暇顧及對學生進行有效啟發(fā)、指導、檢查、督促，對學生理論聯(lián)系實際

4、的邏輯思維、意義操作的探索和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)諸方面都有影響。在實驗結果的評價中，由于實驗人數(shù)多，實驗報告批改不及時、評價不全面等問題時有發(fā)生。另外，學生的實驗分數(shù)往往根據(jù)實驗報告成績和教師印象給出，有較大的隨意性，同時也不能客觀反映學生的實驗過程。這樣的實驗置學生于被動學習和機械操作的狀態(tài)，導致教師和學生都覺得枯燥，遏制了學生的邏輯性思維和創(chuàng)造性思維，不利于培養(yǎng)學生的實驗能力和科研能力。目前，實驗教學軟件主要是教師使用的輔助課堂教學的實驗演示型課件，而學生學習型的模擬實驗和虛擬實驗軟件包支離破碎，不但數(shù)量少，而且體系不完善，不能滿足學生實驗學習的要求。上述種種問題產生的原因，主要是遠程學校的現(xiàn)代

5、化教學方式和傳統(tǒng)的實驗教學方式的矛盾，具體體現(xiàn)在：學生分散而且遠離物理性實驗裝置和手工操作實驗裝置的矛盾；學生多和教師少的矛盾；實驗學習軟件少和提高實驗效果的矛盾。隨著科學技術的發(fā)展，特別是以計算機和網(wǎng)絡技術為核心的信息技術的出現(xiàn)，為解決這些矛盾提供了有利條件。二、解決遠程實驗教學問題的著眼點1.創(chuàng)建信息化實驗學習環(huán)境是解決問題的物質基礎實驗教學的本質就是信息以某種方式在教師、學生以及實驗硬件之間的有效傳遞。建立信息化實驗學習環(huán)境能夠使這種信息在實驗中實現(xiàn)遠距離的傳遞，主要包括實驗學習環(huán)境的多媒體化、數(shù)字化、網(wǎng)絡化和自動化。實驗學習環(huán)境多媒體化不但能夠為學生提供聲形并茂、靜動結合、文圖同步的實

6、驗目的、原理、要求、注意事項等內容，而且還能將實際的實驗裝置、實驗系統(tǒng)及實驗現(xiàn)象等展示給學生，使學生有身臨其境之感，有利于學生快速了解實驗，增強實驗過程中的意義操作和創(chuàng)造性思維的培養(yǎng)，是提高遠程實驗教學效果的有效手段。實驗學習環(huán)境數(shù)字化主要指運用以計算機為核心的數(shù)字技術改造實驗設備、實驗檢測手段和實驗系統(tǒng)的組成。數(shù)字技術應用到傳統(tǒng)實驗設備上，可以使其具有體積小、精度高、功能多、自動化程度高、抗干擾性強、容易上網(wǎng)等特點。一臺高效能計算機在相應的模塊化測量硬件和高效靈活的軟件支持下，很多實驗儀器都可以集成在這合計算機里，做出各種各樣的虛擬儀器。這樣，由待測系統(tǒng)、傳感器、各種接口電路、虛擬儀器、各種

7、輸出平臺等構成信息化實驗系統(tǒng)，可以開出多個教學實驗，是今后遠程學校實驗教學常用的實驗手段。實驗學習環(huán)境網(wǎng)絡化可以使多種實驗設備、虛擬儀器和虛擬實驗室環(huán)境等數(shù)字化實驗資源實現(xiàn)共享，同時還可以增加學生與教師、學生與學生之間的交互，使遠程實驗教學模式多種多樣。其主要有演示實驗、模擬實驗、虛擬實驗、遙控實驗等。遠程演示實驗主要是通過拍攝或編程的方法將真實的演示實驗過程制成軟件放到服務器上，供學生和教師在教學過程中使用；遠程模擬實驗是把模擬自然科學或社會科學某些規(guī)律或過程的實驗教學軟件放到服務器上，讓學生通過終端計算機進行模擬操作，使其掌握某些操作技能技巧，或在此基礎上，學生自己提出猜想與假設，設計實驗

8、步驟，觀察實驗操作的各種結果，通過總結歸納發(fā)現(xiàn)其規(guī)律；遠程虛擬實驗主要有虛擬儀器實驗和虛擬三維環(huán)境實驗。虛擬儀器實驗是在服務器端放置大量的實驗教學需要的虛擬儀器軟件庫，學生可以通過網(wǎng)絡直接在服務器提供的實驗交互界面上進行在線實驗或下載軟件包在孤立計算機上進行實驗；虛擬三維環(huán)境實驗是在web中創(chuàng)建出可視化的三維環(huán)境，其中每個可視化的三維物體代表一種實驗對象，學生可以利用系統(tǒng)提供的交互手段對這些三維物體進行操作；遠程遙控實驗是學生通過與網(wǎng)絡連接的計算機給出相關的數(shù)據(jù)控制遠在服務器一端的實驗設備，再通過遠端設備收集實驗數(shù)據(jù)、記錄實驗過程及實驗現(xiàn)象，實時通過網(wǎng)絡傳送到學生的計算機上，同時還可以利用服務

9、器提供的數(shù)據(jù)處理程序來處理數(shù)據(jù)，獲得實際操作實驗設備的效果。如我國神州五號載人飛船遨游太空并按計劃安全返回地面，就是一項規(guī)模宏大的遠程遙控實驗。在這種實驗環(huán)境下，計算機屏幕成為遠端真實實驗設備的操作界面或實驗室的一個窗口，所完成的實驗內容是真實的物理性實驗，并非實驗仿真或模擬，為解決遠程學校學生分散而且遠離物理性實驗裝置和動手操作實驗的矛盾找到有效平臺。實驗學習環(huán)境自動化是指用計算機實時對實驗系統(tǒng)、實驗過程、實驗預習和結果的管理。實驗系統(tǒng)的控制采用程序控制方式和反饋控制方式，容易滿足系統(tǒng)操作、測量和控制精度的需要。實驗過程、實驗預習和結果的管理自動化，一方面表現(xiàn)在用計算機能收集、處理、記錄、顯

10、示數(shù)據(jù)或圖像，另一方面還表現(xiàn)在用計算機能在實驗預習和實驗過程中為學生提供實時幫助、檢查和督促。如筆者研制的“教育技術實驗實時診斷及檢測系統(tǒng)”能在實驗過程中根據(jù)學生的需要給出恰當?shù)膸椭趯嶒灲Y束時，該系統(tǒng)還能根據(jù)學生實驗題目自動顯示與實驗操作相關的幾個問題，學生在規(guī)定時間內回答后，計算機給出分數(shù)及評價。這樣不僅可以減輕教師負擔，還能及時為學生排疑解難，督促學生在實驗中意義建構，能有效解決遠程學校實驗教學學生多和教師少的矛盾。2.更新觀念，創(chuàng)建遠程實驗教學方式是解決問題的有效途徑信息化實驗學習環(huán)境僅為遠程實驗教學改革提供了客觀條件，欲將其應用到教學中，還應建立相應的遠程實驗教學方式?？傮w思路是在

11、系統(tǒng)科學方法、現(xiàn)代教學理論與學習理論的指導下，運用信息化遠程實驗學習環(huán)境開展以教師為主導、以學生為主體的“統(tǒng)一化與個性化”共存的多形態(tài)實驗教學方式，這里稱其為遠程實驗教學方式。其過程如圖2所示，學生不但可以實現(xiàn)個別化的實驗學習，即一種是學生在線利用信息化實驗學習環(huán)境進行實驗，另一種是下載實驗軟件的非在線的實驗學習。學生也可以實現(xiàn)合作式的實驗學習，即一方面每個學生按照分工，在線利用信息化實驗學習環(huán)境進行實驗，另一方面利用網(wǎng)絡進行協(xié)作交流和實驗成果共享。學生還可以實現(xiàn)集體同步式的實驗學習，即學生在各自的終端利用信息化實驗學習環(huán)境進行同一個實驗。在這些過程中，教師有時是實驗的設計者、組織者、指導者、

12、控制者，有時又是學生實驗的合作者或協(xié)作者。學生是實驗學習的主動者和決策者，可以自主選擇實驗學習題目，確定實驗學習步驟、時間和組織形式。實驗學習內容的形態(tài)可以是虛擬的，也可以是模擬的，還可以是具有交互性強、操作性實在的物理性的。  三、解決遠程實驗教學問題的措施1.多方協(xié)作，積極構建信息化實驗學習環(huán)境信息化實驗學習環(huán)境是一項技術含量高、教學理論強、硬件設備復雜、軟件龐大的系統(tǒng)工程，非一個人、一個單位、一個區(qū)域所能完成，需要統(tǒng)籌安排、多方協(xié)作。這項工作包括信息化實驗教學各要素及其相互聯(lián)系的建立，部分和整體的試驗、評價、修改等項任務。例如，遠程遙控實驗盡量選擇那些高精尖、危險性強

13、、傳統(tǒng)實驗室少見的實驗。遠程遙控實驗中心建立在比較大的遠程學校，而且要合理規(guī)劃，使遙控實驗題目不重復，而且所有的遙控實驗在網(wǎng)上資源共享；將一些遠程學校無條件做的實驗項目轉換成虛擬實驗；模擬實驗主要解決那些在遠程學校難以實現(xiàn)的實驗，如實驗過程不易控制、實驗現(xiàn)象難以觀察、實驗操作高危險、實驗設備昂貴等實驗，主要用于彌補遙控實驗、虛擬實驗、移動實驗室和傳統(tǒng)實驗的不足。同時，各個遠程學校在建立信息化實驗學習環(huán)境時要消除等、靠、要的思想，除主動創(chuàng)建能反映本校、本學科特點的信息化實驗學習平臺之外，還要積極主動借助和修改已有的信息化實驗學習平臺為我所用。特別要重視普通高校為了解決跨校區(qū)的實驗教學所研制的信息

14、化實驗教學平臺，如中山大學研制的跨校區(qū)物理實驗教學平臺，不但具有較高的教學可操作性，而且也展現(xiàn)了信息化實驗學習平臺建設的一種可行模式和途徑。設計信息化實驗學習平臺時，一定要緊緊圍繞現(xiàn)代學習理論，把實驗教學看成以學生為中心，充分發(fā)揮學生的主動性和創(chuàng)造性，讓學生根據(jù)自己的需要、興趣、愛好，利用自己的原有認知結構，對實驗刺激所提供的信息做出意義建構的過程。故此，應注意：要讓學生有多種機會在不同的實驗場景下去充分應用所學知識，將所學的知識外化；要讓學生能根據(jù)實驗操作的結果信息來形成對客觀事物的認識和解決實際問題的方案，實現(xiàn)自我反饋；充分發(fā)揮實驗現(xiàn)象對激發(fā)學生聯(lián)想思維的作用，使學生能利用自己原有認知結構

15、中的有關經驗，去同化當前實驗現(xiàn)象所給出的新刺激，實現(xiàn)新的意義建構；創(chuàng)造“協(xié)作學習”實驗環(huán)境，發(fā)揮學生群體的思維與智慧對團隊意義建構的作用；營造良好的自由探索和自主學習的實驗環(huán)境，培養(yǎng)學生的創(chuàng)造性思維。2.促進遠程實驗教學多種形式的相輔相成實驗教學按運用的手段可以分為傳統(tǒng)實驗教學和現(xiàn)代遠程實驗教學；按組織形式可以分為個別式、合作式、集體式遠程實驗教學；按實驗形態(tài)可以分為物理性、模擬性、虛擬性、遙控性的實驗教學；按操作對象可以分為演示實驗教學和學生實驗等。認清這些實驗教學形式各自所具有的不同特點，在應用中才能取長補短，才能實現(xiàn)遠程實驗教學的最優(yōu)化。除前兩種形式外，其它遠程實驗教學形式的特點均較明顯

16、，這里不再陳述。根據(jù)前面對傳統(tǒng)實驗教學和信息化實驗教學方式的描述，兩者的特點可歸納為表1所示。  由表1看出，傳統(tǒng)實驗教學方式和信息化實驗教學方式互補性強，在應用中不能排斥，應當取長補短。所以，在提倡開發(fā)信息化實驗學習環(huán)境的同時，也要更新和開發(fā)適合遠程學校的物理性的實驗裝置。例如，利用數(shù)字技術、微電子技術和計算機技術改造傳統(tǒng)實驗設備，使其向小型化、集成化和多元化方向發(fā)展，讓一個實驗或幾個實驗在一個實驗箱或實驗包中完成。這樣的實驗箱或實驗包攜帶方便，可以集中在一個房間使用，也可以分發(fā)給學生在家使用，構成靈活移動的實驗室。在實驗箱或實驗包中要有學習指南，向學習者說明其中設備功能

17、、實驗題目、操作要領、注意事項等與實驗相關的內容。移動實驗室可以讓更多的學生自主操作實驗，而且不受時間和空間的限制，是遠程實驗學習的有效工具。3.鼓勵教師開發(fā)遠程實驗教學檢測軟件在遠程實驗教學方式中，由于教師和學生難以面對面接觸，如果無遠程實驗教學檢測軟件的控制，學生實驗效果是否達到教學目標的要求就無法判斷。為此，應當鼓勵教師開發(fā)遠程實驗教學檢測軟件。設計遠程實驗教學檢測軟件應從實驗教學的全過程進行分析，建立完整的檢測系統(tǒng)，其主要內容包括實驗預習檢測軟件庫、實驗過程檢測軟件庫、實驗結果檢測軟件庫等。實驗預習檢測軟件庫主要為學生提供各實驗的實驗目的、實驗儀器、實驗原理、實驗內容、實驗預習題等內容

18、。由干不同的實驗儀器的使用方法各不相同，而學生在這些方面又缺乏必要的知識和經驗，因此該內容的表示要圖文并茂、靜動結合，可以用數(shù)碼相機拍攝儀器圖片，再用文字注明各部件的名稱和功能。將實驗指導書中需進行預習的問題加以編排，建立預習檢測題庫和預習檢測程序。實驗前學生需通過預習檢測程序的測試，來判斷學生實驗預習的效果。實驗過程檢測軟件庫是實驗教學過程的一個組成部分。由于信息化實驗學習將涉及到大量有關信號的采集、處理以及實驗數(shù)據(jù)的處理等一系列問題，為此，實驗過程檢測軟件庫除建立針對實驗操作、步驟、現(xiàn)象的檢測題庫之外，還要建立針對各類實驗機的數(shù)據(jù)庫。學生在實驗結束時，通過實驗過程檢測軟件來判斷實驗的效果。這些效果檢測軟件庫一方面要建立