教師教育虛擬仿真實驗中心探索與實踐

齊貴超 張華瑞 吳平頤

摘? 要 隨著在線教育和虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展，開發(fā)基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬仿真實驗室成為當前研究的熱點。在教育現(xiàn)代化背景下，華東師范大學教師教育實驗教學中心積極開展教育資源信息化、虛擬化和仿真化的建設(shè)與應(yīng)用，通過架構(gòu)教師教育虛擬仿真實驗中心，切實促進教學資源的有效運用，建立師范生多元化、多途徑和多維度的學習機制。

關(guān)鍵詞 教師教育;虛擬仿真;實驗教學;實驗室

中圖分類號：TP391.9? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2019）20-0013-04

Research and Practice of East China Normal University Virtual Simulation Experiment Center for Teacher Education//QI Gui-chao， ZHANG Huarui， WU Pingyi

Abstract With the development of online education and virtual rea-lity technology， network-based virtual simulation laboratory has be-come a hot research topic. In the context of the modernization of edu-

cation， East China Normal University has actively carried out the construction and application of informationization， virtualization and

simulation for educational resources. By framing Virtual Simulation Experiment Teaching Center for Teacher Education， East China Nor-

mal University will effectively promote the application of educatio-nal resources and build a diversified， multi-channel and multi-dimen-

sional learning mechanism.

Key words teacher education; virtual reality; experimental teaching; laboratory

1 前言

虛擬仿真實驗室是指在計算機系統(tǒng)中采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)實現(xiàn)的各種虛擬實驗環(huán)境，實驗者可以像在真實的實驗環(huán)境中完成預定的實驗項目[1]。虛擬仿真實驗室最初的發(fā)展主要側(cè)重于科學研究與工程應(yīng)用領(lǐng)域，從20世紀80年代開始，虛擬實驗室在教學方面的應(yīng)用逐步推廣開來[2]。

基于教師教育鮮明的實踐性特征，華東師范大學依托國家級教師教育實驗教學示范中心，有效應(yīng)用虛擬現(xiàn)實、多媒體、人機交互、數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)，持續(xù)推進教師教育實驗教學資源的信息化建設(shè)，積極開展虛擬仿真實驗中心的探索與實踐，培養(yǎng)師范生的專業(yè)技能、科學素養(yǎng)和綜合能力。

2 教師教育虛擬仿真實驗中心建設(shè)的必要性

教師是一種專業(yè)性很強的職業(yè)，和醫(yī)生、律師、技工等一樣，需要掌握嫻熟的專業(yè)技能。教師的教學技能、教學研究、綜合科學素養(yǎng)共同決定了一個教師的綜合素質(zhì)。心理學上已經(jīng)驗證，任何一種技能的提升都需要有效的實驗訓練，一方面實踐教學理論，另一方面訓練強化技能動作，在做的過程中不斷提高技能的準確性和嫻熟度。因此，未來的優(yōu)秀教師和教育家在高等教育階段需要接受大量優(yōu)秀的實驗課程[3]。華東師范大學在師范生的培養(yǎng)方面，非常注意教育實踐和技能類課程的建設(shè)，并建有國家級教師教育實驗教學中心，為師范生提供大量的實戰(zhàn)性的教育教學技能方面的實驗實訓活動。

經(jīng)多年努力，學校教師教育實驗教學效果顯著，但距離培養(yǎng)一流的師范生還存在一些問題：有些實驗受客觀條件影響，如財力、安全性等，學校不能提供這些實驗項目;由于教師指導資源和實驗場所資源有限，某些實驗教學不能滿足所有師范生的實驗需求，如口語訓練、教學模擬訓練等;實驗資源共享程度比較低，各院系和實驗室“隔閡”嚴重;實驗教學項目地域靈活性差，學生進行實驗必須跑到實驗室，尤其是對于學校兩個校區(qū)的情況，愈顯不合理和非人性化。

針對上述問題，學校對相關(guān)數(shù)字化教師教育實驗室和實驗教學優(yōu)質(zhì)資源進行整合和功能提升，積極推進教師教育虛擬仿真實驗中心建設(shè)。教師教育虛擬仿真實驗為學生提供了一種嶄新的實驗方式，學生可以很方便地進入虛擬實驗室，自主進行虛擬實驗訓練，甚至進行學校真實實驗室不存在的實驗，并且虛擬實驗室的實驗效果等同或者優(yōu)于真實實驗室的實驗效果[4]。

3 教師教育虛擬仿真實驗中心的建設(shè)內(nèi)容

為充分發(fā)揮全校教師教育優(yōu)質(zhì)實驗教學資源的效益，借助信息化技術(shù)，通過功能提升和系統(tǒng)整合，學校全面推進教師教育實驗教學資源的虛擬化、仿真化建設(shè)。教師教育虛擬仿真實驗中心的建設(shè)目標是：立足培養(yǎng)樂教、適教、善教的優(yōu)秀人民教師，以全面提升師范生的專業(yè)技能、科學素養(yǎng)和綜合能力為目標，深化和基礎(chǔ)教育改革與發(fā)展的良性互動，促進仿真理念和虛擬技術(shù)在教師教育領(lǐng)域的研究與推廣，加快虛擬實驗和仿真方法在學科教學論領(lǐng)域的開發(fā)與應(yīng)用，鼓勵跨學科交流和協(xié)作，努力建設(shè)成為國內(nèi)一流、國際上有影響力的具有鮮明教師教育特征的國家級虛擬仿真實驗教學示范中心。

構(gòu)建多層次立體式網(wǎng)絡(luò)化的教師教育虛擬仿真實驗中心布局? 教師教育虛擬仿真實驗中心整合優(yōu)質(zhì)實驗教學資源，提升教師教育實驗功能，建立集教育教學技能、實驗教學研究和綜合科學素養(yǎng)訓練于一體的多層次立體式網(wǎng)絡(luò)化的虛擬實驗中心。該虛擬仿真實驗中心根據(jù)師范生的培養(yǎng)需求，細分為五部分，如圖1所示，分別是教學技能測訓區(qū)、管理溝通訓練區(qū)、科學素養(yǎng)訓練區(qū)、虛擬課堂評測區(qū)、仿真實驗研發(fā)區(qū)。

1）教學技能測訓區(qū)：通過模擬訓練，提供學生普通話教學、普通話自主訓練、普通話模擬測試和測試服務(wù)，提供基于平板和在線技術(shù)的學生“三筆一畫”等教學基本技能的訓練與測試。

2）管理溝通訓練區(qū)：通過虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，模擬各種教學情境下的心理和行為，進行測量和研究，提升學生的教學管理能力和理念。

3）科學素養(yǎng)訓練區(qū)：科學素養(yǎng)訓練區(qū)由物理素養(yǎng)數(shù)字化實驗室、化學素養(yǎng)數(shù)字化實驗室、生物素養(yǎng)數(shù)字化實驗室組成，各數(shù)字化實驗室開發(fā)一系列具有探索性、趣味性、互動性、科普性的虛擬實驗項目，滿足本專業(yè)學生、相關(guān)理科專業(yè)學生、其他專業(yè)學生等三類群體的不同需要。

4）虛擬課堂評測區(qū)：為師范生提供小組微格教學實踐活動的綜合評價，教學功能包括課堂教學技能訓練、課堂教學模擬、教學語言觀摩與訓練、教態(tài)觀摩與訓練等，在仿真場景中開展教學演練、教學管理、教學實驗、教學技能比賽，營造交互與交流學習的共同體環(huán)境。

5）仿真實驗研發(fā)區(qū)：提供各類多媒體教學課件制作的工作環(huán)境，如Flash、Java、QuickTime VR等制作軟件，教學活動前的課件比對研究、演練、優(yōu)化與整合，指導和鼓勵學生結(jié)合今后基礎(chǔ)教育教學需要，開展仿真實驗項目的設(shè)計、開發(fā)和制作。

以上所有實驗室均由智能集成中控系統(tǒng)控制，已實現(xiàn)遠程網(wǎng)絡(luò)直播與控制、多媒體傳送與交換、視頻采集與管理等技術(shù)功能。

建設(shè)豐富的教師教育虛擬仿真實驗資源庫? 教師教育虛擬仿真實驗中心針對不同實驗（訓）課程和項目的特點，結(jié)合學生的專業(yè)知識和基礎(chǔ)、認知規(guī)律和水平，采用不同的虛擬實驗技術(shù)、方法和手段，形成五個模塊的實驗教學資源庫體系，詳見圖2。

1）教學技能模塊：通過普通話模擬測試與學習系統(tǒng)，利用語音識別技術(shù)開展學生的普通話、口語表達方面的技能訓練與評估;運用高清視頻遠程可視化協(xié)同教學技術(shù)，觀摩學習校外實驗基地教師的課堂教學的語言表達、板書和板畫;利用在線評測技術(shù)開展學生粉筆字、鋼筆字方面技能的訓練和評價。

2）管理溝通模塊：基于教育心理學，建設(shè)組織管理模擬訓練平臺，以情境模擬和計算機模擬為手段，訓練學生掌握基本的師生溝通技巧、班級組織和管理能力，并學會運用信息化手段（如社會性軟件）增強管理與溝通能力。

3）科學素養(yǎng)模塊：各數(shù)字化理科實驗室開發(fā)一系列具有探索性、趣味性、互動性、科普性的虛擬實驗項目，滿足本專業(yè)學生、相關(guān)理科專業(yè)學生、其他專業(yè)學生等三類群體的不同需要。

4）虛擬課堂模塊：采用案（課）例教學與學習任務(wù)驅(qū)動相結(jié)合的方法，在課程學習期間，根據(jù)不同技能訓練要求，教師設(shè)計相應(yīng)的學習任務(wù)，在虛擬課堂中，讓每位學生圍繞各自的學習任務(wù)來完成相應(yīng)技能訓練;在完成學習任務(wù)的基礎(chǔ)上，利用網(wǎng)絡(luò)互動教學平臺和視頻語義標注技術(shù)，開展生生互動和師生互動，實現(xiàn)教師對學生訓練的指導和反饋，結(jié)合課堂教學評價，開展課堂教學的能力訓練;同時，遠程觀摩校外實驗基地優(yōu)秀教師的課堂教學實況，并與優(yōu)秀教師就教學設(shè)計與信息技術(shù)的整合、課堂教學技能等問題進行實時交流，促進師范生更好更快地適應(yīng)中學教學的需要。

5）仿真研發(fā)模塊：以制作新型仿真實驗為目的，以項目興趣驅(qū)動的方式，通過仿真實驗制作環(huán)境的搭建，了解仿真實驗的制作原理和創(chuàng)新仿真實驗的制作內(nèi)涵，培養(yǎng)學生根據(jù)教材中實驗教學的需要自主研發(fā)相應(yīng)的仿真實驗項目，為未來成為一位較高信息素養(yǎng)的教師奠定基礎(chǔ)。

通過這些仿真虛擬實驗項目的練習，可以方便學生更好掌握和鞏固知識點，在每一個分實驗中都設(shè)計詳細的原理展示動畫模塊，學生在實驗前或是實驗后都可以自行學習[5]。同時，模擬實驗設(shè)計時一些參數(shù)的選擇是隨機的，因此，每次實驗得到的結(jié)果有所不同，使用者只要按下重置按鈕，便可以進行新一輪的實驗?zāi)M。為使學生通過實踐達到一定的學習目標，“中心”為這些模擬實驗設(shè)計了實驗參考文本。

搭建教師教育虛擬仿真實驗中心支撐平臺? 近年來，華東師范大學教師教育實驗教學中心在教育信息化的基礎(chǔ)設(shè)施、資源建設(shè)、人才培養(yǎng)以及教育系統(tǒng)應(yīng)用水平等方面均做出較大努力。中心的信息平臺是一個以學生發(fā)展為中心的開放的、人性化的在線學習和管理環(huán)境。通過該環(huán)境，學生既可以直接學習儀器設(shè)備的操作預知，還可以方便快捷地通過網(wǎng)絡(luò)進行學習（可在學習過中進行提問，可進行師生互動交流，可直接參與實驗內(nèi)容設(shè)計等），同時為教師提供了良好的實驗教學、研究環(huán)境，實現(xiàn)各個分中心資源的有效共享。精品課程、CAI課件、多媒體電子教案、電子講稿、實驗教材、活頁講義、教學大綱、課程進度表、教學素材庫、教學規(guī)章制度、實驗設(shè)備介紹等也納入中心平臺的管理，統(tǒng)一管理，適時更新，方便教師與教師、教師與學生之間的相互交流，為學生課后自學、深化理解課程內(nèi)容，真正地參與教學互動，提供了良好條件，初步構(gòu)建開放的實驗教學資源數(shù)字化平臺。

整個中心信息平臺的功能包括人員管理、設(shè)備管理、學習資源管理、教學服務(wù)、資源集成，通過若干子系統(tǒng)實現(xiàn)?；拘畔⒕S護子系統(tǒng)包括實驗室信息管理、實驗室功能管理、實驗室人員管理和實驗室設(shè)備維護等功能;實驗室開放管理子系統(tǒng)則包括實驗室開放時間設(shè)置、學生網(wǎng)上選課、實驗時間預約等功能;教學管理子系統(tǒng)則包括實驗（訓）課程和內(nèi)容管理、實驗科目的開發(fā)、實驗室上課時間分配、實驗教學大綱修訂、實驗報告的展示等功能;網(wǎng)上學習子系統(tǒng)包括實驗預習題目的維護、學生網(wǎng)上預習、實驗示范視頻的維護等功能;教學案例子系統(tǒng)則包括教學案例的維護、實驗資料的上傳與下載等功能;虛擬實驗子系統(tǒng)包括

理、化、生等學科的在線虛擬實驗。整個平臺的信息通過中控室交互，并與數(shù)字化校園及教務(wù)管理系統(tǒng)互相銜接，資源和數(shù)據(jù)能夠充分共享。

4 規(guī)劃與展望

教師教育虛擬仿真實驗中心的建設(shè)將增強實驗課程教學平臺可擴展性，提高實驗課程教學內(nèi)容先進性，促進實驗課程遠程教育的發(fā)展，有效實現(xiàn)：基于現(xiàn)代信息技術(shù)和大數(shù)據(jù)分析方法的教師教育在線訓練系統(tǒng);信息、數(shù)據(jù)、資源的全網(wǎng)絡(luò)化運行、管理和評價;實踐教學活動的實時監(jiān)控、實時信息與數(shù)據(jù)的傳輸與存儲、實時遠程互動與多網(wǎng)絡(luò)的信息整合。

中心將在培養(yǎng)塑造一大批優(yōu)秀教師和未來教育家的目標指引下，不斷開拓創(chuàng)新，用3～5年的時間，打造一流虛擬實驗教學師資隊伍，開發(fā)虛擬化教師教育實驗教學資源，完善基于信息技術(shù)環(huán)境的運行與管理模式，探索開放共享機制，使之成為向師范生及相關(guān)人員在教師教育虛擬仿真實驗實訓方面提供高水平指導和服務(wù)的技術(shù)平臺與訓練體系，成為中國教育家和優(yōu)秀教師培養(yǎng)的搖籃。

參考文獻

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