虚拟实验培养创新型人才的探索实践

虚拟实验培养创新型人才的探索实践 杨南粤 （广东技术师范学院 广东 广州 510665） 摘要：实验教学对培养创新实用型人才的重要作用毋庸置疑。传统的实验教学由于自身的局限性已不能满足现代教育的需求。本文探讨了利用虚拟实验培养大学生实践能力、创新能力的优势和方法，并举出了两个实际例子。实践证明，虚拟实验有利于学生实现从知识学习到动手实验的跨越，有利于提高学生的创新能力和综合实践能力，能有效提高教学质量。 关键词 ：实验教学；虚拟实验；创新型人才 中图分类号：G712 文献标识码：A 文章编号：1672-5727（2014）08-0162-04 实验教学是高等教育一个重要组成部分，是培养学生创新能力、实践动手能力和综合素质的一个重要环节。在所有影响教育质量的因素中，实验教学环节占有非常重的比重。近两年国家教育部颁布了两大文件：《教育信息化十年发展规划（2011—2020年）》提出“推动信息技术与高等教育深度融合，创新人才培养模式”；《教育部关于全面提高高等教育质量的若干意见》明确提出“强化实践育人环节，提升实验教学水平……提高实验、实习实训、实践质量”，这意味着各高校在未来十几年内要切实推进实验教学信息化建设，推动实验教学改革、实验教学资源开发与共享。 传统的实验教学由于实验设备的投入与维护费用高，受时间、地点、人力、物力等诸多因素的影响，实验的开展存在局限性，已不能完全满足现代教育的需求。鉴于传统实验教学与信息化时代人才培养需求之间的不对称，笔者认为，应利用虚拟实验合理、高效、智能化地整合教学资源，探索虚拟实验环境下调动学生学习积极性、提高学生实践创新能力的教学方式。利用现代信息技术引入虚拟实验，克服传统实验模式的不足，探索新时代下创新实用型人才的培养模式和方法，已成为深化实验教学改革的迫切需求。 传统实验教学的不足阻碍了创新型人才的培养 传统实验教学和形式比较单一，大部分都是验证性实验，涉及的课程内容往往互相独立，存在知识点重复问题。学生学习了独立的课程而不能融会贯通，由于无法进行跨学科学习，难以具备综合应用所学知识解决实际问题的能力。这种多验证理论而少尝试创新的实验，很难真正培养和提高学生的创新能力和实践能力。 传统的实验信息单向传递，学生自行设计的实验或创意独特的实验方法能否观察到实验现象，能否进行实验调试，能否获得实验结果或评价都缺乏实时反馈。学生在实验过程中偶获的创新灵感由于有限的实验条件而难以得到印证和延展，不利于他们创新精神和实践能力的培养。 在传统实验中，教师往往关注能否完成预期教学任务，追求实验结果与教学目标的吻合度，容易忽略实验过程中对学生思维方法的引导，及对学生突现的创新思维火花的关注和鼓励。重结果、轻过程的实验不利于挖掘和培养学生的创新性。 虚拟实验培养创新型人才的优势 在计算机技术和网络技术等基础上发展起来的虚拟实验能实现真实实验不具备或难以完成的教学功能。对于一些真实实验平台无法开展、复杂性比较大、存在潜在危险的或成本比较高的实验，虚拟仿真实验能够提供可靠、安全和经济的实验项目。虚拟实验的特点如图1所示。 虚拟实验培养创新型人才的优越性主要体现在以下方面。 （一）扩充实验内容，培养学生的综合能力 利用虚拟实验，可以使实验由验证性向综合性、设计性、研究性过渡。综合型实验必然存在学科之间的交叉与渗透。通过虚拟实验，学生能够更好地对各种知识进行融会贯通，获得“触类旁通”、“举一反三”的综合性实践能力。在实验中，教师给出方向和任务要求，学生查阅文件资料后根据自己的兴趣爱好设计实验项目，自行选配实验器材，规划实验步骤。由于是虚拟实验，学生设计跨学科的实验项目不再受到实验室现有固定实验器材的局限，创新和探索的自由度大幅度提高，可实现对传统实验思维的突破和创新。虚拟实验能够有效地解决实验材料消耗和大型昂贵设备的操作安全问题，学生可以大胆进行综合性、创新性、研究性的实验项目，有利于培养和锻炼学生综合实践能力和创新意识。 （二）提供无限实验环境，提高学生的创新意识 虚拟实验可突破时间和空间限制，学生可以在任何时间和地点进行实验。并且，虚拟实验提供了充分自主的操作空间，学生可以进行自主创新型实验。因此，学生在实验过程中突现的创新性想法，例如对某些问题提出的大胆假设和猜想，能方便地在虚拟实验提供的虚拟环境中得以验证，得到实时反馈。某些虚拟实验系统集成了知识库，具有更强的实时响应、过程互动和智能指导功能。某些虚拟实验提供的开放式实验平台允许使用者重构或改善平台开发者提供的不尽如人意的功能，进行个性化实验设计，突破了传统实验设备的局限性，极大地激发了学生的探究欲望和学习兴趣。这种新型的实验教学模式，有助于提高学生发散思维能力、归纳总结能力，从而培养他们发现问题、问题、解决问题的创新意识，积极实践和勇于探索的精神。 （三）改变实验指导模式，挖掘学生创造潜力 传统实验若要对实验过程进行或监控需要借助摄像仪器，而虚拟实验系统通过程序设计即可具备这种功能，一方面，可为学生实验提供可视化的操作环境和实时交互功能，另一方面，也可为教师提供实验过程再现、实验巡视功能，使教师可以随时抽查了解某个学生实验的全过程，检查实验进展情况、复杂问题协同完成进度等。这样，教师关注的就不仅仅是实验结果的正确与否，还可以对实验全过程进行监控或回放，对学生的指导更加灵活和细致。这样的好处是教师可以真正了解学生在实验过程中的思路，即解决实际问题的思维方式，更容易发现和挖掘学生在实践探索中的创新想法，从而进行及时的引导，使学生的创新意识得到重视和培养，使学生的创新能力得到锻炼和提高。 利用虚拟实验培养创新型人才的实践 （一）虚拟实验平台的构建与运作 在课堂基础理论教学上，利用专业的仿真软件，采用多媒体技术以及网络通讯平台，构建具有高度真实感、直观性和精确性的虚拟实验平台，既能满足实验的灵活性和有效性要求，又可极大地减少实验成本和资源消耗，是对专业实验教学的有益补充和创新。综合型、创新型、不易实施的实验通过虚拟仿真实验完成，学生可以方便地修正、重组、查验和尝试，为他们自主学习提供更加广阔的实践空间，使他们的创造性思维更加活跃。 下面以“教育电声系统”虚拟实验为例加以说明。“教育电声系统”这门课程主要讲述电声系统的设计、实施和评价等，它的难点在于声音的不可视性，使得理论部分的讲解比较抽象，实验部分由于电声系统设备昂贵，学生在传统实验室获得的训练非常有限和片面。根据以往的教学经验，由于实验环境条件所限以及客观存在的实验误差，实验难以达到理想要求。为此，我们利用虚拟现实技术创设开放式虚拟实验平台，如图2所示，设计开发了四个交互性和实操性很强的实验：（1）室内声场的认识与测量（一）——室内声压级；（2）室内声场的认识与测量（二）——室内混响；（3）扩音机与扬声器配接实验；（4）数字化音频的合成与处理。实验内容包括常用器件的检测连接、声场主要指标的测量以及教育电声节目的编制等。教育电声系统虚拟实验平台操作原理如图3所示。 进入虚拟实验平台后，学生可根据个人兴趣设定学习目标和基本学习思路，然后进入对应的虚拟情境学习。例如，学生进行扩音机与扬声器配接实验，根据配接原理和配接条件自己选择实验器材进行配接，系统会根据学生的操作给出虚拟实验结果。在虚拟实验环境下，学生可以随时随地进行无数次的操作直至满意为止，不必担心仪器设备的损耗。“室内声场的认识与测量（二）——室内混响”实验如图4所示。通过鼠标点击扬声器图标，在弹出的控制面板上调整不同混响时间及混响音量大小，让虚拟人物在室内自动转圈或鼠标控制行走，系统会根据虚拟人的位置实时产生对应的混响效果。这对于学生自行设计电声系统，尝试选择不同的设计以检验和体验自己的设计效果是非常方便的。例如，对特定的音效场景，如歌舞厅、电影院、剧院、大型会议中心等进行声学设计，不必到真实的场地进行音效测试和调整，可以在系统提供的虚拟环境里通过调整室内装饰材料（改变吸声系数）、混响时间等声特性参量感受到不同的声音效果。这为学生创新思维的发展和锻炼提供了巨大的自由空间，也他们在实践中检验自己的创新设计理念是否可行，不断总结经验，改进设计方案提供了极大的便利。虚拟实验平台的实时交互操作，可使学生在实验中学习，在实验中创新的能力得到不断的提高。实践证明，比起传统的实验方式，虚拟实验使学生获得的知识量、信息量、训练量大大提高了，对培养学生的实践能力、创新能力和综合解决问题的能力起到了较大的作用。 （二）学生创新能力的培养 利用虚拟实验平台，开发综合性强、创新性强、复杂度高的虚拟实验项目，能为学生研究能力和创新能力的培养提供良好平台。综合性强的实验项目建立在知识融合的基础上，其问题的最终解决途径往往不是唯一的，存在着较大的创新空间，有利于挖掘学生的创造潜力，培养他们的发散思维，用创新的思路和创造性的方法解决实际问题。虚拟实验平台为学生跨学科的探索提供了安全可靠的实践空间，使他们勇于实践、大胆尝试，最终提高解决综合问题的能力。 例如，虚拟变速箱的实验，利用虚拟现实软件设计并实现变速箱的工作过程可视化，通过人机交互体现变速箱的工作原理。从虚拟变速箱的总体设计规划分析，到虚拟变速箱的制作步骤，最后到虚拟变速箱的最终实现整个过程都是由各个小组的学生分工合作完成的。也就是说，从设计方案的选择到最后实现都是学生自行完成的，他们可以自由选择变速箱内部的轮系类型、齿轮机构的组成、齿轮的齿数等以获得不同的传动比，从而实现变速箱的变速与变向传动功能。由于实验内容的综合性，学生完成该项实验所用到的知识就不再仅来自一门课程，需要他们在教师的指导下自行分模块、分步骤地查阅和学习相关的几门课程资料，通过知识的综合提出设计思路并在实践中验证其设计是否可行。譬如，轮系的传动比涉及齿轮的齿数、齿轮的转速、电动机的转速等，与之相关的课程有2～3门，学生需要进行跨学科学习，才能解决好设计过程中出现的各种问题。这样的学习过程完全打破了传统的学科壁垒和专业设置界限，学生可在学科交融中扩大视野，拓宽思路，接触新技术，领悟新知识，创造性地去解决一些实际问题，而不必拘泥于某一学科知识的约束，从而避免了思维定势。实践证明，比起传统的变速箱实验让学生去机械零件室对有限数量的变速机构教学仪器用工具进行简单装拆，开放性的虚拟变速箱实验可使学生获得更多的知识，更有利于培养他们的实践精神和创新精神，并且学生对知识的理解更加深刻、透彻，对技能的掌握更加牢固，可促进他们从单一技能的掌握到综合能力的提升。这种综合应用型的虚拟实验项目能最大限度地激发学生的学习兴趣和探索热情，有利于他们创新意识、创新精神、创新能力的培养。 笔者研究了现代信息化教育环境下虚拟实验教学较传统实验教学存在的明显优越性，提出了利用虚拟实验培养大学生实践能力、创新能力的模式和方法，并给出了两个实际案例。实践证明，虚拟实验对于培养和提高大学生的操作能力、分析和诊断能力、设计能力、创新能力以及处理综合问题能力都有显著的效果。虚拟实验的使用，不仅扩大了实验空间，更重要的是能激发学生的创造灵感，加强学生综合处理问题能力的训练，可有效地提高教学质量，是信息化时代培养创新实用型人才的有效途径。 参考文献： [1]秦钢年.创新型人才培养与实验教学示范中心建设[J].实验室研究与探索，2010，9（29）：116-121. 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