基于虚拟环境的药学实验教学模式研究.rtf

论文摘要 随着教学改革不断的发展 虚拟现实技术在我国的教育中得到了越来越多的 应用 在以计算机形式进行的虚拟药学实验教学中 学习者要求教学中有真实的 情境 科学探究的环节 多种学习方式 评价反馈 这些对于传统的教学资源来 讲无疑是一个挑战 虚拟现实技术作为教师教辅工具 情感激励工具和学生认知 工具 构筑数字化学习资源 实现学习方式的变革 从被动接受式学习真正转变 为自主探究学习 有意义学习和合作学习 为适应培养高素质 高技能型药学人 才的需要 增强学生分析问题 解决问题的能力 针对药剂学实验传统教学模式 中存在的问题 我们突破传统教学模式 将虚拟现实技术与药学实验加以整合 构建以学生为主体 以教师为主导 以学生自主探究为主线的基于虚拟环境药学 实验教学模式 有效地激发了学生的学习兴趣 以更好地培养学生的创新意识 创新精神 创新能力和解决实际问题的能力 虚拟现实技术应用到药学教育中 由于它采用了 数字化技术 多传感交互 技术等可视化技术 虚拟系统可以模拟出逼真的场景 并且能与用户进行实时的 交互 感知和操作虚拟对象虚拟实验的出现为学生提供一种协作式的 个性化的 自适应实验环境 为了更好的了解虚拟实验的特点及其在教学中的作用 使之在 高职高专教学中有效地发挥作用 本文从分析虚拟实验的特点入手 探讨其在药 学实验教学中的作用 在此基础上 对虚拟实验教学模式进行初步探讨 论文分析虚拟技术的特点 从认知主义 行为主义 建构主义等方面探索了 基于虚拟环境药学实验教学模式的理论基础 通过对虚拟实验的涵义及发展阶段 的介绍 简要说明虚拟技术在药学实验中的应用 构建出基于虚拟环境的药学实 验教学模式 并以药学实验为例 进行虚拟实验教学的案例分析 来论证基于虚 拟环境药学实验教学模式的运用效果 开展了实验教学实效性研究 通过对教学 效果的调查分析 此教学模式对学生自主创新性实验能力的培养取得的显著成效 得出采取虚拟实验教学模式的必要性 关键词 虚拟现实技术 药学实验教学 教学模式 第一章绪论 目录 第一节研究背景及意义 第二节国内外研究现状 第三节论文研究方法和视角 第四节论文结构 第二章高职虚拟药学实验教学理论基础 第一节虚拟现实技术辅助教学的思考 第二节虚拟药学实验教学理论支撑 第三节虚拟现实技术的教学应用与教学模式分析 第三章虚拟药学实验教学基本概述 第一节虚拟实验的概念和特征 第二节虚拟药学实验教学应用分析 第四章基于虚拟环境的药学实验教学模式的构建 第一节虚拟环境下的药学实验教学模式 第二节基于虚拟环境的药学实验的教学设计思想 第三节基于虚拟环境的药学实验教学设计原则 第四节基于虚拟环境的药学实验教学程序 第五节基于虚拟环境的药学实验教学策略 第五章基于虚拟环境的药学实验实践研究 第一节高职药学实验教学的分析与思考 第二节基于虚拟环境的药学实验教学实践 第三节问卷调查与分析 第六章总结和展望 参考文献 附录 后记 第一章绪论 随着高职教育课程的改革和新课程标准的实旋 教育观念 学习方式都发生 了深刻的变化 如何把虚拟现实技术应用于药学实验教学中这是有待深入探讨的 课题 本文研究内容主要是基于虚拟环境的药学实验教学模式研究 本章主要论 述了论文的研究背景 分析了国内外研究现状 提出了研究方法和论文的基本结 构 本章所陈述的内容是整个论文撰写的重要前提和基础 研究背景及意义 在信息化时代 基于虚拟环境的实验教学已是高职药学实验教学中的重要组 成部分 解决了实际实验教学中的诸多问题 对于药学这个实践性很强的学科而 言 实验是获取知识 提高技能的必需环节 在我校药剂分析是一门以实验为基础的学科 开展好实验教学工作 不仅可 以引导学生将理论知识与实践有机地结合起来 通过实验 可以激发学生的创新 欲望 培养其严谨的科学思维和创新能力 特别是与科学技术发展相适应的综合 能力 引导学生树立正确的科学思想和科学方法 提高学生的素质 使学生成为 教育的真正受益者 因此要提高药学教学质量 就必须强化药学实验教学 从教学的角度看 药学实验是药学课程和药学教学的一个重要组成部分 它 既是药学教育的重要基础 又是药学教育的重要内容 方法和手段 实验是药学教学的基础 在教学中 实验教学是学生积极发挥主观能动性 进行科学研究再创造过程 相对于理论教 学而言 实验教学以其直观性 实践性 创造性等优点 在培养学生基础知识 提高动手能 力 掌握科学研究方法等方面发挥着重要的作用 药学教学必须以实验为基础这是由实验本 身的特点以及其在药学教学中的作用所决定的 由于药学实验课程的特殊性 传统的教学方 式正面临着诸多的难题和挑战 第一 有效的实验仪器数量严重不足 早期的基础建设投入 不足加之仪器设备的量少 陈旧且维修周期长 给实验教学的正常开展设置重重障碍 影响 学生 动手能力的提高 随着科学技术的进步 药学研究领域的新设备 新技术不断涌现 为了保 证药学教育的质量 应该让学生接触最先进的设备 然而即使在一些 传统药学院校的实验室 实验设备的现状也不容乐观 特别是专业实验室拥有的 常规实验教学仪器设备中 大部分是 世纪 年代的产品 有时甚至还可以见 到 世纪 年代的设备 这些设备在技术 操作性能及精确度上已经不能 满足实验教学的需要 第二 时间空间的约束 不管是什么实验 实验教学都必须在指定的实验室中进行否则 无法进行 教学模式比较单一固定 目前 药学院校用于实验教学的实验室面积也相对 紧张 不能满足正常实验教学的需要 随着招生人数的增加 对于基础课实验室的压力 增大 即使考虑增加实验课循环次数 实验室通过内部 调整 合并等因素 实验室面积至少也需要增加 倍 才能保证实验教学正常 安全地运行 因此需要考虑多媒体及网络系统的远程实验教学 尤其是一般药学 院校要重视利用网络资源 这可以部分弥补 高 新 尖 实验仪器设备的不足 共享传统强校的优质实验教学资源 以提高实验教学水平 满足人才培养的需要 第三 实验教学内容陈旧 教学手段落后 传统的实验大多采用课堂教学的灌输 学生 的依赖行为比较明显 不利于培养学生创新能力的培养 也不能达到 预期的实验效果 因此实验教学的教学内容 教学模式 教学方法亟待革新与完善 迫切需要进行实验 教学的改革 从实验改革的需要来看 包括 学生的知识体系在深度和广度上的构建 学生动手能力和创新能力的培养 教学模式的多元化发展 在本文构建的虚拟实验教 学模式着眼于这几个方面的思考 从教学应用的角度出发 将虚拟实验科学合理运用 于传统的实验教学中 促进实验教学的改革和发展 随着计算机技术和虚拟现实技术的发展 虚拟现实技术正逐步被引入到实验教学中 以计算机技术为基础的虚拟现实 能实时模拟出一个逼真的 具有视 听 触 等多 种感知的三维 虚拟环境 并通过各种外部传感设施使人体的各种反应与虚拟环境 进行交互 这项技术是由美国军方开发研究出来的一项计算机 技术 最早用于军事上的仿真 目前已广泛应用于航空航天 医学实习 娱乐 工程及产品设计 制造业 体育训练等诸多领域 由于他能对社会环境进行真实 的模拟 从而解决媒体的情景化及自然交互性的要求 在教育领域有着极大的发展前景 虚 拟现实技术与多媒体教学 网络教学一起 被看作是教育领域的三大 创新技术 将会对教育教学产生深远影响 虚拟现实技术所带来的 临境 交互 沉浸 等感受 无疑会在教学领域掀起一场巨大 的革命 它从根本上让传统教学理念发生了变化 让教学摆脱了时间 空间 内容 手段等 种种限制 虚拟实验教学为我们解决传统教学方式面临的难题 它对于深化教学改革 建自 主性学习 体验式教学 一体化教学 素质化教学等等都有着深远的影响 此项技术在教育 领域的应用前景极其巨大 随着虚拟现实技术的不断发展完善 硬件设备价格的不断降低 虚拟现实技术必将会受到教育工作者的青睐 进一步推动我国教育的发展 因此 将虚拟现 实技术 应用于药学实验教学中 研究虚拟实验教学的理论基础 教学模式 教学策略 教学程序及其实现和应用等 对于优化虚拟实验教学过程 完善虚拟教学理论 充分发挥虚拟教学的优势 提高虚拟实验教学的教学效果等方面具有重大的现实意义 第二节国内外研究现状 虚拟现实技术出现于 世纪 年代 随着处理技术的大幅度提高及图形的 绘制技术 数字信号处理技术 传感器技术的发展 近十几年来在国内外形成了 对虚拟现实的研究热潮 特别哈勃望远镜地面维修训练 波音 客机管线系统 的虚拟设计与虚拟组装等虚拟现实应用所获得的无可替代的巨大成功 使世界各 发达国家认识到虚拟现实技术的巨大潜力 美国国防部门将以虚拟技术为标志的 建模与仿真技术列为 世纪保证美军优势地位的七大关键技术之一 国外产业 界也将其视为一项参与下一世纪的重要技术 波音 麦道飞机公司和福特汽车公 司也都有相应的发展中心 计划在 中使用这项技术 一些著名的大学和 实验室中 已经建好并投入使用的虚拟实验系统 虚拟实验室 研究提高计算 机图形的艺术表现力及改进仿真过程中的人机接口设计 实验室由美国 大学化学工程系创建 研究虚拟现实技术在化学工程领域的应用 卡耐 不断的增加 但是总体而言 存在定性分析多 定量调查少 理论研究和介绍多 具体的有针对性的教育实践少等一些问题 随着计算机技术的发展 虚拟现实正掀开其神秘的面纱 逐渐走进教学 但 在目前 完全沉浸虚拟现实系统的硬件设施仍然是价格昂贵 这也制约了虚拟现 实在实验教学中的普及 但桌面虚拟现实系统的应用为教学媒体的应用开辟了一 条新的道路 随着虚拟现实系统的价格不断下降 软件的适用不断增强 这种新 的教学媒体必将广泛应用于实验教学 而且 它使个别化教学真正成为可能 当 虚拟现实在实验教学中普及时 教学方式一定会随之发生巨大的变化 第三节论文研究方法和视角 一 研究方法 文献研究法 广泛利用报刊 杂志 网络收集与本课题相关的文献资料 通 过文献分析了解国内外关于虚拟技术方面的研究现状和发展趋势 找到研究 的突破口 行动研究法 将研究制定的实施方案贯彻落实到具体的综合实践工作中去 有计划 有步骤的在教学工作中开展 并对教学全程进行跟踪分析 实验研究法 通过对实践活动中的具体情况进行归纳与分析 使之系统化 理论化 上升为经验并进行推广 找出不足之处 制定有效改进措施 问卷调查法 通过问卷调查学生对实验的满意度和对教学的意见建议 分析 将虚拟技术用于药学实验教学的教学效果 二 研究视角 把握合适研究角度对课题深入和问题解决具有重要意义 近年来关于虚拟现 实技术的研究越来越引起学者的关注 相关的论文也越来越多 但大多都是针对 工业 娱乐 建筑 医疗 高校科研 而对于应用于教学这一领域的研究也只是 零星的 松散的 没有系统的归纳过 本文研究是将虚拟现实技术和药学实验结 合在一起 进行整合提出一种新的教学模式 本论文的研究思路是 在对虚拟现实技术在高职药学实验教学中的应用现状 分析的基础上 结合学科教学自身的特点 在原有药学实验教学模式的基础上提 出基于虚拟环境下的药学实验教学模式 第四节论文结构 本论文共分为 章 各章的主要内容如下 第一章主要是论述论文的研究背景及意义 分析了国内外研究现状 提出 了研究方法和论文的基本结构 第二章提出课题研究的理论基础 可能产生的影响以及在理论的指导下开 展实验教学 第三章虚拟实验概述 通过对虚拟实验的涵义及发展阶段的介绍 以药物 制剂虚拟实验教学系统为例 简要说明虚拟技术在药学实验中的应用 第二章高职虚拟药学实验教学理论基础 本章对虚拟技术辅助教学进行思考并提出课题研究的理论支撑 可能产生的 影响以及在理论的指导下开展实验教学 并对虚拟现实技术的教学应用与教学模 式进行分析 第一节虚拟现实技术辅助教学的思考 虚拟现实技术对客观对象进行逼真的模拟 且有着很好交互性 为实验活动 的开展提供了丰富的实验环境 在这个实验环境中 可以演示传统实验室中无法 实现的实验 仿真出宏观或者微观的实验现象 仿真出极快或者极慢的实验过程 这些现在学生都可以在电脑前随意的操作 虚拟现实技术成为药学实验教学的重 要辅助手段 为药学实验教学提供了全新的技术手段和教学平台 它所提供的逼 真的实验环境 给学生提供了刺激 造成悬念 激发了学生探究的兴趣 调动学 生的主观能动性 引导学生积极主动的参与到知识探究和意义建构的过程中去 虚拟实验能为学习者提供辅导 启发 反馈 纠错等功能 通过虚拟实验很强的 交互性 形成反馈 要强化正确的反应 纠正错误的反应 引导学生进行有效的 学习 将虚拟现实技术应用于药学实验中 实验前进行虚拟实验 可以为真实实 验做事前准备 虚拟实验可以使学生在做真实实验前对实验的内容和各种实验设 备 实验的操作步骤 实验的难点重点等有个深刻的了解 减少实验错误率 真 实实验后 学生再次进行虚拟实验 使得所学知识技能加深巩固 理解透彻 大 大的提高了教学效果 虚拟现实技术辅助实验教学 突破了实验空间 时间实验条件对实验的束缚 提供了开放的 主动的 灵活的实验环境 将实验过程生动形象的呈现在学生面 前 有利于学生创造思维能力和解决问题能力的发展 将虚拟现实技术和药学实 验教学有机的结合 教学效果和社会需求之间的差距将会缩小 因为虚拟现实技 术所构建的学习环境与实际的生活情境相关 汤跃明 虚拟现实技术在教育中应用 科学出版社 第二节虚拟药学实验教学理论支撑 虚拟现实技术在一定的教育理论的指导下对实验教学有着很大的影响 从虚 拟现实技术辅助教学的发展来看 有三大学习理论支撑 分别是行为主义学习理 论 认知主义学习理论和建构主义学习理论 行为主义学习理论试图通过关注环 境中的可观察的刺激事件及反应来解释学习 认知主义学习理论强调将外在的客 观事物的关系内化成学习者内在的认知结构智能的发展 建构主义学习理论强调 学习过程中学习者的主动性 建构性 建构主义以学生为中心 强调学生对知识 的主动探索 对所学知识主动建构 认为 情境 协作 会话 意义建构 是学习环境的四大要素 一 虚拟现实技术与认知主义理论 认知主义学习理论认为 学习就是面对当前的问题情境 在内心经过积极的 组织 从而形成和发展认知结构的过程 强调刺激反应之间的联系是以意识为中 介的 强调认知过程的重要性 认知派学习理论家认为学习在于内部认知的变化 认知是指认识的过程以及对认识过程的分析 他们注重解释学习行为的中间过 程 即目的 意义等 认为这些过程才是控制学习的可变因素 盟 认知主义学习理论的贡献 重视人在学习活动中的主体价值 充分肯定了学习者的自觉能动性 强调认知 意义理解 独立思考等意识活动在学习中的重要地位和作用 重视了人在学习活动中的准备状态 即一个人学习的效果 不仅取决于 外部刺激和个体的主观努力 还取决于一个人已有的知识水平 认知结构 非认 知因素 准备是任何有意义学习赖以产生的前提 重视强化的功能 认知学习理论由于把人的学习看成是一种积极主动的 过程 因而很重视内在的动机与学习活动本身带来的内在强化的作用 主张人的学习的创造性 强调学生学习的灵活性 主动性和发现性 它 要求学生自己观察 探索和实验 发扬创造精神 独立思考 改组材料 自己发 现知识 掌握原理原则 提倡一种探究性的学习方法 强调通过发现学习来使学 酽 生开发智慧潜力 调节和强化学习动机 牢固掌握知识并形成创新的本领 认知派学习理论为实验教学论提供了理论依据 学习过程被解释为每个人根 据自己的态度 需要和兴趣并利用过去的知识和经验对教学内容 做出主动的有 选择的信息加工过程 因此学生不再是外界刺激的被动接受器 而是主动对外 界刺激提供信息加工的主题 而教学也不仅仅是简单的向学生灌输知识 而是首 先要激发学生的学习兴趣和学习动机然后在将当前的学习内容和学生原有的知 识和经验有机的联系起来 将虚拟现实技术应用于实验教学 导致了虚拟现实对象的产生 从认知的过 程来看 认知对象从传统的与现实世界打交道 变成与虚拟现实之间的直接交互 人脑的某些认知环节就交给了虚拟现实对象 从而产生了一种新的认识方式 认 知主义的教学观念是 为学生提供一种对自身进行加工的特定情境和特殊过程 从而在促进学生认知结构的形成中推动学生的认知发展 因此虚拟现实技术与实 验教学相结合 必须从学生的认知心理出发 注重学生的具体经验和对情境的了 解 使得学习者新旧知识之间的同化顺利完成 建构起自己的人事结构促进认知 发展 二 虚拟现实技术与行为主义理论 行为主义理论又称刺激 反应理论 是当今学习理论的主要流派之一 行 为主义学习理论认为 学习是刺激与反应之间的联结 他们的基本假设是 行为 是学习者对环境刺激所做出的反应 他们把环境看成是刺激 把伴而随之的有机 体行为看作是反应 刺激和反应之间的联结叫做强化 认为通过对环境的 操 作 和对行为的 积极强化 所有行为都是习得的 都可以被创造 设计 塑 造和改变 行为主义学习理论应用在学校教育实践上 就是要求教师掌握塑造和 矫正学生行为的方法 为学生创设一种环境 尽可能在最大程度上强化学生的合 适行为 消除不合适行为 行为主义学习理论把 强化 看作是程序教学的核心 认为只有通过强化 才能形成最佳的学习环境 才能增强学生的学习动力 虚拟现实技术在实验教学中的应用 加深了我们对行为主义理解 行为主义 强调外部动机的作用 在这一点上虚拟现实正好发挥它的作用 一方面虚拟实验 系统提供了逼真的实验环境 激发了学生的学习兴趣 增强了学生的学习动机 另一方面 虚拟实验系统的交互和反馈使得学习者更将所学知识与现实世界联系 起来 减轻学习者面对书本和二维平面所需要付出的努力 减少学生的厌倦情绪 增强学习动机的持久性 按照行为主义的观点 虚拟实验系统的作用不仅要呈现教材 而且必须与学 生的行为联系起来 具体的联系包括 接受学生做出反应 控制学生的学习顺序 经常和即时性的强化 学生自定学习步调 在平时的药学实验教学中 很多药学 实验都有现实的条件限制 不允许学生进行多次实验如 实验环境的洁净度不允 许太多的学生进行实验 实验仪器比较贵重 实验耗材价格不菲 生物之间的反 应现象不能完美呈现 供实验用的小动物数量有限等等这些现实条件限制和制约 着药学实验的进程 采用虚拟现实技术 为实验活动的有效开展提供了极其丰富 的实验环境 建立实物模型 设计操作的灵活性 自由度和及时合理的反馈和导 航 学生可以在计算机上随意的操作 可以实现不同角度的剖析和观察等 学生 反复的操练直到完全掌握 多次的操作加强学生的熟练程度 从而减少学生面对 实物操作所需的熟悉 适应时间的长度和犯错误的概率 另一方面可以解决实验 器材缺乏的问题 让更多的人都参与到实验中来 行为主义理论在历史上有很大影响 尽管行为主义理论强调外部行为和动 机 忽视学生个体特点以及周围的环境 但它的积极反应 及时反馈等原则今天 仍被虚拟现实技术所采用 在设计虚拟现实系统的软件时 行为主义的强化论对 虚拟现实的设计具有理论指导作用 三 虚拟现实技术与建构主义理论 建构主义是行为主义发展到认知主义以后的进一步发展 建构主义理论强调 建构的特殊性 每一学习者都是在自己已有的经验的基础上 以其特殊的方式在 建构 并且 每一学习者都是在特定的情境下建构的 每个人对事物都有独特的 理解 不同人之间的交流可以影响学习者形成不同的建构 建构主义学习理论 强调以学生为中心 它不仅要求学生由外部刺激的被动接受者和知识的灌输对象 转变为信息加工的主体 知识意义的主动建构者 而且要求教师要由知识的传授 者 灌输者转变为学生主动建构意义的帮助者 促进者 这就意味着教师应当在 教学过程中采用全新的教学模式 彻底摒弃以教师为中心 强调知识传授 把学 生当作知识灌输对象的传统教学模式 全新的教学方法和全新的教学设计思想 因而必然要对传统的教学理论 教学观念提出挑战 从而在形成新一代学习理论 一建构主义学习理论的同时 也逐步形成了与建构主义学习 理论 建构主义学习环境相适应的新一代教学模式 教学方法和教学设计思想 建构主义学习理论是认知学习理论的一个重要分支 关于学习的含义啼 建构主义理论认为 知识不是通过教师传授得到 而是学习者在一定的情景 即社会文化背景下 借助其他人 包括教师和学习伙伴 利用必要的学习资料 通过意义建构的方式获得 由于学习是在一定情景即社会文化背景下 借助其他 人的帮助即通过人际间的活动而实现的意义建构过程 故建构主义学习理论认为 情境 协作 会话 和 意义建构 是学习环境中的四大要素或四大 属性 情景 学习环境中的情景必须有利于学生对所学内容的意义建构 在建 构主义学习环境下 教学设计不仅要考虑教学目标分析 学习者特征分析以及媒 体的选择与利用 还要考虑有利于学生建构意义的情景的创设问题 并把情景创 设问题看作是教学设计的最重要内容之一 协作 协作发生在学习过程的始终 协作对学习资料的搜集与分析 假 设的提出与验证 学习成果的评价直至意义的最终建构均有重要作用 会话 会话是协作过程中的不可缺少环节 学习小组成员之间必须通过 会话商讨如何完成规定的学习任务的计划 此外 协作学习过程也是会话过程 在此过程中 每个学习者的思维成果 智慧 为整个学习群体所共享 因此会话 是达到意义建构的重要手段之一 意义建构 这是整个学习过程的最终目标 所要建构的意义是指 事物的 性质 规律以及事物之间的内在联系 在学习过程中帮助学生建构意义就是要帮 何克抗 建构主义 革新传统教学的理论基础 科学课 助学生对当前学习内容所反映事物的性质 规律以及该事物与其它事物之间的内 在联系达到较深刻的理解 这种理解在大脑中的长期存储形式就是关于当前所学 内容的认知结构 也称 图式 关于学习的方法嗍 建构主义提倡在教师指导下的以学习者为中心的学习 教师是意义建构的帮 助者 促进者 而不是知识的提供者与灌输者 学生是信息加工的主体 是意义 的主动建构者 而不是知识的被动接受者和被灌输的对象 学生要成为意义的主动建构者 就要求学生在学习过程中从以下几个方面发 挥主体作用 要用探索法 发现法去建构知识的意义 在建构意义过程中要求学生主动去搜集并分析有关的数据和资料 对所学 习的问题要提出各种假设并努力加以验证 要求学生把当前学习内容所反映的事物尽量和自己已经知道的事物相联 系 并对这种联系加以认真的思考 联系 与 思考 是意义构建的关键 协 商有 自我协商 与 交际协商 也叫 内部协商 与 社会协商 两种 自我协 商是指自己和自己辩论什么是正确的 交际协商则指学习小组内部相互之间的讨 论与辩论 教师要成为学生建构意义的帮助者 就要求教师在教学中从以下几个面发挥 主导作用 激发学生的学习兴趣 帮助学生形成学习动机 通过创设符合教学内容要求的情景和提示新旧知识之间联系的线索 帮助 学生建构当前所学知识的意义 为了使意义建构更有效 教师应在可能的条件下 组织协作学习 开展讨 论与交流 并对协作学习过程进行引导使之朝有利于意义建构的方向发展 引 导的方法包括 提出适当的问题以引起学生的思考和讨论 在讨论中设法把问题 一步步引向深入以加深学生对所学内容的理解 要启发诱导学生自己去发现规 何克抗 建构主义学习理论和建构主义学习环境 教育传播与技术 律 自己去纠正和补充错误的或片面的认识 切忌直接对学生进行灌输 虚拟现实技术有效促进学生认知结构的形成和发展 建构主义为发展虚拟现 实在实验教学中的应用提供了很好的理论基础 建构主义理论认为 学习是 一个动态的适应的过程 是学习者主动建构内部心理表征的过程 是新旧经验之 间的双向作用过程 知识的建构来自于个人体验 虚拟现实的的沉浸性去除了参 与者与计算机之间的界限 为个人了解世界创设了一种体验 有助于材料的学习 为学生进行非符号系统的学习创设环境 从而避免学生学习建立在符号系统的 学科时失败 学习具有情境特性 个人在学习过程中的活动是对环境的特定 反映 不能脱离社会环境而孤立地学习 只有当学习材料与学习者的动机 情感 和社会生活相互做用时 学习才能发生 对知识的理解和掌握才能在意义建构过 程中完成的 学习者以自己的方式建构对于事物的理解 以自己已经有的某 一领域的知识相关的经验为基础来储存和提取所有知识的 从外部世界吸收信 息 然后建构自己的知识领域 因此不同的人看到的事物具有不同的方面 学 习者应该通过合作学习 相互交流相互启发 相互补充 使理解更为丰富全面 虚拟现实技术扩展了人类的感知范围 是人们可以在现实生活中从事以前无法进 行的工作 而且虚拟现实可以使我们感知那些没有物理模型表示的抽象思想和过 程 可以将抽象的概念转化成我们所能感知的体验 它在教学上的应用能有效的 促进学生的认知结构的形成和发展 促进人们认知观念 教育观念发生根本性的 变化 吲 建构主义认为 教学是学习者充分利用环境提供丰富的工具和资源建立自己 的认识和理解的过程 学生的知识建构是一个积极主动的活动 试图将新知识与 更广泛的知识经验联系起来 成为整合的知识体系 而不只是与一两个观念建立 联结 学生不只是理解和记忆现成的结论 而是要理解这些知识所指向的问题 并基于自己的知识经验 来批判地分析它的合理性 形成属于自己的知识 一由于虚拟现实技术具有 个突出的特性 多感知性 存在感 交互性 构想 性 学习者能够沉浸其中 大大调动学习者的参与性 虚拟实验系统灵活的交互 汤跃明 虚拟现实技术在教育中应用 科学出版社 一 性 要求学生参与进来跟虚拟对象互动来完成学习任务 提高学习者的主动性 虚拟现实技术所创设的教学虚拟环境尽可能地为学生提供丰富的资源和大量的 经验背景 以便于学生借助这一平台来有效建构自己的知识 形成自己的观点和 见解 促进知识和意义的建构 第三节虚拟现实技术的教学应用与教学模式分析 一 虚拟现实技术应用于教学 随着教育课程的改革和新课程标准的实施 教育观念 学习方式都发生了深 刻的变化 传统的药学实验课程受到时间 空间 内容 手段等种种限制 面临 着严峻的挑战 因此实验教学的教学内容 教学模式 教学方法亟待革新与完善 迫切需要进行实验教学的改革 虚拟实验系统着眼于学生的知识体系在深度和广 度上的构建 学生动手能力和创新能力的培养 教学模式的多元化发展这几个方 面的思考 将虚拟技术合理运用于传统的实验教学中 促进实验教学的改革和发 展 一 虚拟现实技术 随着计算机技术和虚拟现实技术的发展 虚拟现实技术正逐步被引入到实 验教学中 虚拟现实技术 简称 是 世纪 年 代兴起 的一门崭新的综合性信息技术 它融合了计算机图形学 人机交互技术 传感技 术 人工智能技术 数字图像处理等多种信息基础 是 世纪末最重要的思想 之一 是以计算机技术为基础的虚拟现实 能实时模拟出一个逼真的 具有视 听 触 等多种感知的三维 虚拟环境 并通过各种外部传感设施使人体的各 种反应与虚拟环境进行交互 虚拟现实技术具有 个突出的特性 多感知性 巧 存在感 交互性 构想性 二 虚拟现实技术的重要特征陋 多感知性 巧 所谓多感知就是说除了一般计算机技术所具有的视觉感知之外 还有听觉感 肋 山 拌 知 力觉感知 触觉感知 运动感知 甚至应该包括味觉感知 嗅觉感知等 理 想的虚拟现实技术应该具有一切人所具有的感知功能 由于相关技术 特别是传 感技术的限制 目前虚拟现实技术所具有的感知功能仅限于视觉 听觉 力觉 触觉 运动等几种 无论从感知范围还是从感知的精确程度都无法与人相比拟 存在感 又称为临场感 它是指用户感到作为主角存在于模拟环境中的 真实程度 理想的模拟环境应该达到使用户难以分辨真假的程度 例如可视场景 应随着视点的变化而变化 甚至比真的还 真 如实现出现实更逼真的照明和 音响效果等 交互性 交互性是指从产对模拟环境内物体的可操作程度和从环境得到反馈的自然 程度 包括实时性 例如 用户可以用手去直接抓取模拟环境中的物体 这时手 有握着东西的感觉 并可以感觉物体的重量 其实这时手里并没有实物 视场 中被抓的物体也立刻随着的移动而移动 构想性 强调虚拟现实技术应具有广阔的可想像空间 可拓宽人类认知范围 不仅可 再现真实存在的环境 也可以随意构想客观不存在的甚至是不可能发生的环境 一般来说 一个完整的虚拟现实系统由虚拟环境 以高性能计算机为核心的虚拟 环境处理器 以头盔显示器为核心的视觉系统 以语音识别 声音合成与声音定 位为核心的听觉系统 以方位跟踪器 数据手套和数据衣为主体的身体方位姿态 跟踪设备 以及味觉 嗅觉 触觉与力觉反馈系统等功能单元构成 三 虚拟实验教学应用举例 虚拟实验教学指的是在传统实验的基础上利用计算机技术 网络通信技术 多媒体技术加工处理传播技术 将实验室中的各种资源进行处理后建起网络实验 模块 使之应用于教学中 采用虚拟现实技术提供一个实验的虚拟环境 学生在 虚拟实验室可以完成全部实验步骤 系统向实验者提供实验过程的视频窗口 图 文声并茂的实验预备知识 丰富多彩的实验相关资料 操作灵活的实验交互过程 及时方便的实验指导 是实验者在完成实验的过程中获得全新的感受 实验时无 需老师在场 实验者本人通过自己的努力即可完成实验 达到既定的教学目标要 求 下面以药物制剂虚拟实验教学系统为例 简要说明虚拟技术在药学实验中的 应用 将虚拟技术应用在教学中 整合数字技术和教学素材 建立起创新型 综合 化的教学资源 更好的适应药学专业教学面向生产岗位群的需要 在这样的思路 指导下 我们开发了药物制剂技术虚拟实验教学系统 设置了 课堂教学辅助 学生仿真练习 实训仿真考核 这三个不同的模块 分别满足了教师授课 学生自学 综合考评的多项要求 开创了 统一资源 多向仿真 的新模式 课堂的教学辅助 图文并茂的课堂教学 由于药物制剂实验教学时综合过程 具有知识与技 术点多 专业覆盖面广 体验性强 讲解过程繁复等特点 而一般的教材 教具 都有局限性 虚拟实验系统在数字技术平台上 以仿真 模拟的形式 形象而逼 真的融合了现代药物制剂的生产工艺 药品生产管理规范 药物制剂设备 岗位标准化操作 药品生产过程质量控制以及车间管理等内容 设置的课 堂教学辅助模块专门针对讲解的难点进行了设计 为工艺流程讲解 复杂设备结 构说明 管理知识的教授提供了动画演示 三维演示 影音文件 图片说明等各 种工具 对教学内容进行了深层次的加工和表达 很好的达到了图文并茂 生动 活泼的课堂教学目标 全面互动的三维场景 虚拟实验系统以实际的药物制剂 生产线为参考 对生产设备 生产场景进行了三维模拟 并允许操作者对三维模 型进行自由的旋转 拆分 放大 以及进行设备的机械操作 电控操作等仿真互 动 让教师和学习者都能够充分的发挥主观能动性 提高教学的兴趣和有效性 学生仿真操作 角色扮演 模拟真实 通过虚拟实验仿真平台 让学生模拟岗位角色 感 受角色任务 并完成任务的全部过程 实训教学综合体现了岗位实际操作的具体 过程 是实现工学结合的教学手段之一 通过虚拟实验技术力求真实的模拟这个 过程 对每个仿真 角色 的工作内容进行了细致深入的分析 多种需要传达的 知识集中到了 角色 身上 包括工作文书的读写 管理单据的使用 关键操作 流程的重复 取样 检验 安全等等 力求在较短的时间内 让学生完成一次零 方便快捷的考核模块 为了解决对学生的仿真考核 系统还可以设置考核系 统 在模块中安装了跟药物制剂综合实训相关的题库 试题分为理论和仿真操作 两类 教师可以根据考核对象的不同组织试卷 不仅实现了无纸化考试 且可以 及时的统计输出成绩 供教师对学生学习情况进行评估 第三章虚拟药学实验教学基本概述 本章是对虚拟实验概述 通过对虚拟实验的概念和特征及发展阶段的介绍 以药物制剂虚拟实验教学系统为例 对虚拟教学应用现状进行分析 第一节虚拟实验的概念和特征 一 虚拟实验的概念 虚拟实验是指借助于多媒体 仿真和虚拟现实等技术在计算机上营造可辅 助 部分替代甚至全部替代传统实验各操作环节的相关软硬件操作环境 实验者 可以像在真实的环境中一样完成各种预定的实验项目 所取得的实验效果等价于 甚至优于在真实环境中所取得的效果 二 虚拟实验的特征 一 虚拟性 在虚拟实验中操作的设备虽然能看到 感觉到 但它们事实上并不存在 是 虚拟的 是对实物的模拟 实验设备的虚拟性在很大程度上能减少实验设备与空 间 节约资金 改善实验条件 二 实践性 虚拟实验在人们对事物的一些新认识和完善原有的知识结构 提高实践能力 方面有重要的作用 虚拟实验室对客观世界的的虚拟 虚拟实验中的实验仪器 设备对象都有各自原型 实验程序和操作规则也是实际经验和理论指导下的产 物 因此虚拟实验和现实实验有着相同的组成要素 人们借助虚拟实验虽然不能 获得直接经验 但是能提高相关领域的认识 在今后的实践活动中知道如何操作 虚拟实验也给实验者提供实践环节 三 多样性 在虚拟实验环境中 教师的辅导作用主要通过软件自身实现 另外 考虑到 实验者客观存在的水平差异性 因此所提供的实验应该满足各个层次的实验者的要求 只有 当虚拟实验环境能针对具体的实验者提出有针对性的实验要求 并能 汪诗林 吴泉源 开展虚拟实验系统的研究与应用 计算机工程与科学 满足不同层次实验者的需要时 虚拟实验的生命力才能得以充分地体现 才更具吸引力 第二节虚拟药学实验教学应用分析 为了了解药学实验教学现状 在 年 月到 月本人进行了一次问卷调 查 参与对象是中国药科大学高等职业技术学院药物制剂专业 药学专业的学生 和老师 一 对药物制剂教师的调查及其分析 对教师的调查共发放问卷 份 回收 份 回收率为 调查题采用 选择题的形式见附录 不计分值 只统计百分率 调查结果整理如下表 表 教师问卷调查结果 调查内容各选项所占百分比 您计算机熟练程度怎样 非常熟练 熟练 一般 不熟练 您知道什么是虚拟实验吗 认识深刻 初步了解 听说过 没有 给学生上课是否进行过虚拟实验 用过 没有 想用 但是学校还没这个条件 验 指导实验 远程实验等 大大提高学习和研究效率 为实验教学环节提供强 有利的支持 随着计算机技术不断的发展 计算机硬件的普及 虚拟现实系统的价格不断 下降 软件的适用不断增强 虚拟实验教学必然会被广泛应用 将虚拟现实技术 应用到实验教学中去 使得教学模式和学习方式发生了巨大的变化 丰富了教学 手段和教学方法 提高教学效果 虚拟现实技术使个别化教学真正成为可能 虚 拟现实技术提供了全新的虚拟实验环境 实现形象化教学 有利于学生创新思维 的培养 在药学实物实验中 学生提出疑问 仅仅是讲解 讲解后再做一 你会怎么做 次实验 缺少了实验动手的机会 你认为教学 影响较大 影响较小 效果是否大打折扣 没有影响 觉得学生在上传统药学实验课的积极 很高 一般 很差 性 愿意让学生通过问题的解决来学习知 愿意 愿意 但是不知道如 识和培养能力吗何去实施 没有考虑过的 学生在药学实验的学习过程中学习的 很强 一般 很差 能力 觉得目前下一步药学实验课如果改 教材 课程设置 革 那教学改革重点是教学方法与手段 实验课设 置 觉得药学实验教学中 哪一种方法对 教师演示学生听课 学 学生最有效 生主动参与到实验中来 多 种教学方法优化组合 其它 结合调查表的数据大致可得出以下事实 计算机已经普及 大多数专业课老 师已经能熟悉的使用计算机 为实现虚拟实验教学打下基础 但是大多数的教师 对虚拟实验系统了解还是不是很深刻 有着初步的了解 由于硬件和软件的条件 虚拟实验系统还没有普及开来 在教学过程中使用虚拟实验系统的人不是很多 由于实验条件的限制 实验中学生遇到困难 教师只能讲解 很多实验不能给学 生重复的演示 教师觉得在传统实验教学中 学生学习的积极性不是很高 学习 能力也很一般 他们认为让学生主动参与到实验中来的教学方法最为有效 因此 觉得药学实验需要进行改革 创建一个新的实验教学模式 改革的重点在教学方 法 教学手段 教学策略以及实验课设置 多种教学方法的优化组合 让学生通 过自身的实践 主动的获取知识 应用知识解决相关问题 二 对高职学院的学生调查及其分析 对高职学院学生的调查也是以问卷的形式进行 问卷见附录共包括 道选 择题 其内容涉及平时在药学实验教学中 如果遇到一些问题如何解决 对药学 学习兴趣如何 上实验课的积极性如何等 调查对象分别是高职学院大一 大二 大三药学专业的学生 发放问卷 份 回收 份 回收率达 调查题 采用选择题的形式见附录 不计分值 只统计百分率 调查结果整理如下表 表 学生问卷调查结果 调查内容各选项所占百分比 是否了解虚拟实验 认识深刻 初步了解 听说过 没有听说 对药学实验学习的兴趣 很感兴趣 感兴趣 不感兴趣 想学好药学实验主要的动机是 迫于考试的压力 对药学知识 的兴趣 提高自身的素质 其它 说不清楚 你在实验课上学习的积极性 积极主动 不积极主动 在平时药学实验学习的过程中 是 经常会有问题提出 有时会 否会主动发现并提出问题 不会问问题 在药学实验过程中 遇到困难你通 独立思考 寻求他人帮助 常怎么做 不去管它 实验过程中能独立完成吗 能的 不能 是否使用虚拟实验系统课件进行学 有使用过 没有使用过 习 认为自己在药学实验学习中的参与 很高 较高 一般 程度 游离于实验之外 希望老师在药学实验学习中的作用 药学知识的传播者 合作伙伴 两者都是 可有可无 觉得现在药学实验教学方法 很得法 不太得法 很 不得法 做完实验就忘记了 从表中数据可以看出 很多学生对虚拟实验系统只是听说 甚至于不知道 更不用提了解了 大多数学生对药学实验感兴趣 由于实验在时间和环境上的特 殊性 制药设备贵重 且制药环境洁净度也有要求 很多药学实验中学生不能 参与到其中 或者浅尝则止 不可能多次重复做实验 学生做实验的时候是按部 就班的 按老师说步骤去做 很少有同学能主动发现并提出问题 实验中遇到困 难 大多数学生选择寻求教师或者同学的帮助 实验中学生的参与程度一般 学 习积极性也不是很高 学生大多数没有使用过虚拟实验系统进行学习 对当前的 实验教学方法也不是满意 学生认为教师在教学中作用是药学知识的传播者 第四章基于虚拟环境的药学实验教学模式的构建 本章在进行需求分析的基础上 构建了基于虚拟环境的药学教学模式 并从 构成教学模式的几个要素 教学设计思想 教学设计原则 教学程序 教学策 略 等几个方面来剖解基于虚拟环境的药学教学模式 第一节虚拟环境下的药学实验教学模式 在药学教学中 药学实验教学在药物教学中占了很大的比重 药学实验教学 是以学生为主体 在教学中既要让学生掌握实验的基本原理 又要使学生掌握 实 验操作以及在实验中出现问题处理方法 而后者则主要依赖于实践教学环节完 成 通过实验培养学生动手能力和运用知识能力 培养学生学习科学知识的方 法 让学生形成积极主动的学习方式 因此需要改进常规实验教学模式 充分利用 目 前先进的实验教学手段 提高实验效果 要改变传统的 单向的实验教学模式 把学习者的学习需求放到第一的位置 我们必须对传统的实验教学模式进行重 新 设计 传统的课堂实验教学模式如图 所示 教师 学生 图 传统的实验教学模式 从图 中可以看出 传统的实验以验证型实验为主 教师事先安排好实验 内容 实验器材和实验程序 将实验任务布置给学生 并对实验进行讲解 将 实 验演示给学生看 学生只需按照现成的步骤进行操作得出结论 最后完成实验 报 告 学生通过实验操作 实验报告 将获取知识的情况反馈给教师 这种模式 的 优点在于 有利于教师组织教学 在实验教学的过程中 教师容易发现问题 及 时纠正和解决问题 传统实验教学模式的不足在于 实验环节都是以教师为主 教师是教学活动的中心 给予学生的是灌输式教学 机械式操作 结论性结果 教师的教学水平及教学态度决定了实验教学的成败 单一的教学模式 造成学生 思想僵化 缺乏实验学习的积极性和主动性 学生只是从老师那里获取知识 或 者纯粹的接受知识 做实验只是验证 缺乏对实验的整体把握 学生处于被动学 习的地位 学生缺少自主性 这使得学生不能主动的去发现问题 并应用已有的 知识技能去解决问题 不利于学生创新能力的培养 按传统模式培养出的学生 缺乏当今社会对人才在操作能力 创新能力方面的素质要求 不能适应药学生产 科研应用等环节工作的实际需要 由于当前的传统药学实验模式的弊端 加上现在的硬件设备价格的降低 软 件技术的成熟 有着理论基础 构建一个新的教学模式