当前远程实验教学存在的问题及对策

1、    当前远程实验教学存在的问题及对策     摘要：本文针对当前远程实验教学存在的问题，结合笔者的实验教学经验和“现代化教育技术实验实时诊断检测系统”的研究结果，提出了现代远程实验教学的理念，叙述了实现现代远程实验教学的基本任务和策略。关键词：现代远程实验教学，实验学习环境，对策一、远程实验教学存在的问题及原因当前的广播教学、电视教学和广域网络教学均为远程教学，具有覆盖面广、投入产出比低、传播信息符号表现多元化、学生学习不受时间和空间的限制等优点，在各学科理论教学中取得一定的成就。然而，远程教学实验课程的实验是否能做、实验过程是否有效、实验

2、评价是否合理、实验学习软件是否丰富等方面还存在种种问题，影响远程教学的进一步发展和教学质量的提高。远程学校由于教师和学生不能直接面对面交流，学校没有自己的实验室，学生很难及时、直接操作实验。多数远程学校的实验课程借助其他学校的实验室上课，在时间和空间上受到该学校的约束，导致应做实验时学生无实验可做，只能做延迟性或超前性的实验。远程学校布控结构如塔形，居多数的中间或底层的辅导站点附近无可借助的实验室，学生可能做不了实验，或者需乘车远行做实验，增加了学生负担。对于高精尖的实验，远程教学更是望而兴叹、难以触及。可见，在远程教学中有许多学生做不了实验，也有一些实验不能做，即使做了一些非及时性的实验，也

3、是穿新鞋走老路，没有发挥远程教学特有的优势，仍然停留在手工作坊式的传统实验教学模式上。即以固定的班级为单位，在同一时间和空间里，运用传统的实验装置，按同一种教材和同一个步骤，做着同一个多以验证性实验为主的必做实验。笔者将远程学校采用的这种传统实验教学的手段和过程叫做传统实验教学方式。其过程如图1所示。 传统实验教学方式的过程和结果评价存在一定问题。在实验过程中，学生做实验按指导书或教师规定的实验操作步骤亦步亦趋地进行，学生不知道为什么这样做，甚至也不知道操作结果说明了什么，缺少学习的主动性。同时，老师忙于为学生排疑解难，无暇顾及对学生进行有效启发、指导、检查、督促，对学生理论联系实际

4、的逻辑思维、意义操作的探索和创新能力的培养诸方面都有影响。在实验结果的评价中，由于实验人数多，实验报告批改不及时、评价不全面等问题时有发生。另外，学生的实验分数往往根据实验报告成绩和教师印象给出，有较大的随意性，同时也不能客观反映学生的实验过程。这样的实验置学生于被动学习和机械操作的状态，导致教师和学生都觉得枯燥，遏制了学生的逻辑性思维和创造性思维，不利于培养学生的实验能力和科研能力。目前，实验教学软件主要是教师使用的辅助课堂教学的实验演示型课件，而学生学习型的模拟实验和虚拟实验软件包支离破碎，不但数量少，而且体系不完善，不能满足学生实验学习的要求。上述种种问题产生的原因，主要是远程学校的现代

5、化教学方式和传统的实验教学方式的矛盾，具体体现在：学生分散而且远离物理性实验装置和手工操作实验装置的矛盾；学生多和教师少的矛盾；实验学习软件少和提高实验效果的矛盾。随着科学技术的发展，特别是以计算机和网络技术为核心的信息技术的出现，为解决这些矛盾提供了有利条件。二、解决远程实验教学问题的着眼点1.创建信息化实验学习环境是解决问题的物质基础实验教学的本质就是信息以某种方式在教师、学生以及实验硬件之间的有效传递。建立信息化实验学习环境能够使这种信息在实验中实现远距离的传递，主要包括实验学习环境的多媒体化、数字化、网络化和自动化。实验学习环境多媒体化不但能够为学生提供声形并茂、静动结合、文图同步的实

6、验目的、原理、要求、注意事项等内容，而且还能将实际的实验装置、实验系统及实验现象等展示给学生，使学生有身临其境之感，有利于学生快速了解实验，增强实验过程中的意义操作和创造性思维的培养，是提高远程实验教学效果的有效手段。实验学习环境数字化主要指运用以计算机为核心的数字技术改造实验设备、实验检测手段和实验系统的组成。数字技术应用到传统实验设备上，可以使其具有体积小、精度高、功能多、自动化程度高、抗干扰性强、容易上网等特点。一台高效能计算机在相应的模块化测量硬件和高效灵活的软件支持下，很多实验仪器都可以集成在这合计算机里，做出各种各样的虚拟仪器。这样，由待测系统、传感器、各种接口电路、虚拟仪器、各种

7、输出平台等构成信息化实验系统，可以开出多个教学实验，是今后远程学校实验教学常用的实验手段。实验学习环境网络化可以使多种实验设备、虚拟仪器和虚拟实验室环境等数字化实验资源实现共享，同时还可以增加学生与教师、学生与学生之间的交互，使远程实验教学模式多种多样。其主要有演示实验、模拟实验、虚拟实验、遥控实验等。远程演示实验主要是通过拍摄或编程的方法将真实的演示实验过程制成软件放到服务器上，供学生和教师在教学过程中使用；远程模拟实验是把模拟自然科学或社会科学某些规律或过程的实验教学软件放到服务器上，让学生通过终端计算机进行模拟操作，使其掌握某些操作技能技巧，或在此基础上，学生自己提出猜想与假设，设计实验

8、步骤，观察实验操作的各种结果，通过总结归纳发现其规律；远程虚拟实验主要有虚拟仪器实验和虚拟三维环境实验。虚拟仪器实验是在服务器端放置大量的实验教学需要的虚拟仪器软件库，学生可以通过网络直接在服务器提供的实验交互界面上进行在线实验或下载软件包在孤立计算机上进行实验；虚拟三维环境实验是在web中创建出可视化的三维环境，其中每个可视化的三维物体代表一种实验对象，学生可以利用系统提供的交互手段对这些三维物体进行操作；远程遥控实验是学生通过与网络连接的计算机给出相关的数据控制远在服务器一端的实验设备，再通过远端设备收集实验数据、记录实验过程及实验现象，实时通过网络传送到学生的计算机上，同时还可以利用服务

9、器提供的数据处理程序来处理数据，获得实际操作实验设备的效果。如我国神州五号载人飞船遨游太空并按计划安全返回地面，就是一项规模宏大的远程遥控实验。在这种实验环境下，计算机屏幕成为远端真实实验设备的操作界面或实验室的一个窗口，所完成的实验内容是真实的物理性实验，并非实验仿真或模拟，为解决远程学校学生分散而且远离物理性实验装置和动手操作实验的矛盾找到有效平台。实验学习环境自动化是指用计算机实时对实验系统、实验过程、实验预习和结果的管理。实验系统的控制采用程序控制方式和反馈控制方式，容易满足系统操作、测量和控制精度的需要。实验过程、实验预习和结果的管理自动化，一方面表现在用计算机能收集、处理、记录、显

10、示数据或图像，另一方面还表现在用计算机能在实验预习和实验过程中为学生提供实时帮助、检查和督促。如笔者研制的“教育技术实验实时诊断及检测系统”能在实验过程中根据学生的需要给出恰当的帮助，在实验结束时，该系统还能根据学生实验题目自动显示与实验操作相关的几个问题，学生在规定时间内回答后，计算机给出分数及评价。这样不仅可以减轻教师负担，还能及时为学生排疑解难，督促学生在实验中意义建构，能有效解决远程学校实验教学学生多和教师少的矛盾。2.更新观念，创建远程实验教学方式是解决问题的有效途径信息化实验学习环境仅为远程实验教学改革提供了客观条件，欲将其应用到教学中，还应建立相应的远程实验教学方式。总体思路是在

11、系统科学方法、现代教学理论与学习理论的指导下，运用信息化远程实验学习环境开展以教师为主导、以学生为主体的“统一化与个性化”共存的多形态实验教学方式，这里称其为远程实验教学方式。其过程如图2所示，学生不但可以实现个别化的实验学习，即一种是学生在线利用信息化实验学习环境进行实验，另一种是下载实验软件的非在线的实验学习。学生也可以实现合作式的实验学习，即一方面每个学生按照分工，在线利用信息化实验学习环境进行实验，另一方面利用网络进行协作交流和实验成果共享。学生还可以实现集体同步式的实验学习，即学生在各自的终端利用信息化实验学习环境进行同一个实验。在这些过程中，教师有时是实验的设计者、组织者、指导者、

12、控制者，有时又是学生实验的合作者或协作者。学生是实验学习的主动者和决策者，可以自主选择实验学习题目，确定实验学习步骤、时间和组织形式。实验学习内容的形态可以是虚拟的，也可以是模拟的，还可以是具有交互性强、操作性实在的物理性的。  三、解决远程实验教学问题的措施1.多方协作，积极构建信息化实验学习环境信息化实验学习环境是一项技术含量高、教学理论强、硬件设备复杂、软件庞大的系统工程，非一个人、一个单位、一个区域所能完成，需要统筹安排、多方协作。这项工作包括信息化实验教学各要素及其相互联系的建立，部分和整体的试验、评价、修改等项任务。例如，远程遥控实验尽量选择那些高精尖、危险性强

13、、传统实验室少见的实验。远程遥控实验中心建立在比较大的远程学校，而且要合理规划，使遥控实验题目不重复，而且所有的遥控实验在网上资源共享；将一些远程学校无条件做的实验项目转换成虚拟实验；模拟实验主要解决那些在远程学校难以实现的实验，如实验过程不易控制、实验现象难以观察、实验操作高危险、实验设备昂贵等实验，主要用于弥补遥控实验、虚拟实验、移动实验室和传统实验的不足。同时，各个远程学校在建立信息化实验学习环境时要消除等、靠、要的思想，除主动创建能反映本校、本学科特点的信息化实验学习平台之外，还要积极主动借助和修改已有的信息化实验学习平台为我所用。特别要重视普通高校为了解决跨校区的实验教学所研制的信息

14、化实验教学平台，如中山大学研制的跨校区物理实验教学平台，不但具有较高的教学可操作性，而且也展现了信息化实验学习平台建设的一种可行模式和途径。设计信息化实验学习平台时，一定要紧紧围绕现代学习理论，把实验教学看成以学生为中心，充分发挥学生的主动性和创造性，让学生根据自己的需要、兴趣、爱好，利用自己的原有认知结构，对实验刺激所提供的信息做出意义建构的过程。故此，应注意：要让学生有多种机会在不同的实验场景下去充分应用所学知识，将所学的知识外化；要让学生能根据实验操作的结果信息来形成对客观事物的认识和解决实际问题的方案，实现自我反馈；充分发挥实验现象对激发学生联想思维的作用，使学生能利用自己原有认知结构

15、中的有关经验，去同化当前实验现象所给出的新刺激，实现新的意义建构；创造“协作学习”实验环境，发挥学生群体的思维与智慧对团队意义建构的作用；营造良好的自由探索和自主学习的实验环境，培养学生的创造性思维。2.促进远程实验教学多种形式的相辅相成实验教学按运用的手段可以分为传统实验教学和现代远程实验教学；按组织形式可以分为个别式、合作式、集体式远程实验教学；按实验形态可以分为物理性、模拟性、虚拟性、遥控性的实验教学；按操作对象可以分为演示实验教学和学生实验等。认清这些实验教学形式各自所具有的不同特点，在应用中才能取长补短，才能实现远程实验教学的最优化。除前两种形式外，其它远程实验教学形式的特点均较明显

16、，这里不再陈述。根据前面对传统实验教学和信息化实验教学方式的描述，两者的特点可归纳为表1所示。  由表1看出，传统实验教学方式和信息化实验教学方式互补性强，在应用中不能排斥，应当取长补短。所以，在提倡开发信息化实验学习环境的同时，也要更新和开发适合远程学校的物理性的实验装置。例如，利用数字技术、微电子技术和计算机技术改造传统实验设备，使其向小型化、集成化和多元化方向发展，让一个实验或几个实验在一个实验箱或实验包中完成。这样的实验箱或实验包携带方便，可以集中在一个房间使用，也可以分发给学生在家使用，构成灵活移动的实验室。在实验箱或实验包中要有学习指南，向学习者说明其中设备功能

17、、实验题目、操作要领、注意事项等与实验相关的内容。移动实验室可以让更多的学生自主操作实验，而且不受时间和空间的限制，是远程实验学习的有效工具。3.鼓励教师开发远程实验教学检测软件在远程实验教学方式中，由于教师和学生难以面对面接触，如果无远程实验教学检测软件的控制，学生实验效果是否达到教学目标的要求就无法判断。为此，应当鼓励教师开发远程实验教学检测软件。设计远程实验教学检测软件应从实验教学的全过程进行分析，建立完整的检测系统，其主要内容包括实验预习检测软件库、实验过程检测软件库、实验结果检测软件库等。实验预习检测软件库主要为学生提供各实验的实验目的、实验仪器、实验原理、实验内容、实验预习题等内容

18、。由干不同的实验仪器的使用方法各不相同，而学生在这些方面又缺乏必要的知识和经验，因此该内容的表示要图文并茂、静动结合，可以用数码相机拍摄仪器图片，再用文字注明各部件的名称和功能。将实验指导书中需进行预习的问题加以编排，建立预习检测题库和预习检测程序。实验前学生需通过预习检测程序的测试，来判断学生实验预习的效果。实验过程检测软件库是实验教学过程的一个组成部分。由于信息化实验学习将涉及到大量有关信号的采集、处理以及实验数据的处理等一系列问题，为此，实验过程检测软件库除建立针对实验操作、步骤、现象的检测题库之外，还要建立针对各类实验机的数据库。学生在实验结束时，通过实验过程检测软件来判断实验的效果。这些效果检测软件库一方面要建立