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虚拟技术：提升高职专业课实践教学的有效策略
作者：柯中炉 牟惠康 杨林生
关键词：虚拟仿真实验；有效教学；实践教学；教学改革
随着时代的快速发展和科学技术的进步，传统的教学思想、教学方法及教学手段等都面临着前所未有的挑战，特别是计算机、多媒体技术、网络技术及通信技术等都已广泛应用于教学的各领域，引发了教学方法和教学手段的革命。其中计算机虚拟仿真技术应用于教育也是教育技术发展的一个飞跃，使得教与学方式发生了革命性的变化。它营造了“自主学习”的环境，由传统的“以教促学”的学习方式转变为学习者通过自身与信息环境的相互作用来得到知识、技能的新型学习方式。虚拟仿真教学是理论与实践之间一座新的桥梁，既是实践教学手段，也是实践教学内容。积极地开展虚拟仿真实验可以极大地提升高职实践教学的教学效果、效率及效益。
有效教学的内涵
有效教学是教师通过教学过程的有效性即符合教学规律，成功引起、维持和促进学生的学习，相对有效地达到预期教学效果的教学。有效教学是教学过程符合规律性、有效果、有效益、有效率的教学。其中，有效果指对教学活动结果与预期教学目标的吻合程度的评价；有效率指教学活动本身是一种精神性生产活动，沿用经济学概念，可将教学效率表述为：教学效率=教学产出（效果）/教学投入，或教学效率=有效教学时间/实际教学时间；有效益是指教学活动的收益、教学活动价值的实现。具体而言，是指对教学目标与特定的社会和个人的教育需求是否吻合及吻合程度的评价；教学有效性的三重意蕴及相互关系，如下图所示。
传统实践课教学存在“三低”问题
从有效教学角度讲，传统专业实践课教学由于受到实验设施、实验场地、教学手段等各方面原因的限制，存在着效果差、效率低、效益低的“三低”问题。
（一）教学效果差
其一，传统实验课一般先由指导教师讲解实验原理及步骤等，然后再进行实验操作的简单示范，教学手段单调，学习十分枯燥。而实验操作演示往往不够全面细致，有的学生甚至看不到教师的演示操作。在实验过程中，常常很多学生一边看实验指导书，一边按要求进行操作，导致学生脱离实际，达不到教学目的。
其二，实验经费缺乏，实验设备有限，有些实验容易出现盲目操作和“走过场“现象。例如，化工原理实验是生化制药技术专业必修的基础实验，由于实验室建设需要经费投入比较大、实验装置占用场地比较多，实验装置套数非常有限，有的学校还没有化工原理实验室。而学生数量在逐年增多，这就出现了一个突出矛盾，即学生数量增多与实验装置相对不足之间的矛盾。这一矛盾导致学生很难独立完成实验，在实验的过程中，不能全面了解装置特性及操作流程，对一些实验现象不能作全面而细致的观察、记录和分析；有的学生甚至贪图省事，看看其他同学做的实验，然后根据同组的数据，抄写出实验报告，草率应付行事，实验效果不理想。再如，仪器分析也是生化制药专业学生必须熟悉和掌握的基本技能之一，但是，由于分析仪器如液相色谱仪、核磁共振仪、质谱仪等比较昂贵，一般的高职院校只有一两台液相色谱仪，而核磁共振仪与质谱仪等仪器可能还没有。教师一般采用演示法进行教学，对于讲授大部分仪器内部构造也只能是教师讲解或用课件演示。短时间的演示讲解，学生的印象很难深刻，而且学生很少有机会亲自动手进行实验操作。因此，造成学生对仪器分析的操作缺乏训练，这对学生的全面实验技能培养极为不利。
其三，实习实践是训练学生专业综合分析能力和解决问题能力的必备环节。但是，生产实习时学生到工厂参观，被动地听技术人员讲解而不能亲自动手操作；工厂为了安全和效益等因素一般也不允许学生亲自动手操作。因此，学生很少能得到实际锻炼，很难达到培养目标。
（二）教学效率低
其一，实验教学经费的投入大而实验教学效果不理想。例如，投入大量经费建立的化工原理实验室，由于学时数限制、学生人数的增多以及实验操作存在一定的技术和安全隐患，学生只能匆匆地进行一些简单的实验，即使实验操作失误了也很少有机会重复实验。再如，在仪器分析实验中，液相色谱仪、气相色谱仪都是比较昂贵的仪器，仪器台数很有限，教师一般采用演示实验教学，学生很少能得到实际动手操作的机会。
其二，教师投入时间和精力多，但教学效果不理想。因为在采用传统教学方法的教学过程中，一般是教师讲解实验要点，学生按照实验指导书依样画葫芦地做一遍，学生被动地学习和实践。因此，“教师教得辛苦，学生学得痛苦”的现象并不少见，难以达到理想的教学效果。
（三）教学效益低
其一，许多实验由于装置复杂、药品稀缺而昂贵、操作技术要求高、危险性大、反应速率过慢等原因而无法进行，在一定程度上影响了实验教学过程的完整性，不能很好地满足教育需要。
其二，生化制药技术专业实验常常伴有“三废”，即废液、废气和废渣的产生，而“三废”大部分是有毒有害的，对人体和环境都有一定危害性。
其三，传统实践课教学，学生在实验时存在一定的安全隐患。学生在不熟悉操作流程或操作失误等情况下，可能发生危险。
传统实践课教学方法在积极开展高职有效教学方面，显得力不从心。为了更好地提高高职实践教学质量，提高教学有效性，迫切需要引入先进的教学手段和方法，而虚拟仿真实验就是这样一种教学手段。
虚拟仿真实验概述
虚拟仿真实验是利用计算机创建的一个可视化实验操作环境，其中的每一个可视化仿真物体代表一种实验仪器或设备，通过操作这些虚拟的实验仪器或设备，即可进行各种实验，达到与真实实验相一致的教学目的和要求。虚拟仿真实验的开发是以真实的实验原理、实验现象、实验过程和实验数据为基础的，是虚拟仿真技术、计算机技术和专业理论知识等多方面的结合。
（一）虚拟仿真实验的组成
虚拟仿真实验包含虚拟仪器和虚拟实验两大部分。
虚拟仪器虚拟仪器就是利用现有的计算机配上相应的硬件和专用软件，形成既有普通仪器的基本功能，又有一般仪器所没有的特殊功能的高档低价的新型仪器。这种技术实质上是充分利用最新的计算机技术实现和扩展传统仪器的功能，其特点在于：（1）将信号的分析、显示、保存、打印和其他管理集中交由计算机处理。（2）强调“软件就是仪器”的新概念。（3）仪器由用户自己定义，系统的功能、规模等均可通过软件修改，可方便地与外设、网络及其他应用设备连接。（4）用户可以将仪器的设计、使用和管理统一到虚拟仪器标准。（5）在同一台计算机上可以虚拟出数十种仪器来，节省办学资金，提高设备使用率。
虚拟实验虚拟实验就是利用鼠标的点击、拖动，将计算机上虚拟的各种仪器，按实验要求组装成一个完整的实验系统。同时，在这个系统上完成整个实验，包括原材料的添加、实验条件的改变、数据采集以及实验结果的模拟、分析等。
（二）虚拟仿真实验的基本特点
各种虚拟仿真实验一般具有以下三个基本特点：
仿真性实验环境和实验仪器具有高度真实感，学生在计算机上进行操作就如同置身于真实的实验环境，面对真实的实验仪器进行操作。
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