教师教育虚拟仿真实验中心探索与实践
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摘 要 随着在线教育和虚拟现实技术的发展，开发基于网络的虚拟仿真实验室成为当前研究的热点。在教育现代化背景下，华东师范大学教师教育实验教学中心积极开展教育资源信息化、虚拟化和仿真化的建设与应用，通过架构教师教育虚拟仿真实验中心，切实促进教学资源的有效运用，建立师范生多元化、多途径和多维度的学习机制。
关键词 教师教育;虚拟仿真;实验教学;实验室
中图分类号：TP391.9 文献标识码：B
文章编号：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
虚拟仿真实验室是指在计算机系统中采用虚拟现实技术实现的各种虚拟实验环境，实验者可以像在真实的实验环境中完成预定的实验项目[1]。虚拟仿真实验室最初的发展主要侧重于科学研究与工程应用领域，从20世纪80年代开始，虚拟实验室在教学方面的应用逐步推广开来[2]。
基于教师教育鲜明的实践性特征，华东师范大学依托国家级教师教育实验教学示范中心，有效应用虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库和网络通信等技术，持续推进教师教育实验教学资源的信息化建设，积极开展虚拟仿真实验中心的探索与实践，培养师范生的专业技能、科学素养和综合能力。
2 教师教育虚拟仿真实验中心建设的必要性
教师是一种专业性很强的职业，和医生、律师、技工等一样，需要掌握娴熟的专业技能。教师的教学技能、教学研究、综合科学素养共同决定了一个教师的综合素质。心理学上已经验证，任何一种技能的提升都需要有效的实验训练，一方面实践教学理论，另一方面训练强化技能动作，在做的过程中不断提高技能的准确性和娴熟度。因此，未来的优秀教师和教育家在高等教育阶段需要接受大量优秀的实验课程[3]。华东师范大学在师范生的培养方面，非常注意教育实践和技能类课程的建设，并建有国家级教师教育实验教学中心，为师范生提供大量的实战性的教育教学技能方面的实验实训活动。
经多年努力，学校教师教育实验教学效果显著，但距离培养一流的师范生还存在一些问题：有些实验受客观条件影响，如财力、安全性等，学校不能提供这些实验项目;由于教师指导资源和实验场所资源有限，某些实验教学不能满足所有师范生的实验需求，如口语训练、教学模拟训练等;实验资源共享程度比较低，各院系和实验室“隔阂”严重;实验教学项目地域灵活性差，学生进行实验必须跑到实验室，尤其是对于学校两个校区的情况，愈显不合理和非人性化。
针对上述问题，学校对相关数字化教师教育实验室和实验教学优质资源进行整合和功能提升，积极推进教师教育虚拟仿真实验中心建设。教师教育虚拟仿真实验为学生提供了一种崭新的实验方式，学生可以很方便地进入虚拟实验室，自主进行虚拟实验训练，甚至进行学校真实实验室不存在的實验，并且虚拟实验室的实验效果等同或者优于真实实验室的实验效果[4]。
3 教师教育虚拟仿真实验中心的建设内容
为充分发挥全校教师教育优质实验教学资源的效益，借助信息化技术，通过功能提升和系统整合，学校全面推进教师教育实验教学资源的虚拟化、仿真化建设。教师教育虚拟仿真实验中心的建设目标是：立足培养乐教、适教、善教的优秀人民教师，以全面提升师范生的专业技能、科学素养和综合能力为目标，深化和基础教育改革与发展的良性互动，促进仿真理念和虚拟技术在教师教育领域的研究与推广，加快虚拟实验和仿真方法在学科教学论领域的开发与应用，鼓励跨学科交流和协作，努力建设成为国内一流、国际上有影响力的具有鲜明教师教育特征的国家级虚拟仿真实验教学示范中心。
构建多层次立体式网络化的教师教育虚拟仿真实验中心布局 教师教育虚拟仿真实验中心整合优质实验教学资源，提升教师教育实验功能，建立集教育教学技能、实验教学研究和综合科学素养训练于一体的多层次立体式网络化的虚拟实验中心。该虚拟仿真实验中心根据师范生的培养需求，细分为五部分，如图1所示，分别是教学技能测训区、管理沟通训练区、科学素养训练区、虚拟课堂评测区、仿真实验研发区。 1）教学技能测训区：通过模拟训练，提供学生普通话教学、普通话自主训练、普通话模拟测试和测试服务，提供基于平板和在线技术的学生“三笔一画”等教学基本技能的训练与测试。
2）管理沟通训练区：通过虚拟现实系统，模拟各种教学情境下的心理和行为，进行测量和研究，提升学生的教学管理能力和理念。
3）科学素养训练区：科学素养训练区由物理素养数字化实验室、化学素养数字化实验室、生物素养数字化实验室组成，各数字化实验室开发一系列具有探索性、趣味性、互动性、科普性的虚拟实验项目，满足本专业学生、相关理科专业学生、其他专业学生等三类群体的不同需要。
4）虚拟课堂评测区：为师范生提供小组微格教学实践活动的综合评价，教学功能包括课堂教学技能训练、课堂教学模拟、教学语言观摩与训练、教态观摩与训练等，在仿真场景中开展教学演练、教学管理、教学实验、教学技能比赛，营造交互与交流学习的共同体环境。
5）仿真实验研发区：提供各类多媒体教学课件制作的工作环境，如Flash、Java、QuickTime VR等制作软件，教学活动前的课件比对研究、演练、优化与整合，指导和鼓励学生结合今后基础教育教学需要，开展仿真实验项目的设计、开发和制作。
以上所有实验室均由智能集成中控系统控制，已实现远程网络直播与控制、多媒体传送与交换、视频采集与管理等技术功能。
建设丰富的教师教育虚拟仿真实验资源库 教师教育虚拟仿真实验中心针对不同实验（训）课程和项目的特点，结合学生的专业知识和基础、认知规律和水平，采用不同的虚拟实验技术、方法和手段，形成五个模块的实验教学资源库体系，详见图2。
1）教学技能模块：通过普通话模拟测试与学习系统，利用语音识别技术开展学生的普通话、口语表达方面的技能训练与评估;运用高清视频远程可视化协同教学技术，观摩学习校外实验基地教师的课堂教学的语言表达、板书和板画;利用在线评测技术开展学生粉笔字、钢笔字方面技能的训练和评价。
2）管理沟通模块：基于教育心理学，建设组织管理模拟训练平台，以情境模拟和计算机模拟为手段，训练学生掌握基本的师生沟通技巧、班级组织和管理能力，并学会运用信息化手段（如社会性软件）增强管理与沟通能力。
3）科学素养模块：各数字化理科实验室开发一系列具有探索性、趣味性、互动性、科普性的虚拟实验项目，满足本专业学生、相关理科专业学生、其他专业学生等三类群体的不同需要。
4）虚拟课堂模块：采用案（课）例教学与学习任务驱动相结合的方法，在课程学习期间，根据不同技能训练要求，教师设计相应的学习任务，在虚拟课堂中，让每位学生围绕各自的学习任务来完成相应技能训练;在完成学习任务的基础上，利用网络互动教学平台和视频语义标注技术，开展生生互动和师生互动，实现教师对学生训练的指导和反馈，结合课堂教学评价，开展课堂教学的能力训练;同时，远程观摩校外实验基地优秀教师的课堂教学实况，并与优秀教师就教学设计与信息技术的整合、课堂教学技能等问题进行实时交流，促进师范生更好更快地适应中学教学的需要。
5）仿真研发模块：以制作新型仿真实验为目的，以项目兴趣驱动的方式，通过仿真实验制作环境的搭建，了解仿真实验的制作原理和创新仿真实验的制作内涵，培养学生根据教材中实验教学的需要自主研发相应的仿真实验项目，为未来成为一位较高信息素养的教师奠定基础。
通过这些仿真虚拟实验项目的练习，可以方便学生更好掌握和巩固知识点，在每一个分实验中都设计详细的原理展示动画模块，学生在实验前或是实验后都可以自行学习[5]。同时，模拟实验设计时一些参数的选择是随机的，因此，每次实验得到的结果有所不同，使用者只要按下重置按钮，便可以进行新一轮的实验模拟。为使学生通过实践达到一定的学习目标，“中心”为这些模拟实验设计了实验参考文本。
搭建教师教育虚拟仿真实验中心支撑平台 近年来，华东师范大学教师教育实验教学中心在教育信息化的基础设施、资源建设、人才培养以及教育系统应用水平等方面均做出较大努力。中心的信息平台是一个以学生发展为中心的开放的、人性化的在线学习和管理环境。通过该环境，学生既可以直接学习仪器设备的操作预知，还可以方便快捷地通过网络进行学习（可在学习过中进行提问，可进行师生互动交流，可直接参与实验内容设计等），同时为教师提供了良好的实验教学、研究环境，实现各个分中心资源的有效共享。精品课程、CAI课件、多媒体电子教案、电子讲稿、实验教材、活页讲义、教学大纲、课程进度表、教学素材库、教学规章制度、实验设备介绍等也纳入中心平台的管理，统一管理，适时更新，方便教师与教师、教师与学生之间的相互交流，为学生课后自学、深化理解课程内容，真正地参与教学互动，提供了良好条件，初步构建开放的实验教学资源数字化平台。
整个中心信息平台的功能包括人员管理、设备管理、学习资源管理、教学服务、资源集成，通过若干子系统实现。基本信息维护子系统包括实验室信息管理、实验室功能管理、实验室人员管理和实验室设备维护等功能;实验室开放管理子系统则包括实验室开放时间设置、学生网上选课、实验时间预约等功能;教学管理子系统则包括实验（训）课程和内容管理、实验科目的开发、实验室上课时间分配、实验教学大纲修订、实验报告的展示等功能;网上学习子系统包括实验预习题目的维护、学生网上预习、实验示范视频的维护等功能;教学案例子系统则包括教学案例的维护、实验资料的上传与下载等功能;虚拟实验子系统包括
理、化、生等学科的在线虚拟实验。整个平台的信息通过中控室交互，并与数字化校园及教务管理系统互相衔接，资源和数据能够充分共享。
4 规划与展望
教师教育虚拟仿真实验中心的建设将增强实验课程教学平台可扩展性，提高实验課程教学内容先进性，促进实验课程远程教育的发展，有效实现：基于现代信息技术和大数据分析方法的教师教育在线训练系统;信息、数据、资源的全网络化运行、管理和评价;实践教学活动的实时监控、实时信息与数据的传输与存储、实时远程互动与多网络的信息整合。
中心将在培养塑造一大批优秀教师和未来教育家的目标指引下，不断开拓创新，用3～5年的时间，打造一流虚拟实验教学师资队伍，开发虚拟化教师教育实验教学资源，完善基于信息技术环境的运行与管理模式，探索开放共享机制，使之成为向师范生及相关人员在教师教育虚拟仿真实验实训方面提供高水平指导和服务的技术平台与训练体系，成为中国教育家和优秀教师培养的摇篮。
参考文献
[1]汪诗林，吴泉源.开展虚拟实验系统的研究和应用[J].计算机工程与科学，2000（2）：33-35，39.
[2]朱敏，张际平.虚拟实验室及其教学应用[J].实验室研究与探索，2006（5）：626-628.
[3]顾明远.我国教师教育改革的反思[J].教师教育研究，2006（6）：3-6.
[4]赵娅，刘贤梅.远程教育中基于Web的虚拟实验室的研究与应用[J].现代教育技术，2009（2）：124-127.
[5]刘琼，何洁凝，关冠恒，等.虚拟仿真实验室对教学的作用研究[J].中国教育学刊，2015（S2）：318-319.
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