机能虚拟仿真实验对学生实践能力培养影响研究

引言：

机能虚拟仿真技术在医学及其他应用科学领域的引入，改变了学生实践能力培养的方式。虚拟仿真实验提供了安全、可重复的实验条件，这使学生能够在没有实际风险的情况下，进行多次操作与实验。尽管虚拟仿真技术为教育带来了全新的可能性，但在实际教学中，如何充分整合技术与教学目标、如何有效提升学生的操作能力，依然是教育者需要面对的关键问题。

1. 机能虚拟仿真技术的背景

在开展实验教学的前期是由于出于实验训练效果、资源配置和伦理的考虑，提出了虚拟仿真技术。由于实验训练的动物资源及实验设备，尤其是在生命科学与医学等相关专业课程实验对试验动物的需求，以及教师进行试验操作的环境和要求较高等诸多方面，虚拟仿真技术想通过一定的技术手段来在不降低训练效果的前提下构建一种可控、可重现的虚拟实验环境以解决实验条件和培训的问题[1]。

2. 机能虚拟仿真实验面临的主要问题

2.1 当前实验教学中存在的主要难点

目前，传统实验教学程序化、程式化严重，以统一的指令束缚学生思维，使学生思维和问题判断能力得不到锻炼，加之大班教学情况下，教师缺乏观察和差异照顾，大范围的实验课仅仅成为任务式、形式化的“走流程”，缺少建构和迁移 [2]。课程考核中不以学生对实验的理解为重点，重视实践过程。

2.2 技术与教学融合中的障碍

由于虚拟仿真平台的不断完善，在平台中如何更好地发挥平台及平台技术的功能，学与教的关系不够明确，很多教学设计仍将仿真技术作为一个补充性资源来处理，并不是引导学生“学习”的过程，缺乏对学生认知、学习过程的针对性适切分析，技术的使用往往会基于教学过程的目的，导致认知负荷的设计不当，干扰学生注意力、学习节奏，产生负面的后果，降低教学效益 [3]。教师对仿真技术的理解和运用存在明显差距，直接影响其教学效果。教学和开发的课程无法进行有效的跨学科配合，教育技术部门、专业教师、学生三者之间信息难以形成有效的交流通道，无法产生教学反馈，无法实现及时的调整。已有平台更多地考虑呈现效果，对学生探索的过程、失败的过程和推理的过程的支持不足，对学生批判性以及迁移能力的培养产生一定的约束和限制。

3. 机能虚拟仿真实验对学生实践能力培养的影响研究

3.1 实验环境对学生动手能力的提升作用

以前的实验教学因时间和实验室安全等原因限制了学生手脑能力培养的训练次数，而机能虚拟仿真实验充分利用其真实性的仿真程度，学生能在不受时空限制的条件下无限次进行操作，这种仿真实验环境不是对实验的操作模仿，是学生在虚拟环境中进行真实结构建模和动态交互基础上建立的操作信心和动觉记忆 [4]。开放的操作权限意味着学生能够自主地配置实验参数、观察系统反馈并及时改正，对学生的操作细节和工具感受度都提供了直接的帮助。而有效、能发展动手能力的动手训练机制的提供也并非技术本身所产生，更重要的是教师需重新构建整个实验教学流程，将仿真实验纳入整个课程评价体系，让学生在每次动手操作过程中都有任务导向，还嵌套反馈追踪和数据对比，只有在让操作为学生解题过程中提供帮助的时候，而不是学生在技术平台上的被动过程的时候，学生的动手能力才不会在技术平台上丧失，实现结构化提升。

3.2 仿真技术对学生理解应用能力的促进

仿真不单单是实验的装潢，更在于它具有反馈通道多元、情景结构化等问题情境的功能，学生可以在高维的复杂数据关系和逻辑关系中进行认知建模。实验的直接目的是操作，往往忽略了学生对背景和知识迁移的认识问题 [5]。仿真实验平台能够随实验操作变化进行动态变量调整，和可视化结果展示，学生能够在仿真实验数据反馈中明白变量的相关逻辑关系。认知介入是认知深度的决定因子，学生认知水平的高低并非由演示教学来替代其思维训练过程。因此，教学设计要避免用仿真平台作为展示教学工具，更应该利用仿真平台作为促进深层次理解的教学引导。从策略上讲，建议为学生搭建任务驱动型学习路径，将仿真任务与真实案例结合，驱动学生在仿真中探索机制、总结规律、形成解释。

3.3 学生在虚拟仿真实验中的能力表现提升路径

虚拟实验对实验能力改善并不一定意味着虚拟仿真使用的次数，而是依赖于教学过程中能否有效组织学习。能力的发展需要目标、过程以及评价的有效衔接。目前常见的问题是“技术为主”，即技术强了，就是现代的；可是缺少认知参与，没有问题求解，没有反思的建构[6]。如何评价学生的能力更好，还是需要三管齐下：学习内容设计的开放性、学习路径的多样化、过程评价的持续性。教师在课程设计之初要提供真实复杂的问题情境，让学生不仅需要进行操作，还需要对学生数据分析结果的反馈、操作方案的改进以及结果的反思。教师需要促进学生个人的学习策略制定，需要自我选择和使用多试错的方法，使他们逐渐发展自己的计划、修改和校对方法。

结束语：

功能性虚拟仿真实验是一个革命，更是一种教育的革命。虚拟实验不再是辅助传统实验存在的替代品，挑战的是一种传统实践能力培养理念。真正的教育性转变，应该是基于如何借助虚拟仿真进行教学模式的转变，培育学生的批判思维和创造能力，虚拟仿真实验也将成为教育变革的动力。

参考文献：

[1] 韦贻春， 蓝平. 高校化工虚拟仿真实验中学生工程实践能力培养[J].实验室科学 ，2023，26（3）：94-97.

[2] 胡春艳 ， 曹挥 . 利用线上线下及虚拟仿真实验提升植物保护专业学生创新实践能力的研究 [J]. 智慧农业导刊 ，2024，4（23）：70-73.

[3] 万军 ， 屈霞 . 虚拟仿真技术在学生创新能力培养教学中的实践探究——以轨道交通信号与控制专业为例 [J]. 电脑知识与技术 ： 学术版 ，2023，19（5）：160-162.

[4] 王磊 ， 陈燕云 ， 孔维宾 ， 等 . 虚拟仿真驱动的天线课程混合式教学研究 [J]. 实验科学与技术 ，2024：1.

[5] 杜宜达 . 基于虚拟仿真技术的网络工程设计 [J]. 信息记录材料 ，2023，24（6）：67-69.

[6] 朱敬 . 虚拟地震仿真对大学生体育实践能力的培养探究 [J]. 防灾减灾工程学报 ，2023（6）.