信息化背景下综合设计性虚拟仿真实验评价系统构建

褚震芳 高魁 乌仁齐木格 王韵斐 陈秋菊 王剑飞

摘  要：为对综合设计性虚拟仿真实验进行有效的评价建立实验评价系统。研究分析目前已有的在线开放课程评价体系和虚拟仿真实验的系统架构，把多元智能理论和学习结果分类理论应用于虚拟仿真实验评价系统中，构建包括理论知识维度、思维创新维度、实验技能测试维度和情感态度维度等多个维度的综合设计性虚拟仿真实验评价体系。

关键词：虚拟仿真实验测试;多元化评价;评价体系;在线开放课程;系统架构

中图分类号：G642        文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2024）01-0086-04

Abstract： In order to establish an effective evaluation system for integrated design virtual simulation experiments， this paper studies and analyzes the existing evaluation system of open online courses and the system architecture of Virtual Simulation Experiment. At the same time， this study applies the theory of multiple intelligences and the theory of learning results classification to the evaluation system of Virtual Simulation Experiment， and constructs a comprehensive design evaluation system of virtual simulation experiment， including theoretical knowledge dimension， thinking innovation dimension， experimental skill test dimension， emotional attitude dimension and other dimensions.

Keywords： virtual simulation experiment test; diversified evaluation; evaluation system; open online courses; system structure

虛拟仿真实验教学项目是将教育信息化技术与传统实验的实验室教学进行深度结合而形成的新型实验教学模式[1-2]。其是在教育部“深化信息化教育教学改革、实现高等教育变轨超车”的重要思想指导下产生的[1]。虚拟仿真实验教学开展的目的是为了提高信息化教育水平和在线实验教学开展的质量，促进信息化的高等教育创新性发展。2018年6月，教育部认定了首批来自91所高校的105个国家虚拟仿真实验教学项目。目前，数字虚拟仿真实验技术在动物实验中的应用，对弥补实验场地的不足和实验仪器缺乏等问题发挥了重要作用[3-4]。但目前已经建立的虚拟仿真实验项目中，缺乏虚拟仿真实验的评价系统，尤其缺少综合设计性虚拟仿真项目的综合性实验的评价体系，这使得学生的创新思维能力得不到有效的训练和培养。随着教育信息化发展和虚拟仿真实验技术的不断发展建设，虚拟仿真实验教学已经逐渐成为目前高校动物实验教学的热门工具[5]。与传统的线下动物实验教学相比，虚拟仿真实验项目具有实验动物、实验器材及耗材的成本低、实验操作的重复性和安全性好，且没有时间和场地的限制等突出的优点[3，5]。这些优点使得学生和老师能够随时随地地通过虚拟仿真实验平台进行实验的学习和操作。这些都给高校实验教学的顺利开展带来了便利，但虚拟仿真实验评价体系的不配套也使得教师不能对学生的线上学习和操作实验的过程做出准确有效的评价。

本课题希望基于虚拟仿真技术将机能学实验项目技术碎片化，分解为功能相对单一的操作单元，达到可以自由设计的目的，然后在此基础上建立可设计性虚拟仿真综合性实验评价体系，可以有效培养和训练高校学生综合实验能力，形成开放有效的高等教育信息化实验项目体系。

一  相关研究现状

（一）  在线评价体系研究现状

目前高速发展的教育信息化使在线网络教学迅速发展。其具有非常突出的优点，既突破了教育的时间和空间的限制，又可以将内容繁多、理解困难的知识点重复学习。因此在线教学已经逐渐成为现代教育教学中的重要方式之一。但是由于在线课程学习时间和地点较灵活、学习者独立性较强，从而使得教师对教学效果难以进行客观的评价和准确的把握。目前在教学研究中，很多教师已经意识到在线学习需要建立全面的评价体系。

目前在教学中应用比较普遍的是交互式柯氏在线学习评价体系[3，5];包括针对课程资源、知识效果、交流协作和学习态度四个指标进行评价而构成的形成性评价体系[5];另外还有从知识与技能、情感态度、学习过程三个层面建立起来的三维教学评价[5];以及从开展在线课程学习的行为、学生的满意度、学习的学习结果三个方面建立起来的在线学习绩效评价指标体系[5-7]。目前，在线课程的评价体系不断发展完善。因此本研究首先分析了已经存在的在线评价体系的指标及评价体系的优点，以这些为基础，开展了综合设计性模拟仿真实验评价体系的研究。

（二）  虚拟仿真评价体系研究趋势和现状

目前在教育部倡导的“深化信息化教育教学改革”指导思想的大力支持下，国内的虚拟仿真实验项目及实验中心平台已大量建立，但是对于虚拟仿真实验项目的评价系统的研究较少[7]。而通过实验报告来评价实验教学效果的web 实验报告评价系统是目前应用较普遍的[8]。另外还有以考试成绩来评价学习效果的实验考试评价系统[8-9];还有学习行为评价系统，学习行为评价系统是基于UTAUT 模型的以学习行为影响因素而建立的虚拟仿真评价系统[8]。由此可见，现有的虚拟仿真实验项目评价系统，大多是以虚拟仿真实验结果的评价或者是针对在开展教学过程和学习过程的某个单一的影响因素进行评价。而针对实验全过程和虚拟仿真实验教学过程及学习过程的影响因素的评价模型研究较少，因此如何实现在虚拟仿真实验中，针对学习效果的合理性、全面性、系统性的学习过程进行有效评价，建立综合性虚拟仿真实验教学评价标准，成为目前需要解决的问题。

二  虚拟仿真实验评价体系建立原则

霍华德·加德纳的多元智能理论认为学习者的学习过程存在着九种基本的智能，包括言语智能、数理逻辑、空间、运动、音乐、人际、内省、自然探索和存在等[9]。学习者的学习差异是由这九种智能不同的组合而产生的结果[9]。而加涅的学习结果分类理论从学习态度、运动技能的提升、言语信息的再现、智慧技能和认知策略五个方面评定学生的学习效果[8，10]。我们以多元智能理论、学习结果分类理论为指导，归纳出虚拟仿真实验评价体系的建立原则，从评价言语、数学逻辑的角度采用理论知识的再现来评价、针对智慧技能和空间及内省采用虚拟实验技能的维度进行评价和针对学习态度及人际等因素采用情感态度这个维度来评价和针对自然探索和认知策略方面采用思维创新维度来进行评价[5，10]。因此在虚拟仿真实验环境中建立这四个维度的虚拟仿真实验评价体系具有如下几个方面的特点：①评价方式的多样化。加入情感态度和价值观的评价，并将实验过程影响因素和实验结果影响因素设定评价标准，将这些过程性评价加入评价体系。构建定性评价与定量评价相结合的多样化的评价方式[11]。②评价主体的多元化。为了实现学习过程的全方位评价，综合设计性虚拟仿真实验评价系统要将学生作为主要的评价主体，同时结合老师在教学过程中的应用情况进行评价。评价系统匹配虚拟仿真实验学习的各个环节，建立三方的多元化的评价体系[11]。③评价体系具有可操作性和科学性。可操作性和科学性是评价系统应具有的重要因素，必须保证其科学合理性和容易操作的特点。

三  综合设计性虚拟仿真实验模型构建及评价系统架构

虚拟仿真实验教学从根本上来说，是将传统的实验教学在信息化的网络学习环境中开展，而鉴于虚拟仿真实验教学的特殊性，实验的评价指标也与传统的评价指标有一些异同。

（一）  模型构建

1  设计性虚拟仿真实验模型

开展虚拟仿真实验的一般过程包括：实验项目的规划、实验的前期准备、实验过程的实施和实验结果的分析这四个阶段。我们分析在不同阶段内部各要素之间的规律和要求，制定相应的评价指标。如图1所示。

2  设计性虚拟仿真实验评价系统架构

虚拟仿真实验评价系统设定了4个评价维度，每个维度又进行细化，包括：根据教学大纲考核实验程序性的理论知识评价;利用设置实验操作单元评价标准来完成实验技能评价;通过问卷调查法、行动研究法来评价思维创新和情感态度的评价。如图2所示。

（二）  指标描述

1  评价维度的确定

Ralph W.Tyler 认为教学目标实现程度是一个教学评价的过程。我们的实验评价指标是以学生的学习行为的变化规律为主去建立相应的教学目标评价指标的，因此确定了：①理论知识考核维度，即学生针对理论知识可以用言语表达的陈述性知識，可以通过回忆、再现、复述知识内容即可评定是否已经掌握该知识，其中理论知识的指标是属于虚拟仿真实验的知识储备阶段。②完成虚拟仿真实验的核心要求是虚拟实验技能阶段虚拟实验技能维度的考核，即学生通过模拟、练习而获得的实验操作的技能，是将理论应用到解决实验问题上的关键环节。③认知策略与智慧技能的综合体是思维创新，即为了解决更深和更高层次的问题将应用所学理论知识和虚拟实验技能进行更深度思考并应用于其他方面的能力。④情感态度的变化是直接影响学习结果的因素，其主要反映学习过程中学生的心理倾向和状态。

2  评价内容的设计

综合设计性虚拟仿真实验评价内容设计的宗旨是既保留传统实验评价体系中对实验知识及操作部分的考查内容，又要根据信息化在线实验教学环境的特点所产生的特有的评价内容。理论知识维度评价指标是评价学生在实验前的基本知识的掌握情况，包括：基本的实验原理、实验操作注意事项、实验仪器应用原理、实验专业概念及专业术语等，根据理论知识的特性将评价方式分为实操的知识评价和理论性知识评价两部分。而核心的评价指标——虚拟实验技能的评价，为了评价学生能否理解操作方法背后的原理并熟练掌握操作虚拟仿真实验的技能，按照独立拆分的实验操作单元逐个进行，每个独立的实验操作单元都设置了实验技能操作的评价指标。为了提高学生将所学知识应用于不同的领域和拓展问题中，设定了创新思维评价指标，其评价的内容也根据实验目的设计包括了创新设计和实际应用两个层面。情感态度是通过问卷调查做出反馈性评价，包括对学生学习兴趣和学习态度的调查，从而可以对评价系统进行改进和调整的评价过程。

3  评价对象的设计

要想对综合性虚拟仿真实验进行全方位的评价，就要结合其在线性的特点，制定以学生评价为主，教师和平台相结合的多元化的评价对象[12]。按照这个原则，设计了学生自评量表、教师的测评和意见量表、虚拟仿真实验平台自动收集的评定数据，这三个评价对象相结合的多元化评价体系[12]。首先，教师意见调查和学生的自评量表可以通过问卷完成。其次，教师的测评可以通过学生在线提交实验报告，以及实验问题的在线讨论来测评学生的学习成果。而学生在综合设计性虚拟仿真实验平台完成实验视频学习的次数和时长、虚拟实验操作步骤得分、与教师互动交流和讨论的次数及作业提交情况等操作，可以由平台自动记录数据，这些实验过程可被量化，从而作为评价系统的数据。

4  评价方式的设计

综合设计性虚拟仿真实验评价系统是依据多元化理论和分类理论为指导，将过程性评价和效果性评价相结合。针对学生的基础知识掌握程度、知识应用能力和实验技术操作能力、思维创新综合能力的多个影响因素进行评价的全过程的评价系统[13]。评价方式既包括理论考试成绩、实验操作成绩、实验报告成绩及平台实验视频的学习次数和时长等这些可以量化评估的数据，也包括学习兴趣、情感体验等这些非量化的指标，而这些非量化的指标通过设计在线问卷调查、自评量表等进行量化评价。

四  结束语

随着科学信息化技术的不断发展，工作的技术含量不断提高。有越来越多的用人单位要求工作者可以做到将理论应用于实践，理论联系实际。这对高校人才培养也提出了更高的要求。要求高校的实践教育具备更加完善、科学、可操作的评价体系和考核体系。而目前我国高校的实践技术教学评价体系并没有形成完备的标准，缺乏了科学性的过程性评价和可操作的教学效果评价。因此在高校教学中如何构建科学的高校实验教学评价体系的研究也显得至关重要[13]。当前，高校的实验实践课程大多是线下进行，而评价体系仍然以实验报告和教师的主观评价为主，学校则通过教师测评、师生互评、教师反馈等形式进行教学情况评价[13]。而缺乏对于线上的虚拟仿真实验等实践课程的关键因素评价，更缺乏可以量化的科学的评价标准，课程评价往往忽视职业成长的可持续发展，缺乏有效的定量评价与有效的定性评价系统[13-14]。因此，建立完整、科学的虚拟仿真实验评价体系对于促进虚拟实验的构建、改善虚拟实验学习效果意义重大，也有利于提高在线实践教育教学的效率。

参考文献：

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基金项目：内蒙古自治区哲学社会科学研究项目“教育信息化背景下生理学模拟仿真综合设计性实验平台的建设和应用”（ZSZX21114）;内蒙古自治区教育厅“十四五”规划课题“基于学生的视角构建高校在线开放课程的评价体系研究”（NGJGH2021463）

第一作者简介：褚震芳（1983-），女，回族，内蒙古巴彦淖尔人，硕士，副教授，执业药师。研究方向为生理及药理学。

*通信作者：王剑飞（1984-），男，汉族，内蒙古巴彦淖尔人，硕士，高级兽医师，执业兽医师。研究方向为动物疫病防控。