基于移動互聯網的通用技術實驗訓練平臺
周志華
【摘要】移動互聯網在教育教學中的應用，促進了傳統教學的轉型，加快了教育信息化的進程。普通高中通用技術課程作為一門技術操作型學科，實驗就是其中的重要環(huán)節(jié)。而高中實驗教學的開展受到教育經費不足，教育設施不公平以及有些實驗的危險性等因素的限制，達不到課程的教學目標。針對此問題，本文提出了一套基于移動互聯網的通用技術實驗訓練平臺，學生通過掃描二維碼的方式進入該平臺，在手機、平板電腦等終端設備上利用虛擬實驗環(huán)境進行實驗操作。通過使用本平臺，激發(fā)學生的學習興趣，提高學習效率，更有助于提高學生的技術素養(yǎng)和創(chuàng)新能力，加強實踐能力的培養(yǎng)。
【關鍵詞】移動互聯網；二維碼；通用技術；虛擬實驗；實驗訓練；
一、引言
在高中通用技術實驗課程教學中，教師將實驗原理、步驟、注意事項進行講解，學生只在課堂中聽課，沒有進行實際操作，漸漸的對這門課程也失去了興趣。一些學校配備的實驗器材不夠齊全，教師不能帶領學生進行實驗，進行實驗也可能存在一定的危險性，因此大多數學校對通用技術實驗課程的順利開展還存在著一定的難度。
提高學生的技術素養(yǎng)，促進學生全面而個性化的發(fā)展是現代教育的導向。在信息爆炸的時代，教師如果一再采用傳統的教法，這樣肯定是行不通的，那么就該順應時代的發(fā)展和要求來改變教學方式，促進教育改革。現在高中學校已配備多媒體教學設備，教師可采用PPT為學生講授，也可通過論壇、微博、微信等基于移動互聯網的交流方式進行知識的傳授。通用技術課程中對技術素養(yǎng)的培養(yǎng)是重點，其中實驗是教學中的關鍵環(huán)節(jié)，它對學生動手能力、實踐能力的培養(yǎng)有不可替代的作用。[1]而現有的實驗環(huán)境和實驗設備達不到一定的標準，學生不能動手操作，使得學生沒有學習興趣，達不到課程的教學目標。
結合當前的情況，試圖能找到解決問題的方法，使得通用技術實驗課程正常進行，改變學生高分低能的現象。因此，提出了一套基于移動互聯網利用虛擬實驗的平臺來改進通用技術實驗課程的開展。通過本平臺，學生可以預習和復習實驗原理、實驗器材、實驗步驟、實驗注意事項；學生可以進行模擬仿真實驗操作，系統將對實驗的步驟給予即時的評價，并對實驗中出現的問題可給予解釋。在實驗訓練平臺中，將實驗情境利用虛擬現實技術，給學生提供一個虛擬實驗情境，為學生技能的學習和理論知識的提高提供條件，讓學生對實驗更有準備，操作更加熟練，過程更加安全，感覺更有樂趣，提高實驗操作技能和實驗探究能力，提升信息素養(yǎng)和創(chuàng)新能力。
二、理論基礎
2.1情境認知理論
情境認知作為一種能提供有意義學習并促進知識像真實生活情境轉化的重要學習理論，情境認知強調將知識視為工具，并試圖通過實踐中的活動和社會性互動促進學生的文化反應。情境認知理論強調外部學習環(huán)境對于學習的重要意義，認為只有當學習鑲嵌在運用該知識的情境中時，有意義學習才可能發(fā)生。因此，在教學中要提供真實或逼真的情境與活動，以反映知識在真實生活的應用方式，為理解和經驗的互動創(chuàng)造機會。
情境認知理論強調有效的教學應該統籌考慮學習者、教育者、教學內容與環(huán)境等各個要素，將學生的學習與發(fā)展置于開放性的，與外界不斷互動的生態(tài)化的系統中來考慮[2]。
在基于移動互聯網的通用技術實驗訓練平臺的系統設計時，為學習者提供虛擬情境的學習環(huán)境，讓學習者將學習和現實生活聯系起來，以提高知識遷移和解決實際問題的能力。
2.2認知靈活性理論
認知靈活性認為，學習者通過多種方式同時建構自己的知識，以便在情境發(fā)生根本變化的時候能做出適宜的反應。也就是學習者在學習復雜和非良構領域的知識時，要通過多維表征所建構的知識，能夠較好的遷移到其他領域，就是常說的活學活用。
在認知靈活性理論的指導下，斯皮羅等人提出了針對高級學習的隨機通達教學。隨機通達教學運用各種多媒體交互技術為學習者提供一個復雜與結構不良的學習環(huán)境，并由此鼓勵學習者自己對知識的積極探索和建構。它的核心是對同一內容的學習要在不同時間、不同情境，以不同目的、從不同角度多次進行，以達到獲得高級知識的目標。
三、平臺設計
3.1平臺架構
基于新媒體的通用技術課程虛擬實驗平臺的體系結構分為三個部分：表示層、業(yè)務邏輯層和數據服務層。（如圖1）
圖1:基于移動互聯網的通用技術實驗訓練平臺架構
三維仿真層：位于客戶端，是用戶和平臺交互的界面，負責系統與用戶之間的會話處理。本平臺為不同用戶提供不同的交互界面，包括學生界面、教師界面和系統管理員界面。平臺根據用戶在登錄時選擇的用戶類型來為用戶分配相應的界面。
業(yè)務邏輯層：位于服務器端，用于封裝系統的業(yè)務服務，負責接收表示層的應用請求，對其進行業(yè)務處理的邏輯判斷。包括學生模塊、教師模塊和管理員模塊三部分。
數據服務層：用來提供數據來源，并對數據進行分類管理。其中用戶數據包括教師、學生、管理員的注冊信息。模型數據是實驗所需材料的模型，主要是實驗過程中可能涉及的三維仿真模型。實驗數據是學生進行實驗操作的過程中，對相應數據進行處理。
3.2平臺功能
基于新媒體的通用技術課程虛擬實驗平臺的功能主要從學生模塊、教師模塊和系統模塊三部分。（如圖2）
圖2：基于移動互聯網的通用技術實驗訓練平臺功能
3.2.1學生模塊：
學生模塊主要包括選擇實驗、實驗訓練、知識庫以及應用實例等功能。
（1）選擇實驗：通過客戶端進入該平臺，學生隨時隨地的選擇自己想要學習、訓練的實驗并查詢實驗相關信息，如實驗目的要求、實驗原理、實驗演示等。
（2）實驗訓練：學生可以根據自己選擇的實驗進行操作，包括虛擬實驗、實驗錄像和模式測試三部分。
（3）知識庫：知識庫提供多種學習資源，如PPT，Flash等教學資源，學生可自主進行學習。對于不懂的問題，學生可以向教師提問。
（4）應用實例：實驗中的器材、設備在實際生活生產中的應用。舉出一些實例，讓學生將知識和實際緊密聯系起來，提高實踐技能。
3.2.2教師模塊：
教師模塊主要包括實驗設計、實驗評價、答疑和知識庫等功能。
（1）實驗設計：包括各個教學版本的實驗內容。教師可根據教學的單元進行選擇，主要對實驗的任務、活動進行設計，以幫助學生進行實驗訓練。
（2）實驗評價：教師根據學生上傳的視頻錄像，對學生的實驗過程進行評價。
（3）答疑：學生在學習論壇中提出的疑問，教師給出解答。
（4）知識庫：教師可給學生提供一些教學資源以供學生自主學習。
3.2.3系統模塊：
系統模塊主要包括情境構建、模型構建和用戶權限三個部分。
（1）情境構建：對教師的實驗情況進行管理，并進行相關操作，以及對學生操作實驗所出現的問題進行后期維護。
（2）學習資源：對學習資源進行管理，如對知識庫的更新、修改等。
（3）用戶權限：管理員根據要求對用戶信息進行添加、修改、刪除等操作，批準用戶注冊。
3.3 工作流程
3.3.1 學生用戶工作流程
學生用戶使用該平臺主要進行實驗訓練。學生進入該平臺，根據教材版本選擇自己想要學習、訓練的實驗，并查詢實驗相關信息。在進行實驗前，學生需要了解相關實驗的目的以及要求，并對使用的實驗器材的有所認識。選擇實驗后，學生了解實驗的原理，構建知識體系，促進學習遷移。學生可以先觀看實驗操作過程，演示過程中會提示操作重點以及安全指南，以便學生能更熟悉操作流程。
選擇實驗后，學生可自主進行虛擬實驗訓練，在訓練過程中，學生逐步掌握實驗要點及原理，完成相應的實驗，幫助提高實踐能力。教師下發(fā)任務后，學生將自己的實驗過程進行錄像，并上傳至該平臺，以便教師進行評價。進行模擬實驗時，系統將記錄實驗過程得出實驗成績，學生可根據扣分項目進行重復練習。學生可以自行進行模擬仿真實驗。學生用戶工作流程（如圖3）：
圖3 實驗訓練平臺的學生用戶工作流程
3.3.2 教師用戶工作流程
教師主要是對實驗過程的設計，以及對學生上傳的視頻進行評價。教師針對課程的需要，選擇實驗，根據需求對實驗的參數、過程進行設置。教師通過平臺查看學生的實驗視頻，作出評價，對實驗過程出現的問題進行解答。其運行流程如圖4所示：
圖4 實驗訓練平臺的教師用戶工作流程
四．通用技術實驗訓練平臺應用效果分析
4.1教師使用通用技術實驗訓練平臺的效果分析
為了調查通用技術實驗訓練平臺的應用情況，筆者訪談了四川省某中學的幾名通用技術教師，從訪談的結果來看，多數教師對虛擬實驗有一定的了解，但是學?，F有的實驗環(huán)境和實驗設備無法滿足學生動手操作實驗器材的需求，教師僅僅在課堂上進行講解展示，是達不到課程目標的。因此，通用技術教師通過使用該實驗訓練平臺得到一些反饋（如圖5）。
圖5 基于移動互聯網的通用技術實驗訓練平臺教師端
隨著研究的展開和深入，很多教師對通用技術課程的進行了一些思考，從機械的給學生傳授一些理論知識，到現在有意識在課堂教學中結合教學內容運用虛擬實驗，課后讓學生自主進行虛擬實驗探究，并進行反思。教師開始對實驗訓練平臺重視起來，也愿意在自己的課堂教學中實踐。
經過一段研究后，在通用技術教學過程中，多數教師開始結合教學內容運用實驗訓練平臺，給學生提供實驗操作的渠道，有利于促進學生對技術的理解，提高了學生的實踐能力。在該平臺中，構建了大量的實驗模型，為教學積累了大量的素材，逐漸改變了教師講授的教學方式，培養(yǎng)起了教師對教育科研的興趣，豐富了教育科研的經驗。
4.2教學應用過程中實驗訓練平臺對學生學習影響的調查
為了研究通用技術實驗訓練平臺的應用效果，選擇兩個差異較小的高一班級（每班44人）分別作為對照班和實驗班進行驗證實驗訓練平臺的教學效果，在開學分別對這兩個班級進行了同一種操作技能的測試，實驗班在教學中注重實驗訓練平臺的使用（如圖6），而對照班仍然進行傳統的教學。學習環(huán)境和學習的外界因素都無異，這樣可以最大限度的控制了無關變量。
圖6 基于移動互聯網的通用技術實驗訓練平臺學生端
利用實驗訓練平臺的模擬測試，對高一兩個班的同學進行測試。（如圖7）
圖7 通用技術實驗訓練平臺模擬測試成績
他們的入班成績如下表所示：
表1：實驗班通用技術操作前測成績
表2：對照班通用技術操作前測成績
根據數據，采用獨立大樣本差異顯著性檢驗得：
Z=0.3853<2.58=Z0.01，可得實驗班和對照班的通用技術課程成績無明顯差異。
實驗班進行教學之后，學生還繼續(xù)進行虛擬實驗操作。而在對照班中，和實驗班進行同樣的教學。期末，再對這兩個班級的學生進行第二次測試，采用同樣的試卷，并對測量結果進行比較。
表3：實驗班通用技術課程后測成績
表4：對照班通用技術課程后測成績
根據數據，采用獨立大樣本差異顯著性檢驗得：
Z=4.4862>2.58=Z0.01，可得實驗班和對照班的通用技術課程成績有明顯差異。
從實驗班和對照班的成績可以看出，在選擇兩個班級的時候，通用技術操作成績并無差異。經過使用了通用技術實驗訓練平臺后，實驗班的學生成績提高，對照班的學生成績無較大變化?？梢娫谕ㄓ眉夹g的教學過程中給學生提供虛擬實驗對學生的學習有一定的促進作用，提高了學生的學習成績以及學習興趣。
通過觀察以及在學生使用該平臺后做的調查，該平臺可以幫助學生掌握一定的操作技能比如工具和儀器的使用方法，了解操作規(guī)則和可能發(fā)生的危險，并且在操作過程中可記錄和分析試驗數據，為進行真實環(huán)境中的試驗做準備，同時也提供了很多的應用案例，貼近生活，學以致用?；谝苿踊ヂ摼W的通用技術實驗訓練平臺對學生的價值至少體現在以下幾個方面：激發(fā)學生的學習興趣，把將學生帶入到身臨其境的環(huán)境中去，自然地讓學生產生對學習的興趣；引導學生體驗和享受學習過程，讓學生在體驗中來學習技術，而不是直接獲得課堂書本知識結論；改進學生的學習方式，通過開發(fā)相應的學習情境，轉變學生只在在課堂上聽的學習方式，讓學生知道怎樣去獲取知識，通過問題解決的過程，掌握科學的學習方法，培養(yǎng)學生探索未知的精神；利用移動互聯網，提高學生的信息素養(yǎng)以及促進個人素質的發(fā)展；結合現實，將所學內容應用到實際生活中，促進學習遷移能力。
五、總結與展望
本研究主要從理論技術與實踐對基于移動互聯網的通用技術實驗訓練平臺的應用做了探索。經歷了通用技術課程實驗訓練平臺的設計與開發(fā)以及使用實驗訓練應用效果的評價，根據實驗班和對照班的數據分析，說明了實驗訓練平臺對通用技術實驗課程的改善作用，對教師和學生都提供了一定的幫助，使得通用技術實驗課程的順利開展，激發(fā)了學生的學習興趣，在一定程度上改進了教學模式，提高了學生技術素養(yǎng)以及創(chuàng)新能力，培養(yǎng)了學生的實踐能力。
由于個人研究能力、時間等的限制，在該研究中存在著一些的問題。平臺需要在有互聯網的條件下進行，部分學校可能還存在著沒有網絡的情況，使得實驗受到阻礙。在部分實驗中，對實驗的設計不夠充分，可能學生使用有一定的困難。由于技術的限制，虛擬實驗部分不能達到完全逼真的情境，交互功能還不夠完善。
在今后的研究中，針對以上不足之處進一步深入研究，在不斷的實踐中繼續(xù)完善和改進實驗訓練平臺。深入教學一線，反復實踐，給通用技術實驗課程提供更多的幫助和支持，實現開設通用技術課程的初衷。
參考文獻：
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[5]李紅美. 認知靈活性理論與基于網絡的研究性學習.[J].中國遠程教育.2003(007).22-24.
附錄 1：高中生學習通用技術情況調查
親愛的同學們
你好：
為了解高中生學習通用技術課程虛擬實驗平臺的使用情況，請您協助我們填寫以下調查問卷。本問卷不記名，調查結果僅用于研究，希望為下一階段通用技術課程教學提供一定的幫助，請根據自己的實際情況作答。對您的配合表示誠摯的謝意！
問卷問題
1.您喜歡利用虛擬技術實驗平臺進行學習嗎？
A 喜歡 B 一般 C 不喜歡
2.您認為何時使用虛擬實驗平臺對您的學習有幫助？（可多選）
A 課前預習 B 課堂學習
C 課后練習 D 任何時候都沒有幫助
3.使用平臺的虛擬實驗進行學習，在哪些方面對您有幫助？（可多選）
A 掌握了一定的操作技能 B 可記錄和分析試驗數據
C掌握了工具和儀器的使用方法 D 知道操作規(guī)則和可能發(fā)生的危險 E 為進行真實環(huán)境中的試驗做準備 F 提供了很多的應用案例，貼近生活 G 激發(fā)了我的學習興趣
4.平臺中實驗演示和講解部分，對您學習帶來的幫助是：（可多選）
A 讓我了解了整個實驗流程，以及注意事項
A 將實驗器材的內部結構和實驗原理展示出來了
C 能激發(fā)我想進行實驗操作的愿望
D 其他
5.與以往的通用技術課相比，用了虛擬技術試驗軟件學習后，您感受到了以下哪些變化？（可多選）
A 對這門課更感興趣了 B 可以自主的進行學習了
C 認為技術操作變得更加容易了 D 沒有變化
E 其他：
6.您覺得平臺使用起來方便嗎？
A方便，容易操作 B 一般 C 操作起來很費勁
7.軟件的整體風格、界面設計、文字顏色和樣式給您的感覺如何？
A界面友好、整體清晰 B 一般 C 不好
8.您覺得平臺中的實驗器材怎么樣？
9.您認為平臺功能方面怎么樣？（例如功能是否全面、操作交互怎么樣、幫助提示怎
么樣……）
10.您使用實驗平臺后的感覺如何？
11.您認為軟件還存在哪些問題？希望提出一些建議。
附錄2: 教師訪談
二、訪談問題
1.您認為開設通用技術課程的意義是什么？
2.您主要采用什么教學方式進行通用技術課程的教學？
3.學校是否有通用技術實驗室？設備是否齊全？是否經常使用實驗設備進行教學？
4.您在通用技術課程的教學中，利用哪些教學資源？需要什么樣的資源？
5.您體驗過虛擬實驗嗎？虛擬實驗運用到教學中可行嗎？
6.您使用實驗訓練平臺的感受是什么？您認為如何更好的利用實驗訓練平臺效果會好些？
7.您覺得該平臺的還存在哪些問題？希望提出一些改進的建議。
