虚拟与真实:维持学习环境多样性的一个论点
作者：苏bull;富兰克林和玛丽bull;皮特
单位：生物科学学院，F07，悉尼大学，澳大利亚新南威尔士州2006
E-mail: sue@bio.usyd.edu.au E-mail: maryp@bio.usyd.edu.au *通讯作者
摘要：
背景：科学教学中争论的一个问题是如何恰当地使用不同的材料来增强学习体验。在课程中留出大量的时间用于相关的实际经验，但这些时间现在经常被替代活动所取代。在生物学方面，实践经验包括解剖、绘图、显微镜、实验和讨论。由于许多原因，现在越来越多的学生不愿意学习生物材料，而财政的削减使他们的供应更加困难，这使得这门学科的教学越来越困难。这篇论文讨论了悉尼大学一年级生物学生如何在资源减少的环境中使用各种虚拟资源来提供一个刺激的学习环境。我们的研究表明，学生发现真实和虚拟的材料都有助于支持他们的学习，这说明了提供多样化材料的价值。
关键词：科学;三级教学;虚拟的;生物学评价。
这篇论文的参考文献应该如下:Franklin, S.和Peat, M.(2005)“虚拟与真实:在学习环境中保持多样性的一个论点”，Int。《工程教育与终身学习》，第15卷，第1/2期，第67 - 78页。
简介:苏bull;富兰克林是悉尼大学一年级生物学的高级讲师和主任。她拥有威尔士大学(阿伯里斯特威斯)的动物学学士学位、英国南安普顿大学的海洋学硕士学位、悉尼大学的海洋生物学博士学位和新南威尔士大学的高等教育证书。他曾在新南威尔士大学(university of New South Wales)、西澳大利亚大学(Western Australia)和悉尼大学(Sydney)教授本科生，涵盖广泛的生物学科和多种教学方法。1995年，她被授予悉尼大学卓越教学奖，2000年，她是一个小的第一年生物团队的成员，获得了副校长杰出教学奖:第一年教学。1998年，她被授予澳大拉西亚大学计算机学习协会的四个年度软件奖之一。
玛丽bull;皮特拥有英国伯明翰大学动物学和比较动物生理学(荣誉)理学士学位和布里斯托尔大学博士学位。Peat副教授已经在高等教育教学超过30年，特别是在第一年的教学水平上，与处于过渡阶段的学生一起工作。目前，她在澳大利亚悉尼大学担任生物科学副教授。
其研究已经获得了许多国家和国际奖项的认可，包括两项悉尼大学奖和三项软件奖。此外，她还是理学院的副院长，在过去十年中，她在引领教学改革方面发挥了重要作用。作为UniServe Science (http://science.uniserve.edu.au/)的现任主任，Peat副教授还帮助重组了新南威尔士州中学科学教学的一些方面。她的出版物可在http://fybio.bio.usyd.edu.au/FYB/ ribet/publications/publicat.htm浏览。
1介绍
信息技术(IT)以计算机、电视、文献数据库和视听材料的形式向所有学科的教师提供了几十年。那么，21世纪的高科技学习环境有什么不同呢?几个因素同时发展，改变了信息技术作为一种学习工具的潜力。最重要的是无处不在的计算机网络，它打开了知识的世界。此外，数字技术的融合提供了用户友好的多媒体教学平台，以及强调探究的认知学习理论的出现，以及社会需求的显著变化，这对教育过程产生了影响。Awbrey(1996)认为，教育者需要鼓励未来的劳动力发展抽象、系统思考、实验和协作的技能。IT通过创造学习环境，使个人在任何时间和任何地点都可以使用各种学习方式，从而提供了更大的教育灵活性。技术可以帮助克服各种类型的学生所面临的障碍，如远程学习者或身体受损的学生。
在澳大利亚的一次全国教学研讨会上，Martin(1994)反思了计算机在学生学习中的使用，并提出了计算机在当今教育环境中的三种主要用途:作为信息资源;以系统和坚持的方式测试和训练学生;作为模型制造者，允许学生探索想法和建立联系。
不可否认，IT在信息存储、传递和科学教学中创造挑战方面的潜在用途是巨大的。然而，我们的课程是否充满了有意义的IT经验?我们如何使用电脑来帮助我们的学生学习?Forinash和Wisman(2003)认为，我们不能用实验室模拟完全取代真实的实验，这表明学生需要经历真实实验的“试错”和“解决问题”方面来理解科学。Dalgarno(2002)和O Reilly(2002)也支持这一观点。Akpan(2001)最近的一篇综述讨论了在生物教育中使用虚拟材料的相关问题。
2在悉尼大学进行真实和虚拟的第一年生物教学
在悉尼大学的第一年，大量学生(2002年大约有1300名学生，2003年有1600名学生学习生物。学生群体主要是在科学类学位的毕业生中，只有一半人在最后一年学过生物，其中三分之二是女性。
在过去的十年里，我们大一生物课程的教学经历了巨大的变化，以应对学生的日益多样化。与此同时，提供课程的资源已经减少。这一变化的一个组成部分是1992年采用了以计算机为基础的学习材料。为了提高这些资源的交付和使用的便利性，我们开发了一个虚拟学习环境(http://FYBio.bio.usyd.edu.au/VLE/L1/)。我们为第一年学生提供的在线资源包括学习模块(导师式课程)、自我评估模块(提供四个难度级别的自我评估)、课堂讲稿、课程信息和网络链接。作为这项倡议的一部分，我们引入了许多虚拟学习经验，可以在实验室、在家或从大学计算机访问中心完成。这些活动包括旨在加强学生学习经验的虚拟实地考察、虚拟显微镜、虚拟解剖、虚拟实验和虚拟交流。我们已经开发了几个这样的模块，认识到许多一年级生物学生不需要该学科的高级技术技能，如显微镜和解剖，为他们未来的职业道路。
在过去的十年里，我们研究了一系列计算机资源对学生的使用和有用性。这些调查中的许多都是为了向我们提供反馈，帮助我们不断地迭代开发我们自己的材料，并更好地理解学生如何使用这些资源。这些在其他地方也有报道(Franklin和Peat, 2001;泥炭,2000;泥炭和富兰克林，2002年;泥炭等人，1997)。这些调查的重点是研究资源对学生学习的价值，包括使用电脑解剖提高学习。本文将集中讨论虚拟材料的使用与“真实生活”的实践经验，使用生态学、解剖和其他基于实验室的活动的例子。特别地，本文将报告解剖在一年级生物课程中的地位。
注意在电脑上和在家里上网。如今，澳大利亚大约33%的家庭(自1999年以来有所增长)拥有互联网连接。据估计，2000年有650万人使用互联网，其中包括75%的18-24岁的年轻人(澳大利亚统计局，2002年)。在悉尼大学，100%的生物学学生都可以使用计算机，84%的学生可以从家里接入互联网，100%的学生可以从大学计算机接入中心接入互联网(Peat et al.， 2002)。相比之下，在英国，40%的家庭有互联网接入(但有迹象表明这个百分比开始下降)(ZDNet英国，2002年)。
3亲身体验与虚拟生物体验的优缺点
亲身实践生物经验的好处是多种多样的。有了真实的材料，学生显然可以更真实、更激动人心地欣赏生物学。真正的材料是三维的，它通常可以被处理和用来刺激小组讨论，是培养学科操作技能的最佳方式，如解剖、显微镜和科学设备的使用。使用真实材料的缺点通常是管理和成本相关的。这些材料本身的购买和收集费用可能很昂贵，必须维护实验室，必须提供教学人员。其他的缺点是与现代学生有限的灵活性有关。由于各种各样的原因，他们经常不能参加校园活动，在使用生物材料时可能会有种族或文化方面的考虑。
虚拟生物体验的使用带来了不同的优点和缺点。虚拟体验可以在任何时间/任何地点获得，在这种模式下，虚拟体验通常是一个人自己获得的。它们可能比传统的活动，如实地考察和实验“更快”，这可能适合许多学生。一旦满足了最初的生产成本，它们作为一种活动的维持成本可能会更低。它们可以在课堂上被学生分组使用，以帮助激发讨论，并发展沟通技能和批判性思维技能。它们可以在课堂上作为动手前的“培训”，或者作为动手经验(如解剖)的替代(选择)，针对那些在文化上反对这一点的学生。事实上，虚拟生物学学习体验在某些方面可能比真实的生物学学习体验更好，反之亦然。最终，在某些情况下，虚拟生物学习体验可能比实际操作学习体验更好。
在悉尼大学，在第一年的生物学课程中，我们将虚拟实地考察、虚拟显微镜、虚拟实验和虚拟解剖整合到共1300名学生选修的9门课程中。
3.1虚拟实地考察
以电子方式再现现场体验，让学生以更节省时间和成本的方式，参与到久经赞誉的生物学习体验中。学习者在现实和相关领域参与真实的活动。通过让学生访问和收集信息，并对所涵盖的基本主题构建自己的理解，学生将获得体验和欣赏多角度的经验。随着教学预算的减少和课程的日益繁忙，我们发现虚拟实地考察在生物学教学中是强有力的助手。我们的经验得到了Bitner等人(1999)的支持，他们发现使用虚拟实地考察提高了学生解决现实世界问题的能力。
我们使用市面上可买到的CD-ROM，调查了伊卢卡湖(1993年)，供大约300名学生学习非生物专业课程和我们的衔接课程(从中学到大学)。我们的学生以小组为单位调查与虚拟湖泊相关的四个生态系统之一。他们调查他们选择的生态系统，以确定现有物种的多样性，并收集有关物理和生物参数的信息。这个项目允许他们在笔记本上收集数据，然后学生们就生态学的某些方面进行讨论。我们的学生向全班同学展示了一张关于他们生态系统的海报。对这个项目的使用评估表明，学生们对这种主动的学习场景感到舒适，并感到他们已经发展了想法和技能，使他们能够更好地利用真实的湖泊生态系统。学生们接触到湖泊管理的问题，他们的回答表明他们的想法转变到了现实生活中的问题。
3.2虚拟显微镜
需要时间和实践来发展显微镜技术，使其达到显微镜不妨碍被研究材料的水平。现在，越来越多的学生被展示“设备”，在这里是显微镜，但他们没有时间去培养适当的技术技能，以最有效地利用它。在悉尼大学(University of Sydney)的一门普通生物学课程中，可能会有数百张标本的显微镜载玻片可供学生使用。我们采用了一些概念上更困难的显微镜材料，并制作了一个虚拟之旅。例如,“减数分裂:《视觉提醒》(http://fybio .bio.usyd.edu.au/VLE/L1/ResourceCentre/CAL/ CAL/ meiosisvr /MeiosisVR.html)包含一系列细胞分裂的显微照片，即产生配子的细胞分裂过程，每张图都有配套的图纸，并规定在显微图或图纸上添加标签(见图1)。少量的描述性文字可用，菜单设计将学生按照逻辑顺序浏览材料。
图1“减数分裂:视觉提示”屏幕截图
这个项目和其他项目都被整合到课程和实验环节中，但它们也可以在任何时间/任何地点进行。对学生来说，这样做的好处是:对每张幻灯片都有一致的理解;可以选择在家做;并以逻辑的方式看待细胞分裂的顺序。该部门的优点是，这些需要油浸的幻灯片很容易损坏，需要大量的工作人员时间来设置，不需要在学生的实验课上。这样可以节省更换幻灯片的成本，也可以节省设置多组幻灯片的顺序，这需要工作人员在实际会议期间持续关注。此外，一套用于制作视觉提醒的模板的开发减少了制作时间。
虚拟实验，如虚拟实地考察，可以为学生提供活动和接触内容的方式，这在课堂上是不可能实现的。虚拟实验已被证明提供了一种学习经验，被认为是与“湿式”实践一样有效的知识和理解(Hughes, 2001)。我们设计了一些实验，这些实验可以整合到课程中，既可以由学生在课堂上一起使用，也可以由学生在家里单独使用。实验可以被设计成生成数据，这些数据由一组学生收集来进行讨论或写报告。虚拟实验的优点包括时间因素(通常是真正的实验需要很长时间才能产生足够的数据为一个有用的讨论发生),它们的相对低成本的材料,快速数据收集和可能煽动小组讨论时间有限的类。
其中一个实验是“模拟光对光合作用的影响”(http://FYBio.bio.usyd.edu.au/VLE/L1/ResourceCentre/CALModsRC.html)，该实验模拟了光强和光波长对植物光合作用速率的影响。学生们从模拟中收集数据，然后将这些数据绘制在他们的练习册上(见图2)。这个实验在概念上很简单，但需要在教室里为这么多的学生做多套昂贵的设备。
图2“模拟光对光合作用的影响”截屏
虚拟实验的一个扩展是使用预实验模块作为实验室设备的介绍。学生能够在实验前了解设备的工作原理。我们使用两个模块，让学生在实验之前练习使用分光光度计和紫外线光源。研究表明，这是一种帮助学生学习使用设备的有效方法，目前在高等教育部门的化学课上广泛使用(Wilson, 1996;Wilson和Cavallari, 1995)。
3.4虚拟解剖
解剖的使用，尤其是哺乳动物的解剖，正变得越来越有争议，促使教师和学生重新考虑这些程序在课堂上的价值。在一些机构中，解剖已经被放弃，部分原因是为了回应“动物权利”问题(Heron, 1992)。除了使用动物进行解剖外，还可以使用3D模型、幻灯片、录像带、光盘和计算机模拟(Kinzie等人，1993年;兰利,1991;昆汀-巴克斯特和杜赫斯特，1992年;Strauss和Kinzie, 1991)。此外，研究还表明，当学生在老鼠解剖之外有其他选择时(比如模型和图表)，他们在考试中的表现与那些完成了解剖的学生没有什么不同(Downie and Meadows, 1995)。
我们开发了虚拟学习资源，以加强对动物结构和功能的研究。这方面的一个例子是对猫尸体的虚拟解剖，这是在2000年引入的，用于新的学习，修订或作为那些有动物权利问题和对动物解剖有种
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