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基于虚拟技术的高中信息技术教学的实践与思考
摘 要：虚拟仿真技术的迅速发展与完善，使其成为了优化教学的有效手段。在高中信息技术教学中，应用虚拟技术，摆脱信息技术选择教学内容时受场地、技术等因素的制约；通过设计并使用项目教学法，利用虚拟技术创设教学以及学习环境，实现多学科知识的有效整合，创新信息技术教学与学习模式，提升学生自主学习能力，激发学生学习信息技术的兴趣，提高教学效果，为解决信息技术教学面临的困境探索出一种可行的发展策略。
关键词：虚拟仿真；高中信息技术教学；教学内容；项目教学法
中图分类号：G434 文献标识码：A 文章编号：1671-7503（2014）09-0042-05
引言
虚拟技术，也称为虚拟化技术，是20世纪90年代以来兴起的一门新型技术，中文通常译作“虚拟现实”，它包括“虚拟”、“仿真”（本文统称虚拟仿真）两个部分。
虚拟技术是一种特殊的多媒体技术，在计算机软硬件的支持下生成的一个逼真的、三维的、具有一定的视、听、触、嗅等感知能力的环境，使用户在这些软硬件设备的支持下，能以简捷、自然的方法与这一由计算机所生成的“虚拟”世界中的对象进行交互作用。计算机虚拟化也是多媒体教学应用的发展方向，虚拟与仿真技术是计算机辅助教学的高级表现形式。在教育领域，如物理、化学等学科的虚拟实验室软件等，都得到了广泛的应用。在高中信息技术教学中，虚拟技术可以为信息技术的学习提供“真实”的硬件环境，摆脱在进行信息技术学习时，对硬件设备的依赖；也可以为程序设计的教学提供即时的反馈信息，使得程序设计直观化。虚拟技术是更有效的教学“课件”，虚拟技术支撑下的信息技术课堂，在教学内容的选择上，可以有更多的选择空间，提升教学内容的“技术”含量。本文通过三个教学实例：程序设计、网络服务、网络管理三个方面，以说明在基于虚拟环境下，拓展信息技术教学内容的尝试。在教学实践过程中，我们遵循建构主义的学习理论以及创新培养的相关策略，通过项目实验的教学方式，整合来源于生活中的具体问题。通过虚拟技术，为学生提供自主学习与探究的实验环境，调动学生学习信息技术的兴趣，提升创新意识与能力。
一、高中信息技术教学现状分析
高中信息技术在教学实施过程中面临着诸多问题，比如：学生起始水平差异较大、教学硬件条件不能满足需求、师资人数不够，等等；而有一些问题，已经是决定学科的发展、去存，关乎学科发展的大问题，例如。
（一）课程建设的指导思想
高中信息技术课程建设的指导思想，经历了两个主要阶段：即以程序设计为主的“程序及文化论”和以操作为主的“工具论”两个阶段。在这两个阶段中信息技术课程都发挥了普及计算机教育的目的，但也都存在着较为明显的问题。例如：在程序设计教学阶段，由于有关程序设计的学习内容比较抽象且逻辑性强，而程序语法规则又很严格，致使一部分学生对程序设计失去了兴趣，教学效果不佳；现阶段的高中信息技术教学，以操作内容为主，虽然增加了“程序设计”和“数据库”等选修模块内容，但由于会考要求和在程序设计教学实施过程中的实际问题，致使本应属于信息技术“核心课程”的教学内容，大部分未开设，少部分开设的学校，教学效果也并不理想。学生对Office系列软件的学习内容，觉得过于简单，难以培养其学习兴趣。总之，在以操作为主的信息技术教学中，弱化了理论知识的学习，比如：计算机组成原理、二进制等内容，使得信息教学内容缺少应有的学科知识体系，缺少了信息技术课程中“技术”的含量。
（二）教学内容滞后于技术的发展
高中信息技术学科的课程目标是培养学生信息素养，提高学生的科技创新能力。而这些目标的实现需以课程为载体。引领学生关注学科发展的前沿，了解生活中具体应用背后的技术支撑环境，创设多学科交融的知识应用需求，以及进行探究学习的学习环境，是培养学生自主学习能力最有效的途径。但是，信息技术课程中所依赖的“技术”内容，由于更新、换代速度过快的原因，导致课程内容长期处于滞后状态，并困扰着学科的教学和发展。中国计算机学会副秘书长杜子德在“全国青少年信息学奥林匹克竞赛”上说：“现在的中学计算机（信息技术）课教的要么就是平时用不上的东西，要么就是不用教孩子们也能自学会的东西，这种课怎么不让孩子们心生厌恶和恐惧”。2011年8月在吉林省市级信息技术骨干教师培训班中进行的问卷调查显示，90%以上学生对信息技术课堂缺少兴趣，95%的学生对于学习Word、PPT等工具软件不感兴趣。
（三）教学内容受制于教学硬件条件
在Windows7操作系统已经得到普遍应用的今天，课堂教学所使用的操作系统还是Windows XP；Office系列的软件也使用着2003的版本。基于操作为主的信息技术课程设置，就决定了教学内容受制于教学的硬件条件。有一些“对学生来说更有价格的学习内容，比如操作系统安装、数据恢复等“技术”含量高一些的内容，在课程中并没有体现。因为学生学习时的机房环境，根本没有办法完成这些操作，或者不允许进行这些操作。在网络学习部分中，课程中设置了网络类型、网络服务等理论内容。并没有安装网络操作系统、架设网络服务等操作内容，同样，这些教学内容也没有办法在现有的机房条件下进行。
技术的发展，困挠着信息技术教学的内容设置，而学习内容的滞后性也严重地影响了学生兴趣，当学生没有了学习的兴趣，也就失去了学习本门课程的动力。
（四）信息技术教师专业发展的特殊性
信息技术课程，是一门旨在培养学生信息素养和学生创新能力的课程，教师在其中的引领作用不言而喻。信息技术教师的专业发展不但面临着教育学、心理学等教育理论的提升，也面临专业领域的不断学习的压力，对于学科前沿技术的了解与掌握，对于保持教师的“创新意识”也非常重要。在吉林省信息技术高级研修班上的调查数据显示，有90%以上的教师希望在培训过程中增加专业课程的内容，体现了学科教师在学科知识方面提升的压力及需求。信息技术的快速发展，对信息技术专业教师形成了比其他学科教师更大的业务提升压力。
以上这些制约学科发展的因素，是由于信息技术快速发展的原因导致的。但是，也正是由于技术的发展为改善高中信息技术教学的现状提供了技术支持。虚拟仿真技术为信息技术教学提供了一个广阔的平台，突破了机房等硬件环境对教学内容选择的限制，丰富了信息技术的教学内容。教师可以在这个环境下来设计、实施更有利于促进学生自主学习能力的探究学习环境，建构高中阶段信息技术的课程体系，在不背离课程指导纲要的前题下，扩展了一些“技术”含量高、更加实用的教学内容；虚拟技术为教师提供了“自我提升”的学习的平台，有利于教师的业务提升。
二、虚拟技术与信息技术教学实践
虚拟技术在信息技术教学中应用，有效改变了PPT作为教学媒体的内容线性呈现方式，增加了人机的交互功能，尤其是程序设计的教学，可以增加程序运行的仿真演示，结果更加直观化，弥补了以往程序教学单调、抽象的不足。著名教育陶行知先生在谈培养学生创新意识时，提出了“五个解放”：解放学生的脑、解放学生的手、解放学生的嘴、解放学生的空间、解放学生的时间。在信息技术教学中，要创设有利于学生创新发展的环境，而虚拟技术应用正是为学生自主学习、探究提供了非常有效的学习环境。
虚拟仿真软件有很多分类，比如：乐高的虚拟搭建仿真、网络互联Packet Tracer、电子设计Proteust仿真软件，等等。在高中信息技术教学中，笔者将结合具体教学内容，简要地介绍两款仿真软件的功能和教学应用。
（一）虚拟机软件VPC在操作系统、网络方面的教学
Virtual PC（VPC）是微软公司提供的虚拟机软件，它可以在一台计算机中，仿真出多个操作系统的运行，并可在虚拟的计算机系统中完成磁盘分区、软件安装、系统配置、网络设置等操作内容。
虚拟机软件的功能，使得我们在进行高中信息技术教学内容设计的时候，可以摆脱硬件条件的限制与束缚，有更多的选择空间，比如：系统分区、格式化磁盘、安装系统等这些操作内容，在进行相应的教学内容时，学生可以在教师提供的虚拟机中操作和实验，教师不必担心学生弄乱了系统环境。VPC中还可以架设网络操作系统，比如：Windows Server 2003，也可以在网络操作系统的环境下，设计网络应用的教学内容，比如：WEB、FTP服务器架设，DNS、DHCP服务器架设，等等。这样的内容设计，充实了网络部分的内容，也更有实用价值，而这样的“操作”内容，更有“技术”含量，也更有益于激发学生的学习热情与兴趣。
（二）电子设计和仿真软件Proteus与程序设计教学
Proteus是著名的EDA（Electronic Design Automation）工具，从原理图设计、代码调试到单片机与外围电路协同仿真、PCB设计等，是最好的电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台之一。这个软件在大学电子设计专业领域的教学中，得到了广泛的认可。在高中阶段，可以将这个虚拟软件引入到程序设计教学中，将硬件电路引入到程序设计中，实现程序设计（软件）与电路（硬件）之间的关联，将中学所学的电学知识与程序设计有效整合，了解智能电子产品的本质，并通过这个虚拟仿真软件，将程序运行的效果即时显现出来，实现程序设计效果的直观化。在教学设计上，为了降低应用电子仿真软件的难度，教师未对“仿真软件”本身进行深入的探究，只是把虚拟仿真当作了“高级课件”来使用，教师先设计完成的模板，学生可以直接使用。在课件中，可以将程序编译生成的.hex文件调入仿真中测试，显示运行结果。此时仿真软件，既是课件，又是学生学习的一个实验环境，其交互性可以使学生在仿真中验证程序执行的效果。
如在图1的电路图中，连接了一个发光小灯和两个按钮。可以通过编程序实现两个按钮对小灯的控制（即：小灯的异地控制），基于此仿真电路，可以完成程序的赋值、条件、循环等语句的学习。
在图2的电路图中，通过发光小灯位置的变化，组成数码管，通过编程来实现数字的显示。在这个仿真电路中，可以进行程序设计的循环、编码等相关内容的教学。引导学生对智能产品中数字显示技术认识与理解。
程序设计的教学，是高中信息技术课程的重要部分，编程在训练学生思维、解决问题的方法，得到大多数人的共识，从更现实的角度出发，我们生活在一个高度自动化的社会，触手可及的自动化设备、办公的网络及电脑，等等，这些设备都是受“程序”的控制。设计大师唐?诺曼（Don Norman）曾写过《设计心理学》和《未来产品设计》两本书，其中一个主要观点是：“最优秀的机器不会帮你完成一切，而是帮你更好地决策，人类应当利用这些机器使自己更聪明，那么具体方式还是编程”。在程序设计与算法的教学过程中，将程序设计教学与虚拟技术结合，避免“枯燥”，使学生充满兴趣，学有所得，基于虚拟技术环境下的程序设计教学，将使得这一目标更为可行。将软件与硬件之间进行关联教学，是学科之间的深度整合，符合课程发展的潮流，有利于学生对信息技术的整体认知。
三、基于项目实验的教学方法
在基于虚拟技术的信息技术教学中，为了将技术与应用有效整合，充分发挥虚拟技术在培养学生创新与自主学习方面的优势，弥补不足，提升学生的创新能力，在教学设计中，我们尝试了基于项目的实验教学方法。项目实验教学，是指在教学设计过程中，基于项目设计的思想，将教学内容融于完整的项目之中。学生在教师的指导下参与项目设计与实施的全过程。学生分工协作、自主探究，解决处理项目中遇到的困难。
（一）选择项目教学，有利于将教学内容与应用相联系
教学中具体项目的设计与选择，源于生活中的具体问题，这些内容的学习更有实际意义，更容易激发学生的学习动机与兴趣。比如：程序设计教学中的智能灯光设计、心形彩灯设计等项目；基于服务器的个人WEB站点的架设；数据的恢复，等等。
（二）选择项目教学法，可以有效整合教学内容
在基于问题解决的项目教学中，项目往往涉及多个领域及学科，学生在学习时，某一些领域的基础知识在课程中并没有详细阐述或掌握。比如：在基于仿真的程序设计中，仿真系统中的核心控制元件是单片机，但是在高中阶段，学生并不具备单片机的相关基础知识，但可以在理解的基础上先运用它。在基于仿真系统的程序设计的教学设计中，不进行过多的探讨单片机技术，重点还是引导学生学习编程知识，掌握编译以及调试方法。
（三）选择项目教学法，有利于创设自主探究与学习的环境
一般来说，创新能力的培养，要为学生创设自主探究的学习环境与氛围。在基于项目的实验教学中，通过项目问题的设计与解决，为学生提供了更多的尝试解决问题的机会，培养了学生的创新能力，而虚拟技术，为这一目标的实现提供了技术支持。
下面是笔者在教学实践中，基于仿真技术设计的系列教学应用案例。本文将选择其中三个典型应用，展示在拓展教学内容、学科整合等方面的教学探索。
1.程序设计教学：智能家居之灯光控制
说明：智能家居是一个新的课题，在课程中引入这部分内容，让学生了解自动控制的相关原理及实现方法，掌握自动产品的开发过程。
（1）项目分析
通过对“智能家居”中灯光的控制要求分析，形成基本的需求报告（即明确要做什么）。组内分工，完成仿真环境的建立和程序的编写，指定专人进行电路说明及操作演示（明确分工，即由谁负责）。
（2）仿真环境的建立以程序说明
下面是一组学生设计的“洗手间灯光”控制的任务：在卧室及洗手间外都可以控制灯光亮灭。
如图1所示，仿真环境的建立及电路说明：用P1_0口连接的小灯，模拟洗手间的灯光，P1_6和P1_7用来模拟两个按钮，实现对P1_0小灯的控制。
例程：
2.服务器中数据安全管理：安装Windows Server 2003，并架设个人网站
说明：如果不是在虚拟仿真环境下，本节教学内容受机房的硬件系统与计算机操作系统等限制，没有办法为学生提供操作的环境，在这个项目实验中，可以通过VM 或者VPC等虚拟机软件安装Windows Server系统，并架设WEB服务器，将学生建立的个人网站在机房局域网中实现互访。
（1）项目分析
掌握Server操作系统的安装、网站的发布以及访问方法，上传学生编写的个人网站，在机房的网络环境中发布并实现互访。
（2）仿真环境的建立
Windows Server2003操作系统的安装，WEB服务器的安装并发布个人网站。
（3）访问方法及改进措施
学生在编辑网站的时候，一般在单机中进行测试访问，在机房的网络环境中，通过IP的方式实现互访，进一步地引入DNS及域名等相关内容，进一步模拟互联网的工作环境，通过在仿真环境中，了解互联网服务的架设以及具体应用，在本项目中可根据具体情况，扩展如FTP、流媒体服务器的架设与访问等操作内容，这些项目的设置，扩展了学习内容，极大地充实现了有高中信息技术网络部分的内容，使教学内容更接近生活实际。
Packet Tracer 是Cisco公司提供的网络设备仿真系统，在学习网络交换机及路由器命令时，提供仿真环境，在高中阶段，学习网络的星型结构、总线型、网型结构，以及无线网络时，都可能通过仿真系统，提供“逼真”互联模型。这些教学内容的设计，如果没有虚拟环境支持，根本没有办法在课堂教学中进行相关内容的学习。
四、结论
虚拟技术在信息技术教学中的应用，能够将抽象的程序设计直观化，能够将原来不能进行的网络操作等内容，充实到教学内容中。通过仿真环境，为学生提供尝试的学习环境，创设自主学习的氛围，其具有趣味性和可操作性；应用仿真系统进行教学，也可以避免实际操控物理设备带来的不确定性及干扰性，使学生更好地关注知识点的学习，提高课堂的教学效率；基于仿真系统的信息技术教学，教学内容可以不受硬件以及实验器材的制约，限低成本，也不用担心实验会造成设备的损坏，有利于区域内信息技术教学的均衡开设。当然，虚拟仿真环境并不是实际环境，在理想化模型中能够实现的功能，在实际环境中并不一定能够实现，实际应用中，也并是所有现象在仿真中都能实现。所以，在进行虚拟仿真教学过程中，一定要注意将虚拟仿真与实际应用建设联系，打消学生对仿真系统学习的顾虑。
虚拟仿真环境下的项目实验教学方法，对教师的专业素养与业务能力也提出了更高的要求，尤其在基于仿真环境下的项目实验，教师不但要熟悉相应的教学内容，还要进一步熟悉仿真系统的使用。从教学内容来说，项目的设计，例如：基于仿真系统的程序设计教学，将程序与电路之间建立相关，深层次整合了教学内容，这些内容也要求教师具有相应的教育技术能力，设计出有效的项目内容，要求教师在充分了解学生的基础上，完成相应的教学内容的设计，从而优化学习效果。应用虚拟技术的项目实验教学创新了信息技术教学内容和教学模式，不再以知识传递为追求目标，学生不再是按照教师的讲授去获得知识，而是在教师的指导下探寻获得知识技能的途径，通过自己的探究与实践构建自身知识体系，符合学生的认知发展规律。
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