基于虚拟现实技术的中考理化生实验考试系统的设计
摘要：目前中考理化生实验考试存在考试组织管理工作量大、考试评价标准不统一、考试题目局限性大，探究类题偏少等问题。在构建虚拟实验的基础上，以虚拟实验的自动化评价为核心，结合考务管理信息化，促进中考理化生实验考试的进一步完善，提升实验考试的探究性，达到以考促教的目的。
关键词：虚拟现实;中考;理化生;实验考试
一、问题的提出
国家推动教育信息化工作以来，教学手段的科技化、教育传播的信息化、教学方式的现代化都取得了明显的成绩，教育公平大大提升。十九大报告、教育部又出台了一系列文件，通过考试招生制度改革等来加强学生动手实践能力。初中理化生实验操作考试是中等教育改革的一项重要措施，旨在以考促教，通过强化实验操作考试的举措达到转变教育观念、推动实验教学、完善教学评估体系、促进素质教育实施的目的。而其根本的目标是利用信息化教学手段，促进中学理化生实验教学质量的提升。
随着虚拟现实(Virtual Reality，简称VR)技术的不断发展，其在教育中的相关应用研究也在不断深入。虚拟现实技术沉浸感、交互性和构想性的特点，使得虚拟现实技术在构建虚拟实验环境，实现交互式虚拟实验具有独特的优势。那么，在构建虚拟实验的基础上，以虚拟实验的自动化评价为核心，结合考务管理信息化，将是促进中考理化生实验考试的进一步完善。
二、实验考试现状
全国范围内已有不同省市地区逐步开展了初中理化生实验操作考试，取得了一定的成效，但是并未实现实验考试的统一化和标准化。在已开展实验考试地区的实施过程中，也存在考试组织管理工作量大、考试评价标准不统一、考试题目局限性大，探究类题偏少等问题，最终未能充分发挥以考促教的作用，也未达到提高学生实验动手能力和创新能力、促进素质教育实施的目的。考试基本情况如下：一是中考理化生实验考试在部分省区实现了全省统一化，还有的省只在部分地区开展了实验课考试，考试的命题和组织没有统一。二是目前的实验课考试采用人工監考，一名监考教师负责3—4名考生的评分，一场考试需要十多名监考老师，耗费大量的人力资源。很多监考老师并不是专业理化生老师，而是临时抽调的人员，人员的培训也是一项考前必须的工作，费时费力。三是监考老师同一时间监考3—4人，有的地区甚至监考到6人以上。难免存在监考不到位、主观因素影响评判结果，使得考试的客观性和公平性受到质疑。四是实验考试分数在记录、管理、公布过程中，需要人工处理，存在人为因素的干扰。五是实验考试题目在每次考试前由命题小组命题若干，考生现场随机抽题。没有构建题库，对题目进行积累和科学的评价。六是部分地区会提前公布试题，有些不允许公布试题的地区也会公布试题的范围，以考促教的目标会变形为为了应付考试的集中突击练习。七是由于监考难度耗费人力大，操作困难，实验考试在日常教学的学期末也很少进行。
另外，考虑到实验教学和考试的安全性，很多实验都是验证性的，无法让学生充分发挥想象力实现探究，并不能充分地发挥实验教学促进对学生创新能力的培养的作用。
三、基于虚拟现实技术的中考理化生实验考试系统的设计
(一)设计概述
该系统是一套以虚拟现实技术为核心，融合人工智能、大数据、云计算、移动互联网、物联网等先进信息技术的智能化中学物理、化学、生物实验课程教考评系统，全面应用于中学理化生实验课的教学、考试及分析评价过程，实现实验教学、考试及评价的信息化、智能化。
(二)系统功能
系统包括真实实验教学管理和虚拟考试管理两部分，二者相辅相成，共同达到促进实验考试改革和实验教学质量提升的目的。
1.虚拟考试管理 系统的核心功能是基于虚拟现实技术的智能化自动评分实验考试管理。包括选择虚拟的实验用具，进行交互式的实验操作，系统在数字化环境中便捷地自动完成评分。关键技术是虚拟实验环境建构，包括实验室环境、实验台、实验仪器、虚拟实验人物等[3];虚拟实验交互行为，实验人物选择实验仪器，完成实验任务的流程;虚拟实验自动评分，在虚拟环境中，通过与实验模型的匹配，实现自动评分，充分弥补之前人工评分存在的人为干扰因素。如图1所示。
在虚拟实验的构建基础上虚拟考试系统的功能还包括考试管理的基本功能，如图2所示。其中，题库建设将根据课程标准和当地选择教材设计实验考试题目，进行虚拟实验的构建，形成丰富的题库，并统计题目难度、区分度，实现题库的优化。考试成绩汇总将进行中考成绩统计，针对总体学生汇总当年中考实验考试数据，自动生成各类数据报表及上报教育部门报表。
2.真实教学管理 真实教学管理模块实现日常实验教学的信息化管理，功能如图3所示，教学优势体现在以下几个方面：一是实现实验教学的个性化指导。将实验流程录制视频上传到网络平台，学生可以反复观看，解决了传统教师演示方式下学生不能清楚看到的问题。二是充分发挥实验教学的作用。在日常实验教学中，规范实验操作，提高学生的动手能力;利用虚拟实验，提高学生的创新能力。三是学习资源的自动化推送。在平台资源存储中，建立实验内容和理论教学的链接，实现实验教学和理论学习的联通，通过实验操作问题发现理论学习不足，实现学习资源的自动化推送。
四、结语
在实验教学中，以培养学生真正的动手能力为目标，基于虚拟现实技术的实验考试系统实现理化生实验中考主要目标是解决考试组织难、评价难的问题。但是，也必须深刻地认识到虚拟实验在实现探究性实验中的作用，利用虚拟现实的优势，允许学生在虚拟的环境中，完成创新实验，而不用担心实验失误带来的风险。所以在解决了基本的实验考试问题后，继续探索基于VR技术的探究性虚拟实验也将具有更深远的意义。实现以考促教，以教促考的良性循环，真正到达通过中学理化生实验培养学生探究能力、创新能力的目标。
参考文献：
[1]宋蔚.基于虚拟现实的虚拟实验研究[D].重庆大学，2005.
[2]袁学倩，邬家炜.基于协作实验模式的虚拟实验系统研究[J].计算机与现代化，2010(06)：23-27.
[3]Tassos A.Mikropoulos*，Antonis Natsis .Educational virtual environments：A ten-year review of empirical research(1999–2009).Computers & Education 56 (2011) 769-780.
作者：李娜
化学：
试题A:验证水垢(或蛋壳)中含有碳酸盐 试题B:用实验的方法检验两种待测液的酸碱性 试题C:模拟实验检验酸雨的危害
试题D:用铁钉与硫酸铜溶液反应验证质量守恒定律 试题E:用实验的方法检验：氢氧化钠固体是否变质
物理：
试题A：探究凸透镜成像的规律
试题B：探究水的沸腾
试题C：探究串联电路中电压的关系
试题D：探究浮力的大小等于什么
试题E：探究重力的大小跟什么因素有关
所属栏目：装备中心 出处：装备中心 点击数：1505 发布时间：2014年04月25日
2014年葫芦岛市中考理化实验操作考试试题
化学：
试题A:验证水垢(或蛋壳)中含有碳酸盐
试题B:用实验的方法检验两种待测液的酸碱性
试题C:模拟实验检验酸雨的危害
试题D:用铁钉与硫酸铜溶液反应验证质量守恒定律
试题E:用实验的方法检验：氢氧化钠固体是否变质
物理：
试题A：探究凸透镜成像的规律
试题B：探究水的沸腾
试题C：探究串联电路中电压的关系
试题D：探究浮力的大小等于什么
试题E：探究重力的大小跟什么因素有关
在我们的印象中春天是绽放的季节，百花齐开万物复苏，但是春天还是收获的季节。在刚刚结束的理科中考实验考试中我校取得了平均分9.84分的成绩，基本完成为了初期预定的目标。滨湖寿春一期的孩子们经受住了压力，收获了中考的第一笔喜悦。作为试验指导老师的我们，也深深的舒了一口气，因为这里面承载着所有孩子和家长的梦，也是对我们努力付出的最好的回报。
因为学科性质不同，实验指导过程中会有差异，在此仅仅就生物实验做一下总结。
一、学校领导的重视和支持
实验考试日期和考试项目确定下来之后，学校领导高度重视，吕总、王主任、杨主任考前进行了多次考务会议，布置中考理科实验操作考试的相关工作，要求我们拿出具体的实验训练方案。要求各实验室配齐实验设备，统一实验操作规范。周末和平时的训练中，洪校、王主任等校领导每次都亲自到实验室询问实验操作情况。在学校领导的高度重视下，对此次实验考试我们实验指导教师鼓足了干劲学生充满了信心，这也是今年取得较好成绩的主要原因。在此再次感谢校领导，各位班主任、实验室皮老师还有为我们提供充足洋葱和番茄的食堂。
二、未雨绸缪，外出取经
因为我们是第一年参加中考生物实验，我们没有丰富的经验，我们就要向南国校区、向包河区生物名师工作室的前辈们请教学习。2月28日，我们参加了在48中滨湖学校举行的包河区生物实验操作考试教师培训会，3月22日我们参加了合肥市中考理科实验考评教师培训会。活动中我们汲取了各位指导老师的经验，对实验操作重难点的把握更为准确，为我们后期的实验课开展指出了方向。
三、集体备课力量大
团队的力量无穷大，每个人的思想火花经过碰撞，就能形成更优秀的成果。在杨主任的带领下，根据得到的最规范的实验操作细则，我们制定出实验课授课的详细教案。通过集体备课的力量，我们统一了意见，商量出最有效的实验实施方法，制定出《生物中考实验操作手册》 。我们要保证同一个实验，每位老师都能做到规范无误。每个实验步骤为什么这样做，都要让孩子明明白白，没有异议。对于没有严格要求的实验操作步骤，我们都通过亲自尝试，选择最方便，最容易做的方案教授给孩子们。我们将最详细的实验操作手册打印出来发给每位学生，上面标注出关键步骤、扣分点，让孩子们做到心中明白。
四、循序渐进，优中选优
1、优化实验室
从无到有的过程总是最艰难的，从以前没有实验室，到实验室器材完备，花费了实验老师太多的心血。因为生物实验室没有专业实验员，从前期的实验室打扫，实验室器材处理都是我们亲力亲为。只要是中考考试要求的标准的器材，我们就要采购到位，保证每个实验台器材完好，摆放位置完全一致，让每个孩子拥有最高标准的实验操作环境。
2、细化操作步骤
对于同一个实验操作步骤，用不同的方法去操作，结果就大不相同。比如撕取洋葱鳞片叶表皮，如果划的“#”字过大，撕取会发生卷曲，尽量取小一点的表皮效果更好。染色过程中，同学们老是说染不上色，其实只是没有找到，告诉他们正方形表皮的边缘细胞都容易染色时，他们就会轻易找到。在取番茄果肉细胞时，很多同学无法成功取到材料，通过我们的观察发现，只要将解剖针由原来的竖直向下改为水平位置，再进行搅拌，就能达到很好的效果。往往一个细节的把握就能使实验由难变易，这离不开团队的共同总结和归纳。
3、优化教学流程
实验课上我们要求必须先阅读实验操作手册，然后再听老师讲解，这样能达到最好的效果。为了保证监督到位，每次老师讲一步，学生再做一步，全部在实验老师的监督下完成。完成后我们逐一检查每个学生，达到人人过关。
为了使每位学生都能完整的进行实验操作，并得到老师的全程监督，我们决定整合资源，将所有实验显微镜集中到一个实验室，进行模拟实验考核。每名老师监督8名学生，并进行分步骤打分。并将分数汇报给班主任，让班主任进行督促。这种全程严格监督，限时完成的考试模拟，让孩子们最大限度适应考试的紧张情绪。也正是通过模拟考试暴露出一些忽视的问题，比如实验台整理中不放凳子，不擦实验台，绘图与实际图像不相符等。通过这些问题的反馈，我们及时更改教学方案，弥补漏洞，做到完美。
通过不断的改进优化实验课教学过程，使实验课教学效率得到巨大提高。
五、分层教学，区别对待
每位学生的动手操作能力、理解能力有差距，会出现个别同学，个别班级无法达到实验操作要求的情况。我们通过模拟考试筛选实验操作差的同学，单独进行强化辅导。对于个别班级实验操作整体较弱的情况，我们利用晚上时间进行集体强化，再筛选差的同学进行辅导。在老师耐心认真的讲解、操作演示下，没有完成不了实验操作的同学。
六、紧扣考试要点，收集考试信息
通过网络资源和邀请包河区生物名师工作室的指导老师对我们实验进行指导，我们获得了中考生物实验的最新信息。我们紧扣实验扣分重点环节，抓住生物实验中的绘图、名称标注和整理三大环节，进行强化练习指导。
在确定考场后，我们去合肥一中考场进行考察，发现他们的实验室器材摆放位置、实验器材整理与我们有所区别，回来后第一时间将信息传递给孩子们。
直到3月27号考试当天，我们也通过各种手段在了解考场里的动向。远在合肥九中监考的杨主任还利用监考间隙的宝贵几分钟，将他们监考扣分的关键点及时告诉我们。在学生进考场前，实验老师再次进行提醒和巩固。我们还通过考完试同学的反馈，将出现变动的地方及时通知下面班级。比如反光镜的位置改为前后竖直，镜前灯不用关，凳子不用放等。
一个月的时间是短暂的，但是留下了很多让人感人的瞬间。因为要准备实验室，有时候实验老师们都没法吃晚饭。因为需要洋葱鳞片叶，我们切洋葱切得泪流满面。最忙的时候，一天要上15节课，晚上辅导学生要十一点多，瘦弱的她累的讲不出话来。身为母亲的她，孩子晚上就喊要找妈妈，没办法的她让孩子爸爸把孩子带到办公室等她。辛苦的班主任不仅要陪孩子们做实验，还要陪孩子们训练体育。作为整个实验的负责人，杨主任不经意间说了这句话“因为实验时间紧任务重，好久没陪我家格格出去玩了”。还记得一个叫刘雨欣的女孩，实验操作做不好，我们就一直陪她到十一点半，一直让她做到没有错误。中考生物实验考试结束时，陶乐、陆小峰、张灿、刘雨欣，这些特殊照顾的孩子都考了满分，激动的握住我们的手，拥抱我们，那个时候我们的眼睛湿润了。
作为寿春的一员，我们时刻要将奉献放在心头，将所有的可爱的孩子们当成自己的孩子。当孩子们快乐成长，用自己努力的学习优异的成绩去回报父母和社会的时候，我们收获的将是内心的喜悦。比着奉献的精神，成就了寿春的优质教育。奉献者的收获是一种幸福，一种崇高的情感，是他人的尊敬与爱戴，是自己生命的延续。人所能得到的最大幸福、最自由快乐的心境，莫过于无私的奉献。不管我做的是什么工作，不管我站在什么岗位，都会将寿春的孩子们放在第一位，我将怀着吕爷爷教导我们的八字育人情怀，将自己有限的青春，奉献给这些可爱的孩子们，我就会收获无限的快乐。
在孩子们享受付出带来的丰硕成果时，作为实验指导老师的我们需要及时的进行总结。经验的积累是我们变得更加优秀的动力，善于总结和思考的人一定会取得进步。我们会将实验过程中的好的做法进行梳理，将影响实验操作的细节进行优化，通过这样不断完善我们的实验操作辅导过程，最终肯定会使每一位孩子都能得到满意的分数。
一、生物实验成绩分析
全校586名学生参加合肥市中考理科实验，117名学生抽到生物实验，约占整个实验人数的15。117名学生中两名学生9分、两名学生8分、一名学生5分，其余学生均是满分，生物平均成绩达到9.91分。失分原因：唯一得5分的学生并未参加我们的实验辅导，如果参加的话，可能会有进步;两名得8分的学生全部是在实验操作过程中未找到细胞结构;两名得9分的同学是绘图名称标注有误，或者为整理实验器材未整理。
工作总结
为做好我校今年初中毕业与升学理化实验考试工作，努力践行党的群众路线实践活动，提升学校在社会上的地位，经过全校师生的共同努力，圆满完成了2014年中考理化实验加试工作，现总结如下：
一、领导重视，分工明确。
接到市、县关于2014年初中理化实验中考通知后，我校成立了以校长王希存为组长、副校长门殿东为副组长，九年级主任黄顺平，教务主任、理化实验教师陈志宏、理化实验教师石雪飞、李风娟，九年级全体班主任为组员的理化实验中考领导小组，组长负责理化实验中考全面工作，副组长主要负责培训、组织等相关工作，年级主任负责学生的考试动员、宣传及组织，陈志宏主任负责实验物品准备、器材的摆放等相关工作，石雪飞、李风娟老师负责学生的培训、复习备考、等相关工作，九年级全体班主任负责学生动员、宣传、组织及模拟监考工作。学校于3月2日召开了理化实验中考工作会议，会上对领导小组成员的分工和责任做了明确安排。
二、强化管理，严格备考
理化实验考试准备工作复杂，我校按照《细则》的要求认真组织实施。制定好备考工作方案，进一步明确工作流程和各类人员职责，特别是针对可能出现的问题制定好应急预案;充分利用理化实验课，早晚自习给学生培训，全体班主任到教室做辅助工作。
三、精心组织，成绩突出
虽然时间非常紧迫，我们在算准时间，在考生奔赴考试、进场、出场等方面做了充分的考虑和安排，取得了很好的效果，全校平均分29.12分，环比成绩好于去年。圆满地完成2014年理化实验中考工作。
2104年5月
为了确保我镇相关学校理化生实验操作考试顺利进行，学生安心考试，让家长放心。特制定此安全预案。
一、成立组织 组长： 阳仁亿
副组长：阳习丁 阳锡兴 刘学龙
成员：中心学校其他成员、各校校长及分管教学与安全的领导
二、做好预案与宣传工作
1、各校要做好此次考试的应急预案，明确责任人，落实相关工作
2、各校领导对各班主任和实验老师要在考前进行安全教育：认真学习本预案，每个人都要明确职责，熟悉到心中有数，并由班主任落实到每一个学生，提前做好安全预防预想。并将相关情况通过手机的方式通知家长。
3、班主任和理化生老师要确保参加考试的学生安全，积极做好考前准备。
4、学校医务室要提前做好准备，备好急救药品和器械，联系好镇医院的一个医生负责本学校医卫工作。
三、组织过程
1、学生要在班主任和理化生老师的带领下按时到考试地点参加考试，保证考试有序进行，不准擅自离开指定地点，有特殊事由必须向老师请假。。
2、所有考生要注意饮食安全。教育学生不买不食三无食品;不买不食腐败变质食品; 不买不食色素较重的食品;此外，尽量不买不食散装食品，尽量不买不食无食品生产经营资质的小商店、小摊贩经销的食品，以免影响考试。
3、班主任和理化生老师要做好考前的相关准备，及时组织学生参加考试的项目，并向考生讲清考试中应出现的问题，考后做好整理活动。在考试中出现的问题、意见分歧或矛盾，考生对考评人员判罚有异议的情况，须通过班主任向考委会及时反映和处理，化解矛盾。
四、应对突发事件的措施：
1、如果考试期间出现意外事故，相关人员必须在第一时间上报领导组并提供处理意见或建议，启动紧急处理预案和紧急疏散预案，所有带队教师都要保持信息畅通，问题责任追究事后处理。
2、遇到突发事件时，学校领导要统一指挥，启动应急预案。师生应保持镇静，原地待命，切勿惊慌乱跑，造成混乱，发生踩踏事故，事发后考委会和班主任及保障教师要积极组织救助，并配合领导组妥善处理。
七江镇中心学校
2015年5月18日
根据《西乡塘区2013年初中毕业升学考试理化实验操作考试工作方案》的精神，为了切实做好我校2013年理化实验操作考试工作，特制定本方案。
一、 组织领导
成立考点领导小组：
主考：韦少宁
副主考：韦全珍
抽签员：黄少红
检录员：梁常新
实验员：杨静（物理）、 梁润肖（化学）
监考员：周继宾、谭焕民 、兰玉喜 、李本媛及友衡学校物理、化学老师各2名
二、 考场设置及轮次安排
1. 设候考室1间（初三4班教室），物理实验室、化学实验室各1间作考场用，每间设4列，每列6座，共24座。
2. 本考点考生总数为207人，安排5轮考试，具体如下：
15:00-15:20 第一轮48人
15:30-15:50第二轮48人
16:00-16:20第三轮48人
16:30-16:50第四轮48人
17:00-17:20第5轮15人
三、 考试时间
5月8日下午15:00开考
四、材料报送
5月25日前，将理化实验操作考试的有关报表及理化实验操作考试工作总结以电子邮件和纸质材料形式报送西乡塘区教育局现代教育技术室。
南宁市西乡塘区安吉中学
2013年4月25日
，
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