【摘要】現(xiàn)行的虛擬實驗平臺多為高?；蚱髽I(yè)開發(fā)，雖功能越來越強，但和學科教學沒有很好的整合，產(chǎn)品實用性不強。教師面對虛擬實驗平臺，容易忽視其教學特性，不能充分發(fā)揮其教學優(yōu)勢。通過實驗教學需求分析，提出了平臺的開發(fā)原則和選用依據(jù)，設計了基于虛擬實驗平臺的教學模式。

【關鍵詞】虛擬實驗平臺;開發(fā);應用;理性思考

【中圖分類號】G420【文獻標識碼】B【論文編號】1009—8097(2010)02—0136—04

引言

聯(lián)合國教科文組織在《教育——財富蘊藏其中》一書中認為“選擇某種類型的教育，等于選擇某種社會” [1]。 隨著多媒體和網(wǎng)絡技術的發(fā)展，學習者的學習環(huán)境和學習模式發(fā)生了翻天覆地的變化。廣大學習者進入了一個信息化的社會，知識、技能的學習較之以前有了更便捷的方式和更多樣的選擇?，F(xiàn)代遠程教育的興起，使得人們可以隨時隨地通過互聯(lián)網(wǎng)進入數(shù)字化的虛擬學校里學習，學習不再局限于學校、教室。借助網(wǎng)絡技術的虛擬實驗平臺更是得到了蓬勃發(fā)展。然而在我們欣喜之余，也看到了其在開發(fā)和使用過程中存在一些不當或缺失，這迫使我們不得不進行審慎的反思。本文將著重探討怎樣充分利用教育、教學理念，合理地指導虛擬實驗平臺的開發(fā)和應用，希望對當前實驗教學起到一定的促進作用。

一虛擬實驗平臺研究現(xiàn)狀和存在的問題

1 國內外虛擬實驗平臺開發(fā)和應用的現(xiàn)狀

隨著虛擬現(xiàn)實技術的發(fā)展，虛擬實驗在實驗教學中得到越來越廣泛的應用，國內外學者在這方面做了大量的研究和開發(fā)工作。比較有代表性的如美國卡內基梅隆大學的IrYdium化學實驗室、英國牛津大學的化學VL、德國Ruhr大學網(wǎng)絡虛擬實驗室等，它們的特點是普遍具有高度的交互性和高智能的虛擬環(huán)境。國內的很多高校根據(jù)自身教學需求建立了虛擬實驗室，典型的有中國科技大學的物理仿真實驗軟件，同濟大學建筑學院開發(fā)的虛擬現(xiàn)實實驗室，西南交通大學開發(fā)的TDS-JD機車駕駛模擬裝置等[2]。而從技術層面來看，大致有基于VRML虛擬現(xiàn)實技術的仿真實驗、基于Flash的交互式仿真實驗、基于Java技術的和Quicktime VR技術的仿真實驗、基于Active技術的仿真實驗等等。其中以基于VRML和Flash技術的產(chǎn)品居多。這些虛擬實驗產(chǎn)品在電工電子、醫(yī)學、建筑等許多學科發(fā)揮了重要作用。

總體來說，當前虛擬實驗平臺多是高校、研究所或企業(yè)開發(fā)，專業(yè)功能較強。而專門針對課程教學，與課程完美整合的產(chǎn)品并不多見。也有個別學校針對學科教學進行了一些嘗試，但教學內容仍不夠系統(tǒng)和全面，沒能很好地結合學科教學的實際。特別是針對學習者態(tài)度、情感方面的教育，虛擬實驗的交流與協(xié)作，以及如何對實驗過程進行評價等方面還有很多值得探討的地方。

2 表現(xiàn)出來的突出問題

歸納起來，我國目前的虛擬實驗教學平臺還存在以下幾個方面的問題待為完善:

(1)虛擬實驗平臺缺乏必要的人文環(huán)境

在傳統(tǒng)虛擬實驗平臺建設中，科學主義始終占據(jù)主導地位，開發(fā)者單一強調認知的發(fā)展，而針對態(tài)度和情感層面的教育往往被忽視。然而，學習者并非僅僅是信息加工的工具，智能的發(fā)展并不能代替情感的發(fā)展。人的社會性實質決定著人有與他人進行情感交流的需要，這種交流能很好地滿足協(xié)同參與者之間的情感表達和協(xié)同群體感知。缺乏這種交流，將直接影響協(xié)同工作的效果與效率[3]。建構主義者強調真實的學習情境創(chuàng)設，知識的建構是學習者的認知結構發(fā)生同化和順應并循環(huán)往復變化的結果[4]。而現(xiàn)有的虛擬實驗平臺，在情景創(chuàng)設方面還有待提高?，F(xiàn)實世界環(huán)境的特征沒能很好地融入到虛擬學習環(huán)境中，使其缺乏必要的人文環(huán)境和對學生的人文關懷，這些都不利于學生態(tài)度情感和價值觀的提升。

(2)不能很好地滿足學習者的個性差異

使用虛擬實驗平臺的學習者由于各自有不同的社會、文化背景、知識結構和個性特征，每個人的學習風格、思維方式也有顯著差別?，F(xiàn)有的虛擬實驗平臺唯一能標識學習者之間差異的就是通過系統(tǒng)注冊的賬號，這就造成實驗內容只能按照教學大綱單一呈現(xiàn)，教學目標、評價的要求和方式統(tǒng)一，學習者缺少選擇性。這就使得平臺不能很好地識別和滿足學習者的個性差異，很難進行因材施教。

(3)對虛擬實驗的支持系統(tǒng)開發(fā)力度不夠

虛擬實驗是通過計算機及其周邊設備借助軟件的支持，模擬具體的實驗操作，實驗過程仍然遵循正常實驗操作規(guī)程和步驟。例如，通過操作產(chǎn)生實驗現(xiàn)象，觀察并記錄實驗現(xiàn)象，總結現(xiàn)象背后的自然規(guī)律，撰寫實驗報告等等。目前的虛擬實驗平臺的建設對實驗操作之外的環(huán)節(jié)并未給予足夠的重視[5]。例如支撐實驗教學的輔助資源明顯不足，或是沒有設計實驗過程和數(shù)據(jù)的配套記錄工具，導致數(shù)據(jù)分析、現(xiàn)象解釋、實驗報告等實驗后續(xù)工作較難展開，并且對虛擬實驗過程缺少必要的指導與控制，學生在實驗過程中很難獲取有效的幫助和指導。

(4)虛擬實驗平臺的網(wǎng)絡化功能還不夠完善

實驗本身是一項實踐性很強的學習體驗，這就決定實驗過程離不開與他人的合作和交流。當前大多數(shù)虛擬實驗平臺多為單機版或僅在一個小型局域網(wǎng)內實現(xiàn)，支持分布式協(xié)作學習的平臺并不多見，這就很難實現(xiàn)異地不同學習者之間的協(xié)作研究，因而在很大程度上限制了學生的實驗視野，遠程教學也難以展開[6]。虛擬實驗平臺要想實現(xiàn)這一目標就要依托平臺強大的網(wǎng)絡化功能。在這一方面，清華大學和北京郵電大學、北京工業(yè)大學等共同建設的網(wǎng)絡虛擬實驗室是目前做得比較好的為數(shù)不多的幾個實驗室之一[7]。

二虛擬實驗平臺的特性及其對學習者影響層面

虛擬實驗平臺是借助多媒體和網(wǎng)絡構建起來的虛擬的學習環(huán)境，它不同于傳統(tǒng)課堂上“師生面對面”的學習環(huán)境。其特征和對學習者的影響主要體現(xiàn)在如下幾個方面:

1 指導者和學習伙伴的時空隔離性或虛擬性

限于實驗平臺的網(wǎng)絡功能，虛擬實驗環(huán)境中缺乏人與人面對面交流的情感氛圍，學生感受不到教師和同學的音容笑貌，這種隱性課程的缺失不利于學生的人格培養(yǎng)[8]。虛擬實驗平臺下學習者的指導老師和學習伙伴不是身處異地，就是一些利用虛擬現(xiàn)實技術虛擬出來的概念人物，與現(xiàn)實生活中有較大區(qū)別。這就使學習者長時間脫離了現(xiàn)實存在的集體，缺乏歸屬感，學習進度和程度缺少橫向的比較，極易產(chǎn)生學習的惰性，在解決困難問題的時候容易采取“閉門造車”的方式。另外，長期缺乏面對面的情感交流，極容易使學習者產(chǎn)生學習的孤獨感。長此以往，學習者的溝通能力、協(xié)作能力會在一定程度上被限制。怎樣克服師生心理分離狀態(tài)，通過什么方式了解學生，有針對性地進行輔導也成為擺在教師面前的一道難題。

2 虛擬學習環(huán)境開放性、資源共享性

虛擬的網(wǎng)絡世界是一個開放的環(huán)境，任何參與其中的學習者都可以通過終端設備獲取他想要的各種資源，了解別人的思想、研究成果。簡單易取的數(shù)據(jù)信息會使學生的求知欲、好奇心某種程度地削弱，易出現(xiàn)剽竊他人實驗成果的現(xiàn)象，這些都為學生的創(chuàng)新能力培養(yǎng)和實驗教學評價帶來很多難題。

3 學習者的高度自主性

在虛擬實驗平臺中，學習者完全處于自主學習、自主管理的狀態(tài)。在這個學習環(huán)境中，學習者可以在任何時間、地點，通過任意一臺聯(lián)網(wǎng)的終端設備，在無人監(jiān)督的情況下自主選擇學習內容、學習方式。這種寬松的環(huán)境對于那些自控能力差、學習態(tài)度不夠端正的學生，很難長時間保持穩(wěn)定的學習狀態(tài)。再加上缺乏有形的管理和激勵機制，學生積極的自我效能感難于形成。我們怎樣通過技術手段和教學策略，引導他們養(yǎng)成良好的學習習慣，自覺培養(yǎng)堅定持久的學習風格，成為應該考慮的問題。

4 對媒體的過分依賴性

虛擬實驗環(huán)境中學習者的學習行為和交流方式總是以媒體為依托。而媒體又依賴技術和網(wǎng)絡的支持。虛擬實驗平臺對媒體的依賴性可能導致學習者對媒體的過分依賴性，許多知識和技能不再需要識記，學習者遇到難題和困惑時最先想到的是通過媒體和網(wǎng)絡查詢，而不是求助于學習伙伴和老師。久而久之，學習者往往表現(xiàn)為不愿與他人交際，其交流協(xié)作能力明顯下降。另外，學習者實驗操作也主要依托于媒體，而媒體的總體交互性能和現(xiàn)實生活還是有較大差別，當回歸真實的實驗環(huán)境中時，許多學習者普遍感到無所適從。以媒體為基礎的交互同時也削弱了學習者交流協(xié)作的動機，這就很難培養(yǎng)學習者在實驗過程中的團隊合作意識。

三怎樣改善基于虛擬實驗平臺下的教學

基于以上對國內外高校虛擬實驗平臺發(fā)展和應用現(xiàn)狀的分析，以及虛擬實驗平臺對學習者各個層面的影響，對于教學型虛擬實驗平臺的開發(fā)和建設，有如下幾點建議:

1 創(chuàng)設情境促進學生的知識遷移

在虛擬的學習環(huán)境中融入“實”的成分。如營造三維的、逼真的學習環(huán)境，提供真實的問題情景，讓學生在虛擬實驗平臺中解決現(xiàn)實生活中實際存在的問題，逐步培養(yǎng)學生的探究精神和創(chuàng)新意識。教師可以根據(jù)學科內容的特點設計恰當?shù)娜蝿镇寗?，使學生的學習內容與現(xiàn)實生活結合起來。這種教學模式的指導思想是通過“問題解決”來促進學生的“發(fā)現(xiàn)式學習” [9]。為了使學生在虛擬實驗平臺中獲得與真實環(huán)境中同樣的體驗，可以利用虛擬現(xiàn)實技術與網(wǎng)絡技術結合構建沉浸式交互環(huán)境，學習者以最接近自然的方式與虛擬環(huán)境中的對象進行交互作用、相互影響，從而獲得類似真實環(huán)境的感受和體驗。

2 虛擬實驗平臺人文化

虛擬實驗平臺要實現(xiàn)人文化的教學環(huán)境，著重解決兩個問題，即如何實現(xiàn)用戶與設備和用戶與用戶之間的情感交互以及情感物化的問題。從某種意義上來說，設計的過程就是一種將情感進行物化的過程。情感物化在這里特指采用設計的手段來轉移人們的情感，賦予產(chǎn)品讓人產(chǎn)生情感聯(lián)想及情感體驗的條件。正如我們所知，產(chǎn)品本身沒有情感，它所渲染的情感是開發(fā)者的設計概念和開發(fā)者自身的情感傾向[10]。學習環(huán)境對學習者造成的心理影響不容忽視。這些影響潛移默化，對學生心理品質養(yǎng)成有重要作用。而情感交互的問題，可以通過學生的角色扮演，構建學習生態(tài)圈，再通過社會性網(wǎng)絡服務的延伸，最終形成一種仿真的虛擬實驗協(xié)作氛圍，而不僅僅是一個實驗平臺。在需要的時候，學習者可以隨機得到圈內好友的幫助，并把自己的實驗思想展示給好友。這種氛圍可使圈內學習者產(chǎn)生良好的監(jiān)督和自我管理機制，隨時了解好友的最新動向又是一種有益的競爭機制。通過這種途徑，間接搭建一條學習者在真實環(huán)境與虛擬環(huán)境之間的橋梁，從而避免學習者心理孤獨感和信任危機。這樣既充分利用了虛擬環(huán)境的優(yōu)勢，也能夠及時讓學生回歸和適應真實的情境。

3 搭建虛擬虛擬實驗支持系統(tǒng)

教學型虛擬實驗平臺應提供相對完整的學習支持系統(tǒng)，對學生的交流討論、實驗過程的記錄和修改、實驗報告的提交等學習環(huán)節(jié)給予支持。為實現(xiàn)教學目標，虛擬實驗平臺的設計要體現(xiàn)完整的學習過程，對實驗背景知識、交流討論模塊、作業(yè)等環(huán)節(jié)也必須予以考慮[11]。用戶應能參與到整個實驗過程的始終，通過更改實驗設備的屬性，能獲得用戶需要的實驗結果。同時，用戶可通過不同的設計思路完成同一實驗，系統(tǒng)也應能予以很好的支持。虛擬儀器庫應靈活開放，教師和學生可根據(jù)實驗需求，自由擴充實驗設備組件[12]。另外，運用協(xié)同工作技術和虛擬現(xiàn)實技術，構建分布式協(xié)同實驗環(huán)境，為學習者搭建合作學習的橋梁，同時設計友好的用戶界面和音、視頻交流模塊，讓學習者通過多維、自然的交互來更好地表達情感，協(xié)同工作。

4 優(yōu)化評價方式

虛擬實驗平臺下對學習者應采取靈活的評價方式，主要體現(xiàn)在評價內容多元化、評價主體的多元化等方面。這樣有利于建立公正、公平的評價體系，有利于學習者自我效能感的形成。例如可以借助功能強大的數(shù)據(jù)庫，建立學習者電子檔案袋，對學生的實驗過程、參與討論的情況、實驗結果和創(chuàng)新點等方面進行詳細記錄，并提供教師測評、同伴互評等功能模塊。這樣可以實現(xiàn)對學習者良好的監(jiān)督和管理，督促其學習任務的完成。

四 選擇和應用上的建議

1 選用的依據(jù)

基礎理論的研究側重于研究學習的心理機制，而教學中的應用問題，是理論的延伸與擴展。所以在教學設計的研究范疇當中，還要考慮教學媒體如何用的問題。就虛擬實驗本身而言，它更側重于概念、原理、解決問題的方法和能力，對技術規(guī)范要求較高的行為技能的訓練則相對弱一些，因為虛擬實驗的操作僅限于對真實實驗的模擬，和現(xiàn)實的具體操作還有一定的差距。根據(jù)虛擬實驗自身的特性，在教學媒體選擇上可參考如下模型[13]:

2 在虛擬實驗環(huán)境下積極革新教學模式

在虛擬實驗平臺的教學設計中革新教學模式，是改善其教學效果的有效途徑。建構主義理論十分強調學生的主動性和參與性，認為學生的學習是主動將新知識與已有知識相聯(lián)系，以形成新的知識體系的過程，學生的認知建構活動的構成完依賴于個體心理邏輯決定的觀念體系。從建構主義理論的角度來看，教科書上所呈現(xiàn)的極具結構化的知識體系只是外在的客體，而學生可以把握的只能是自己主動建構的知識體系，這種從客體轉化而來的“觀念客體”才是真正屬于學生的認識[14]。因此在建構主義指導下的虛擬實驗的教學模式的核心就是要處理好學習內容的邏輯結構呈現(xiàn)和師生關系問題。我們可以把學生、教師、教學內容、虛擬學習環(huán)境作為虛擬實驗平臺的四大核心要素[15]，這四個因素相互作用、相互聯(lián)系共同構成了網(wǎng)絡虛擬實驗教學模式結構，如下圖所示:

虛擬實驗的教學模式整體分為兩條主線。第一條是教師主線，主要任務是創(chuàng)建實驗小組，根據(jù)教學內容篩選和組織學習資源，精心安排呈現(xiàn)方式，并提供實驗的支撐服務，包括理論知識和技術支持。第二條是學生主線。學生在進入實驗平臺以后，加入由教師所創(chuàng)建的實驗小組，熟悉自己的實驗任務。在實驗過程中，學生能隨時和其他伙伴進行交流，了解他人的思維動向，在出現(xiàn)學習問題時可隨時向教師或同學請教。學生通過這種多方協(xié)作的方式完成整個實驗，并提交實驗報告[16]。系統(tǒng)將自動記錄學生的實驗記錄和實驗結果，并把數(shù)據(jù)反饋給教師。評價方式分為系統(tǒng)評價、教師評價和學生互評。最后學生進入虛擬實驗討論區(qū)，分析實驗中存在的難點、問題，進行交流和反思。從這個過程中可以看出學習者始終處于學習任務的中心，他們在教師創(chuàng)設的虛擬學習環(huán)境中充分發(fā)揮自身的主動性和創(chuàng)造力，通過小組協(xié)作解決真實實驗情境中的問題。學生是實驗問題的主要解決者，教師是學生學習的幫助者和促進者，正是這兩種不同類型的活動推動著實驗的順利進行。

新的教學模式的引入，使原本機械的虛擬環(huán)境下的教學，變得靈活多樣，充分調動了學生的主觀能動性和協(xié)作意識。

五結語

本文主要探討了虛擬實驗平臺的教學特性，并在此基礎上給出了在開發(fā)和使用虛擬實驗平臺時一些合理化建議。新技術的發(fā)展和應用給教育界帶來的積極推動作用是毋庸置疑的，通過網(wǎng)絡和虛擬現(xiàn)實技術構建的虛擬實驗平臺是一種新的媒體資源類型，有其自身的特性和教學優(yōu)勢[17]，它對于學生知識技能的培養(yǎng)優(yōu)勢明顯，而對于學生態(tài)度、情感和價值觀的提升還存在諸多的問題有待研究。從教育心理學的視角來看，我國當前虛擬實驗教學還存在著一些不足，一味批評傳統(tǒng)實驗教學和褒揚虛擬實驗教學都是不理智的。希望本文能拋磚引玉，給教育工作者有所啟示。相信隨著現(xiàn)代遠程教育的蓬勃發(fā)展，虛擬實驗平臺和基于虛擬實驗平臺的實驗教學形式必將對我國高校的科學研究和高等教育的實驗教學起到重要的作用。

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Rational Thinking of Development and Application of Virtual Laboratory Platform

WANG Ji-sheng1YU Ping-tai2LI Ying2SUN Miao-miao2

(1. Office of Academic Affairs of Southwest University of Science and Technology， Mianyang， Sichuan 621010， China; 2. School of Computer Science and Technology， Southwest University of Science and Technology， Mianyang， Sichuan 621010， China)

Abstract: The current virtual experiment platform mostly been developed by universities or companies and has more and more functions. But some of them was not integrated well with teaching contents and was not very practical. Also，the teachers likely to neglect its teaching features when they face to the application of the virtual experiment platform and can’t make full use of it. In this paper， we proposed some principles for the development and selecting of virtual laboratory platform by analysising for the needs of experimental teaching. And we also designed a teaching model based on virtual experiment platform.

Keywords: Virtual Laboratory Platform; Development; Application; Rational Thinking

編輯:陳墨