盧文靜

（華東師范大學 教師教育學院，上海 200062）

一、前言

（一）虛擬實驗

虛擬實驗這一概念是由弗吉尼亞大學 (University of Virginia)的William Wulf教授在1989年最早提出的?；诂F(xiàn)代虛擬現(xiàn)實技術（Virtual Reality technology）的虛擬實驗室（Virtual Laboratory）是模擬真實實驗形成三維的虛擬環(huán)境，學習者可以訪問虛擬空間模擬真實實驗過程，伴有真實的體驗感，具有感知性、沉浸感、交互性，是一種新型認知學習工具，是仿真技術、多媒體技術、傳感技術等多種技術的集合體現(xiàn)。

近年來，虛擬實驗的開發(fā)與應用在國內外獲得非常大的關注，從最初的2DFlash交互式的虛擬實驗構建，到現(xiàn)在3D的基于Java、VRML、MATLab、QuickTime VR技術的虛擬仿真實驗室構建，虛擬實驗也引起教育界的廣泛關注，這跟其自身的優(yōu)勢具有密不可分的關系。虛擬實驗的優(yōu)勢如下：（1）靈活性，在傳統(tǒng)實驗教學中，經(jīng)常由于時間和地點的限制，實驗課程開展會受阻，而虛擬實驗則不受時間和空間的限制，學生可以在家或者在學校進行虛擬實驗。（2）節(jié)約性，傳統(tǒng)化學實驗某些儀器和藥品昂貴，實驗無法普及，如果要進行重復實驗，需要消耗大量藥品，成本高。虛擬實驗的設置，讓學生利用電腦等資源可以進行無限次重復實驗，減少實驗儀器和藥品的損耗。（3）安全性，傳統(tǒng)的實驗室的安全性難以保障，特別是使用到腐蝕性、劇毒性的藥品，這些化學實驗存在一定的安全隱患。用虛擬實驗來模擬實驗的操作以及現(xiàn)象，可以確保師生的生命安全。（4）效率高，學生在進行虛擬實驗時，可以加快實驗操作的步驟與減少實際反應所需要的時間，并且能直接利用計算機，將實驗的結果進行數(shù)據(jù)處理，是數(shù)據(jù)變得可視化，提高學習的效率，減輕教師的教學負擔。

國內外現(xiàn)在正在嘗試將虛擬實驗用于化學實驗教學，對于其教學效果，不同的研究產(chǎn)生不同的結果，具有正面的作用或者反作用。因此，要想將虛擬實驗切實推廣于真正的教學實踐中，并且滿足教學要求，需要理論指導虛擬實驗設計以及教學過程的實施。本研究將從認知負荷的理論角度分析虛擬實驗用于教學實驗的適用性，探討認知負荷如何影響化學虛擬實驗。

（二）認知負荷理論

澳大利亞Sweller等人根據(jù)認知負荷的來源，將認知負荷分為內在認知負荷、外在認知負荷和關聯(lián)認知負荷。內在認知負荷來源于學習內容本質與學習者專業(yè)水平之間的相互作用，不能被教學設計所改變。外部認知負荷來源于教學設計不當引起的。認知負荷理論認為學習過程中所經(jīng)歷的總認知負荷是由這三種負荷類型疊加而成的，當學習過程中這三種類型的認知負荷總和超過工作記憶的限制時，就會出現(xiàn)認知超載，學習將受到抑制。

虛擬實驗作為一種新型實驗教學的手段，其設計及應用需要考慮學生的認知負荷情況。傳統(tǒng)的實驗教學由于實驗時間有限，無法多次重復進行實驗，學生在規(guī)定的時間內對實驗內容的認知負荷較高。虛擬實驗的視覺媒體技術教學是解決認知問題的一種切實可行的方法。有研究表明，使用影片指令等視覺化的途徑的虛擬實驗的學生，其知識保留率更高，也就是說使用視覺化的指導可以減少學生的外部認知負荷，增加了對知識的理解記憶。有研究利用多媒體增強互動型虛擬實驗室（MEIVLs）進行研究，使用虛擬實驗室的學生的學業(yè)成就普遍比未使用的要高，這是因為虛擬實驗融合了視覺、聽覺、圖像以及互動模式，因此學生對內容的掌握更加容易，減少了認知負荷。

二、虛擬實驗中的認知負荷

從認知負荷的角度分析虛擬實驗，虛擬實驗中的認知負荷具有兩面性，一方面虛擬實驗通過微觀過程可視化以及將化學抽象概念用動畫、圖片等模擬出來，讓學生更易于理解化學的微觀過程和化學概念，并通過稱量反應過程的數(shù)據(jù)，運用圖表定量曲線表征，從而讓學生更加直觀地理解化學規(guī)律變化，降低學生學習的認知負荷；另一方面，學生對于虛擬環(huán)境和進行虛擬實驗的電腦操作過程的不熟悉以及實驗仿真程度不夠，例如實驗誤差，虛擬實驗以及真實實驗之間的差異會引起學生的抵觸情緒，從而增加學生的認知負荷。

圖1 宏觀—微觀—符號表征與虛擬實驗的交互作用

（一）虛擬實驗如何減少認知負荷

1.通過可視化減少認知負荷

化學學習一般都會從三重表征的層面出發(fā)，宏觀—微觀—符號，而學生在化學學習過程中，宏觀表象可以通過感官直接體驗，而抽象的微觀層面知識以及抽象的化學概念，例如微觀粒子組成與結構、運動過程及相互作用、反應機理和原子、電子、化合物和分子等概念通常無法直觀體驗，已經(jīng)超出學生已有的經(jīng)驗，學生在認知上存在一定困難，因為他們無法將它們與適當?shù)男睦砟Ｐ完P聯(lián)匹配。這些微觀層面的概念本質上的內在認知負荷就比較大，而在傳統(tǒng)的教學當中難以將微觀概念清楚地解釋清楚。隨著信息技術的發(fā)展，將抽象的物質如分子、原子、晶體網(wǎng)絡結構利用圖片、視頻、動畫等方式將其進行可視化操作，這減少了學生的認知負擔。國外許多實證研究證明使用虛擬實驗室作為一種可視化教學工具，可以幫助學生學習化學，減少認知負擔。在虛擬實驗室中進行實驗，通?？梢詫σ粋€概念進行宏觀—微觀—符號三個層面的呈現(xiàn)（見圖1），也可以將化學概念理解、過程可視化和模擬三個層次有機地結合起來，從而提高化學教學質量。

相對于傳統(tǒng)的圖片靜態(tài)的可視化，虛擬實驗的過程本身可以看做是一種動態(tài)的可視化，可以將宏觀世界與微觀世界動態(tài)可視化展現(xiàn)出來。如在進行《物質性質及其變化》教學時，虛擬實驗使用動態(tài)模型過程，將微觀層面的化學反應過程動態(tài)化地呈現(xiàn)，同時又展現(xiàn)宏觀現(xiàn)象，再加上符號表征，可以同時實現(xiàn)三個層面的可視化，可以促進學生在微觀水平上心理模型的形成。虛擬實驗將微觀抽象物質與過程動態(tài)可視化地展現(xiàn)，對化學反應過程進行模擬，降低了學生的認知負荷，為抽象化學知識的理解與學習，提供了一種新的教育途徑。

2.通過曲線表征減少認知負荷

在化學實驗中，經(jīng)常需要測量實驗數(shù)據(jù)，通過圖表顯示其實驗規(guī)律，傳統(tǒng)的實驗操作中對于實驗現(xiàn)象只能做宏觀的記錄，或者簡單地記錄數(shù)據(jù)，但過程比較繁瑣。應用虛擬實驗室，其系統(tǒng)的程序設定可以記錄相應的數(shù)據(jù)，并且將其以圖表的形式表示出來，通過圖像的曲線表征，學生可以直觀明了地觀測某一變量隨著另一變量的變化，以及理解其中蘊含的化學規(guī)律，從而更好地理解抽象的數(shù)據(jù)。

例如：在中學化學研究化學反應速率，利用鎂條與鹽酸反應時，學生在虛擬實驗室從屏幕菜單中選擇HCl溶液濃度和鎂金屬帶長度來控制反應條件，并通過控制溫度計選擇反應溫度。在實驗的過程中通過屏幕截圖記錄實驗現(xiàn)象?；瘜W反應速率受多個因素影響，例如溫度、濃度、固體的表面積等，在本實驗中可以探究溫度、濃度、固體的表面積等影響化學反應速率的因素，通過記錄收集的氫氣體積隨時間的變化的數(shù)據(jù)，同時記錄不同實驗條件，可以定量地畫出氣體體積與溫度、濃度在各個時間點的關系圖，學生可以直觀明了地理解溫度、反應物的濃度對化學反應速率的影響，學生易于接受，可減少學生的認知負擔。同時該實驗具有連貫性，可以同時探究不同的實驗條件，可以從整體層面理解與把握化學反應速率的影響因素，形成較為系統(tǒng)的知識網(wǎng)絡結構，而不是零碎化的知識。虛擬實驗能夠對實驗中變化的物理量與時間關系的所有點的集合所構成的曲線進行表征。

3.通過個性化學習減少認知負荷

虛擬實驗的開設，可以滿足不同層次學生的個性化學習。傳統(tǒng)的物理實驗室要求學生在規(guī)定的時間內完成實驗，但是由于學生實驗能力水平不同，不可能所有學生都能在同一時間內完成實驗并且理解實驗的過程和現(xiàn)象，這對于總認知負荷量較少的學生來說，很容易超出他們的認知負荷。虛擬實驗由于不受時間和空間的限制，如果沒有得到滿意的實驗結果或者沒有理解實驗內容，學生可以重復進行實驗，甚至可以通過遠程控制在家利用計算機進行模擬實驗。另外，虛擬實驗室也可以作為預習和復習的工具，滿足不同層次學生的認知需求。

（二）虛擬實驗如何增加認知負荷

認知負荷是指學習的記憶容量是有限的，所以，學習者的記憶容量最好是針對學習的內容，而不是被無關的內容占據(jù)。虛擬實驗界面設計不當，或者引入過多的無關知識，會分散學生的注意力。當使用虛擬實驗進行實驗時，不可避免地是學生必須學會如何操縱電腦或者虛擬軟件，學習如何使用虛擬實驗，但是這通常與實驗無關。這些操作增加了學生的認知負擔，如果相關知識比較難掌握，則會容易使學生產(chǎn)生挫敗感，消退學習興趣。虛擬界面信息呈現(xiàn)的數(shù)量、活動的復雜性和繁復的實驗程序設計可能會占用學習者寶貴的工作記憶資源，影響學習效果，從而阻礙更深層次的學習。

另外，虛擬實驗自問世以來，技術不斷發(fā)展提高，使得虛擬實驗從二維走向三維層。目前，大多數(shù)的虛擬實驗室仍然停留在基于電腦和鼠標操作的軟件式的虛擬實驗，并不能真正地動手操作，缺乏真實體驗，這是相對于真實實驗的最大的認知障礙。國外許多研究表明，可以通過增加一些程序性的輔助認知工具以及通過技術改進提高仿真性來避免增加學生的認知負荷。主要從下面兩個方面改進。

1.通過程序指導避免增加認知負荷

虛擬實驗的界面越簡單明了，指導性越強，越能夠降低學生的注意力分散，產(chǎn)生的認知負荷越低。所以，在設計虛擬實驗程序系統(tǒng)時，需要考慮用戶的信息技術水平，設計出簡便明了、易于操作的系統(tǒng)。例如，可以在虛擬環(huán)境中提供各種認知輔助工具（諸如顏色的改變，箭頭、有關任務過程的文本信息等）以幫助用戶完成任務，這些輔助工具可以提高用戶的性能，降低用戶的認知負荷。另外，學習者在開始使用虛擬實驗時，對虛擬實驗環(huán)境的不熟悉會增加學生的認知負擔，所以，在使用虛擬實驗室之前，必須進行相關操作的培訓指導。

2.通過技術支持避免增加認知負荷

由于真實實驗與虛擬實驗之間實驗體驗感的差異造成的認知負荷差異可以通過技術的支持來解決。虛擬現(xiàn)實技術的提升，使得虛擬實驗的真實感在不斷提升，國外開發(fā)虛擬實驗室使用自然用戶界面（Natural User Interfaces、NUI）、借助Leap motion控制器和手勢識別器，在實驗操作的過程中可以根據(jù)手勢以及動作就可以完成實驗操作，模擬真實實驗中的動手操作過程，并且研究表明使用NUI界面或者Leap motion控制器的虛擬實驗相對于其他傳統(tǒng)軟件式的虛擬實驗，學生的實驗體驗效果更好，實驗自我效能以及實驗意愿更強。在國外開發(fā)得比較成熟的中學化學Second Life（SL）虛擬實驗室中（如圖2），學生能夠在虛擬的空間擁有自己的實驗空間資源，通過控制他們的化身來收集數(shù)據(jù)，并且能夠支持社交行為，如同真實世界中同伴之間的相互交流，增加了同伴共同學習交流的理念。

圖2 SL虛擬實驗室截圖

虛擬現(xiàn)實技術的提高，是通過以下四個方面來增加學生使用虛擬實驗室的真實感，從而避免增加學生的認知負擔。（1）確保實驗結果取決于學生的行為，跳過程序步驟將改變實驗的結果。如果某一步驟出現(xiàn)小錯誤，實驗不會因此停止或失敗，但學生得到的實驗結果可能會不太準確。（2）實驗數(shù)據(jù)是通過算法確定的，但計算機代碼會對數(shù)據(jù)引入小的隨機誤差（±2%）。即使重復完全相同的初始條件的實驗也可能產(chǎn)生不同的實驗結果。這種數(shù)據(jù)結果使得數(shù)據(jù)更加接近于真實實驗的數(shù)據(jù)結果。（3）實驗室工作臺附近的化身可以參加實驗，所以，學生在虛擬實驗室中一起做實驗就像在真實的實驗室里一樣。同一實驗室內的化身只能看到位于同一實驗室的其他化身，并且可以用語音聊天或者文字功能與之通信。（4）在虛擬實驗室學生必須以與現(xiàn)實世界實驗室學生相同的方式觀察實驗現(xiàn)象，可以選擇在實驗室講義中記錄數(shù)據(jù)，進行計算和分析結果。每個實驗室站點的重置按鈕允許學生在出錯時重新開始實驗。技術的提高，增加了虛擬實驗的真實體驗，也減少了因虛擬實驗與真實實驗之間的差異而引起的認知負擔。

三、虛擬實驗室的未來發(fā)展與建議

（一）提升技術，增加真實感，減少認知負荷

當前的虛擬實驗技術仍然需要提高，通過技術改進使得虛擬實驗室更加契合教學要求以及學生的認知水平，減少認知障礙，促進學習。

虛擬實驗“限制了學生犯錯誤的能力”，同時虛擬環(huán)境也限制了他們識別錯誤來源的能力。通常，學生將錯誤來源歸結于所使用的技術而不是實驗操作。學生在現(xiàn)實世界實驗室中執(zhí)行實驗操作時往往會產(chǎn)生一些錯誤，可能會出現(xiàn)許多意外的結果。雖然虛擬實驗也引入了一些隨機誤差，但是對于真實實驗操作可能出現(xiàn)的結果，模擬得不盡完善，這仍然需要技術的提升與完善虛擬環(huán)境的真實性，增加學生“犯錯誤”的機會。

對于教師來說，在虛擬實驗室中，教師無法觀測到每個學生實驗進展的情況，無法了解學生犯錯誤的情況，未來在設計虛擬實驗室時應考慮這些問題，使得教師能夠監(jiān)控每個學生進行實驗的情況，提供更加廣泛便捷的師生互動交流方式，以及創(chuàng)建個人實驗行動的數(shù)據(jù)庫，教師可以查看動作列表，找到學生錯誤執(zhí)行的步驟。通過技術提升，完善現(xiàn)在的虛擬實驗室中可能增加學生認知負擔的因素，增加虛擬實驗的真實感。

（二）兼顧虛擬實驗和真實實驗

隨著現(xiàn)在虛擬實驗技術的提高以及推廣應用，導致真實實驗的作用被忽視。虛擬實驗不能代替真實實驗，但虛擬實驗能補充真實實驗不能涉及的地方。對于如何處理真實實驗與虛擬實驗的關系，必須認清虛擬實驗與真實實驗之間的主次關系，將真實實驗與虛擬實驗相結合，相輔相成，形成混合的實驗教學模式。學生預習時可以在虛擬實驗室進行實驗預習和操作演練，接著再進行真實實驗，以確保真實實驗的成功性，也節(jié)約了實驗時間與成本。在課后復習時，學生也可以利用虛擬實驗平臺進行實驗操作、原理、現(xiàn)象等方面的回顧。“真實”與“虛擬”實驗的使用需要遵循一定的原則，要根據(jù)學科特點、知識順序、實驗的類型、實驗的可操作性來整合真實實驗與虛擬實驗。在真實實驗過程中，也可以結合虛擬實驗進行操作，模擬微觀現(xiàn)象，將虛擬實驗當作是實驗教學的輔助手段，真正做到優(yōu)勢互補。信息技術的發(fā)展，在一定程度上改變了教學觀念，在實驗教學中，傳統(tǒng)的物理實驗室有著不可替代的地位，技術只能融合到現(xiàn)實實驗中，成為一種輔助手段，讓真實實驗教學更加地科學高效，同時也可以彌補真實實驗室的不足之處。

總的來說，本文從認知負荷理論出發(fā)，對虛擬實驗在化學實驗教學中的適用價值進行探討。虛擬實驗中的認知負荷具有兩面性：一方面，虛擬實驗通過過程可視化和定量曲線表征降低學生學習的認知負荷；另一方面，對虛擬環(huán)境的不熟悉以及實驗仿真程度不夠會增加學生的認知負荷。并探討了通過技術支持和增加程序性指導來改善此問題，虛擬實驗未來的發(fā)展還需要考慮學科特點以及用戶特點。