葛峰，謝寒宵，姜雷，李強(qiáng)，李靜嫻

（1 南京工業(yè)大學(xué) 建筑學(xué)院，江蘇南京 211816；2 南京工業(yè)大學(xué) 實(shí)驗(yàn)室建設(shè)與管理處，江蘇南京 211816）

2018 年4 月，教育部發(fā)布的《教育信息化2.0 行動(dòng)計(jì)劃》提到，加強(qiáng)高等院校虛擬仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)環(huán)境建設(shè)，滿足教學(xué)信息技術(shù)的需求。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中學(xué)生學(xué)習(xí)自主化、實(shí)驗(yàn)教學(xué)仿真化、教學(xué)內(nèi)容形象化等特點(diǎn)，與建構(gòu)主義的“以學(xué)生為中心，教師為引導(dǎo)”教育理念在方向上具有一致性[1]。因此，將建構(gòu)主義理論應(yīng)用到虛擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)的創(chuàng)新改革、信息化建設(shè)、人才培養(yǎng)模式等方面是具有挑戰(zhàn)性和實(shí)踐意義的嘗試。

楊明[2（]2011）在分析建構(gòu)主義認(rèn)識(shí)論指導(dǎo)下仿真教育技術(shù)的中介作用基礎(chǔ)上，提出基于建構(gòu)主義認(rèn)識(shí)論的感知認(rèn)識(shí)、智力開發(fā)、審美等八項(xiàng)仿真教育技術(shù)價(jià)值考量。賴晶亮[3（]2020）主要分析了建構(gòu)主義理論與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)融合在職業(yè)教育中的實(shí)驗(yàn)教學(xué)發(fā)展應(yīng)用情況，并探討了信息時(shí)代職業(yè)教育的創(chuàng)新觀點(diǎn)。尹雋[4（]2022）基于建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論，構(gòu)建了虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)學(xué)習(xí)效果的影響機(jī)制模型，從教學(xué)內(nèi)容、虛擬仿真技術(shù)、學(xué)習(xí)者特征三個(gè)維度探討虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)對(duì)學(xué)習(xí)效果的影響。建構(gòu)主義理論與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行融合已經(jīng)具備了一定基礎(chǔ)，不僅可以訓(xùn)練學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的積極性，還可以提高學(xué)習(xí)效果和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的水平。但也需要注意到虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的缺點(diǎn)，如實(shí)驗(yàn)結(jié)果不具有普遍性[5]，需要加強(qiáng)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的驗(yàn)證。因此，在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)過程中融合建構(gòu)主義理論，需要?jiǎng)?chuàng)新性地總結(jié)出一種合理有效的教學(xué)模式和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)方式。

1 建構(gòu)主義與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)合分析

建構(gòu)主義和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)在教育領(lǐng)域中都有其獨(dú)特的理論基礎(chǔ)和教學(xué)方法，將這兩者進(jìn)行融合，分別從理論性、可行性、必要性和先進(jìn)性四個(gè)方面的不同視角進(jìn)行分析和研究，旨在進(jìn)一步推動(dòng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的創(chuàng)新和改革。

1.1 理論性分析

建構(gòu)主義理論倡導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行自主實(shí)踐和自由探究，自主發(fā)現(xiàn)和建構(gòu)知識(shí)，主要目的是為了培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新和科學(xué)研究的能力。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)是一種先進(jìn)的信息技術(shù)教育手段，可以體現(xiàn)出部分現(xiàn)實(shí)情況無法實(shí)踐的優(yōu)勢(shì)，讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中發(fā)揮出充分的創(chuàng)造力。建構(gòu)主義和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)的結(jié)合，完全可以利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)的虛擬情境和建構(gòu)主義理論的同化和順應(yīng)、平衡與不平衡等特點(diǎn)幫助學(xué)生主動(dòng)構(gòu)建知識(shí)，把專業(yè)知識(shí)轉(zhuǎn)化為更容易理解的內(nèi)容，提高學(xué)習(xí)效果和興趣。

1.2 可行性分析

建構(gòu)主義和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)結(jié)合的可行性主要來自兩個(gè)方面：一是建構(gòu)主義理論的支持；二是虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展。建構(gòu)主義教學(xué)理論和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)是虛實(shí)結(jié)合、優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的關(guān)系。仿真技術(shù)可以模擬各種實(shí)驗(yàn)情境，提供與真實(shí)情境類似的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，不受實(shí)驗(yàn)設(shè)備和場(chǎng)地限制，使學(xué)生在更多的場(chǎng)景下可以隨時(shí)隨地開展實(shí)驗(yàn)活動(dòng)。因此，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的“技”與建構(gòu)主義理論的“術(shù)”的結(jié)合，可以更好地幫助那些現(xiàn)實(shí)條件難以實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)順利開展。

1.3 必要性分析

建構(gòu)主義教學(xué)理論強(qiáng)調(diào)學(xué)生的主動(dòng)探究和建構(gòu)，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)的大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)能夠解決實(shí)體實(shí)驗(yàn)中無法完成的實(shí)驗(yàn)，通過人機(jī)交互和團(tuán)隊(duì)協(xié)作，提高學(xué)習(xí)效果和興趣。同時(shí)，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)能夠提供多種實(shí)驗(yàn)情境的模擬[6]，讓學(xué)生在虛擬環(huán)境中通過教師的指導(dǎo)和協(xié)助自主完成實(shí)驗(yàn)，提高學(xué)生的實(shí)踐能力和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理能力。建構(gòu)主義和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)結(jié)合，讓虛擬仿真實(shí)驗(yàn)過程中的會(huì)話協(xié)商和意義構(gòu)建更加合理，使教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和教學(xué)技術(shù)更加科學(xué)，對(duì)于推動(dòng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革和發(fā)展起到舉足輕重的作用。

1.4 先進(jìn)性分析

兩者融合可以讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)操作過程中更加明確目標(biāo)和團(tuán)隊(duì)協(xié)作的重要意義，重新審視專業(yè)知識(shí)建構(gòu)的重要作用。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以根據(jù)學(xué)習(xí)者的需求進(jìn)行調(diào)整和定制，實(shí)現(xiàn)不同難度級(jí)別、不同設(shè)置和參數(shù)變化，從而滿足不同學(xué)習(xí)者的需求，以及避免學(xué)生在真實(shí)實(shí)驗(yàn)中遇到高風(fēng)險(xiǎn)、高成本的實(shí)驗(yàn)操作。因此，兩者的結(jié)合可以提供更加全面、高效、靈活和安全的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，賦予實(shí)驗(yàn)教學(xué)先進(jìn)性一種新的詮釋。

2 建構(gòu)主義理論應(yīng)用于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的思路

在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和建設(shè)過程中，利用實(shí)驗(yàn)教學(xué)的文化和社會(huì)背景，以學(xué)生為主體，加強(qiáng)在教學(xué)大綱、教學(xué)方法、教學(xué)目的、考核評(píng)價(jià)方式、學(xué)習(xí)案例等方面學(xué)習(xí)資源的建設(shè)，創(chuàng)造積極的學(xué)習(xí)環(huán)境，提供具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)和問題，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐的能力。

2.1 明晰科學(xué)的學(xué)習(xí)目標(biāo)

建構(gòu)主義理論認(rèn)為，學(xué)習(xí)是一種主動(dòng)的、自主的和建構(gòu)性的過程，學(xué)生在構(gòu)建的情境中通過交互來建構(gòu)知識(shí)和認(rèn)知。在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中，應(yīng)用建構(gòu)主義理論，需要確定清晰的學(xué)習(xí)目標(biāo)，指導(dǎo)學(xué)生在虛擬環(huán)境中的探索和學(xué)習(xí)。確定學(xué)習(xí)目標(biāo)需要考慮學(xué)習(xí)目的、特征和虛擬場(chǎng)景等多種因素，凝練出科學(xué)合理的學(xué)習(xí)目標(biāo)，以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。學(xué)習(xí)目標(biāo)應(yīng)該具有一定的挑戰(zhàn)性和復(fù)雜性，在激發(fā)學(xué)生求知欲的情況下，幫助學(xué)生樹立勇攀科學(xué)高峰的意識(shí)。并且考慮虛擬仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和場(chǎng)景應(yīng)匹配，設(shè)置科學(xué)縝密的實(shí)驗(yàn)步驟和邏輯思維，通過支架式教學(xué)、拋錨式教學(xué)、隨機(jī)進(jìn)入教學(xué)等不同教學(xué)方法讓學(xué)生在逼真的情境中完成實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和實(shí)踐能力。

2.2 設(shè)計(jì)逼真的仿真環(huán)境

在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和建設(shè)中，逼真的虛擬仿真環(huán)境是非常重要的，在創(chuàng)設(shè)虛擬仿真情境時(shí)，需要考慮以下幾個(gè)方面：（1）確定虛擬仿真環(huán)境的類型。虛擬仿真環(huán)境可以是三維環(huán)境、二維環(huán)境、動(dòng)畫環(huán)境等。在確定類型時(shí)需要考慮學(xué)習(xí)目標(biāo)、學(xué)生年齡、學(xué)科背景等因素；（2）選擇合適的虛擬仿真軟件。虛擬仿真軟件應(yīng)該具有逼真的畫面效果，具備豐富的交互功能，讓學(xué)生更加容易地進(jìn)行操作和學(xué)習(xí)；（3）確定虛擬仿真環(huán)境的場(chǎng)景。虛擬仿真環(huán)境的場(chǎng)景應(yīng)該與學(xué)習(xí)目標(biāo)相匹配，以結(jié)果為導(dǎo)向增強(qiáng)人機(jī)交互的體驗(yàn)感。例如，對(duì)于音質(zhì)的混響設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，虛擬仿真環(huán)境的場(chǎng)景應(yīng)該設(shè)置在廳堂中，使學(xué)生能自主、迅速地掌握廳堂音質(zhì)設(shè)計(jì)的要點(diǎn)、流程、方法及技術(shù)調(diào)整手段，有效鞏固及提升學(xué)生對(duì)該實(shí)驗(yàn)從設(shè)計(jì)到營(yíng)造全過程的認(rèn)識(shí)和理解。

2.3 構(gòu)建多元化的學(xué)習(xí)資源

在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中，基于建構(gòu)主義理論需要不同類型的學(xué)習(xí)資源，便于學(xué)生更好地熟悉實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。首先，在實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)的習(xí)題庫(kù)的設(shè)置方面，應(yīng)該注重設(shè)計(jì)多樣化的實(shí)驗(yàn)題目，涵蓋不同難度的知識(shí)點(diǎn)。在實(shí)驗(yàn)習(xí)題庫(kù)中為學(xué)生提供選擇題、判斷題和應(yīng)用題等不同類型的實(shí)驗(yàn)題目，幫助學(xué)生在解題過程中建構(gòu)自己的知識(shí)。其次，在課程設(shè)計(jì)資源方面，注重設(shè)計(jì)豐富多樣的多媒體教學(xué)資源，涵蓋圖像、聲音、視頻等多個(gè)類別，吸引學(xué)生的注意力，鼓勵(lì)學(xué)生提前預(yù)習(xí)和主動(dòng)學(xué)習(xí)。以及根據(jù)不同需求對(duì)學(xué)習(xí)資源進(jìn)行分級(jí)分類，便于學(xué)生根據(jù)自己的情況進(jìn)行差異化學(xué)習(xí)。第三，在視頻資料的制作方面，注重制作實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)介視頻和實(shí)驗(yàn)教學(xué)引導(dǎo)視頻。實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)介視頻可以幫助學(xué)生掌握實(shí)驗(yàn)相關(guān)原理和實(shí)驗(yàn)情境，提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)參與度；實(shí)驗(yàn)教學(xué)引導(dǎo)視頻則側(cè)重幫助學(xué)生學(xué)習(xí)具體的實(shí)驗(yàn)操作步驟和實(shí)驗(yàn)方法，通過同化理念和順應(yīng)需求的方式幫助學(xué)生優(yōu)化自己的認(rèn)知結(jié)構(gòu)。最后，優(yōu)秀實(shí)驗(yàn)案例回放也是一種非常有價(jià)值的學(xué)習(xí)資源，通過優(yōu)秀實(shí)驗(yàn)的操作與自己的實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)進(jìn)行對(duì)比，并從中汲取學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)和方法。

2.4 設(shè)置挑戰(zhàn)性的任務(wù)問題

在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和建設(shè)中，設(shè)計(jì)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)和問題可以加強(qiáng)學(xué)生的協(xié)作與交流。通過任務(wù)分解、分組討論、師生互動(dòng)的方式展開會(huì)話，潛移默化地幫助學(xué)生增強(qiáng)學(xué)習(xí)積極性。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的任務(wù)和問題設(shè)置應(yīng)考慮以下情況：（1）確定任務(wù)和問題的難度級(jí)別。任務(wù)和問題的難度級(jí)別應(yīng)該與學(xué)生的知識(shí)儲(chǔ)備相匹配，難易程度適當(dāng)，并且可以根據(jù)學(xué)生的專業(yè)基礎(chǔ)、學(xué)術(shù)水平等因素進(jìn)行調(diào)整；（2）確定任務(wù)和問題的實(shí)用性。任務(wù)和問題的實(shí)用性是評(píng)價(jià)其質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)，任務(wù)和問題應(yīng)該與實(shí)際應(yīng)用相關(guān)，可以讓學(xué)生在實(shí)踐中掌握知識(shí)和技能；（3）適時(shí)提供支持和引導(dǎo)。在學(xué)生面對(duì)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)和問題時(shí)，適宜的支持和引導(dǎo)能夠幫助學(xué)生重新審視自身認(rèn)知的不足，引導(dǎo)學(xué)生利用相關(guān)的學(xué)習(xí)資源、線索、提示、互動(dòng)和反饋等，利用支持線索消除對(duì)畏難情緒，對(duì)挑戰(zhàn)性的難題進(jìn)行抽絲剝繭，完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)的同時(shí)改善自己的知識(shí)結(jié)構(gòu)。

3 應(yīng)用案例驗(yàn)證

建構(gòu)主義應(yīng)用于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中，可以強(qiáng)化學(xué)生的學(xué)習(xí)目標(biāo)，提高實(shí)驗(yàn)教師教學(xué)水平和學(xué)生學(xué)習(xí)體驗(yàn)。以實(shí)驗(yàn)空間網(wǎng)站上南京工業(yè)大學(xué)的《高電壓氣體放電多效應(yīng)綜合診斷及其物理過程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)》（圖1）和《廳堂音質(zhì)的混響設(shè)計(jì)虛擬仿真實(shí) 驗(yàn)》（圖2）兩門虛擬仿真一流課程為例，隨機(jī)在南京工業(yè)大學(xué)的兩個(gè)專業(yè)中各選取100 名學(xué)生完成虛擬仿真實(shí)驗(yàn)和問卷調(diào)查，并對(duì)實(shí)驗(yàn)過程中實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、難易程度、人機(jī)交互感、操作體驗(yàn)感、場(chǎng)景設(shè)計(jì)、學(xué)習(xí)資源多樣性、滿意度等方面進(jìn)行前后數(shù)據(jù)對(duì)比分析（圖3），兩個(gè)實(shí)驗(yàn)的相同選項(xiàng)取平均值。

圖1 高電壓氣體放電多效應(yīng)綜合診斷及其物理過程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)

圖2 廳堂音質(zhì)的混響設(shè)計(jì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)

圖3 建構(gòu)主義應(yīng)用前后評(píng)分對(duì)比

在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)中可以看出，通過兩者融合后的仿真實(shí)驗(yàn)，學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的掌握情況得到明顯的改善。得分從87 分提高到91 分，提升了4 分。難易程度方面，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)可以根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)度和能力水平進(jìn)行調(diào)整，使學(xué)生更容易理解和掌握實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。得分從81 分提高到了89 分，提升了8分。人機(jī)交互感方面，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的人機(jī)交互性可以讓學(xué)生更加主動(dòng)地參與實(shí)驗(yàn)，增強(qiáng)交互感和學(xué)習(xí)體驗(yàn)。得分從85分提高到了93 分，提升了7 分。操作體驗(yàn)感方面，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的操作體驗(yàn)感可以讓學(xué)生更加熟練地掌握實(shí)驗(yàn)技能，增強(qiáng)操作體驗(yàn)感和實(shí)驗(yàn)效果。得分從86 分提高到了92 分，提升了6 分。場(chǎng)景設(shè)計(jì)方面，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的場(chǎng)景設(shè)計(jì)可以讓學(xué)生更好地理解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，增強(qiáng)學(xué)習(xí)效果和興趣。得分從82 分提高到了94 分，提升了12 分。學(xué)習(xí)資源多樣性方面，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)資源多樣性可以讓學(xué)生更加全面地了解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，增強(qiáng)學(xué)習(xí)效果和深度。得分從79 分提高到了90 分，提升了11 分。滿意度方面，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的提高對(duì)學(xué)生的整體滿意度有積極的影響。得分從84 分提高到了92 分，提升了8 分。

由此可見，建構(gòu)主義應(yīng)用在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中，可以提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平和學(xué)習(xí)體驗(yàn)，增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、難易程度、人機(jī)交互感、操作體驗(yàn)感、場(chǎng)景設(shè)計(jì)、學(xué)習(xí)資源多樣性和滿意度等方面的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。200 份學(xué)生的問卷調(diào)查數(shù)據(jù)也證實(shí)了這一點(diǎn)，前后數(shù)據(jù)對(duì)比顯示，各方面得分均有不同程度的提升，平均提升了近10 分，充分驗(yàn)證了建構(gòu)主義在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中應(yīng)用的有效性。

4 結(jié)語

本文的研究表明，將建構(gòu)主義理論應(yīng)用于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中，在高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革和協(xié)同創(chuàng)新方面具有重要的價(jià)值和借鑒意義。通過綜合考量學(xué)習(xí)目標(biāo)、仿真環(huán)境、學(xué)習(xí)資源和挑戰(zhàn)性等因素，建構(gòu)主義理論與虛擬仿真技術(shù)的融合能夠積極促進(jìn)新工科人才培養(yǎng)，體現(xiàn)在促進(jìn)高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革、強(qiáng)化基于社交和合作的協(xié)同創(chuàng)新等多個(gè)方面。然而，本文未涉及到文科相關(guān)專業(yè)，在新領(lǐng)域的拓展和應(yīng)用上仍需更多的探索。