桌面虛擬實(shí)驗(yàn)促進(jìn)學(xué)生操作技能遷移的驗(yàn)證與分析

□ 劉興波 王廣新

桌面虛擬實(shí)驗(yàn)促進(jìn)學(xué)生操作技能遷移的驗(yàn)證與分析

□ 劉興波 王廣新

國內(nèi)對通過虛擬實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)學(xué)生操作技能的研究結(jié)果鮮有明晰的結(jié)論，本研究采用實(shí)驗(yàn)方法，對通過虛擬實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)學(xué)生操作技能的績效進(jìn)行了實(shí)證研究。研究中把學(xué)生分成三組，他們分別通過說明書、說明書與虛擬實(shí)驗(yàn)、說明書與真實(shí)實(shí)驗(yàn)三種方式進(jìn)行學(xué)習(xí)，此后對三組學(xué)生操作投影機(jī)的時(shí)間進(jìn)行測量，用單因素方差分析法和Scheffe多重檢驗(yàn)法等方法分析三組學(xué)生之間的績效差異，以此檢驗(yàn)虛擬實(shí)驗(yàn)對學(xué)生操作技能遷移的作用。初步的研究結(jié)果表明，對于簡單的感知運(yùn)動(dòng)任務(wù)而言，能產(chǎn)生從虛擬實(shí)驗(yàn)到真實(shí)實(shí)驗(yàn)的正遷移效應(yīng)。

虛擬現(xiàn)實(shí)；虛擬實(shí)驗(yàn)；操作技能；遷移

一、研究背景與目的

1.研究背景

實(shí)驗(yàn)教學(xué)一直是學(xué)校教學(xué)改革的重點(diǎn)和難點(diǎn)，但學(xué)校長期存在的辦學(xué)經(jīng)費(fèi)不足“使得實(shí)驗(yàn)室建設(shè)緩慢，儀器設(shè)備更新率低，實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容陳舊，無法滿足創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的目的”。為達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力的目的，學(xué)校一方面加大經(jīng)費(fèi)投入改善實(shí)驗(yàn)教學(xué)的條件，另一方面改革實(shí)驗(yàn)教學(xué)的方法。在實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)中引入虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、創(chuàng)建虛擬實(shí)驗(yàn)情境，是實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的成果之一。虛擬現(xiàn)實(shí)是以計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心，結(jié)合相關(guān)科學(xué)技術(shù)，生成與真實(shí)環(huán)境在視、聽、觸覺等方面高度近似的數(shù)字化環(huán)境，用戶借助必要的裝備與數(shù)字化環(huán)境中的對象進(jìn)行交互、相互影響，可以產(chǎn)生親臨對應(yīng)真實(shí)環(huán)境的感受和體驗(yàn)。[1]虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可以模擬現(xiàn)實(shí)世界中某一領(lǐng)域的知識和過程，或部分替代真實(shí)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，或?yàn)檎鎸?shí)的實(shí)驗(yàn)做準(zhǔn)備，是實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)的有力支持。

國內(nèi)外教育界都非常重視虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)，許多虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)已投放市場，并在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中得到了廣泛的應(yīng)用。一些研究者對基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)開發(fā)的虛擬實(shí)驗(yàn)所具有的潛在能力進(jìn)行了研究，認(rèn)為與真實(shí)實(shí)驗(yàn)相比，虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)芴峁┓浅Ｔ敿?xì)的反饋，可以對學(xué)生的操作行為進(jìn)行更加精確的測量，能夠提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量。但從現(xiàn)有文獻(xiàn)來看，國內(nèi)許多研究者所提出的研究結(jié)論都是根據(jù)虛擬實(shí)驗(yàn)的特征和學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程的一般表現(xiàn)進(jìn)行的分析和描述，實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量具體體現(xiàn)在哪些方面還有待于更加詳細(xì)科學(xué)的驗(yàn)證。

2.研究目的

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是指在教師指導(dǎo)下，學(xué)生親自動(dòng)手，運(yùn)用實(shí)驗(yàn)手段，借助儀器設(shè)備，選擇適當(dāng)技術(shù)方法，觀察、探索自然現(xiàn)象的運(yùn)動(dòng)變化，從而獲取感性知識，加深理解，進(jìn)而揭示實(shí)驗(yàn)對象本質(zhì)的活動(dòng)。[2]從實(shí)驗(yàn)教學(xué)的概念可以看出，實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目的包括符號性學(xué)習(xí)、觀察性學(xué)習(xí)，但更重要的是技能性學(xué)習(xí)，如實(shí)驗(yàn)中的設(shè)備使用、實(shí)驗(yàn)操作和故障的處理等。[3]

所謂技能一般認(rèn)為是通過練習(xí)而形成的合乎法則的活動(dòng)方式。按照加涅的學(xué)習(xí)結(jié)果理論，技能包括動(dòng)作技能和智慧技能。動(dòng)作技能包括兩種成分：一是描述如何進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的規(guī)則，二是因練習(xí)與反饋而逐漸變得精確和連續(xù)的實(shí)際肌肉運(yùn)動(dòng)。動(dòng)作技能在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中一般又稱為操作技能，它是學(xué)生在知識學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，主要借助于骨骼、肌肉和相應(yīng)的神經(jīng)系統(tǒng)幫助，通過實(shí)驗(yàn)練習(xí)活動(dòng)而形成的符合法則的操作活動(dòng)方式。

國內(nèi)一些研究者在對虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的作用進(jìn)行描述時(shí)，常常將之簡單歸結(jié)為能提高學(xué)生的“使用、管理和維護(hù)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的能力”、“能提高學(xué)生的動(dòng)手能力”等，只有少數(shù)研究者利用實(shí)驗(yàn)研究法和心理學(xué)原理，驗(yàn)證、分析了桌面實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對學(xué)生技能發(fā)展的作用，如楊雪等[4]、于洪濤等[5]、俞俊民等[6]從心理學(xué)的視角分析了學(xué)生利用桌面虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)學(xué)習(xí)時(shí)能容易地提取相關(guān)信息，并由此推論虛擬實(shí)驗(yàn)活動(dòng)能促使學(xué)生智力技能的遷移。其中于洪濤等[7]利用課堂講授和桌面虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)驗(yàn)證了游標(biāo)卡尺讀數(shù)技能的發(fā)展，研究結(jié)果表明，兩種學(xué)習(xí)方式存在顯著差異，桌面虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)能引發(fā)學(xué)生智力技能的遷移。這些研究者雖然沒有對虛擬實(shí)驗(yàn)的操作技能進(jìn)行實(shí)證研究，但他們經(jīng)過分析后認(rèn)為，學(xué)生使用鼠標(biāo)和鍵盤操作虛擬實(shí)驗(yàn)儀器，因沒有操作真實(shí)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，就無操作技能的訓(xùn)練，進(jìn)而用心理學(xué)理論推論后認(rèn)為，虛擬實(shí)驗(yàn)對操作技能的培養(yǎng)不能起到?jīng)Q定性作用，只能促進(jìn)操作技能更好地發(fā)生重組性遷移。可見，國內(nèi)有關(guān)虛擬實(shí)驗(yàn)對操作技能培訓(xùn)效果的研究多數(shù)是描述性的，或是基于心理學(xué)理論進(jìn)行推論，鮮有系統(tǒng)的實(shí)證研究，沒有產(chǎn)生明晰的結(jié)論。

本研究的目的是利用自己開發(fā)的桌面虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，采用實(shí)證研究方法，分析虛擬實(shí)驗(yàn)對學(xué)生操作技能的影響，探究虛擬實(shí)驗(yàn)情境對操作技能遷移的作用。

二、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.研究假設(shè)

目前學(xué)校中使用的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)多是桌面虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，這些系統(tǒng)是利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)建立虛擬兩維或三維物體來呈現(xiàn)實(shí)驗(yàn)對象，學(xué)生在進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)的活動(dòng)中，既可利用鼠標(biāo)、鍵盤、觸摸屏等進(jìn)行交互活動(dòng)，如操作實(shí)驗(yàn)場景中的實(shí)驗(yàn)對象或修改數(shù)據(jù)以獲取知識和技能等，也可借助計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)生成的圖像和顯示的文字以及聲音而展開想象。從認(rèn)識論的視角來看，虛擬實(shí)驗(yàn)擴(kuò)展了學(xué)生可操作和可觀察實(shí)驗(yàn)行為的含義，學(xué)生在虛擬系統(tǒng)中進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)活動(dòng)是非常豐富的，但與傳統(tǒng)學(xué)習(xí)情境中的活動(dòng)也是有區(qū)別的，傳統(tǒng)學(xué)習(xí)情境中所觀察和操作的對象是現(xiàn)實(shí)世界中客觀存在的對象，而以虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)建立的實(shí)驗(yàn)對象是虛擬的兩維或三維對象，學(xué)生的可觀察行為是對虛擬對象的操作與控制。

一些研究者基于以上的認(rèn)識，雖然承認(rèn)虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)艽龠M(jìn)操作技能發(fā)生遷移，但同時(shí)也認(rèn)為對虛擬對象的可操作和可觀察行為與對現(xiàn)實(shí)對象的可操作和可觀察行為并不是一個(gè)對等的概念，“鼠標(biāo)和鍵盤與虛擬環(huán)境的交互不能獲得實(shí)驗(yàn)要求的動(dòng)作表征”[8]。從上面這些研究觀點(diǎn)可以得出以下兩點(diǎn)認(rèn)識：第一，僅利用文本資料學(xué)習(xí)而未經(jīng)訓(xùn)練的學(xué)生與經(jīng)過虛擬實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練的學(xué)生的操作績效是有區(qū)別的；參與虛擬實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練的學(xué)生與參與真實(shí)實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練的學(xué)生的操作績效是有區(qū)別的。

基于以上對虛擬實(shí)驗(yàn)的認(rèn)識，為了檢驗(yàn)虛擬實(shí)驗(yàn)活動(dòng)遷移到真實(shí)實(shí)驗(yàn)中的效果，本研究將對在虛擬實(shí)驗(yàn)中形成的操作技能的有效性進(jìn)行評估。本研究認(rèn)為，可以用時(shí)間來判斷學(xué)生參與虛擬實(shí)驗(yàn)后的操作技能遷移效果，并為此設(shè)計(jì)了三種學(xué)習(xí)方式，測量學(xué)習(xí)者在經(jīng)過三種學(xué)習(xí)方式后完成真實(shí)實(shí)驗(yàn)任務(wù)的時(shí)間，以此來檢驗(yàn)在虛擬實(shí)驗(yàn)中形成的操作技能的遷移程度。基于以上認(rèn)識，本研究提出以下兩個(gè)基本假設(shè)。

假設(shè)1：利用桌面虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)培訓(xùn)與閱讀說明書培訓(xùn)相比，學(xué)生操作時(shí)間存在明顯差異。

假設(shè)2：利用桌面虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)培訓(xùn)與使用真實(shí)實(shí)驗(yàn)設(shè)備培訓(xùn)相比，學(xué)生操作時(shí)間存在明顯差異。

2.任務(wù)描述與實(shí)驗(yàn)材料的設(shè)計(jì)

為評價(jià)虛擬實(shí)驗(yàn)的效果，我們選擇高等師范學(xué)校本科生教育技術(shù)課程的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容作為研究材料。教育技術(shù)課程是師范專業(yè)學(xué)生的專業(yè)課程，該課程的學(xué)習(xí)目的之一是使學(xué)生掌握基本的信息技術(shù)，能熟練操作技術(shù)媒體，為將來在教學(xué)過程中進(jìn)行信息技術(shù)與課程整合提供條件。為此本研究選擇了在中小學(xué)教學(xué)中常用的媒體——數(shù)碼投影機(jī)（數(shù)碼投影機(jī)的型號：SANYO PLC-XU1050C），設(shè)計(jì)了三種實(shí)驗(yàn)操作的培訓(xùn)任務(wù)，以此來檢驗(yàn)提出的研究假設(shè)。

（1）學(xué)生利用實(shí)驗(yàn)的書面操作規(guī)程來學(xué)習(xí)操作數(shù)碼投影機(jī)的實(shí)驗(yàn)任務(wù)；

（2）學(xué)生利用虛擬實(shí)驗(yàn)來學(xué)習(xí)操作數(shù)碼投影機(jī)的實(shí)驗(yàn)任務(wù)；

（3）學(xué)生利用真實(shí)實(shí)驗(yàn)設(shè)備來學(xué)習(xí)操作數(shù)碼投影機(jī)的實(shí)驗(yàn)任務(wù)。

在實(shí)驗(yàn)開始前，根據(jù)投影機(jī)的產(chǎn)品手冊編制了實(shí)驗(yàn)任務(wù)的操作規(guī)程說明書（以下簡稱說明書），用圖片、示意圖和文字指明了操作的具體步驟、方法，而且還用Macromedia Flash 8.0軟件開發(fā)了一個(gè)桌面虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)來模擬實(shí)驗(yàn)任務(wù)的操作方法，學(xué)生可用鍵盤、鼠標(biāo)、觸摸屏等進(jìn)行對象的控制。本研究采用桌面虛擬實(shí)驗(yàn)情境作為實(shí)驗(yàn)材料是基于以下考慮：本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)雖沒用采用沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)，但與目前多數(shù)中小學(xué)和高等學(xué)校所能創(chuàng)設(shè)的用于學(xué)生學(xué)習(xí)的虛擬現(xiàn)實(shí)情境基本一致，因此，基于該環(huán)境所獲得的結(jié)果有更廣泛的實(shí)踐意義。

在本研究中，桌面虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容選取了數(shù)碼投影機(jī)的四個(gè)操作性環(huán)節(jié)供學(xué)生學(xué)習(xí)，分別是：

操作步驟Ⅰ：圖像清晰度調(diào)節(jié)和畫面大小調(diào)節(jié)；

操作步驟Ⅱ：圖像失真的梯形校正；

操作步驟Ⅲ：圖像對比度調(diào)整；

操作步驟Ⅳ：圖像紅、藍(lán)、綠三基色平衡的調(diào)整。

3.實(shí)驗(yàn)方法設(shè)計(jì)

在參與真實(shí)實(shí)驗(yàn)操作技能測試前，把參與實(shí)驗(yàn)的學(xué)生分成三組，三組學(xué)生分別參加以下三種類型實(shí)驗(yàn)任務(wù)的學(xué)習(xí)，以培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作技能，學(xué)習(xí)完成后立即進(jìn)行真實(shí)實(shí)驗(yàn)的操作技能測試。

（1）第一組學(xué)生閱讀說明書十分鐘；

（2）第二組學(xué)生在閱讀說明書的同時(shí)進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)，共十分鐘；

（3）第三組學(xué)生在閱讀說明書的同時(shí)進(jìn)行真實(shí)實(shí)驗(yàn)，共十分鐘。

為在以后的敘述中簡捷描述每組的基本特征，把第一組學(xué)生簡稱為說明組，第二組學(xué)生簡稱為虛擬實(shí)驗(yàn)組，第三組學(xué)生簡稱為真實(shí)實(shí)驗(yàn)組。

研究對象以整班取樣的方式選擇，對每班學(xué)生參照學(xué)習(xí)成績和性別按比例分成三組，分別參與以上設(shè)計(jì)的三種類型實(shí)驗(yàn)任務(wù)學(xué)習(xí)。為防止各小組之間相互干擾，按照學(xué)習(xí)小組的學(xué)習(xí)類型進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室參與實(shí)驗(yàn)，每組完成規(guī)定的學(xué)習(xí)任務(wù)后立即進(jìn)行真實(shí)實(shí)驗(yàn)的技能操作，最后分別測量和記錄三組學(xué)生在真實(shí)實(shí)驗(yàn)時(shí)完成上述四個(gè)操作步驟的時(shí)間，以此來分析桌面虛擬實(shí)驗(yàn)對學(xué)生操作技能促進(jìn)作用的效果。

在本研究中，虛擬實(shí)驗(yàn)采用臺式電腦呈現(xiàn)，其主頻2.00GHz、2GB內(nèi)存、獨(dú)立顯卡、42英寸液晶觸摸顯示屏，學(xué)生能采用鼠標(biāo)、鍵盤、觸摸屏來操作和控制虛擬情境內(nèi)的對象。根據(jù)Dalgarno等[9]從應(yīng)用角度對虛擬現(xiàn)實(shí)的分類，該實(shí)驗(yàn)材料創(chuàng)建的情境應(yīng)屬于桌面虛擬現(xiàn)實(shí)。

4.實(shí)驗(yàn)對象與資料收集

為有效控制學(xué)生的實(shí)驗(yàn)過程，本研究從2010年秋季入學(xué)的新生中選取六個(gè)班的學(xué)生作為研究對象，分別來自普通理科和普通文科，共220人，其中男生94人，占被試人數(shù)的42.7%，女生126人，占被試人數(shù)的57.3%。

數(shù)據(jù)的錄入管理和統(tǒng)計(jì)分析采用SPSS12.0統(tǒng)計(jì)軟件。

三、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

1.學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)操作的平均時(shí)間分布

本研究中的三組學(xué)生在參與真實(shí)實(shí)驗(yàn)操作測試前，都按照設(shè)計(jì)的初始設(shè)想?yún)⑴c了各自的學(xué)習(xí)活動(dòng)，學(xué)習(xí)完成后立即進(jìn)行真實(shí)實(shí)驗(yàn)的操作時(shí)間測量。對每組學(xué)生進(jìn)行真實(shí)實(shí)驗(yàn)的操作時(shí)間進(jìn)行平均數(shù)計(jì)算，其統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。

表1 三組學(xué)生在四個(gè)實(shí)驗(yàn)操作環(huán)節(jié)的平均時(shí)間統(tǒng)計(jì)結(jié)果

從表1的統(tǒng)計(jì)結(jié)果來看，學(xué)生在四個(gè)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)上表現(xiàn)出相同的趨勢，單純通過實(shí)驗(yàn)說明書學(xué)習(xí)的學(xué)生在操作投影機(jī)時(shí)花費(fèi)的時(shí)間最長，通過說明書和真實(shí)實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)的學(xué)生在操作投影機(jī)時(shí)花費(fèi)的時(shí)間最短，而通過說明書和虛擬實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)的學(xué)生在操作投影機(jī)時(shí)花費(fèi)的時(shí)間介于兩者之間。

這個(gè)統(tǒng)計(jì)結(jié)果與國內(nèi)外學(xué)者有關(guān)虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)的研究結(jié)論具有基本相同的共識，即虛擬實(shí)驗(yàn)在技能培訓(xùn)中具有一定的有效性，這似乎預(yù)示著虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)芸焖侔巡僮骷寄苓w移到現(xiàn)實(shí)情境中。但是，僅從描述統(tǒng)計(jì)的結(jié)果還不能知道是否具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上的差異，需要進(jìn)行進(jìn)一步的檢驗(yàn)。

2.不同學(xué)習(xí)方式學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作時(shí)間的差異分析

為了分析不同學(xué)習(xí)方式學(xué)生在各個(gè)實(shí)驗(yàn)步驟的操作時(shí)間上是否存在差異，把學(xué)習(xí)方式作為自變量，學(xué)生進(jìn)行各個(gè)操作步驟的平均時(shí)間作為因變量進(jìn)行單因素方差分析（ANOVA），統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)顯著性水平設(shè)定為α=0.05，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示。

從表2的統(tǒng)計(jì)結(jié)果來看，三組學(xué)生在四個(gè)操作步驟上的單因素方差分析F統(tǒng)計(jì)量顯著大于1，且檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量的概率P值小于顯著性水平α，說明參與不同學(xué)習(xí)方式的學(xué)生在四個(gè)操作步驟上的平均時(shí)間均具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上的非常顯著差異。但單因素方差分析的結(jié)果僅能說明三種學(xué)習(xí)類型存在顯著差異，還不能說明到底是哪兩種學(xué)習(xí)方式之間存在差異，所以要繼續(xù)作Post-Hoc兩兩比較檢驗(yàn)。

為了檢驗(yàn)閱讀說明組與虛擬實(shí)驗(yàn)組、虛擬實(shí)驗(yàn)組與真實(shí)實(shí)驗(yàn)組、閱讀說明組與真實(shí)實(shí)驗(yàn)組之間的差異，本研究采用Scheffe方法進(jìn)行多重比較檢驗(yàn)，其檢驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

使用Scheffe方法進(jìn)行多重比較分析的結(jié)果表明，閱讀說明組與真實(shí)實(shí)驗(yàn)組在各個(gè)操作步驟上的差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，都達(dá)到了非常顯著差異，表明真實(shí)實(shí)驗(yàn)組在各個(gè)操作步驟上的平均時(shí)間明顯低于閱讀說明組。閱讀說明組與虛擬實(shí)驗(yàn)組在各個(gè)操作步驟上的差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，都達(dá)到了顯著或非常顯著差異，表明虛擬實(shí)驗(yàn)組在各個(gè)操作步驟上的平均時(shí)間明顯低于閱讀說明組。

虛擬實(shí)驗(yàn)組與真實(shí)實(shí)驗(yàn)組只在圖像失真的梯形校正的操作步驟上達(dá)到了顯著差異，即進(jìn)行真實(shí)實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)組在梯形校正操作步驟上的平均時(shí)間明顯低于進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)組；而在其他三個(gè)操作步驟上沒有達(dá)到統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上的差異，即在圖像清晰度調(diào)節(jié)、圖像對比度調(diào)整、三基色平衡調(diào)整三個(gè)操作步驟上，虛擬實(shí)驗(yàn)組的學(xué)習(xí)效果與真實(shí)實(shí)驗(yàn)組基本是一樣的。

表2 不同學(xué)習(xí)方式學(xué)生操作時(shí)間差異的方差分析結(jié)果

表3 不同學(xué)習(xí)方式學(xué)生操作時(shí)間差異的Scheffe檢驗(yàn)結(jié)果

四、研究結(jié)果與討論

遷移是人類學(xué)習(xí)過程中的一種心理現(xiàn)象，它指的是已獲得的知識、技能、學(xué)習(xí)方法或態(tài)度，對學(xué)習(xí)新知識、新技能和解決新問題所產(chǎn)生的影響。[10]從上面的統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出，閱讀說明組與虛擬實(shí)驗(yàn)組在參與真實(shí)實(shí)驗(yàn)的各個(gè)操作步驟上的平均時(shí)間的多重比較檢驗(yàn)結(jié)果MD介于3.7625～12.3834之間，都達(dá)到了顯著差異，這個(gè)結(jié)果驗(yàn)證了前文提出的第一個(gè)假設(shè)；同時(shí)，虛擬實(shí)驗(yàn)組與真實(shí)實(shí)驗(yàn)組的多重比較檢驗(yàn)結(jié)果表明，它們僅在梯形校正操作步驟上達(dá)到顯著差異，這個(gè)結(jié)果沒有驗(yàn)證前文提出的第二個(gè)假設(shè)。這些統(tǒng)計(jì)結(jié)果說明，利用虛擬實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)操作技能比利用閱讀方法學(xué)習(xí)能使學(xué)生在新的情境中表現(xiàn)出更高的操作能力，并且虛擬實(shí)驗(yàn)在培訓(xùn)圖像清晰度調(diào)節(jié)、圖像對比度調(diào)整、三基色平衡調(diào)整上甚至達(dá)到了真實(shí)實(shí)驗(yàn)的績效，與真實(shí)實(shí)驗(yàn)取得的操作能力基本一致，僅在梯形校正操作步驟上沒有實(shí)現(xiàn)真實(shí)實(shí)驗(yàn)的效果。由此可以推論，虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)墚a(chǎn)生一定的遷移效果，但不能完全達(dá)到真實(shí)實(shí)驗(yàn)的效果。

從國內(nèi)外學(xué)術(shù)界的研究來看，對實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中操作技能獲取的解釋多是建立在運(yùn)動(dòng)技能獲取和專業(yè)知識發(fā)展等理論的基礎(chǔ)之上的，其中Fitts和Posner的三階段運(yùn)動(dòng)技能獲取理論是被學(xué)者廣泛用于解釋實(shí)驗(yàn)操作技能培養(yǎng)方法的理論之一。Fitts等將運(yùn)動(dòng)技能的獲得分為三個(gè)階段：認(rèn)知階段、聯(lián)系階段和自動(dòng)化階段。認(rèn)知階段主要是技能的起始編碼階段，聯(lián)系階段主要涉及技能操作的“除障”，自動(dòng)化階段則是技能操作的逐漸而持續(xù)的改善。[11]

利用Fitts等人提出的動(dòng)作技能獲取模型來解釋利用虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)訓(xùn)練學(xué)生的操作技能具有明顯的意蘊(yùn)。在操作技能學(xué)習(xí)的認(rèn)知階段，學(xué)生要學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)過程中的陳述性知識和程序性知識，尤其是程序性知識，它是學(xué)生對實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行自我監(jiān)控的重要基礎(chǔ)。利用虛擬實(shí)驗(yàn)方法學(xué)習(xí)能使操作任務(wù)更加理性化，這是因?yàn)樘摂M實(shí)驗(yàn)是用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)建立實(shí)驗(yàn)對象，學(xué)生能使用鍵盤、鼠標(biāo)等操作與控制虛擬實(shí)驗(yàn)對象，陳述性知識和程序性知識能被翻譯成適當(dāng)?shù)倪\(yùn)動(dòng)技能和行為，不僅使學(xué)生更容易理解實(shí)驗(yàn)操作的基本結(jié)構(gòu)，還能使學(xué)生獲得一些簡單的動(dòng)覺經(jīng)驗(yàn)，在真實(shí)實(shí)驗(yàn)中將之快速轉(zhuǎn)變成操作的能力和技巧。

從本研究選取的四個(gè)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)來看，圖像清晰度調(diào)節(jié)和畫面大小調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)所包含的程序性知識和操作能力都很簡單，圖像對比度調(diào)整和圖像紅、藍(lán)、綠三基色平衡的調(diào)整兩環(huán)節(jié)所包含的程序性知識比較復(fù)雜，而其操作技能比較簡單。學(xué)生借助于虛擬實(shí)驗(yàn)的訓(xùn)練能快速把握實(shí)驗(yàn)中的操作過程，知道如何移動(dòng)雙手操作實(shí)驗(yàn)設(shè)備，從而在執(zhí)行任務(wù)時(shí)能夠更加流暢，不再需要思考如何執(zhí)行任務(wù)，而是集中注意于實(shí)驗(yàn)步驟的主要層面，減少了操作活動(dòng)的遲滯或中斷，降低了操作的錯(cuò)誤率，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)過程的平滑，減少了操作的時(shí)間，進(jìn)而在這三個(gè)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)不僅表現(xiàn)出優(yōu)于閱讀學(xué)習(xí)的績效，也幾乎達(dá)到了真實(shí)實(shí)驗(yàn)的效果。

圖像失真的梯形校正環(huán)節(jié)的程序性知識比較簡單，而其操作技能比較復(fù)雜，學(xué)生在這個(gè)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)表現(xiàn)出了優(yōu)于閱讀學(xué)習(xí)的績效，同時(shí)也表現(xiàn)出了與真實(shí)實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)的差異。這說明虛擬實(shí)驗(yàn)確實(shí)能對操作技能的遷移起到一定的作用，但學(xué)生利用桌面虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)學(xué)習(xí)僅能獲得有限的動(dòng)覺經(jīng)驗(yàn)，不可能完全達(dá)到真實(shí)實(shí)驗(yàn)的績效。

五、小結(jié)

本研究的結(jié)果表明，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中用虛擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行培訓(xùn)，能在完成一些簡單的感覺運(yùn)動(dòng)任務(wù)時(shí)產(chǎn)生一定程度的操作技能遷移。但因所選實(shí)驗(yàn)任務(wù)是培養(yǎng)學(xué)生的信息技術(shù)操作技能，而非創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)研究，這要求學(xué)生的學(xué)習(xí)活動(dòng)要重視真實(shí)實(shí)驗(yàn)的動(dòng)作方式，即要通過實(shí)際操作，獲得動(dòng)覺經(jīng)驗(yàn)，并能把這些經(jīng)驗(yàn)長期保持下去，在將來的教學(xué)中熟練操作數(shù)碼投影機(jī)，也就是說，實(shí)驗(yàn)的最終目的是能力本位的進(jìn)步，而不是節(jié)省操作時(shí)間。所以，本研究的實(shí)驗(yàn)成果只能在一定程度上解釋虛擬實(shí)驗(yàn)的遷移效果，并且因?qū)嶒?yàn)條件和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法的限制，無法驗(yàn)證這些遷移的可靠性和穩(wěn)定性，因此要謹(jǐn)慎解釋該研究獲得的結(jié)果。

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Verifying the Use of Desktop Virtual Experiment to Promote the Transferability of Students’Operational Skills

Liu Xingbo and Wang Guangxin

Virtual experimenting can be used to simulate a domain in the real world,replace the real experiment environment or prepare students for real experiments.Its interactivity and quick response can help maintain students’interest.Using the experiment research method,this study involved three groups of students with the aim of examining the impact of virtual experimenting on the transferability of students’operational skills.Group 1 learnt to perform an experiment by following the printed procedure;Group 2 learnt to conduct an experiment by using the virtual experimenting system.Group 3 learnt to carry out an experiment by using physical experimenting facilities.Findings from the study show that Group 2 performed better than Group 1 but not as well as Group 3 when they conducted an experiment in the real situation.In other words,skills grasped in the virtual environment may be transferred to the real world to some extent.

virtual reality;virtual experiment;operational skills;transfer

G40-034

B

1009—458x（2011）11—0042—05

2011－09－15

劉興波，副教授；王廣新，教授。山東師范大學(xué)傳媒學(xué)院教育技術(shù)系（250014）。

責(zé)任編輯 石 子