體驗式虛擬實驗的設計及實效性分析*

李慧迎，祁玉娟

（湖南科技大學 教育學院，湖南 湘潭 411100）

一、引言

培養(yǎng)學生科學實驗的精神和方法是培養(yǎng)學生科學素養(yǎng)的重要途徑，它能培養(yǎng)學生對科學的興趣，提高學生提出問題、分析問題和解決問題的能力，還可以鍛煉學生的科學技能，培養(yǎng)和提高學生的科學素養(yǎng)，同時也是學習科學知識的一種重要方法。但在目前，基于對實驗經(jīng)費和實驗安全的考慮，學校中的大部分學習實驗往往都只能按照教師規(guī)定的操作步驟一步步進行，這樣必然也只能得出符合課本結(jié)論的實驗結(jié)果。從本質(zhì)上講，這也是一種死記硬背。這樣的實驗管理不利于培養(yǎng)學生的探索精神和提高其創(chuàng)新能力，同時也有悖于開展科學實驗的初衷。

根據(jù)波普理論，一個假設是否成為科學，不在于其是否能被證實，而在于其被證偽。[1]在科學實驗中，人們可以試錯，不斷試驗以求正確的結(jié)果。實驗教學也應該讓學生去自主探索，在探索中體驗，在體驗中學習，而不是死記操作步驟來驗證已知的結(jié)果。但在目前的實驗條件和實驗環(huán)境下要達到這一點有難度，所以我們轉(zhuǎn)而求助虛擬現(xiàn)實技術(shù)。

虛擬實驗是將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應用于科學實驗教學中，是虛擬現(xiàn)實技術(shù)與實驗教學發(fā)展的必然產(chǎn)物。虛擬實驗不僅可以提高實驗教學的經(jīng)濟性和安全性，同時還可以實現(xiàn)實驗情景和實驗數(shù)據(jù)的可視化、增強實驗過程的可控性，對革新傳統(tǒng)的實驗教學觀念也有很大的促進作用。關(guān)于虛擬實驗和虛擬實驗系統(tǒng)的研究有很多，其主要目的或是為了解決異地教學中的實驗困難，或是為了緩解實驗設備的臺套數(shù)與學生人數(shù)之間的矛盾。大部分虛擬實驗系統(tǒng)都有嚴格的實驗規(guī)程和實驗步驟，真正能讓學生“親身”嘗試錯誤、能讓學生在真實的情境中體驗錯誤的研究很少。

體驗式虛擬實驗是一種將體驗式學習理論與虛擬現(xiàn)實技術(shù)相結(jié)合應用于科學實驗的一種學習方法。它將體驗式學習理論與虛擬現(xiàn)實技術(shù)相結(jié)合，讓學生在虛擬的實驗情景中盡情地發(fā)揮其想象力，像做“游戲”一樣地反復嘗試修改其中的變量，盡可能多地獲取具體經(jīng)驗，在體驗學習樂趣的同時促進其對知識的建構(gòu)。為此，我們在遵循科學探究的原則和體驗原則的基礎上對體驗式虛擬實驗的功能模塊和實驗流程進行設計，并通過實踐，探索體驗式虛擬實驗在培養(yǎng)學生的科學探索能力上的可行性及其有效的使用策略。

二、體驗式虛擬實驗的設計

1.體驗性虛擬實驗設計的基本原則

（1）科學探究的原則

設計體驗式虛擬實驗的目的是為了更好地進行實驗教學。在實驗教學中，對學生進行科學探究能力的培養(yǎng)是一項非常重要的教學目標。因此，科學探究是設計體驗式虛擬實驗的第一原則。

《美國國家科學教育標準》是這樣表述的：科學探究指的是科學家們用來研究自然界并根據(jù)研究所獲得的證據(jù)做出解釋的各種方式?？茖W探究也指的是學生用以獲取知識、領(lǐng)悟科學的思想觀念，領(lǐng)悟科學家們研究自然界所用的方法而進行的各種活動。[2]科學探究是一種多側(cè)面的活動，它需要通過觀察提出問題；需要利用已有知識提出猜測或假設，并設計相關(guān)方案對猜測或假設進行驗證；需要運用多種手段來收集數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行分析和解讀。

因此，在進行體驗性虛擬實驗設計時應該給學生提供“試誤”的機會，讓學生“親身”嘗試錯誤，這樣不僅能培養(yǎng)學生正確的錯誤觀，同時也能讓學生真正體會到科學探索的真諦。因為科學發(fā)展的歷程本來就是一個不斷地提出猜想和假設，發(fā)現(xiàn)錯誤并證偽，再提出新的猜想和假設的循環(huán)往復的過程，在科學研究中只有敢于犯錯才能推動科學向前發(fā)展。[3]如果只是讓學生按部就班地重復“正確”的實驗過程，不僅違背了科學實驗的初衷，也不利于調(diào)動學生參與實驗的積極性和探索精神的培養(yǎng)。

另外，在科學實驗中，不管是“證實”還是“證偽”，都要以實驗數(shù)據(jù)為依據(jù)。因此，體驗性虛擬實驗也要能為實驗提供各種數(shù)據(jù)，便于學生對實驗結(jié)果進行分析和解讀。

（2）體驗的原則

“體驗”是體驗性虛擬實驗的第一個定語，體驗學習的原理和方法也是設計體驗性虛擬實驗要遵循的重要原則。體驗是指通過實踐來認識周圍的事物，親身經(jīng)歷。體驗既是一種活動，也是活動的結(jié)果。作為活動，指主體親歷某件事并獲得相應的認識和情感；作為活動的結(jié)果，指主體從其親身經(jīng)歷中獲得相應的認識和情感。[4]在實際學習活動中，體驗強調(diào)學生的參與，用心靈親自感悟。

將體驗學習的原理應用于實驗教學應該認識到：①體驗是一種非知識本位的學習，而是指向?qū)W生人格的和諧發(fā)展。[5]因此，在實驗設計時應倡導以綜合活動為特征，整體吸收知識經(jīng)驗而不是獨立地背誦答案的過程；②古人將體驗解釋為“以身體之，以心驗之”?！耙陨眢w之”指鼓勵學習者尋求自己的體驗和自我發(fā)展，而不是強調(diào)在與他人競爭中獲勝的目標。“以心驗之”則指僅有學習者的身體力行（體）是不夠的，更重要的是學習者對學習經(jīng)驗的領(lǐng)悟、體察和反思，強調(diào)質(zhì)的感悟而非量的增加之結(jié)果。[6]

因此，體驗性虛擬實驗在設計時應堅持學習者的主體地位，為學生提供情境，鼓勵探索，并積極反思。

2.體驗式虛擬實驗設計

（1）實驗的功能模塊設計

基于以上設計原則，對體驗式虛擬實驗的功能設計如下：能根據(jù)實驗要求構(gòu)建合適的實驗條件、能自主地設計實驗方案并能對方案的可行性和正確性進行驗證、能根據(jù)需要收集實驗所需要的數(shù)據(jù)，能以實驗報告的形式對實驗的過程和結(jié)果進行總結(jié)。其功能模型見圖1。

圖1 體驗式虛擬實驗功能模型

構(gòu)建實驗條件功能塊是指學習者在清楚實驗目的和實驗要求的基礎上，可以在體驗式虛擬實驗環(huán)境中自行選擇或配置所需要的儀器設備，為具體的實驗做好準備；設計實驗方案功能塊是指學習者可以自主地進行實驗方案的設計并且能將設計方案付諸于實踐；驗證實驗方案功能塊是指學習者在實施實驗方案的過程中可以對實驗方案的可行性和準確性進行檢驗，為確定之前的設計方案是否有效提供必要的數(shù)據(jù)；編寫實驗報告功能塊是為學習者提供一個分析實驗數(shù)據(jù)和評價實驗方案的平臺，讓學習者在總結(jié)的過程中進行自我評價，針對沒有實現(xiàn)的目標重新構(gòu)建實驗條件，對實驗方案進行修改和完善，最終實現(xiàn)知識的遷移。

（2）實驗流程設計

根據(jù)體驗性虛擬實驗的特點，設計的實驗過程如圖2所示。首先，熟悉實驗的目的和要求，清楚要做什么，理解相關(guān)的實驗原理；然后根據(jù)需要選擇和配置實驗所需的設備；再綜合運用所學知識和技能設計實驗方案；在方案的實施過程中不斷地對方案進行審視、修改，直至設計方案具體實現(xiàn)；通過各種手段對方案的正確性和合理性進行檢測，根據(jù)測試結(jié)果對實驗方案進行修改和完善。當實驗結(jié)束后，要求編寫實驗報告，包括實驗的目的和要求、實驗設備的選配、實驗方案的設計、實施過程中的問題和改進的措施、測試結(jié)果和對方案的評價以及實驗反思等內(nèi)容。

三、體驗式虛擬實驗的實施及實效性分析

1.體驗式虛擬實驗的實施過程

為探索體驗式虛擬實驗在培養(yǎng)學生科學探索能力方面的可行性，以及了解真實實驗和體驗式虛擬實驗各自的特點，為以后能合理的使用這兩種不同的實驗模式提供借鑒，筆者選擇《計算機網(wǎng)絡》課程，在任課教師的協(xié)助下，在湖南科技大學教育技術(shù)學專業(yè)二年級的兩個班級開展了體驗式虛擬實驗的實踐嘗試。對教育技術(shù)學專業(yè)的學生而言，《計算機網(wǎng)絡》這門課程對實踐能力要求比較高，受實驗設備和實驗時間的限制，這個課程的實驗大都是分組（3-5人）進行的，并且在實驗內(nèi)容和時間上也很受限制。比如：在對等網(wǎng)互聯(lián)的實驗中，實驗室提供是設備都安裝的是統(tǒng)一的操作系統(tǒng)（如：Windows XP），但如果有學生想嘗試在不同的操作系統(tǒng)下進行實驗就行不通。諸多的限制讓我們萌發(fā)了進行體驗式虛擬實驗的嘗試。

（1）虛擬實驗平臺的選取

基于以上的設計理念，我們選擇VMware公司出品VMware Workstation軟件做為體驗式虛擬實驗的平臺，主要基于它的以下優(yōu)點：[7]

圖2 體驗式虛擬實驗流程

仿真性強。虛擬機軟件可以提供一個近似真實的計算機硬件環(huán)境，在真實機器上完成的試驗在虛擬機上均可完成。同時它還可以在一臺宿主機上集成幾個虛擬客戶機操作系統(tǒng)，組建一個虛擬機局域網(wǎng)環(huán)境，這個網(wǎng)絡的行為與真實的網(wǎng)絡完全一致。

獲取數(shù)據(jù)便利。實驗過程中每一步實驗狀態(tài)均可通過虛擬機技術(shù)的“快照”功能保存，以便對實驗結(jié)果進行對比分析或進行階段性結(jié)果的保存。

安全性高。虛擬技術(shù)使虛擬機成為獨立于宿主機之外的計算機，虛擬機僅表現(xiàn)為存儲于主機磁盤上的一系列文件——配置文件(*.vmx)、磁盤文件(*.vmdk)、日志(vm.log)等，因而對虛擬機的“物理”底層的配置修改，僅僅是針對文件的修改，不會對宿主機系統(tǒng)產(chǎn)生影響；但VMware Workstation軟件不具備實驗報告的編輯功能，所以實驗報告模塊需在其它的應用程序中完成。

（2）實踐內(nèi)容

《計算機網(wǎng)絡》課程的實驗部分一共設計了5個實驗：雙絞線線纜的制作，對等網(wǎng)的配置，主從網(wǎng)絡的配置，網(wǎng)絡Web、FTP、DNS服務器的建立和無線網(wǎng)絡的設置。根據(jù)虛擬實驗的特點，在體驗式虛擬實驗的過程中只選擇其中的3個實驗：對等網(wǎng)的配置，主從網(wǎng)絡的配置，網(wǎng)絡Web、FTP、DNS服務器的建立。

（3）實踐過程

考慮到計算機網(wǎng)絡對學生而言是一個全新的知識，并且在此之前，學生都沒有接觸過VMware Workstation軟件，所以本次嘗試同時使用了真實實驗和體驗式虛擬實驗。對所選的實驗內(nèi)容都要求學生以小組的形式在計算機網(wǎng)絡實驗室進行一次真實實驗，了解實驗基本原理、需要使用的儀器設備以及基本操作過程。在真實實驗的基礎上，利用虛擬實驗進行拓展。在虛擬實驗的過程中，學生可以將自己所有可能的想法付諸實踐，檢驗其可行性，并對出現(xiàn)的問題進行分析，從而加深對所學知識的理解。在整個實踐過程中，教師扮演協(xié)助者和資源提供者的角色。

2.體驗式虛擬實驗的實效性分析

湖南科技大學教育技術(shù)學專業(yè)二年級的兩個班共有52人，在進行完真實實驗和體驗式虛擬實驗后一周，利用自編的問卷對虛擬實驗環(huán)境的特點、真實實驗與虛擬實驗優(yōu)勢比較、虛擬實驗的適用領(lǐng)域、影響虛擬實驗使用效果的主要因素以及真實實驗與虛擬實驗的組合方式等方面進行了調(diào)查。共發(fā)放問卷50份（有2人請假），共回收有效問卷43份。

對虛擬實驗環(huán)境的特點的調(diào)查結(jié)果顯示，有88%的參與者對本階段所選用的虛擬實驗軟件VMware Workstation的仿真度持肯定態(tài)度，52%的參與者認為它的操作難度適中，有46%的參與者認為它比較難或很難操作，只有1人（占2%）認為該軟件操作難度低。

通過本階段的虛擬使用，對實驗原理更清楚的占70%（30人），保持原樣的占30%（13人），對實驗方法更清楚的占50%（22人），保持原樣的占50%（21人），對實驗步驟更清楚的占53%（23人），保持原樣的占47%（20人），對實驗數(shù)據(jù)處理更清楚的占35%（15人），保持原樣的占58%（25人），更加模糊的占7%（3人）。

在與實驗有關(guān)的10項能力（A.激發(fā)興趣和注意力，B.自主思考和主動參與，C.協(xié)助能力，D.對規(guī)則和原理的掌握，E.對技能的掌握，F(xiàn).對抽象思維能力，G.對邏輯思維能力，H.對綜合應用能力，I.對分析和解決問題能力，J.對創(chuàng)新能力）的培養(yǎng)方面，認為真實實驗比虛擬實驗更有優(yōu)勢的是（選3項）E、C和D；認為虛擬實驗比真實實驗更有優(yōu)勢的是（選3項）J、F 和G。

在利用體驗式虛擬實驗進行實驗教學的優(yōu)點：A.可以不受時空限制方便地進行實驗，B.可以嘗試不同的操作，C.出現(xiàn)錯誤時不必擔心損壞設備，D.實驗環(huán)境安全，E.減少實驗室硬件投入，F(xiàn).調(diào)動學生的積極性，要求參與者按重要程度由強到弱的順序排序。結(jié)果顯示，其中將A排在第一位的有13人（占30%），將B排在第一位的有12人（占28%），C排在第一位的有15人（占35%），將F排在最后一位的有28人（占65%）。

在影響體驗式虛擬實驗使用效果的原因：A.不能很好地體現(xiàn)操作過程的真實性，B.沒有提供合作學習環(huán)境，C.沒有提供探索學習的空間，D.對虛擬實驗環(huán)境不熟悉，E.對實驗原理不熟悉，F(xiàn).虛擬環(huán)境與真實環(huán)境有差別，不能很好投入，要求參與者按重要程度由強到弱的順序排序。結(jié)果顯示，其中將D排在第一位的有20人（占47%），將F排在第一位的有12人（占28%），將E排在最后一位的有28人（占65%）。

關(guān)于虛擬實驗在實驗教學中的作用的調(diào)查（多選），其中認為可用于取代真實實驗的占9%（4人），認為可用于實訓、技能考核前使用的占67%（29人），認為可用于用作預習或鞏固實驗內(nèi)容的占86%（37人），認為可用于用于拓展實驗的占74%（32人）。

在對最佳實驗途徑（A.真實實驗，B.虛擬實驗，C.先進行真實實驗，再進行虛擬實驗，D.先進行虛擬實驗，再進行真實實驗，E.先進行真實實驗，再進行虛擬實驗，再真實實驗,F.先進行虛擬實驗，再進行真實實驗，再虛擬實驗）的選擇結(jié)果如圖4所示。其中D的得票率最高（24人），占56%，主要理由是：安全、成本低，通過虛擬實驗先進行探索和試誤，再進行真實實驗更有真實感和成就感；其次是E（10人），占23%，主要理由是：通過一個循環(huán)，系統(tǒng)性和科學性更強，更有感覺。

綜合以上數(shù)據(jù)，可知虛擬實驗具有出現(xiàn)錯誤時不必擔心損壞設備、可以不受時空限制方便地進行實驗和可以嘗試不同的操作的優(yōu)點。與真實實驗相比，虛擬實驗在培養(yǎng)創(chuàng)新能力、抽象思維能力和邏輯思維能力上更有優(yōu)勢，而真實實驗在對技能的掌握、協(xié)助能力的培養(yǎng)和對規(guī)則原理的掌握上比虛擬實驗更勝一籌。

對體驗式虛擬實驗效果的影響，虛擬實驗環(huán)境的熟悉程度占第一位。雖然絕大部分參與者認為實驗軟件VMware Workstation的仿真度尚可，但有近半數(shù)的人認為它的操作有難度，只有1人認為它的操作很容易，所以在利用體驗式虛擬實驗進行實驗教學的優(yōu)點的調(diào)查中，有65%的參與者將調(diào)動學生積極性排在了最后一位。這與參與者是第一次使用該軟件有一定影響。另一個影響大的因素是真實環(huán)境與虛擬環(huán)境之間的遷移。由于虛擬機中的網(wǎng)卡等網(wǎng)絡設備都是虛擬元件，與真實環(huán)境中差別較大，很多參與者都覺得難以想象經(jīng)過IP設置后，這些虛擬機就構(gòu)成了一個網(wǎng)絡。所以本次實踐在實驗方法和實驗步驟的理解上并沒有取得明顯的進步，在對實驗數(shù)據(jù)的獲取上甚至還有人覺得更加模糊。

大部分參與者都認為單純的真實實驗或虛擬實驗都不是最佳的實驗途徑。從調(diào)查來看，雖然大家都認可虛擬實驗的安全、低成本，但真實實驗的真實感還是無可替代，絕大部分人都認為最終還是要返璞歸真才感覺踏實。

四、對體驗式虛擬實驗的實踐反思與啟示

本次對體驗式虛擬實驗的實踐活動雖然實現(xiàn)了預期的目標，但也存在一些不足：首先，雖然在本次實踐中，參與者認為虛擬實驗在培養(yǎng)創(chuàng)新能力、抽象思維能力和邏輯思維能力上比真實實驗更有優(yōu)勢，但本次實踐只選用了一種虛擬實驗軟件，對于其他類型或類似的虛擬軟件是否能得到相類似的結(jié)論尚不清楚；其次，受時間、人力和物力等因素的限制，無法對虛擬實驗的效果進行長期跟蹤，對影響虛擬實驗效果的因素分析也有其局限性。

通過本次實踐得到的兩點啟示：

1.認知負荷最小化，讓體驗更輕松

所謂的認知負荷是指同時被要求施加在工作記憶上的智力活動的全部數(shù)量，即工作記憶必須注意和處理的內(nèi)容總和。認知負荷理論提出了三種基本類型的認知負荷：內(nèi)部認知負荷、外部認知負荷和相關(guān)認知負荷。其中內(nèi)部認知負荷取決于所要學習材料的本質(zhì)與學習者的專業(yè)知識之間的交互程度。外部認知負荷是超越內(nèi)部認知負荷的額外負荷，它主要是由設計不當?shù)慕虒W引起。相關(guān)認知負荷是指與促進圖式構(gòu)建和圖式自動化過程相關(guān)的認知負荷。為了促進有效學習的發(fā)生，在教學過程中應盡可能減少外部認知負荷，增加相關(guān)認知負荷，并且使總的認知負荷不超出學習者能承受的認知負荷，否則，就會產(chǎn)生較低的認知效率。[8]

體驗式虛擬實驗是在一個虛擬的環(huán)境下進行，其虛擬環(huán)境的仿真程度、信息的呈現(xiàn)方式、學習者對系統(tǒng)的熟練程度等都可能給學習者帶來附加的認知負荷，增加學習者在信息加工過程中的負擔，從而影響信息加工的效果。因此，在選擇體驗式虛擬實驗環(huán)境時應盡可能地減少認知負荷，讓學習者的體驗過程更輕松。比如：可以在實驗前預留足夠的時間讓學習者熟悉虛擬環(huán)境；提供詳細的虛擬環(huán)境使用手冊；提供豐富的資源，減少一些與實驗目的不相關(guān)的準備工作的耗時。在這次實踐中就可以為學習者提供安裝了各種操作系統(tǒng)的虛擬機，這樣可以節(jié)約學習者下載系統(tǒng)軟件和安裝系統(tǒng)的時間，而把精力用在如何構(gòu)建基于不同操作系統(tǒng)的計算機網(wǎng)絡上。

2.虛實結(jié)合，讓體驗更真實

虛擬實驗的優(yōu)勢在于其可以提供安全的實驗環(huán)境，可以毫無顧及的嘗試錯誤，在錯誤中理解實驗的原理和操作規(guī)則；真實實驗的魅力在于其真實的觸感和操作時身處其中的感覺。實驗教學應該將虛擬實驗和真實實驗相互結(jié)合，做到實中有虛，虛實結(jié)合，這樣既能給學生提供放縱的空間，也能讓學生有回歸現(xiàn)實的機會，讓其體驗更加真實，同時也能使實驗教學更加豐富、有趣。

[1]王永平.證偽主義思想的意義及啟示[J].求實,2010(1):106-107.

[2]美國國家研究理事會.美國國家科學教育標準[M].北京:科學技術(shù)文獻出版社,1999.

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[4]李梅.體驗學習——21世紀重要的學習方式[D].南京:南京師范大學,2004.

[5]王嘉毅,李志厚.論體驗學習[J].教育理論與實踐,2004(12):44-47.

[6]王燦明.體驗學習解讀[J].全球教育展望,2005(12):14-17.

[7]孫慶華,唐武.計算機網(wǎng)絡課程教學中的VMware虛擬機技術(shù)應用[J].職業(yè)技術(shù),2010(5):36-37.

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