探究式網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗系統(tǒng)的設(shè)計研究

韓麗艷　安立奎　馬　麗

(渤海大學(xué) a.信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院;b.數(shù)理學(xué)院;c.教育與體育學(xué)院，遼寧 錦州 121000)

探究式網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗系統(tǒng)的設(shè)計研究

韓麗艷a安立奎b馬麗c

(渤海大學(xué) a.信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院;b.數(shù)理學(xué)院;c.教育與體育學(xué)院，遼寧 錦州 121000)

摘要：虛擬實驗系統(tǒng)教學(xué)能夠彌補傳統(tǒng)實驗教學(xué)的不足，能夠培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力、研究能力和創(chuàng)新能力。虛擬實驗系統(tǒng)的設(shè)計分成元認(rèn)知過程設(shè)計、協(xié)同合作學(xué)習(xí)設(shè)計、遠(yuǎn)程協(xié)作學(xué)習(xí)場域的設(shè)計和對實驗過程再思考的設(shè)計四個方面。該虛擬實驗系統(tǒng)的設(shè)計能夠使系統(tǒng)更好地為學(xué)生的實踐技能學(xué)習(xí)服務(wù)，使虛擬實驗系統(tǒng)集探究、體驗、趣味和協(xié)作等特征于一身，并在使用過程中能夠獲得知識、實踐能力之外的素質(zhì)培養(yǎng)，使學(xué)習(xí)者能夠體會探究學(xué)習(xí)的樂趣，同時在認(rèn)知水平、創(chuàng)新思維、動手能力各方面都有重要的進(jìn)步和發(fā)展。

關(guān)鍵詞：探究式；網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗；設(shè)計；虛擬仿真

虛擬實驗建設(shè)已經(jīng)成為高等教育的重要工作。實驗教學(xué)是高等院校培養(yǎng)高素質(zhì)合格人才，特別是工科院校培養(yǎng)卓越工程人才的重要實踐性環(huán)節(jié)，是學(xué)生鞏固理論知識，加深了解，活學(xué)活用的重要培養(yǎng)手段。虛擬實驗系統(tǒng)教學(xué)能夠彌補傳統(tǒng)實驗教學(xué)的不足，能夠讓學(xué)生在實踐中發(fā)現(xiàn)問題、分析問題，為進(jìn)一步解決問題提供鍛煉機會。在培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力、研究能力、創(chuàng)新能力和綜合素質(zhì)等方面有著其他教學(xué)環(huán)節(jié)所不能替代的獨特作用。

1探究式網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗系統(tǒng)研究的意義

1.1知識內(nèi)容飽滿，描述形象生動

現(xiàn)在虛擬實驗教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計中，教育理論和教學(xué)方法的引入能夠使實驗內(nèi)容更加科學(xué)飽滿，探究式的設(shè)計能夠加深動態(tài)發(fā)生過程性描述和體驗，特別是對微觀現(xiàn)象的形象化展示，能夠加深學(xué)生的學(xué)習(xí)理解，在感官上更加生動形象，符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律。

1.2突破時間限制，實現(xiàn)遠(yuǎn)程互補

探究式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，可以在校園局域網(wǎng)內(nèi)訪問，或者通過互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行遠(yuǎn)程登錄訪問。這種不受時間和空間限制的遠(yuǎn)距離服務(wù)，作為一種持續(xù)性的、開放式的遠(yuǎn)程教育，還可以作為社會就業(yè)和培訓(xùn)的虛擬系統(tǒng)，其使用價值、經(jīng)濟效益與社會效益都是不可估量的。

1.3降低實驗成本，提高安全系數(shù)

第一，工科類實驗往往涉及到高端設(shè)備，其價格昂貴，購進(jìn)數(shù)量有限，不能滿足學(xué)生自主學(xué)習(xí)和創(chuàng)新學(xué)習(xí)的需要。第二，工科設(shè)備結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，需要反復(fù)練習(xí)才能獲得有效實踐經(jīng)驗，但設(shè)備損耗大，實驗原材料消耗巨大，設(shè)備日常維護(hù)經(jīng)費巨大，實驗成本大幅增加。第三，學(xué)生誤操作，容易對機器、設(shè)備造成故障和損耗，實驗原材料的大量耗損，也會大幅提高實驗成本。第四，一些高壓、高溫、高腐蝕性等特殊的實驗過程，在傳統(tǒng)實驗中都是通過語言描述一帶而過，學(xué)生缺乏形象直觀認(rèn)知。以上幾種情況，在使用虛擬實驗系統(tǒng)后，都可以明顯改善，實驗成本大幅下降，安全系數(shù)大幅提高。

1.4尊重學(xué)生認(rèn)知，成為創(chuàng)新工具

虛擬實驗系統(tǒng)作為工程能力培養(yǎng)的重要工具，既符合教學(xué)規(guī)律又符合學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展，還可以作為學(xué)生進(jìn)一步深化理論知識學(xué)習(xí)的實踐自學(xué)工具，學(xué)生的實驗積極性將大大增強，學(xué)生的創(chuàng)新想法都能夠得到進(jìn)一步檢驗，利于學(xué)生工程實踐能力的進(jìn)一步培養(yǎng)。

1.5創(chuàng)設(shè)學(xué)習(xí)情境，建立虛擬場域

創(chuàng)立合適的學(xué)習(xí)情景為學(xué)生創(chuàng)新思維提供虛擬場域。虛擬實驗系統(tǒng)能夠?qū)嶒炈璀h(huán)境、實驗?zāi)康?、具體要求、實驗內(nèi)容、實驗過程、實驗結(jié)果等相關(guān)材料電子化、形象化，文本之間基于知識地圖并采用超級鏈接模式，使學(xué)生在“實踐”時，能夠有效地熟悉器件性能，并進(jìn)一步操作使用，給學(xué)生的是直觀、生動的感受，為學(xué)生進(jìn)一步進(jìn)行創(chuàng)新學(xué)習(xí)提供了有效的虛擬場域。

探究式虛擬實驗系統(tǒng)的設(shè)計研究目標(biāo)是從學(xué)生的認(rèn)知水平出發(fā)，集探究、體驗、趣味、協(xié)作等特征于一身的虛擬實驗系統(tǒng)。該系統(tǒng)設(shè)計能夠提升學(xué)習(xí)者的認(rèn)知體驗，促進(jìn)學(xué)習(xí)者認(rèn)知形成，并在使用過程中能夠獲得知識、實踐能力之外的素質(zhì)培養(yǎng)，如團隊合作精神、探究精神、創(chuàng)新精神等，使學(xué)習(xí)者在實驗過程中能夠體會探究學(xué)習(xí)的樂趣，幫助學(xué)生養(yǎng)成良好的學(xué)習(xí)習(xí)慣。使學(xué)習(xí)者在探究能力、認(rèn)知水平、創(chuàng)新思維、動手能力各方面都有重要的進(jìn)步和發(fā)展，借鑒冰山理論、心流理論和遠(yuǎn)程學(xué)習(xí)圈理論等理論，將其用于虛擬實驗系統(tǒng)設(shè)計，以更好地發(fā)揮虛擬實驗系統(tǒng)的優(yōu)越性。

2網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗系統(tǒng)研究現(xiàn)狀分析

近年來，虛擬現(xiàn)實技術(shù)在教育領(lǐng)域得到了前所未有的關(guān)注和廣泛應(yīng)用，而高校在運用虛擬現(xiàn)實技術(shù)進(jìn)行實驗教學(xué)的進(jìn)程中起到了重要的推動和促進(jìn)作用。虛擬實驗教學(xué)作為高校教學(xué)工作的重要組成部分，在培養(yǎng)學(xué)生的動手及分析解決問題的能力方面起著不可替代的作用。

2.1國外虛擬仿真實驗的發(fā)展

國外的虛擬現(xiàn)實應(yīng)用與教學(xué)實驗較早，發(fā)展較為迅速，開發(fā)方面領(lǐng)先于國內(nèi)。加拿大Victoria大學(xué)開發(fā)的電子電路虛擬仿真實驗室，可以進(jìn)行電路設(shè)計配線實驗，該虛擬仿真實驗向?qū)W生提供了一個集學(xué)習(xí)指南、示例視頻與交互式練習(xí)為一體的學(xué)習(xí)環(huán)境。澳大利亞RMIT 大學(xué)的John Ball和Kate Patrick設(shè)計的虛擬仿真實驗用于進(jìn)行熱傳遞過程的教學(xué)。美國的北卡羅萊納州立大學(xué)的開發(fā)團隊所開發(fā)的LAAPhysics實驗平臺則是為普通物理實驗服務(wù)的。

2.2國內(nèi)虛擬仿真實驗系統(tǒng)的現(xiàn)狀

國內(nèi)，北京郵電大學(xué)開發(fā)的網(wǎng)絡(luò)虛擬仿真實驗系統(tǒng)，開設(shè)了通信原理以及單片機等實驗課程。華科CCMS中心已經(jīng)開發(fā)出了3套虛擬仿真實驗設(shè)備，分別是“伏安法測電阻”“PTC陶瓷伏安特性”以及“太陽能電池的伏安特性”。中科大人工智能與計算機應(yīng)用實驗室研制出我國第一套虛擬仿真實驗平臺軟件“幾何光學(xué)設(shè)計平臺”。虛擬實驗的分類可以從流程出發(fā)，基于實驗對象、實驗設(shè)計和實驗控制的三維分類[1]。

2.3現(xiàn)狀總結(jié)分析

雖然當(dāng)今各高校都致力于發(fā)展虛擬實驗教學(xué)系統(tǒng)，但大多數(shù)僅徘徊于起步階段，應(yīng)用規(guī)模相對較小，且各課程的虛擬實驗室未能加載于校園網(wǎng)，不能滿足遠(yuǎn)程客戶端對虛擬實驗室的訪問。另外，由于各個課程虛擬實驗室分散，沒有規(guī)范化的系統(tǒng)，造成虛擬教學(xué)系統(tǒng)安全性、信息共享性降低。

國內(nèi)外虛擬實驗系統(tǒng)研究的共同缺點是缺乏交互性，沒有中間過程錯誤提示，基本上是固定步驟，沒有給予學(xué)生思考空間，也就是實驗“驗證性”有余，“創(chuàng)新性”空間不足。其形成的主要原因是缺乏與之相適應(yīng)的教育理論與教育方法，在虛擬實驗系統(tǒng)設(shè)計上重技術(shù)輕教學(xué)理論。仿真系統(tǒng)要想更好地運用于教師教學(xué)和學(xué)生自學(xué)，教育教學(xué)方法的引入才是關(guān)鍵，其中探究式教學(xué)方法的使用對于挖掘?qū)W生潛力、創(chuàng)新學(xué)生思維方面具有重要的作用。

虛擬實驗教學(xué)平臺的設(shè)計，要緊跟教育部指導(dǎo)思想，引領(lǐng)教學(xué)信息化潮流，要有足夠的教育教學(xué)理論支撐，才能提高學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新能力，才能改革高校傳統(tǒng)實驗教學(xué)模式，創(chuàng)新虛擬實驗教學(xué)，讓虛擬實驗系統(tǒng)能夠更好地為教學(xué)服務(wù)。

3探究式網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗系統(tǒng)的設(shè)計

虛擬實驗系統(tǒng)的設(shè)計要遵循人對事物的認(rèn)知過程。這個過程是一個循序漸進(jìn)的認(rèn)知過程，過程的設(shè)計要兼具易于理解、可重復(fù)、可延展等特性，把實驗過程中涉及到的各個對象、對象間的聯(lián)系進(jìn)行充分的考慮和設(shè)計，使學(xué)生在高仿真的實驗環(huán)境中完成實驗過程，并能夠得到思維上的啟發(fā)和挖掘，給學(xué)生創(chuàng)新思考和實踐留下空間。

3.1元認(rèn)知過程設(shè)計

認(rèn)知過程是人對客觀世界的各個對象進(jìn)行觀察、認(rèn)識、通曉、利用的過程。人將世界表現(xiàn)出的眾多信息中有用信息篩檢過濾出來，通過大腦進(jìn)行存儲形成初步認(rèn)知，并通過抽象各個對象的內(nèi)外部規(guī)律，形成概念和人特有的邏輯思維。

美國心理學(xué)家佛拉維爾指出元認(rèn)知是一個人所具有的關(guān)于自己思維活動和學(xué)習(xí)活動的認(rèn)知和監(jiān)控，其核心是對認(rèn)知的認(rèn)知[2]。元認(rèn)知實質(zhì)上是學(xué)生在自我意識控制下，對認(rèn)知過程進(jìn)行的認(rèn)知調(diào)節(jié)。在設(shè)計虛擬實驗系統(tǒng)時，充分考慮學(xué)生自我調(diào)節(jié)能力，幫助學(xué)生完成認(rèn)知調(diào)節(jié)，使學(xué)生的虛擬實驗過程同時也是不斷調(diào)整學(xué)習(xí)策略的過程，教會學(xué)生學(xué)會學(xué)習(xí)。元認(rèn)知過程設(shè)計如圖1所示。

3.2協(xié)同合作學(xué)習(xí)設(shè)計

學(xué)習(xí)團隊是以相同的任務(wù)為共同目標(biāo)，在實現(xiàn)任務(wù)的過程中學(xué)習(xí)團隊成員相互配合、各展所長，在學(xué)習(xí)團隊成員均有一定收獲的同時，能夠完成預(yù)定任務(wù)的發(fā)展性組織。這種合作學(xué)習(xí)是建立在協(xié)同基礎(chǔ)上的，需要聯(lián)合團隊成員掌握的知識才能解決特定的問題。除了要掌握虛擬實驗系統(tǒng)呈現(xiàn)的共享知識外，能夠更好地挖掘?qū)W習(xí)團隊成員的潛在能力，能夠達(dá)到創(chuàng)新學(xué)習(xí)的目的。

虛擬實驗系統(tǒng)教學(xué)性設(shè)計過程模型如圖2所示。

探究式虛擬實驗的過程需要多個學(xué)生共同配合協(xié)同完成。學(xué)生通過合作學(xué)習(xí)能夠更好地將虛擬實驗過程中的各個步驟都進(jìn)行充分的思考，能夠更好地培養(yǎng)學(xué)生的團隊意識。在設(shè)計探究式虛擬實驗系統(tǒng)時，要用虛擬技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實現(xiàn)適應(yīng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)和適合教師課堂教學(xué)過程的功能，使虛擬實驗系統(tǒng)的教學(xué)效果優(yōu)于真實實驗效果。實現(xiàn)多用戶開發(fā)協(xié)同操作是虛擬實驗系統(tǒng)走向網(wǎng)絡(luò)化的必然，是虛擬實驗的直接需要，需要多技術(shù)配合共同完成。

3.3遠(yuǎn)程協(xié)作學(xué)習(xí)場域設(shè)計

基于遠(yuǎn)程協(xié)同的可視化學(xué)習(xí)環(huán)境，要實現(xiàn)在模擬真實實驗課堂的信息場，并將信息更有效、更直觀地傳達(dá)給更多的學(xué)生，通過各種學(xué)習(xí)支持工具有效實現(xiàn)“信息和知識”和特定“角色”以及“場景”的關(guān)聯(lián)，進(jìn)而指導(dǎo)學(xué)生做出決策和行動。因此，從技術(shù)支撐的角度就意味著要充分考慮學(xué)生的個體差異，通過利用虛擬實驗系統(tǒng)進(jìn)行教學(xué)，創(chuàng)設(shè)真實的實驗情境，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題和協(xié)作探究能力。遠(yuǎn)程協(xié)作設(shè)計，可以在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下開展綜合性實驗和創(chuàng)新型實驗，徹底擺脫了傳統(tǒng)實驗硬性條件的束縛，在教學(xué)環(huán)節(jié)的傳播、教學(xué)內(nèi)容的演繹、學(xué)生認(rèn)知規(guī)律的把握、學(xué)生實驗場域設(shè)計等方面都是有別于單機虛擬實驗系統(tǒng)的。

3.4對實驗過程再思考的設(shè)計

探究式虛擬實驗系統(tǒng)設(shè)計重點在于探究，包括對知識內(nèi)容的探究、對行動策略的探究、對操作過程的探究、對實驗結(jié)果的探究和反思實驗過程。這個再思考過程是傳統(tǒng)實驗沒有分配課時的部分，卻是學(xué)生真正學(xué)會學(xué)習(xí)、學(xué)會實踐、學(xué)會思考的重點，所以探究式虛擬實驗系統(tǒng)的實驗再思考尤為重要。學(xué)生能夠依托該模塊產(chǎn)生新經(jīng)驗和能力，能夠促進(jìn)學(xué)生的全面發(fā)展。分析、總結(jié)和反思虛擬實驗的進(jìn)程，敘述自己對實驗的理解和反應(yīng)，總結(jié)問題解決的方法，有助于提高解決問題的能力，主動找出自己的差距和不足并努力縮短差距彌補不足，與學(xué)習(xí)伙伴共同進(jìn)步。反思實驗過程時把虛擬情境與真實世界相比較，把虛擬實驗和現(xiàn)實問題聯(lián)系起來，使得在虛擬情境中掌握的知識經(jīng)驗和解決問題的方法正確有效地遷移于實際情境中，努力做到具體問題具體分析，有步驟、有計劃地處理實際問題[3]。

(1)適應(yīng)虛擬實驗系統(tǒng)的實際需要。通過探索、完善虛擬實驗系統(tǒng)的探究式設(shè)計方案，提供更加有特色的工程人才培養(yǎng)模式，切實提高學(xué)生自我實驗建構(gòu)能力，為虛擬實驗系統(tǒng)的順利應(yīng)用和健康發(fā)展提供助力。

(2)利于形成虛擬實驗系統(tǒng)的特色化設(shè)計。具有開拓性、前瞻性，符合學(xué)生認(rèn)知水平和能力發(fā)展需求，形成特色化的系統(tǒng)設(shè)計是區(qū)別于其他虛擬實驗系統(tǒng)的重點。一切從學(xué)生的角度出發(fā)，學(xué)生除了可以共享學(xué)習(xí)資源外，更重要的是可以協(xié)同實驗，這就為取得更高的實驗教學(xué)效果提供了保障。

(3)設(shè)計以創(chuàng)新能力培養(yǎng)和自我知識建構(gòu)為導(dǎo)向。虛擬實驗教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計，能夠適應(yīng)以能力為導(dǎo)向的項目案例驅(qū)動的分層次教學(xué)方法實施，是課堂教學(xué)的有力補充。學(xué)生能夠隨時根據(jù)需要進(jìn)行實驗內(nèi)容的動態(tài)調(diào)整和深入研究，對學(xué)生創(chuàng)新教育具有重要作用。

4應(yīng)用推廣前景

通過課題的研究與實踐，總結(jié)并形成虛擬實驗系統(tǒng)的人性化設(shè)計，是現(xiàn)代信息技術(shù)手段與現(xiàn)代教育理論的有效結(jié)合，能夠更加有效地應(yīng)用于實驗教學(xué)、優(yōu)化課程教學(xué)結(jié)構(gòu)、創(chuàng)新教學(xué)方法。為下一步建設(shè)和使用虛擬實驗系統(tǒng)輔助實驗教學(xué)，提供強大的教育理論支持，使虛擬實驗系統(tǒng)有更大的適應(yīng)性和使用、發(fā)展空間。能夠在很大程度上改善實驗教學(xué)條件，有利于發(fā)揮學(xué)生的能動性，探索適合虛擬實驗的教學(xué)模式。

在虛擬實驗系統(tǒng)的建設(shè)過程中，教育理論和教學(xué)方法的引入具有至關(guān)重要的作用，關(guān)系到虛擬實驗系統(tǒng)的教學(xué)適應(yīng)性、自學(xué)引導(dǎo)性、知識呈現(xiàn)有效性、知識關(guān)系鏈接性等關(guān)鍵問題。在建設(shè)工科虛擬實驗系統(tǒng)的過程中，幫助學(xué)生進(jìn)行探究和思考，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造力。虛擬實驗系統(tǒng)中選擇適合的教育理論支撐，才能使虛擬實驗系統(tǒng)更加適合學(xué)生的探究式學(xué)習(xí)、適應(yīng)教師教學(xué)，才能成為理論教學(xué)的重要補充，成為實踐培訓(xùn)不可或缺的方式。

參考文獻(xiàn)：

[1]單美賢.虛擬實驗系統(tǒng)的分類研究[J].現(xiàn)代教育技術(shù),2011，(10).

[2]百度百科[EB/OL].http://www.baike.com/wiki.

[3]何恩貴.體驗式虛擬實驗教學(xué)系統(tǒng)的構(gòu)建研究[J].現(xiàn)代中小學(xué)教育,2013，(4).

責(zé)任編輯：柴造坡

作者簡介：第一韓麗艷(1979—)，女，遼寧鐵嶺人，碩士，講師。研究方向：計算機教育。

基金項目：渤海大學(xué)2013年教改立項(編號：JG13QN013)；2014年遼寧省教育廳教學(xué)改革立項(編號：PRP20140150)；2013年遼寧省社會科學(xué)規(guī)劃基金項目(編號：L13CTQ012)

收稿日期：2014-11-24

中圖分類號：G431

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1674-6341(2015)01-0021-03

doi:10.3969/j.issn.1674-6341.2015.01.010