虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)研究與開發(fā)離“教”有多遠(yuǎn)

李 磊

（中國(guó)民航管理干部學(xué)院，北京 100102）

近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，虛擬實(shí)驗(yàn)室已得到了廣泛的應(yīng)用。一般認(rèn)為，虛擬實(shí)驗(yàn)室（Virtual Laboratory）的概念最早是于1989年由美國(guó)弗吉尼亞大學(xué)的沃爾夫（William Wolf）提出的[1]。虛擬實(shí)驗(yàn)室是一個(gè)綜合不同工具和技術(shù)的信息化、網(wǎng)絡(luò)化的集成環(huán)境。在這個(gè)環(huán)境里，用戶可以非常有效地利用世界上分布的各種數(shù)據(jù)、信息、儀器設(shè)備及人力等資源。加入因特網(wǎng)的虛擬實(shí)驗(yàn)室可視為建立了一個(gè)可以演示、操縱、控制實(shí)驗(yàn)的特殊網(wǎng)站。它的建立大大提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的伸縮性和適應(yīng)性。

在教育技術(shù)研究領(lǐng)域中，虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)逐漸成為研究的熱點(diǎn)，許多實(shí)驗(yàn)教學(xué)人員正在試圖開發(fā)各種虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)來(lái)替代傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室。這些應(yīng)用研究已經(jīng)不限于最早在高校教學(xué)中的應(yīng)用，在基礎(chǔ)教育領(lǐng)域也不斷有新的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)被設(shè)計(jì)和開發(fā)出來(lái)。不過當(dāng)前我國(guó)的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的研究與開發(fā)存在工程技術(shù)研究多，教學(xué)設(shè)計(jì)研究少的現(xiàn)象。從國(guó)內(nèi)已知的相當(dāng)數(shù)量的文獻(xiàn)中我們發(fā)現(xiàn)：當(dāng)前的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究較多集中在具體的課程應(yīng)用開發(fā)上，這類研究報(bào)告往往作為技術(shù)報(bào)告出現(xiàn)在各種理工類專業(yè)刊物上，或是作為在工科學(xué)生的畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）出現(xiàn)。在教育研究刊物上對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)室的研究也多為區(qū)域應(yīng)用現(xiàn)狀的教育管理學(xué)研究，從教學(xué)設(shè)計(jì)角度探討較少。換句話說，當(dāng)前的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究可能離真正的教育學(xué)研究很遠(yuǎn)，所設(shè)計(jì)和開發(fā)的系統(tǒng)在教學(xué)理論家眼里可能離相對(duì)完整的教學(xué)系統(tǒng)也還很遠(yuǎn)。我們認(rèn)為，在虛擬實(shí)驗(yàn)室的開發(fā)中，仿真模擬是系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，設(shè)計(jì)開發(fā)者對(duì)不同仿真對(duì)象的關(guān)注決定了這個(gè)系統(tǒng)離“教”有多遠(yuǎn)。

一、虛擬實(shí)驗(yàn)室的三種仿真對(duì)象

我們知道，虛擬實(shí)驗(yàn)室一開始并非作為一個(gè)教學(xué)系統(tǒng)產(chǎn)生的。早期的虛擬實(shí)驗(yàn)僅僅只是一種實(shí)驗(yàn)工作環(huán)境，只是后來(lái)人們發(fā)現(xiàn)可以用于教學(xué)，并逐漸作為教學(xué)系統(tǒng)的一部分來(lái)關(guān)注。在這個(gè)發(fā)展過程中，出現(xiàn)了三種仿真對(duì)象：虛擬儀器、虛擬場(chǎng)景和虛擬環(huán)境。

1.虛擬儀器

虛擬儀器是虛擬實(shí)驗(yàn)室的最早形式之一，或者說是為了適應(yīng)大型實(shí)驗(yàn)儀器的替代與開放性需求而產(chǎn)生的，只到今天，在工程設(shè)計(jì)中，虛擬儀器仍然是主要的形式，并已產(chǎn)生許多優(yōu)秀的仿真模擬平臺(tái)來(lái)部分替代相關(guān)大型實(shí)驗(yàn)儀器。在虛擬實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用于教學(xué)的早期，虛擬儀器可以安全替代易損或昂貴的真實(shí)實(shí)驗(yàn)器材讓學(xué)生模擬操作完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)。如在物理電工實(shí)驗(yàn)中，虛擬實(shí)驗(yàn)可以替代龐大的電工實(shí)驗(yàn)操作臺(tái)，通過鼠標(biāo)連線替代實(shí)際的連線操作。虛擬儀器是對(duì)學(xué)習(xí)材料的模擬，用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)往往只能提供替代儀器的操作訓(xùn)練。

2.虛擬場(chǎng)景

很顯然，僅僅對(duì)學(xué)習(xí)者進(jìn)行技能的操練是不夠的，虛擬儀器遠(yuǎn)不能滿足教學(xué)的需要。大多數(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)任務(wù)并非單純操作技能的訓(xùn)練，而是希望能夠培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問題的能力。也就是說，大多數(shù)情況下，教師要給學(xué)習(xí)者提供特定的問題情境，并要求學(xué)習(xí)者選擇利用相關(guān)虛擬儀器來(lái)完成認(rèn)知任務(wù)。虛擬儀器是這個(gè)工作場(chǎng)景的組成部分。虛擬場(chǎng)景可以來(lái)自現(xiàn)實(shí)的問題情境，也可以是現(xiàn)實(shí)中沒有發(fā)生但是可能發(fā)生的情境，是可變的，并且依賴于特定的學(xué)習(xí)任務(wù)。虛擬場(chǎng)景的設(shè)計(jì)本質(zhì)上是一個(gè)教學(xué)設(shè)計(jì)問題。相反，虛擬儀器在不同的場(chǎng)景中是不變的，它僅僅是對(duì)已經(jīng)存在的真實(shí)儀器的仿真模擬，是單純的工程技術(shù)問題。

3.虛擬環(huán)境

虛擬場(chǎng)景這種對(duì)問題情境的仿真只是對(duì)學(xué)習(xí)的物理環(huán)境的模擬。科學(xué)家協(xié)同工作的現(xiàn)實(shí)給了學(xué)習(xí)與教學(xué)研究者更多的啟發(fā)。人們意識(shí)到，真正的學(xué)習(xí)環(huán)境不僅僅是物理的（場(chǎng)景），也是社會(huì)性的。好的教學(xué)系統(tǒng)應(yīng)該同時(shí)為學(xué)習(xí)者提供物理的和社會(huì)的仿真環(huán)境。虛擬實(shí)驗(yàn)室最早用于研究和開發(fā)時(shí)，交互平臺(tái)只是一個(gè)實(shí)現(xiàn)協(xié)同研究的技術(shù)手段，但是現(xiàn)在的教學(xué)理論家已經(jīng)把科學(xué)研究者之間的互動(dòng)本身看作了學(xué)習(xí)對(duì)象的一部分。因此，作為教學(xué)系統(tǒng)的虛擬實(shí)驗(yàn)室，學(xué)習(xí)者需要一個(gè)能夠獲得接近現(xiàn)實(shí)的社會(huì)文化互動(dòng)環(huán)境[2]?？梢娞摂M環(huán)境設(shè)計(jì)實(shí)際上把傳統(tǒng)的技術(shù)層面的交互平臺(tái)設(shè)計(jì)也納入教學(xué)設(shè)計(jì)中來(lái)。

二、適應(yīng)教學(xué)需要的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的特征

虛擬實(shí)驗(yàn)室一經(jīng)提出實(shí)際上就被應(yīng)用于兩個(gè)不同但又相互關(guān)聯(lián)的領(lǐng)域：協(xié)同研究和實(shí)驗(yàn)教學(xué)。許多研究者往往不去關(guān)注這種差異，企圖通過開發(fā)一個(gè)通用平臺(tái)來(lái)滿足兩方面的需要。他們實(shí)際上是想把教學(xué)設(shè)計(jì)的工作留給教師自己來(lái)完成。可見要想讓虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)離教更近，就必須重視教學(xué)型虛擬實(shí)驗(yàn)室的特殊性。我們認(rèn)為教學(xué)型虛擬實(shí)驗(yàn)室至少要突出以下特征。

1.工作環(huán)境的預(yù)設(shè)性

很顯然，教師在實(shí)施虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)之前必須要有教學(xué)設(shè)計(jì)，也就是說教師要通過對(duì)學(xué)習(xí)環(huán)境的控制來(lái)引導(dǎo)實(shí)驗(yàn)人員（學(xué)習(xí)者）的特定學(xué)習(xí)行為和認(rèn)知情感結(jié)果的發(fā)生。教學(xué)設(shè)計(jì)必須由教師根據(jù)教學(xué)目標(biāo)來(lái)做出，即使在一個(gè)自學(xué)系統(tǒng)中，學(xué)習(xí)任務(wù)也并非完全由學(xué)習(xí)者自行組織的。不像在研發(fā)型虛擬實(shí)驗(yàn)室中，研發(fā)人員只要通過對(duì)工作環(huán)境（參數(shù)）的控制來(lái)模擬特定原型系統(tǒng)的運(yùn)行結(jié)果的產(chǎn)生，其操作環(huán)境往往是一種由實(shí)驗(yàn)人員自行組織的工作環(huán)境。通用平臺(tái)的開發(fā)對(duì)于研發(fā)型虛擬實(shí)驗(yàn)室來(lái)說已經(jīng)足夠了，但對(duì)教學(xué)型虛擬實(shí)驗(yàn)室來(lái)說則無(wú)法滿足教師的需要。除了在用戶類型里增加教師用戶外，必須提供更多子系統(tǒng)來(lái)支持這種教師對(duì)工作環(huán)境的預(yù)設(shè)需要，這可能要有一個(gè)知識(shí)庫(kù)系統(tǒng)，也可能還有其他更多的。

2.對(duì)學(xué)習(xí)情境的追求

學(xué)習(xí)情境的創(chuàng)設(shè)無(wú)疑是一個(gè)教學(xué)系統(tǒng)的主要任務(wù)，適應(yīng)教學(xué)需要的虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)，應(yīng)該在這一任務(wù)中發(fā)揮更大的作用，而不是完全留給教師來(lái)完成。在研發(fā)型虛擬實(shí)驗(yàn)室中，工作環(huán)境本身往往不需要系統(tǒng)開發(fā)人員專門去設(shè)計(jì)，相反要提供用戶足夠大的自主設(shè)置空間。工作平臺(tái)的技術(shù)指標(biāo)是開發(fā)者最大的追求。虛擬儀器是這類系統(tǒng)設(shè)計(jì)中非常普遍的仿真形式，虛擬環(huán)境或是虛擬場(chǎng)景對(duì)這類虛擬實(shí)驗(yàn)室而言可以不必考慮。而對(duì)于教學(xué)需要來(lái)說，學(xué)習(xí)情境既是學(xué)習(xí)條件也是學(xué)習(xí)對(duì)象，特別是當(dāng)工作平臺(tái)本身也成為學(xué)習(xí)對(duì)象的一部分的時(shí)候，我們就必須把虛擬環(huán)境的設(shè)計(jì)作為系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心，因此，我們不應(yīng)該也不可能把創(chuàng)設(shè)學(xué)習(xí)情境的任務(wù)完全留給教師來(lái)完成。

3.對(duì)學(xué)習(xí)者發(fā)展的關(guān)注

任何一個(gè)教學(xué)系統(tǒng)都應(yīng)該關(guān)注的是學(xué)習(xí)者的發(fā)展，在教學(xué)型虛擬實(shí)驗(yàn)室中，系統(tǒng)應(yīng)該關(guān)注學(xué)習(xí)者通過實(shí)驗(yàn)操作后，對(duì)特定情境的認(rèn)識(shí)水平的提高；或者更關(guān)心學(xué)習(xí)者對(duì)特定實(shí)踐技能、問題解決能力的掌握。系統(tǒng)需要通過各種認(rèn)知任務(wù)成果信息資料的收集，依照特定教學(xué)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)學(xué)習(xí)者做出評(píng)價(jià)。為了對(duì)學(xué)習(xí)者的發(fā)展這個(gè)非直接結(jié)果作出判斷，在這個(gè)系統(tǒng)中，評(píng)價(jià)應(yīng)該是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的一個(gè)重要部分。而對(duì)評(píng)價(jià)子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)取決于開發(fā)者教育評(píng)價(jià)觀，與教學(xué)設(shè)計(jì)直接關(guān)聯(lián)。

三、構(gòu)建真正符合教學(xué)規(guī)律的虛擬實(shí)驗(yàn)室

建構(gòu)主義認(rèn)為，學(xué)習(xí)是建構(gòu)內(nèi)在心理表征的過程。學(xué)習(xí)者并不是把知識(shí)從外界搬到記憶中，而是以已有的經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)通過與外界的相互作用來(lái)獲取、建構(gòu)新知識(shí)的過程，所以建構(gòu)主義強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)環(huán)境的設(shè)計(jì)。建構(gòu)主義強(qiáng)烈推薦學(xué)生要在真實(shí)的情境下進(jìn)行學(xué)習(xí)，要減少知識(shí)與解決問題之間的差距，強(qiáng)調(diào)知識(shí)的遷移能力的培養(yǎng)。我們認(rèn)為好的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)在各個(gè)開發(fā)環(huán)節(jié)中，都應(yīng)體現(xiàn)這一思想。

1.需求分析

學(xué)習(xí)是一種有意義的社會(huì)協(xié)商，學(xué)習(xí)環(huán)境由情境、協(xié)作、對(duì)話和意義建構(gòu)四個(gè)要素構(gòu)成。情境是意義建構(gòu)的基本條件，師生、生生之間的協(xié)作和對(duì)話是意義建構(gòu)的核心環(huán)境，意義建構(gòu)則是學(xué)習(xí)的目的。虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的需求分析要圍繞建立以學(xué)習(xí)者為中心的學(xué)習(xí)環(huán)境這一目標(biāo)。由于在這個(gè)學(xué)習(xí)環(huán)境中的教師不再是知識(shí)的傳授者，而是學(xué)習(xí)者在學(xué)習(xí)過程中的幫助者、指導(dǎo)者。對(duì)用戶的需求分析應(yīng)該重點(diǎn)關(guān)注學(xué)習(xí)者的認(rèn)知需求和學(xué)習(xí)方式需求，特別是要滿足學(xué)習(xí)者在線自學(xué)的要求；滿足學(xué)習(xí)者掌握知識(shí)，并進(jìn)行思維、想象、知識(shí)遷移等訓(xùn)練的要求；滿足學(xué)習(xí)者交互活動(dòng)及獲得支架的要求；滿足學(xué)生對(duì)自測(cè)及自我評(píng)價(jià)的要求。在這一前提下，要0關(guān)注教師學(xué)習(xí)環(huán)境控制需求。

2.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

虛擬實(shí)驗(yàn)室教學(xué)系統(tǒng)要重點(diǎn)關(guān)注學(xué)習(xí)對(duì)象、學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)、管理平臺(tái)等方面的子系統(tǒng)。這里的學(xué)習(xí)對(duì)象已經(jīng)超出了一般學(xué)習(xí)對(duì)象的概念，不能只提供知識(shí)庫(kù)，虛擬儀器等，應(yīng)該從虛擬環(huán)境角度來(lái)認(rèn)識(shí)學(xué)習(xí)對(duì)象，對(duì)系統(tǒng)架構(gòu)的設(shè)計(jì)也要當(dāng)作學(xué)習(xí)對(duì)象來(lái)考慮；學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)系統(tǒng)中評(píng)價(jià)指標(biāo)的選擇和考察資料的采集是決定該系統(tǒng)效度的重要因素，它取決于系統(tǒng)設(shè)計(jì)者信奉何種學(xué)習(xí)與教學(xué)理論；管理平臺(tái)則要適應(yīng)教師教學(xué)設(shè)計(jì)和評(píng)估的需要而特殊考慮?？梢?，要開發(fā)一個(gè)充分適應(yīng)教學(xué)需要的虛擬實(shí)驗(yàn)室，已經(jīng)不可能把主要注意力放在了虛擬儀器和一般工作平臺(tái)的設(shè)計(jì)上了。

3.技術(shù)選擇

教學(xué)設(shè)計(jì)要為學(xué)習(xí)者創(chuàng)設(shè)含有真實(shí)問題或真實(shí)事件的情境，使學(xué)習(xí)者產(chǎn)生學(xué)習(xí)的需要，并通過學(xué)習(xí)共同體成員之間的互動(dòng)、對(duì)話，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)學(xué)習(xí)。學(xué)習(xí)環(huán)境應(yīng)當(dāng)為學(xué)習(xí)者建構(gòu)對(duì)知識(shí)的理解提供一種概念框架，這種框架中的概念是為發(fā)展學(xué)習(xí)者對(duì)問題的進(jìn)一步理解所需要的。因此，好的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)應(yīng)該在提高虛擬環(huán)境的仿真水平上多下功夫，促進(jìn)學(xué)習(xí)者獲得知識(shí)和能力可以進(jìn)行較為寬廣的遷移和應(yīng)用。虛擬環(huán)境要綜合應(yīng)用多媒體技術(shù)，再現(xiàn)現(xiàn)實(shí)的工作情境。虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）實(shí)驗(yàn)室將是未來(lái)的發(fā)展方向。目前虛擬環(huán)境的實(shí)現(xiàn)技術(shù)主要包括Java技術(shù)、flash技術(shù)、ActiveX技術(shù)、QTVR技術(shù)和VRML技術(shù)，VRML技術(shù)是在虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室開發(fā)中最具有應(yīng)用前景的技術(shù)。