虛擬學具的研發

　　本文指的學具是提供給學生按照教學要求進行動手加工、組裝或操作的基本材料和器具。心理學研究表明，個體認知規律是“感知一表象一概念”，學生思維的具體性與學科知識的抽象性之間存在矛盾，而學具為學生提供便于抽象概括的感知材料，讓學生在操作的學習過程中，變被動地聽講為主動地探究，使其充分調動各種感官參與學習活動，體驗知識的動態生成，形成知識的表象，從事物的表象中概括出事物的本質特征和規律，建構新概念，并能深刻地理解運用。因而，基于學具的教學歷來是學科教學的重要方式之一。
　　學具的發展，經歷了兩次“飛躍”，從傳統的木質、塑質等學具，飛躍到電動學具，再飛躍到虛擬學具，每一次飛躍都滲透著科技發展的深刻影響。隨著信息技術對人們社會文化生活影響的加劇，虛擬世界逐漸成為現實世界不可忽視的存在，因此，虛擬學具完全有可能成為未來學具的主要形式之一且被廣泛應用于日常教學中。
　　現代教育技術的新產物：虛擬學具及其特點
　　虛擬現實是利用計算機模擬產生一個三度空間的虛擬世界，為使用者提供了關于視覺、聽覺、觸覺等感官的模擬，讓使用者身臨其境，可以及時、沒有限制地觀察三度空間內的事物。使用者進行位置移動時，電腦還可以立即進行復雜的運算，將精確的3D影像傳回，令使用者產生現場感。作為新一代計算機的產物，虛擬學具主要是指應用于學科教學的專題性工具軟件，是一種為學生提供學習活動的互動多媒體程序，或者說，虛擬學具是一種為了幫助學生更好地學習而開發的基于電腦設備和互聯網的交互式、可視化、模擬人或物的數字化學習工具，它允許學生像使用真實學具那樣，通過操控動態的虛擬物件，進行相應的學習和探索。
　　較之傳統學具，虛擬學具在感知維度、擴展使用、狀態保存等方面都更具優勢，可以解決實物學具成本高、數量少、設計單一、使用效率不高及管理、維護困難等問題。同時，不同于以單向信息傳遞為主的計算機模型演示，虛擬學具能創設具有交互式及動態特性的虛擬學習環境，它具有以下特點：一是交互性，學生可以在模擬環境中直接通過鼠標操控或手控操作虛擬化的物件進行學習探索，二是動態性，靜態三維圖形能隨著具體的操作進行連續的變化，從而展現出動態變化的過程，三是虛擬學具不受學習時間、空間的約束，可以最大限度地共享資源，等等。正是由于虛擬學具的特性，能夠使其在教學實踐中發揮出更大的、特殊的功用。
　　當代學生學習方式變革的新支架：虛擬學具研發的教育背景及其功能分析
　　新課程改革重點之一是促進學生學習方式的變革。轉變學習方式就是要倡導學生自主學習；就是要突出學生在學習過程中的發現、探究和研究等認知過程，就是要培養學生創新精神和實踐能力。學習方式的變革除教育觀念上的革新外，最重要的是要為新的學習方式提供必要的課程資源，即向學生提供主動探索、有效思維和積極體驗的物質載體。而虛擬學具的研發和使用正是把現代信息技術作為學生學習的強有力工具，其最根本的價值目標就是最大限度地為學生提供實踐活動的平臺和物質載體，盡可能地給學生提供機會進行直觀形象的觀察、切實深刻的操作及獨立思考理解，將學生自主性、探索性的學習活動落到實處，在實際的操作、整理、分析和探索中體驗學習過程并有效地發展創新思維。新課改要求我們以全新的視角去審視虛擬學具的現實內涵，以發展的眼光全面解讀它的價值取向。
　　1.虛擬學具的使用能夠促進學生主體意識的發展。促進學生自主性，探究性學習
　　新課程改革要求努力實現師生關系的民主與平等，把課程目標的達成集中于現實的、有意義的、富有挑戰性的學習活動之中，倡導學生主動參與、勤于動手、樂于探究。虛擬學具可以創設高技術含量的學習情境，引導學生大膽探索實踐，充分體現了學生在教學過程中的主體地位。學生通過直接操控虛擬學具可以進行主動的學習探索，從“看”到“做”，把學習變成學生主動性、能動性和獨立性不斷發展和提升的過程。
　　2.虛擬學具的使用能夠將認知信息化靜為動，突出學習過程中發現、探究等認知過程
　　新課程改革倡導關注學生在學習過程中的認知和體驗。心理學家認為，學生智力技能的形成，常常是在外部動作技能的基礎上發生、發展的，是一個由外部的物質活動向內部的認知心理活動轉化的過程。虛擬學具以或顏色、或形狀、或操作的方式，具體呈現豐富的、動態的變化過程。學生在操作虛擬學具過程中從靜態思維切換到動態思維，將認知信息融會貫通，不斷內化深入，建構復雜抽象的概念和原理，并在操作學習活動的過程中嘗試應用、積極體驗，使學習的過程成為發現問題、分析問題和解決問題的過程，從而提高學習效益。
　　3.虛擬學具的使用能夠激發學生學習的興趣，為培養學生創造性思維提供平臺
　　新課程改革關注學生的學習興趣。學生面對靜態呆板的課本和板書，難免枯燥乏味，而虛擬學具能為教學創設一個生動有趣的教學情境，使教學具有形象性、多樣性、新穎性、趣味性、直觀性、豐富性等特點，從而改善學生的學習興趣和態度。新課程改革強調素質教育要以培養學生的創新精神為重點。虛擬學具的使用可以展示學生創造性思維的過程，從而發展學生創造性的思維品質，培養學生的創造能力。
　　總之，虛擬學具作為新的高科技課程資源，能夠成為促進學生自主學習的認知工具、情感激勵工具、豐富教學環境的創設工具，能夠促進學生傳統學習方式的根本變革，籽極大推動教學模式、教學技術手段的優化和創新。由此可見，虛擬學具在教學實踐中具有極大的研發和應用價值。
　　學習科學研究的新拓展：虛擬學具基于設計的研究及其開發
　　1.基于學習科學的虛擬學具研究與開發
　　學習科學無疑是當代關于學習研究的前沿地帶。作為一個多學科交叉的研究領域，學習科學的研究共同體以研究和探索學習的本質與機制、創新學習的理論與方法、創建高技術含量的學習環境、探索和提高人類學習績效為己任。借助現代教育技術，在以學習者為中心的設計理念的催生下，學習科學逐漸演化成了教育改革與發展的核心動力與思想源泉。虛擬學具的研究和開發體現著學習科學研究的基本特征。
　　其一，學習科學研究充分重視以智能技術為研究工具和支撐，重視學習技術的研發。學習科學實踐共同體通過對學習的理解設計學習軟件和開發課程材料，把設計變成產品。虛擬學具作為學習技術研發的產物，正是貫穿學習科學用技術改變人類學習績效的基本原則和重要思想，為學生的深度學習提供支架，實現將內隱知識外化和闡明，為深度理解進行反思或元認知，建構從具體知識到抽象知識的學習過程，從而使學習科學創造一個區別于傳統的、高技術含量的學習環境的設想成為可能。
　　其二，學習科學重視科學研究與教育實踐的緊密結合，在探索學習基本規律的同時，力求把學習科學的研究成果應用于學校系統，推進教育創新。學習科學由于關注真實世界的學習現象而有別于傳統研究，明確提出把研究對象從實驗室轉向課堂并超越課堂，體現了學習科學之于教育創新的重要價值。虛擬學具作為學習科學的教育實踐課題，來自于教育真實世界的需要，能夠解決學校、課堂及各種學習情境中的具體問題，真正實現以技術促進學習和革新教育。在虛擬學具開發的平臺上，學習科學致力于學習工具的開發和學習理論的構建，給學習研究和實踐帶來新突破，在學習理論與實踐之間搭建起了一座橋梁。
　　2.虛擬學具基于設計的研究范式
　　由于學習科學研究者來自不同的領域，有關基于設計研究的涵義解讀也是見仁見智。我國學者祝智庭將基于設計的研究特征概括為實用性、務實性、迭代性、整合性和情境性，虛擬學具設計開發體現基于設計的研究特征。首先，基于設計的研究作為一種統合的研究范式給予虛擬學具研究一種全新視角。虛擬學具通過對學習工具的系統設計來實現對學習的研究，將學具設計、整合的實踐和理論的應用與學習過程的研究更緊密地結合起來。其次，基于設計的研究為虛擬學具的設計研究、開發及應用提供一套工作模式。在課堂真實、自然的研究情境中，虛擬學具研發者采用研究者參與設計、在課堂情境中實施、研究情境中的學習、提煉學習理論、參與重新設計、繼續執行循環的研究模式，其過程要經歷多個開發階段。新的學習科學理論的發展會給虛擬環境的開發指明新的方向，新的計算機技術和虛擬現實技術的出現也會給虛擬學具的設計帶來許多新構想。因此，在虛擬學具開發中需遵循基于設計研究“迭代”的思想，在每一個階段都應用新技術注入新思想，使虛擬學具的功能得以不斷完善，并生成相關學習科學理論，進而促進理論、技術與實踐的和諧發展。
　　學習工具設計開發的新構想：虛擬學具的設計標準及其研發機制
　　在學習科學理論指導下的虛擬學具的設計與開發，從最初的學習需求分析到最終的產品使用評價及迭代設計，其間需經歷一個復雜的過程，只有對這個過程進行科學合理的統籌規劃，遵循可持續的技術開發原則，合理利用資源，才能保證其開發過程順利、高效地進行，也才能實現虛擬學具在教學實踐中應用價值的最大化。
　　1.虛擬學具的設計研發應建立全新的設計評價標準
　　虛擬學具應用于教學實踐，尚處在探索和嘗試階段，這是一個比較復雜的問題，其教學效果并不一定能完全通過顯性的指標和外在的行為表現出來，可能更多的是一種潛在的、隱性的和長期的效果，應建立新的設計、評價標準。
　　第一，教育性標準。虛擬學具作為服務于教學的課程資源，必須以實現教學目標、滿足教學實際需求為原則。應緊緊圍繞課程標準來設計，依據課程標準將學科基本知識技能及要求做系統的梳理，形成各學科的知識體系和知識點，據此進行系統的學具設計開發。虛擬學具設計的出發點和歸宿都應該是促進學生學習，它所追求的主要是學具的內在特征。虛擬學具應當是學生探究學習中的“腳手架”，其設計應確保學生在這樣的支架上可以順利進行探究性學習，應避免跟隨技術潮流盲目設計開發而導致實用價值的降低。
　　第二，體驗性標準。虛擬學具是要讓學生在積極的體驗中獲得準確的知識技能，所以，對其評價不能僅僅用考試分數等傳統的考核標準來衡量，而要將學生在學習過程中獲得知識的學習體驗和感受納入其中，突出以人為本。
　　第三，技術性標準，虛擬學具的設計開發技術是重要保障，用于探究學習的優質虛擬教具資源對情境設計和技術要求很高，虛擬學具技術性評價的重點是開發技術的可操作性和易實現性，場景渲染的真實性，畫面生成的逼真性，圖形繪制的方便性，集成作品的交互性、參與性，管理和可修改性等等。
　　第四，藝術性標準。虛擬學具呈現的是多維感官共同作用的立體信息，這些信息符號并非雜亂無章的堆積，而是藝術思維的滲透。在遵循人類視覺規律和審美規律的基礎上，應以藝術的形式呈現學具內容，在融入教學內容的同時體現趣味性。虛擬學具可與教育游戲適度結合，激發學生的學習興趣，以達到最佳學習效果。
　　2.虛擬學具的設計應組建強大的研發團隊，建立資源共享平臺
　　優質的虛擬學具應該具有教育性、科學性、技術性和藝術性等特征，其研發涉及學習科學、教育技術學、心理學、傳播學、設計藝術學、計算軟件與理論、計算機應用技術等學科的研究領域，需要包括教學設計專家、心理專家、軟件開發技術人員，一線教師甚至是學生在內的專業團隊來實現。來自一線的教師負責提出課程內容，保證虛擬學具內容的正確性與適用性；教育研究人員運用相關學習科學理論，保證虛擬學具具有教育性；學具設計人員負責設計組織，將課程內容與虛擬環境更好地融合，保證虛擬環境的科學性，計算機科學家和設計藝術家主要運用計算機技術和虛擬現實技術來開發虛擬環境，并達到技術性和藝術性的統上。同時，有關部門應協調各研發團體建立虛擬學具資源共享平臺，推動優質學具資源在最大范圍內的共享利用，避免重復性勞動。
　　目前國內優質學習資源十分匱乏，虛擬學具的研究設計尚處于起步階段，開發和使用缺乏統一的協調。但虛擬學具在提高學生學習績效、促進課程改革方面的潛能越來越被關注，需要各類專業人才投入研究，這是學習科學實踐共同體未來工作的重要內