虛擬實驗教學系統研究與開發離“教”有多遠

李 磊

（中國民航管理干部學院，北京 100102）

近年來，隨著計算機技術的進步，虛擬實驗室已得到了廣泛的應用。一般認為，虛擬實驗室（Virtual Laboratory）的概念最早是于1989年由美國弗吉尼亞大學的沃爾夫（William Wolf）提出的[1]。虛擬實驗室是一個綜合不同工具和技術的信息化、網絡化的集成環境。在這個環境里，用戶可以非常有效地利用世界上分布的各種數據、信息、儀器設備及人力等資源。加入因特網的虛擬實驗室可視為建立了一個可以演示、操縱、控制實驗的特殊網站。它的建立大大提高了實驗教學的伸縮性和適應性。

在教育技術研究領域中，虛擬實驗教學逐漸成為研究的熱點，許多實驗教學人員正在試圖開發各種虛擬實驗教學系統來替代傳統的實驗室。這些應用研究已經不限于最早在高校教學中的應用，在基礎教育領域也不斷有新的虛擬實驗教學系統被設計和開發出來。不過當前我國的虛擬實驗教學系統的研究與開發存在工程技術研究多，教學設計研究少的現象。從國內已知的相當數量的文獻中我們發現：當前的虛擬實驗教學研究較多集中在具體的課程應用開發上，這類研究報告往往作為技術報告出現在各種理工類專業刊物上，或是作為在工科學生的畢業論文（設計）出現。在教育研究刊物上對虛擬實驗室的研究也多為區域應用現狀的教育管理學研究，從教學設計角度探討較少。換句話說，當前的虛擬實驗教學研究可能離真正的教育學研究很遠，所設計和開發的系統在教學理論家眼里可能離相對完整的教學系統也還很遠。我們認為，在虛擬實驗室的開發中，仿真模擬是系統的關鍵部分，設計開發者對不同仿真對象的關注決定了這個系統離“教”有多遠。

一、虛擬實驗室的三種仿真對象

我們知道，虛擬實驗室一開始并非作為一個教學系統產生的。早期的虛擬實驗僅僅只是一種實驗工作環境，只是后來人們發現可以用于教學，并逐漸作為教學系統的一部分來關注。在這個發展過程中，出現了三種仿真對象：虛擬儀器、虛擬場景和虛擬環境。

1.虛擬儀器

虛擬儀器是虛擬實驗室的最早形式之一，或者說是為了適應大型實驗儀器的替代與開放性需求而產生的，只到今天，在工程設計中，虛擬儀器仍然是主要的形式，并已產生許多優秀的仿真模擬平臺來部分替代相關大型實驗儀器。在虛擬實驗室應用于教學的早期，虛擬儀器可以安全替代易損或昂貴的真實實驗器材讓學生模擬操作完成實驗任務。如在物理電工實驗中，虛擬實驗可以替代龐大的電工實驗操作臺，通過鼠標連線替代實際的連線操作。虛擬儀器是對學習材料的模擬，用于實驗教學往往只能提供替代儀器的操作訓練。

2.虛擬場景

很顯然，僅僅對學習者進行技能的操練是不夠的，虛擬儀器遠不能滿足教學的需要。大多數實驗教學任務并非單純操作技能的訓練，而是希望能夠培養學生解決實際問題的能力。也就是說，大多數情況下，教師要給學習者提供特定的問題情境，并要求學習者選擇利用相關虛擬儀器來完成認知任務。虛擬儀器是這個工作場景的組成部分。虛擬場景可以來自現實的問題情境，也可以是現實中沒有發生但是可能發生的情境，是可變的，并且依賴于特定的學習任務。虛擬場景的設計本質上是一個教學設計問題。相反，虛擬儀器在不同的場景中是不變的，它僅僅是對已經存在的真實儀器的仿真模擬，是單純的工程技術問題。

3.虛擬環境

虛擬場景這種對問題情境的仿真只是對學習的物理環境的模擬?？茖W家協同工作的現實給了學習與教學研究者更多的啟發。人們意識到，真正的學習環境不僅僅是物理的（場景），也是社會性的。好的教學系統應該同時為學習者提供物理的和社會的仿真環境。虛擬實驗室最早用于研究和開發時，交互平臺只是一個實現協同研究的技術手段，但是現在的教學理論家已經把科學研究者之間的互動本身看作了學習對象的一部分。因此，作為教學系統的虛擬實驗室，學習者需要一個能夠獲得接近現實的社會文化互動環境[2]。可見虛擬環境設計實際上把傳統的技術層面的交互平臺設計也納入教學設計中來。

二、適應教學需要的虛擬實驗系統的特征

虛擬實驗室一經提出實際上就被應用于兩個不同但又相互關聯的領域：協同研究和實驗教學。許多研究者往往不去關注這種差異，企圖通過開發一個通用平臺來滿足兩方面的需要。他們實際上是想把教學設計的工作留給教師自己來完成?？梢娨胱屘摂M實驗教學系統離教更近，就必須重視教學型虛擬實驗室的特殊性。我們認為教學型虛擬實驗室至少要突出以下特征。

1.工作環境的預設性

很顯然，教師在實施虛擬實驗教學之前必須要有教學設計，也就是說教師要通過對學習環境的控制來引導實驗人員（學習者）的特定學習行為和認知情感結果的發生。教學設計必須由教師根據教學目標來做出，即使在一個自學系統中，學習任務也并非完全由學習者自行組織的。不像在研發型虛擬實驗室中，研發人員只要通過對工作環境（參數）的控制來模擬特定原型系統的運行結果的產生，其操作環境往往是一種由實驗人員自行組織的工作環境。通用平臺的開發對于研發型虛擬實驗室來說已經足夠了，但對教學型虛擬實驗室來說則無法滿足教師的需要。除了在用戶類型里增加教師用戶外，必須提供更多子系統來支持這種教師對工作環境的預設需要，這可能要有一個知識庫系統，也可能還有其他更多的。

2.對學習情境的追求

學習情境的創設無疑是一個教學系統的主要任務，適應教學需要的虛擬實驗室系統，應該在這一任務中發揮更大的作用，而不是完全留給教師來完成。在研發型虛擬實驗室中，工作環境本身往往不需要系統開發人員專門去設計，相反要提供用戶足夠大的自主設置空間。工作平臺的技術指標是開發者最大的追求。虛擬儀器是這類系統設計中非常普遍的仿真形式，虛擬環境或是虛擬場景對這類虛擬實驗室而言可以不必考慮。而對于教學需要來說，學習情境既是學習條件也是學習對象，特別是當工作平臺本身也成為學習對象的一部分的時候，我們就必須把虛擬環境的設計作為系統設計的核心，因此，我們不應該也不可能把創設學習情境的任務完全留給教師來完成。

3.對學習者發展的關注

任何一個教學系統都應該關注的是學習者的發展，在教學型虛擬實驗室中，系統應該關注學習者通過實驗操作后，對特定情境的認識水平的提高；或者更關心學習者對特定實踐技能、問題解決能力的掌握。系統需要通過各種認知任務成果信息資料的收集，依照特定教學評價標準對學習者做出評價。為了對學習者的發展這個非直接結果作出判斷，在這個系統中，評價應該是系統結構中的一個重要部分。而對評價子系統的設計取決于開發者教育評價觀，與教學設計直接關聯。

三、構建真正符合教學規律的虛擬實驗室

建構主義認為，學習是建構內在心理表征的過程。學習者并不是把知識從外界搬到記憶中，而是以已有的經驗為基礎通過與外界的相互作用來獲取、建構新知識的過程，所以建構主義強調學習環境的設計。建構主義強烈推薦學生要在真實的情境下進行學習，要減少知識與解決問題之間的差距，強調知識的遷移能力的培養。我們認為好的虛擬實驗教學系統在各個開發環節中，都應體現這一思想。

1.需求分析

學習是一種有意義的社會協商，學習環境由情境、協作、對話和意義建構四個要素構成。情境是意義建構的基本條件，師生、生生之間的協作和對話是意義建構的核心環境，意義建構則是學習的目的。虛擬實驗教學系統的需求分析要圍繞建立以學習者為中心的學習環境這一目標。由于在這個學習環境中的教師不再是知識的傳授者，而是學習者在學習過程中的幫助者、指導者。對用戶的需求分析應該重點關注學習者的認知需求和學習方式需求，特別是要滿足學習者在線自學的要求；滿足學習者掌握知識，并進行思維、想象、知識遷移等訓練的要求；滿足學習者交互活動及獲得支架的要求；滿足學生對自測及自我評價的要求。在這一前提下，要0關注教師學習環境控制需求。

2.系統結構

虛擬實驗室教學系統要重點關注學習對象、學習評價、管理平臺等方面的子系統。這里的學習對象已經超出了一般學習對象的概念，不能只提供知識庫，虛擬儀器等，應該從虛擬環境角度來認識學習對象，對系統架構的設計也要當作學習對象來考慮；學習評價系統中評價指標的選擇和考察資料的采集是決定該系統效度的重要因素，它取決于系統設計者信奉何種學習與教學理論；管理平臺則要適應教師教學設計和評估的需要而特殊考慮。可見，要開發一個充分適應教學需要的虛擬實驗室，已經不可能把主要注意力放在了虛擬儀器和一般工作平臺的設計上了。

3.技術選擇

教學設計要為學習者創設含有真實問題或真實事件的情境，使學習者產生學習的需要，并通過學習共同體成員之間的互動、對話，實現主動學習。學習環境應當為學習者建構對知識的理解提供一種概念框架，這種框架中的概念是為發展學習者對問題的進一步理解所需要的。因此，好的虛擬實驗教學系統應該在提高虛擬環境的仿真水平上多下功夫，促進學習者獲得知識和能力可以進行較為寬廣的遷移和應用。虛擬環境要綜合應用多媒體技術，再現現實的工作情境。虛擬現實（VR）實驗室將是未來的發展方向。目前虛擬環境的實現技術主要包括Java技術、flash技術、ActiveX技術、QTVR技術和VRML技術，VRML技術是在虛擬現實實驗室開發中最具有應用前景的技術。