桌面虚拟实验促进学生操作技能迁移的验证与分析

2011-12-14 05:15:12刘兴波王广新
中国远程教育 2011年21期
关键词:操作技能桌面虚拟现实

□ 刘兴波 王广新

桌面虚拟实验促进学生操作技能迁移的验证与分析

□ 刘兴波 王广新

国内对通过虚拟实验培养学生操作技能的研究结果鲜有明晰的结论,本研究采用实验方法,对通过虚拟实验培养学生操作技能的绩效进行了实证研究。研究中把学生分成三组,他们分别通过说明书、说明书与虚拟实验、说明书与真实实验三种方式进行学习,此后对三组学生操作投影机的时间进行测量,用单因素方差分析法和Scheffe多重检验法等方法分析三组学生之间的绩效差异,以此检验虚拟实验对学生操作技能迁移的作用。初步的研究结果表明,对于简单的感知运动任务而言,能产生从虚拟实验到真实实验的正迁移效应。

虚拟现实;虚拟实验;操作技能;迁移

一、研究背景与目的

1.研究背景

实验教学一直是学校教学改革的重点和难点,但学校长期存在的办学经费不足“使得实验室建设缓慢,仪器设备更新率低,实验教学内容陈旧,无法满足创新实验的目的”。为达到培养学生创新精神和实践能力的目的,学校一方面加大经费投入改善实验教学的条件,另一方面改革实验教学的方法。在实验环节中引入虚拟现实技术、创建虚拟实验情境,是实验教学改革的成果之一。虚拟现实是以计算机技术为核心,结合相关科学技术,生成与真实环境在视、听、触觉等方面高度近似的数字化环境,用户借助必要的装备与数字化环境中的对象进行交互、相互影响,可以产生亲临对应真实环境的感受和体验。[1]虚拟实验系统可以模拟现实世界中某一领域的知识和过程,或部分替代真实的实验环境,或为真实的实验做准备,是实验教学活动的有力支持。

国内外教育界都非常重视虚拟实验系统的设计与开发,许多虚拟实验系统已投放市场,并在实验教学中得到了广泛的应用。一些研究者对基于虚拟现实技术开发的虚拟实验所具有的潜在能力进行了研究,认为与真实实验相比,虚拟实验能提供非常详细的反馈,可以对学生的操作行为进行更加精确的测量,能够提高实验教学的质量。但从现有文献来看,国内许多研究者所提出的研究结论都是根据虚拟实验的特征和学生在实验过程的一般表现进行的分析和描述,实验教学的质量具体体现在哪些方面还有待于更加详细科学的验证。

2.研究目的

实验教学是指在教师指导下,学生亲自动手,运用实验手段,借助仪器设备,选择适当技术方法,观察、探索自然现象的运动变化,从而获取感性知识,加深理解,进而揭示实验对象本质的活动。[2]从实验教学的概念可以看出,实验教学的目的包括符号性学习、观察性学习,但更重要的是技能性学习,如实验中的设备使用、实验操作和故障的处理等。[3]

所谓技能一般认为是通过练习而形成的合乎法则的活动方式。按照加涅的学习结果理论,技能包括动作技能和智慧技能。动作技能包括两种成分:一是描述如何进行运动的规则,二是因练习与反馈而逐渐变得精确和连续的实际肌肉运动。动作技能在实验教学中一般又称为操作技能,它是学生在知识学习的基础上,主要借助于骨骼、肌肉和相应的神经系统帮助,通过实验练习活动而形成的符合法则的操作活动方式。

国内一些研究者在对虚拟实验系统的作用进行描述时,常常将之简单归结为能提高学生的“使用、管理和维护实验设备的能力”、“能提高学生的动手能力”等,只有少数研究者利用实验研究法和心理学原理,验证、分析了桌面实验系统对学生技能发展的作用,如杨雪等[4]、于洪涛等[5]、俞俊民等[6]从心理学的视角分析了学生利用桌面虚拟实验系统学习时能容易地提取相关信息,并由此推论虚拟实验活动能促使学生智力技能的迁移。其中于洪涛等[7]利用课堂讲授和桌面虚拟实验系统验证了游标卡尺读数技能的发展,研究结果表明,两种学习方式存在显著差异,桌面虚拟实验系统能引发学生智力技能的迁移。这些研究者虽然没有对虚拟实验的操作技能进行实证研究,但他们经过分析后认为,学生使用鼠标和键盘操作虚拟实验仪器,因没有操作真实的实验设备,就无操作技能的训练,进而用心理学理论推论后认为,虚拟实验对操作技能的培养不能起到决定性作用,只能促进操作技能更好地发生重组性迁移。可见,国内有关虚拟实验对操作技能培训效果的研究多数是描述性的,或是基于心理学理论进行推论,鲜有系统的实证研究,没有产生明晰的结论。

本研究的目的是利用自己开发的桌面虚拟实验系统,采用实证研究方法,分析虚拟实验对学生操作技能的影响,探究虚拟实验情境对操作技能迁移的作用。

二、实验设计

1.研究假设

目前学校中使用的虚拟实验教学系统多是桌面虚拟实验系统,这些系统是利用虚拟现实技术建立虚拟两维或三维物体来呈现实验对象,学生在进行虚拟实验的活动中,既可利用鼠标、键盘、触摸屏等进行交互活动,如操作实验场景中的实验对象或修改数据以获取知识和技能等,也可借助计算机实时生成的图像和显示的文字以及声音而展开想象。从认识论的视角来看,虚拟实验扩展了学生可操作和可观察实验行为的含义,学生在虚拟系统中进行的实验活动是非常丰富的,但与传统学习情境中的活动也是有区别的,传统学习情境中所观察和操作的对象是现实世界中客观存在的对象,而以虚拟现实技术建立的实验对象是虚拟的两维或三维对象,学生的可观察行为是对虚拟对象的操作与控制。

一些研究者基于以上的认识,虽然承认虚拟实验能促进操作技能发生迁移,但同时也认为对虚拟对象的可操作和可观察行为与对现实对象的可操作和可观察行为并不是一个对等的概念,“鼠标和键盘与虚拟环境的交互不能获得实验要求的动作表征”[8]。从上面这些研究观点可以得出以下两点认识:第一,仅利用文本资料学习而未经训练的学生与经过虚拟实验训练的学生的操作绩效是有区别的;参与虚拟实验训练的学生与参与真实实验训练的学生的操作绩效是有区别的。

基于以上对虚拟实验的认识,为了检验虚拟实验活动迁移到真实实验中的效果,本研究将对在虚拟实验中形成的操作技能的有效性进行评估。本研究认为,可以用时间来判断学生参与虚拟实验后的操作技能迁移效果,并为此设计了三种学习方式,测量学习者在经过三种学习方式后完成真实实验任务的时间,以此来检验在虚拟实验中形成的操作技能的迁移程度。基于以上认识,本研究提出以下两个基本假设。

假设1:利用桌面虚拟实验系统培训与阅读说明书培训相比,学生操作时间存在明显差异。

假设2:利用桌面虚拟实验系统培训与使用真实实验设备培训相比,学生操作时间存在明显差异。

2.任务描述与实验材料的设计

为评价虚拟实验的效果,我们选择高等师范学校本科生教育技术课程的实验内容作为研究材料。教育技术课程是师范专业学生的专业课程,该课程的学习目的之一是使学生掌握基本的信息技术,能熟练操作技术媒体,为将来在教学过程中进行信息技术与课程整合提供条件。为此本研究选择了在中小学教学中常用的媒体——数码投影机(数码投影机的型号:SANYO PLC-XU1050C),设计了三种实验操作的培训任务,以此来检验提出的研究假设。

(1)学生利用实验的书面操作规程来学习操作数码投影机的实验任务;

(2)学生利用虚拟实验来学习操作数码投影机的实验任务;

(3)学生利用真实实验设备来学习操作数码投影机的实验任务。

在实验开始前,根据投影机的产品手册编制了实验任务的操作规程说明书(以下简称说明书),用图片、示意图和文字指明了操作的具体步骤、方法,而且还用Macromedia Flash 8.0软件开发了一个桌面虚拟实验系统来模拟实验任务的操作方法,学生可用键盘、鼠标、触摸屏等进行对象的控制。本研究采用桌面虚拟实验情境作为实验材料是基于以下考虑:本实验系统虽没用采用沉浸式虚拟现实,但与目前多数中小学和高等学校所能创设的用于学生学习的虚拟现实情境基本一致,因此,基于该环境所获得的结果有更广泛的实践意义。

在本研究中,桌面虚拟实验系统中的实验内容选取了数码投影机的四个操作性环节供学生学习,分别是:

操作步骤Ⅰ:图像清晰度调节和画面大小调节;

操作步骤Ⅱ:图像失真的梯形校正;

操作步骤Ⅲ:图像对比度调整;

操作步骤Ⅳ:图像红、蓝、绿三基色平衡的调整。

3.实验方法设计

在参与真实实验操作技能测试前,把参与实验的学生分成三组,三组学生分别参加以下三种类型实验任务的学习,以培养学生的实验操作技能,学习完成后立即进行真实实验的操作技能测试。

(1)第一组学生阅读说明书十分钟;

(2)第二组学生在阅读说明书的同时进行虚拟实验,共十分钟;

(3)第三组学生在阅读说明书的同时进行真实实验,共十分钟。

为在以后的叙述中简捷描述每组的基本特征,把第一组学生简称为说明组,第二组学生简称为虚拟实验组,第三组学生简称为真实实验组。

研究对象以整班取样的方式选择,对每班学生参照学习成绩和性别按比例分成三组,分别参与以上设计的三种类型实验任务学习。为防止各小组之间相互干扰,按照学习小组的学习类型进入实验室参与实验,每组完成规定的学习任务后立即进行真实实验的技能操作,最后分别测量和记录三组学生在真实实验时完成上述四个操作步骤的时间,以此来分析桌面虚拟实验对学生操作技能促进作用的效果。

在本研究中,虚拟实验采用台式电脑呈现,其主频2.00GHz、2GB内存、独立显卡、42英寸液晶触摸显示屏,学生能采用鼠标、键盘、触摸屏来操作和控制虚拟情境内的对象。根据Dalgarno等[9]从应用角度对虚拟现实的分类,该实验材料创建的情境应属于桌面虚拟现实。

4.实验对象与资料收集

为有效控制学生的实验过程,本研究从2010年秋季入学的新生中选取六个班的学生作为研究对象,分别来自普通理科和普通文科,共220人,其中男生94人,占被试人数的42.7%,女生126人,占被试人数的57.3%。

数据的录入管理和统计分析采用SPSS12.0统计软件。

三、实验结果与分析

1.学生参与实验操作的平均时间分布

本研究中的三组学生在参与真实实验操作测试前,都按照设计的初始设想参与了各自的学习活动,学习完成后立即进行真实实验的操作时间测量。对每组学生进行真实实验的操作时间进行平均数计算,其统计结果如表1所示。

表1 三组学生在四个实验操作环节的平均时间统计结果

从表1的统计结果来看,学生在四个实验环节上表现出相同的趋势,单纯通过实验说明书学习的学生在操作投影机时花费的时间最长,通过说明书和真实实验学习的学生在操作投影机时花费的时间最短,而通过说明书和虚拟实验学习的学生在操作投影机时花费的时间介于两者之间。

这个统计结果与国内外学者有关虚拟现实教学的研究结论具有基本相同的共识,即虚拟实验在技能培训中具有一定的有效性,这似乎预示着虚拟实验能快速把操作技能迁移到现实情境中。但是,仅从描述统计的结果还不能知道是否具有统计学意义上的差异,需要进行进一步的检验。

2.不同学习方式学生实验操作时间的差异分析

为了分析不同学习方式学生在各个实验步骤的操作时间上是否存在差异,把学习方式作为自变量,学生进行各个操作步骤的平均时间作为因变量进行单因素方差分析(ANOVA),统计检验显著性水平设定为α=0.05,统计结果如表2所示。

从表2的统计结果来看,三组学生在四个操作步骤上的单因素方差分析F统计量显著大于1,且检验统计量的概率P值小于显著性水平α,说明参与不同学习方式的学生在四个操作步骤上的平均时间均具有统计学意义上的非常显著差异。但单因素方差分析的结果仅能说明三种学习类型存在显著差异,还不能说明到底是哪两种学习方式之间存在差异,所以要继续作Post-Hoc两两比较检验。

为了检验阅读说明组与虚拟实验组、虚拟实验组与真实实验组、阅读说明组与真实实验组之间的差异,本研究采用Scheffe方法进行多重比较检验,其检验结果如表3所示。

使用Scheffe方法进行多重比较分析的结果表明,阅读说明组与真实实验组在各个操作步骤上的差异有统计学意义,都达到了非常显著差异,表明真实实验组在各个操作步骤上的平均时间明显低于阅读说明组。阅读说明组与虚拟实验组在各个操作步骤上的差异有统计学意义,都达到了显著或非常显著差异,表明虚拟实验组在各个操作步骤上的平均时间明显低于阅读说明组。

虚拟实验组与真实实验组只在图像失真的梯形校正的操作步骤上达到了显著差异,即进行真实实验的学习组在梯形校正操作步骤上的平均时间明显低于进行虚拟实验的学习组;而在其他三个操作步骤上没有达到统计学意义上的差异,即在图像清晰度调节、图像对比度调整、三基色平衡调整三个操作步骤上,虚拟实验组的学习效果与真实实验组基本是一样的。

表2 不同学习方式学生操作时间差异的方差分析结果

表3 不同学习方式学生操作时间差异的Scheffe检验结果

四、研究结果与讨论

迁移是人类学习过程中的一种心理现象,它指的是已获得的知识、技能、学习方法或态度,对学习新知识、新技能和解决新问题所产生的影响。[10]从上面的统计结果可以看出,阅读说明组与虚拟实验组在参与真实实验的各个操作步骤上的平均时间的多重比较检验结果MD介于3.7625~12.3834之间,都达到了显著差异,这个结果验证了前文提出的第一个假设;同时,虚拟实验组与真实实验组的多重比较检验结果表明,它们仅在梯形校正操作步骤上达到显著差异,这个结果没有验证前文提出的第二个假设。这些统计结果说明,利用虚拟实验学习操作技能比利用阅读方法学习能使学生在新的情境中表现出更高的操作能力,并且虚拟实验在培训图像清晰度调节、图像对比度调整、三基色平衡调整上甚至达到了真实实验的绩效,与真实实验取得的操作能力基本一致,仅在梯形校正操作步骤上没有实现真实实验的效果。由此可以推论,虚拟实验能产生一定的迁移效果,但不能完全达到真实实验的效果。

从国内外学术界的研究来看,对实验教学过程中操作技能获取的解释多是建立在运动技能获取和专业知识发展等理论的基础之上的,其中Fitts和Posner的三阶段运动技能获取理论是被学者广泛用于解释实验操作技能培养方法的理论之一。Fitts等将运动技能的获得分为三个阶段:认知阶段、联系阶段和自动化阶段。认知阶段主要是技能的起始编码阶段,联系阶段主要涉及技能操作的“除障”,自动化阶段则是技能操作的逐渐而持续的改善。[11]

利用Fitts等人提出的动作技能获取模型来解释利用虚拟实验系统训练学生的操作技能具有明显的意蕴。在操作技能学习的认知阶段,学生要学习实验过程中的陈述性知识和程序性知识,尤其是程序性知识,它是学生对实验过程进行自我监控的重要基础。利用虚拟实验方法学习能使操作任务更加理性化,这是因为虚拟实验是用虚拟现实技术建立实验对象,学生能使用键盘、鼠标等操作与控制虚拟实验对象,陈述性知识和程序性知识能被翻译成适当的运动技能和行为,不仅使学生更容易理解实验操作的基本结构,还能使学生获得一些简单的动觉经验,在真实实验中将之快速转变成操作的能力和技巧。

从本研究选取的四个实验环节来看,图像清晰度调节和画面大小调节环节所包含的程序性知识和操作能力都很简单,图像对比度调整和图像红、蓝、绿三基色平衡的调整两环节所包含的程序性知识比较复杂,而其操作技能比较简单。学生借助于虚拟实验的训练能快速把握实验中的操作过程,知道如何移动双手操作实验设备,从而在执行任务时能够更加流畅,不再需要思考如何执行任务,而是集中注意于实验步骤的主要层面,减少了操作活动的迟滞或中断,降低了操作的错误率,实现了实验过程的平滑,减少了操作的时间,进而在这三个实验环节不仅表现出优于阅读学习的绩效,也几乎达到了真实实验的效果。

图像失真的梯形校正环节的程序性知识比较简单,而其操作技能比较复杂,学生在这个实验环节表现出了优于阅读学习的绩效,同时也表现出了与真实实验学习的差异。这说明虚拟实验确实能对操作技能的迁移起到一定的作用,但学生利用桌面虚拟实验系统学习仅能获得有限的动觉经验,不可能完全达到真实实验的绩效。

五、小结

本研究的结果表明,在实验教学中用虚拟实验进行培训,能在完成一些简单的感觉运动任务时产生一定程度的操作技能迁移。但因所选实验任务是培养学生的信息技术操作技能,而非创新性实验研究,这要求学生的学习活动要重视真实实验的动作方式,即要通过实际操作,获得动觉经验,并能把这些经验长期保持下去,在将来的教学中熟练操作数码投影机,也就是说,实验的最终目的是能力本位的进步,而不是节省操作时间。所以,本研究的实验成果只能在一定程度上解释虚拟实验的迁移效果,并且因实验条件和实验设计方法的限制,无法验证这些迁移的可靠性和稳定性,因此要谨慎解释该研究获得的结果。

[1]赵沁平.虚拟现实综述[J].中国科学F辑:信息科学,2009,(1):2-46.

[2]单美贤,李艺.虚拟实验原理与教学应用[M].北京:教育科学出版社,2005:2-4.

[3][4]杨雪,于洪涛,王荣芝.论桌面虚拟实验对迁移学生实验技能的作用[J].高等理科教育,2007,(4):108-111.

[5][7][8]于洪涛,杨雪,孙艳丽.桌面虚拟实验的教学效应研究[J].现代教育技术,2008,(1):115-118.

[6]俞俊民,张小辉,于文波,孙文瑶.虚拟实验对学生电工实验技能的迁移作用[J].实验科学与技术,2010,(4):67-69.

[9]Dalgarno,B.,Lee,M.What Are the Learning Affordances of 3-D Virtual Environments?[J].British Journal of Educational Technology,2010,(1):10-32.

[10]朱智贤.心理学大词典[M].北京:北京师范大学出版社,1991:484.

[11]王映学,张大均.论认知技能获得的阶段及其教学意义[J].内蒙古师范大学学报(哲学社会科学版),2007,(03):43-47.

Verifying the Use of Desktop Virtual Experiment to Promote the Transferability of Students’Operational Skills

Liu Xingbo and Wang Guangxin

Virtual experimenting can be used to simulate a domain in the real world,replace the real experiment environment or prepare students for real experiments.Its interactivity and quick response can help maintain students’interest.Using the experiment research method,this study involved three groups of students with the aim of examining the impact of virtual experimenting on the transferability of students’operational skills.Group 1 learnt to perform an experiment by following the printed procedure;Group 2 learnt to conduct an experiment by using the virtual experimenting system.Group 3 learnt to carry out an experiment by using physical experimenting facilities.Findings from the study show that Group 2 performed better than Group 1 but not as well as Group 3 when they conducted an experiment in the real situation.In other words,skills grasped in the virtual environment may be transferred to the real world to some extent.

virtual reality;virtual experiment;operational skills;transfer

G40-034

B

1009—458x(2011)11—0042—05

2011-09-15

刘兴波,副教授;王广新,教授。山东师范大学传媒学院教育技术系(250014)。

责任编辑 石 子

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