体验式虚拟实验的设计及实效性分析*

李慧迎，祁玉娟

（湖南科技大学 教育学院，湖南 湘潭 411100）

一、引言

培养学生科学实验的精神和方法是培养学生科学素养的重要途径，它能培养学生对科学的兴趣，提高学生提出问题、分析问题和解决问题的能力，还可以锻炼学生的科学技能，培养和提高学生的科学素养，同时也是学习科学知识的一种重要方法。但在目前，基于对实验经费和实验安全的考虑，学校中的大部分学习实验往往都只能按照教师规定的操作步骤一步步进行，这样必然也只能得出符合课本结论的实验结果。从本质上讲，这也是一种死记硬背。这样的实验管理不利于培养学生的探索精神和提高其创新能力，同时也有悖于开展科学实验的初衷。

根据波普理论，一个假设是否成为科学，不在于其是否能被证实，而在于其被证伪。[1]在科学实验中，人们可以试错，不断试验以求正确的结果。实验教学也应该让学生去自主探索，在探索中体验，在体验中学习，而不是死记操作步骤来验证已知的结果。但在目前的实验条件和实验环境下要达到这一点有难度，所以我们转而求助虚拟现实技术。

虚拟实验是将虚拟现实技术应用于科学实验教学中，是虚拟现实技术与实验教学发展的必然产物。虚拟实验不仅可以提高实验教学的经济性和安全性，同时还可以实现实验情景和实验数据的可视化、增强实验过程的可控性，对革新传统的实验教学观念也有很大的促进作用。关于虚拟实验和虚拟实验系统的研究有很多，其主要目的或是为了解决异地教学中的实验困难，或是为了缓解实验设备的台套数与学生人数之间的矛盾。大部分虚拟实验系统都有严格的实验规程和实验步骤，真正能让学生“亲身”尝试错误、能让学生在真实的情境中体验错误的研究很少。

体验式虚拟实验是一种将体验式学习理论与虚拟现实技术相结合应用于科学实验的一种学习方法。它将体验式学习理论与虚拟现实技术相结合，让学生在虚拟的实验情景中尽情地发挥其想象力，像做“游戏”一样地反复尝试修改其中的变量，尽可能多地获取具体经验，在体验学习乐趣的同时促进其对知识的建构。为此，我们在遵循科学探究的原则和体验原则的基础上对体验式虚拟实验的功能模块和实验流程进行设计，并通过实践，探索体验式虚拟实验在培养学生的科学探索能力上的可行性及其有效的使用策略。

二、体验式虚拟实验的设计

1.体验性虚拟实验设计的基本原则

（1）科学探究的原则

设计体验式虚拟实验的目的是为了更好地进行实验教学。在实验教学中，对学生进行科学探究能力的培养是一项非常重要的教学目标。因此，科学探究是设计体验式虚拟实验的第一原则。

《美国国家科学教育标准》是这样表述的：科学探究指的是科学家们用来研究自然界并根据研究所获得的证据做出解释的各种方式。科学探究也指的是学生用以获取知识、领悟科学的思想观念，领悟科学家们研究自然界所用的方法而进行的各种活动。[2]科学探究是一种多侧面的活动，它需要通过观察提出问题；需要利用已有知识提出猜测或假设，并设计相关方案对猜测或假设进行验证；需要运用多种手段来收集数据，并对数据进行分析和解读。

因此，在进行体验性虚拟实验设计时应该给学生提供“试误”的机会，让学生“亲身”尝试错误，这样不仅能培养学生正确的错误观，同时也能让学生真正体会到科学探索的真谛。因为科学发展的历程本来就是一个不断地提出猜想和假设，发现错误并证伪，再提出新的猜想和假设的循环往复的过程，在科学研究中只有敢于犯错才能推动科学向前发展。[3]如果只是让学生按部就班地重复“正确”的实验过程，不仅违背了科学实验的初衷，也不利于调动学生参与实验的积极性和探索精神的培养。

另外，在科学实验中，不管是“证实”还是“证伪”，都要以实验数据为依据。因此，体验性虚拟实验也要能为实验提供各种数据，便于学生对实验结果进行分析和解读。

（2）体验的原则

“体验”是体验性虚拟实验的第一个定语，体验学习的原理和方法也是设计体验性虚拟实验要遵循的重要原则。体验是指通过实践来认识周围的事物，亲身经历。体验既是一种活动，也是活动的结果。作为活动，指主体亲历某件事并获得相应的认识和情感；作为活动的结果，指主体从其亲身经历中获得相应的认识和情感。[4]在实际学习活动中，体验强调学生的参与，用心灵亲自感悟。

将体验学习的原理应用于实验教学应该认识到：①体验是一种非知识本位的学习，而是指向学生人格的和谐发展。[5]因此，在实验设计时应倡导以综合活动为特征，整体吸收知识经验而不是独立地背诵答案的过程；②古人将体验解释为“以身体之，以心验之”。“以身体之”指鼓励学习者寻求自己的体验和自我发展，而不是强调在与他人竞争中获胜的目标。“以心验之”则指仅有学习者的身体力行（体）是不够的，更重要的是学习者对学习经验的领悟、体察和反思，强调质的感悟而非量的增加之结果。[6]

因此，体验性虚拟实验在设计时应坚持学习者的主体地位，为学生提供情境，鼓励探索，并积极反思。

2.体验式虚拟实验设计

（1）实验的功能模块设计

基于以上设计原则，对体验式虚拟实验的功能设计如下：能根据实验要求构建合适的实验条件、能自主地设计实验方案并能对方案的可行性和正确性进行验证、能根据需要收集实验所需要的数据，能以实验报告的形式对实验的过程和结果进行总结。其功能模型见图1。

图1 体验式虚拟实验功能模型

构建实验条件功能块是指学习者在清楚实验目的和实验要求的基础上，可以在体验式虚拟实验环境中自行选择或配置所需要的仪器设备，为具体的实验做好准备；设计实验方案功能块是指学习者可以自主地进行实验方案的设计并且能将设计方案付诸于实践；验证实验方案功能块是指学习者在实施实验方案的过程中可以对实验方案的可行性和准确性进行检验，为确定之前的设计方案是否有效提供必要的数据；编写实验报告功能块是为学习者提供一个分析实验数据和评价实验方案的平台，让学习者在总结的过程中进行自我评价，针对没有实现的目标重新构建实验条件，对实验方案进行修改和完善，最终实现知识的迁移。

（2）实验流程设计

根据体验性虚拟实验的特点，设计的实验过程如图2所示。首先，熟悉实验的目的和要求，清楚要做什么，理解相关的实验原理；然后根据需要选择和配置实验所需的设备；再综合运用所学知识和技能设计实验方案；在方案的实施过程中不断地对方案进行审视、修改，直至设计方案具体实现；通过各种手段对方案的正确性和合理性进行检测，根据测试结果对实验方案进行修改和完善。当实验结束后，要求编写实验报告，包括实验的目的和要求、实验设备的选配、实验方案的设计、实施过程中的问题和改进的措施、测试结果和对方案的评价以及实验反思等内容。

三、体验式虚拟实验的实施及实效性分析

1.体验式虚拟实验的实施过程

为探索体验式虚拟实验在培养学生科学探索能力方面的可行性，以及了解真实实验和体验式虚拟实验各自的特点，为以后能合理的使用这两种不同的实验模式提供借鉴，笔者选择《计算机网络》课程，在任课教师的协助下，在湖南科技大学教育技术学专业二年级的两个班级开展了体验式虚拟实验的实践尝试。对教育技术学专业的学生而言，《计算机网络》这门课程对实践能力要求比较高，受实验设备和实验时间的限制，这个课程的实验大都是分组（3-5人）进行的，并且在实验内容和时间上也很受限制。比如：在对等网互联的实验中，实验室提供是设备都安装的是统一的操作系统（如：Windows XP），但如果有学生想尝试在不同的操作系统下进行实验就行不通。诸多的限制让我们萌发了进行体验式虚拟实验的尝试。

（1）虚拟实验平台的选取

基于以上的设计理念，我们选择VMware公司出品VMware Workstation软件做为体验式虚拟实验的平台，主要基于它的以下优点：[7]

图2 体验式虚拟实验流程

仿真性强。虚拟机软件可以提供一个近似真实的计算机硬件环境，在真实机器上完成的试验在虚拟机上均可完成。同时它还可以在一台宿主机上集成几个虚拟客户机操作系统，组建一个虚拟机局域网环境，这个网络的行为与真实的网络完全一致。

获取数据便利。实验过程中每一步实验状态均可通过虚拟机技术的“快照”功能保存，以便对实验结果进行对比分析或进行阶段性结果的保存。

安全性高。虚拟技术使虚拟机成为独立于宿主机之外的计算机，虚拟机仅表现为存储于主机磁盘上的一系列文件——配置文件(*.vmx)、磁盘文件(*.vmdk)、日志(vm.log)等，因而对虚拟机的“物理”底层的配置修改，仅仅是针对文件的修改，不会对宿主机系统产生影响；但VMware Workstation软件不具备实验报告的编辑功能，所以实验报告模块需在其它的应用程序中完成。

（2）实践内容

《计算机网络》课程的实验部分一共设计了5个实验：双绞线线缆的制作，对等网的配置，主从网络的配置，网络Web、FTP、DNS服务器的建立和无线网络的设置。根据虚拟实验的特点，在体验式虚拟实验的过程中只选择其中的3个实验：对等网的配置，主从网络的配置，网络Web、FTP、DNS服务器的建立。

（3）实践过程

考虑到计算机网络对学生而言是一个全新的知识，并且在此之前，学生都没有接触过VMware Workstation软件，所以本次尝试同时使用了真实实验和体验式虚拟实验。对所选的实验内容都要求学生以小组的形式在计算机网络实验室进行一次真实实验，了解实验基本原理、需要使用的仪器设备以及基本操作过程。在真实实验的基础上，利用虚拟实验进行拓展。在虚拟实验的过程中，学生可以将自己所有可能的想法付诸实践，检验其可行性，并对出现的问题进行分析，从而加深对所学知识的理解。在整个实践过程中，教师扮演协助者和资源提供者的角色。

2.体验式虚拟实验的实效性分析

湖南科技大学教育技术学专业二年级的两个班共有52人，在进行完真实实验和体验式虚拟实验后一周，利用自编的问卷对虚拟实验环境的特点、真实实验与虚拟实验优势比较、虚拟实验的适用领域、影响虚拟实验使用效果的主要因素以及真实实验与虚拟实验的组合方式等方面进行了调查。共发放问卷50份（有2人请假），共回收有效问卷43份。

对虚拟实验环境的特点的调查结果显示，有88%的参与者对本阶段所选用的虚拟实验软件VMware Workstation的仿真度持肯定态度，52%的参与者认为它的操作难度适中，有46%的参与者认为它比较难或很难操作，只有1人（占2%）认为该软件操作难度低。

通过本阶段的虚拟使用，对实验原理更清楚的占70%（30人），保持原样的占30%（13人），对实验方法更清楚的占50%（22人），保持原样的占50%（21人），对实验步骤更清楚的占53%（23人），保持原样的占47%（20人），对实验数据处理更清楚的占35%（15人），保持原样的占58%（25人），更加模糊的占7%（3人）。

在与实验有关的10项能力（A.激发兴趣和注意力，B.自主思考和主动参与，C.协助能力，D.对规则和原理的掌握，E.对技能的掌握，F.对抽象思维能力，G.对逻辑思维能力，H.对综合应用能力，I.对分析和解决问题能力，J.对创新能力）的培养方面，认为真实实验比虚拟实验更有优势的是（选3项）E、C和D；认为虚拟实验比真实实验更有优势的是（选3项）J、F 和G。

在利用体验式虚拟实验进行实验教学的优点：A.可以不受时空限制方便地进行实验，B.可以尝试不同的操作，C.出现错误时不必担心损坏设备，D.实验环境安全，E.减少实验室硬件投入，F.调动学生的积极性，要求参与者按重要程度由强到弱的顺序排序。结果显示，其中将A排在第一位的有13人（占30%），将B排在第一位的有12人（占28%），C排在第一位的有15人（占35%），将F排在最后一位的有28人（占65%）。

在影响体验式虚拟实验使用效果的原因：A.不能很好地体现操作过程的真实性，B.没有提供合作学习环境，C.没有提供探索学习的空间，D.对虚拟实验环境不熟悉，E.对实验原理不熟悉，F.虚拟环境与真实环境有差别，不能很好投入，要求参与者按重要程度由强到弱的顺序排序。结果显示，其中将D排在第一位的有20人（占47%），将F排在第一位的有12人（占28%），将E排在最后一位的有28人（占65%）。

关于虚拟实验在实验教学中的作用的调查（多选），其中认为可用于取代真实实验的占9%（4人），认为可用于实训、技能考核前使用的占67%（29人），认为可用于用作预习或巩固实验内容的占86%（37人），认为可用于用于拓展实验的占74%（32人）。

在对最佳实验途径（A.真实实验，B.虚拟实验，C.先进行真实实验，再进行虚拟实验，D.先进行虚拟实验，再进行真实实验，E.先进行真实实验，再进行虚拟实验，再真实实验,F.先进行虚拟实验，再进行真实实验，再虚拟实验）的选择结果如图4所示。其中D的得票率最高（24人），占56%，主要理由是：安全、成本低，通过虚拟实验先进行探索和试误，再进行真实实验更有真实感和成就感；其次是E（10人），占23%，主要理由是：通过一个循环，系统性和科学性更强，更有感觉。

综合以上数据，可知虚拟实验具有出现错误时不必担心损坏设备、可以不受时空限制方便地进行实验和可以尝试不同的操作的优点。与真实实验相比，虚拟实验在培养创新能力、抽象思维能力和逻辑思维能力上更有优势，而真实实验在对技能的掌握、协助能力的培养和对规则原理的掌握上比虚拟实验更胜一筹。

对体验式虚拟实验效果的影响，虚拟实验环境的熟悉程度占第一位。虽然绝大部分参与者认为实验软件VMware Workstation的仿真度尚可，但有近半数的人认为它的操作有难度，只有1人认为它的操作很容易，所以在利用体验式虚拟实验进行实验教学的优点的调查中，有65%的参与者将调动学生积极性排在了最后一位。这与参与者是第一次使用该软件有一定影响。另一个影响大的因素是真实环境与虚拟环境之间的迁移。由于虚拟机中的网卡等网络设备都是虚拟元件，与真实环境中差别较大，很多参与者都觉得难以想象经过IP设置后，这些虚拟机就构成了一个网络。所以本次实践在实验方法和实验步骤的理解上并没有取得明显的进步，在对实验数据的获取上甚至还有人觉得更加模糊。

大部分参与者都认为单纯的真实实验或虚拟实验都不是最佳的实验途径。从调查来看，虽然大家都认可虚拟实验的安全、低成本，但真实实验的真实感还是无可替代，绝大部分人都认为最终还是要返璞归真才感觉踏实。

四、对体验式虚拟实验的实践反思与启示

本次对体验式虚拟实验的实践活动虽然实现了预期的目标，但也存在一些不足：首先，虽然在本次实践中，参与者认为虚拟实验在培养创新能力、抽象思维能力和逻辑思维能力上比真实实验更有优势，但本次实践只选用了一种虚拟实验软件，对于其他类型或类似的虚拟软件是否能得到相类似的结论尚不清楚；其次，受时间、人力和物力等因素的限制，无法对虚拟实验的效果进行长期跟踪，对影响虚拟实验效果的因素分析也有其局限性。

通过本次实践得到的两点启示：

1.认知负荷最小化，让体验更轻松

所谓的认知负荷是指同时被要求施加在工作记忆上的智力活动的全部数量，即工作记忆必须注意和处理的内容总和。认知负荷理论提出了三种基本类型的认知负荷：内部认知负荷、外部认知负荷和相关认知负荷。其中内部认知负荷取决于所要学习材料的本质与学习者的专业知识之间的交互程度。外部认知负荷是超越内部认知负荷的额外负荷，它主要是由设计不当的教学引起。相关认知负荷是指与促进图式构建和图式自动化过程相关的认知负荷。为了促进有效学习的发生，在教学过程中应尽可能减少外部认知负荷，增加相关认知负荷，并且使总的认知负荷不超出学习者能承受的认知负荷，否则，就会产生较低的认知效率。[8]

体验式虚拟实验是在一个虚拟的环境下进行，其虚拟环境的仿真程度、信息的呈现方式、学习者对系统的熟练程度等都可能给学习者带来附加的认知负荷，增加学习者在信息加工过程中的负担，从而影响信息加工的效果。因此，在选择体验式虚拟实验环境时应尽可能地减少认知负荷，让学习者的体验过程更轻松。比如：可以在实验前预留足够的时间让学习者熟悉虚拟环境；提供详细的虚拟环境使用手册；提供丰富的资源，减少一些与实验目的不相关的准备工作的耗时。在这次实践中就可以为学习者提供安装了各种操作系统的虚拟机，这样可以节约学习者下载系统软件和安装系统的时间，而把精力用在如何构建基于不同操作系统的计算机网络上。

2.虚实结合，让体验更真实

虚拟实验的优势在于其可以提供安全的实验环境，可以毫无顾及的尝试错误，在错误中理解实验的原理和操作规则；真实实验的魅力在于其真实的触感和操作时身处其中的感觉。实验教学应该将虚拟实验和真实实验相互结合，做到实中有虚，虚实结合，这样既能给学生提供放纵的空间，也能让学生有回归现实的机会，让其体验更加真实，同时也能使实验教学更加丰富、有趣。

[1]王永平.证伪主义思想的意义及启示[J].求实,2010(1):106-107.

[2]美国国家研究理事会.美国国家科学教育标准[M].北京:科学技术文献出版社,1999.

[3]庞文,尹海洁.证伪主义的理论实质及其再认识[J].自然辩证法研究,2008(9):88-91.

[4]李梅.体验学习——21世纪重要的学习方式[D].南京:南京师范大学,2004.

[5]王嘉毅,李志厚.论体验学习[J].教育理论与实践,2004(12):44-47.

[6]王灿明.体验学习解读[J].全球教育展望,2005(12):14-17.

[7]孙庆华,唐武.计算机网络课程教学中的VMware虚拟机技术应用[J].职业技术,2010(5):36-37.

[8]吴先强,韦斯林.国外认知负荷理论与有效教学的研究进展及启示[J].全球教育展望,2009(2):28-31.