探究式网络虚拟实验系统的设计研究

韩丽艳　安立奎　马　丽

(渤海大学 a.信息科学与技术学院;b.数理学院;c.教育与体育学院，辽宁 锦州 121000)

探究式网络虚拟实验系统的设计研究

韩丽艳a安立奎b马丽c

(渤海大学 a.信息科学与技术学院;b.数理学院;c.教育与体育学院，辽宁 锦州 121000)

摘要：虚拟实验系统教学能够弥补传统实验教学的不足，能够培养学生的实践能力、研究能力和创新能力。虚拟实验系统的设计分成元认知过程设计、协同合作学习设计、远程协作学习场域的设计和对实验过程再思考的设计四个方面。该虚拟实验系统的设计能够使系统更好地为学生的实践技能学习服务，使虚拟实验系统集探究、体验、趣味和协作等特征于一身，并在使用过程中能够获得知识、实践能力之外的素质培养，使学习者能够体会探究学习的乐趣，同时在认知水平、创新思维、动手能力各方面都有重要的进步和发展。

关键词：探究式；网络虚拟实验；设计；虚拟仿真

虚拟实验建设已经成为高等教育的重要工作。实验教学是高等院校培养高素质合格人才，特别是工科院校培养卓越工程人才的重要实践性环节，是学生巩固理论知识，加深了解，活学活用的重要培养手段。虚拟实验系统教学能够弥补传统实验教学的不足，能够让学生在实践中发现问题、分析问题，为进一步解决问题提供锻炼机会。在培养学生的实践能力、研究能力、创新能力和综合素质等方面有着其他教学环节所不能替代的独特作用。

1探究式网络虚拟实验系统研究的意义

1.1知识内容饱满，描述形象生动

现在虚拟实验教学系统的设计中，教育理论和教学方法的引入能够使实验内容更加科学饱满，探究式的设计能够加深动态发生过程性描述和体验，特别是对微观现象的形象化展示，能够加深学生的学习理解，在感官上更加生动形象，符合学生的认知规律。

1.2突破时间限制，实现远程互补

探究式虚拟现实系统可以实现远程控制，可以在校园局域网内访问，或者通过互联网进行远程登录访问。这种不受时间和空间限制的远距离服务，作为一种持续性的、开放式的远程教育，还可以作为社会就业和培训的虚拟系统，其使用价值、经济效益与社会效益都是不可估量的。

1.3降低实验成本，提高安全系数

第一，工科类实验往往涉及到高端设备，其价格昂贵，购进数量有限，不能满足学生自主学习和创新学习的需要。第二，工科设备结构比较复杂，需要反复练习才能获得有效实践经验，但设备损耗大，实验原材料消耗巨大，设备日常维护经费巨大，实验成本大幅增加。第三，学生误操作，容易对机器、设备造成故障和损耗，实验原材料的大量耗损，也会大幅提高实验成本。第四，一些高压、高温、高腐蚀性等特殊的实验过程，在传统实验中都是通过语言描述一带而过，学生缺乏形象直观认知。以上几种情况，在使用虚拟实验系统后，都可以明显改善，实验成本大幅下降，安全系数大幅提高。

1.4尊重学生认知，成为创新工具

虚拟实验系统作为工程能力培养的重要工具，既符合教学规律又符合学生的认知发展，还可以作为学生进一步深化理论知识学习的实践自学工具，学生的实验积极性将大大增强，学生的创新想法都能够得到进一步检验，利于学生工程实践能力的进一步培养。

1.5创设学习情境，建立虚拟场域

创立合适的学习情景为学生创新思维提供虚拟场域。虚拟实验系统能够将实验所需环境、实验目的、具体要求、实验内容、实验过程、实验结果等相关材料电子化、形象化，文本之间基于知识地图并采用超级链接模式，使学生在“实践”时，能够有效地熟悉器件性能，并进一步操作使用，给学生的是直观、生动的感受，为学生进一步进行创新学习提供了有效的虚拟场域。

探究式虚拟实验系统的设计研究目标是从学生的认知水平出发，集探究、体验、趣味、协作等特征于一身的虚拟实验系统。该系统设计能够提升学习者的认知体验，促进学习者认知形成，并在使用过程中能够获得知识、实践能力之外的素质培养，如团队合作精神、探究精神、创新精神等，使学习者在实验过程中能够体会探究学习的乐趣，帮助学生养成良好的学习习惯。使学习者在探究能力、认知水平、创新思维、动手能力各方面都有重要的进步和发展，借鉴冰山理论、心流理论和远程学习圈理论等理论，将其用于虚拟实验系统设计，以更好地发挥虚拟实验系统的优越性。

2网络虚拟实验系统研究现状分析

近年来，虚拟现实技术在教育领域得到了前所未有的关注和广泛应用，而高校在运用虚拟现实技术进行实验教学的进程中起到了重要的推动和促进作用。虚拟实验教学作为高校教学工作的重要组成部分，在培养学生的动手及分析解决问题的能力方面起着不可替代的作用。

2.1国外虚拟仿真实验的发展

国外的虚拟现实应用与教学实验较早，发展较为迅速，开发方面领先于国内。加拿大Victoria大学开发的电子电路虚拟仿真实验室，可以进行电路设计配线实验，该虚拟仿真实验向学生提供了一个集学习指南、示例视频与交互式练习为一体的学习环境。澳大利亚RMIT 大学的John Ball和Kate Patrick设计的虚拟仿真实验用于进行热传递过程的教学。美国的北卡罗莱纳州立大学的开发团队所开发的LAAPhysics实验平台则是为普通物理实验服务的。

2.2国内虚拟仿真实验系统的现状

国内，北京邮电大学开发的网络虚拟仿真实验系统，开设了通信原理以及单片机等实验课程。华科CCMS中心已经开发出了3套虚拟仿真实验设备，分别是“伏安法测电阻”“PTC陶瓷伏安特性”以及“太阳能电池的伏安特性”。中科大人工智能与计算机应用实验室研制出我国第一套虚拟仿真实验平台软件“几何光学设计平台”。虚拟实验的分类可以从流程出发，基于实验对象、实验设计和实验控制的三维分类[1]。

2.3现状总结分析

虽然当今各高校都致力于发展虚拟实验教学系统，但大多数仅徘徊于起步阶段，应用规模相对较小，且各课程的虚拟实验室未能加载于校园网，不能满足远程客户端对虚拟实验室的访问。另外，由于各个课程虚拟实验室分散，没有规范化的系统，造成虚拟教学系统安全性、信息共享性降低。

国内外虚拟实验系统研究的共同缺点是缺乏交互性，没有中间过程错误提示，基本上是固定步骤，没有给予学生思考空间，也就是实验“验证性”有余，“创新性”空间不足。其形成的主要原因是缺乏与之相适应的教育理论与教育方法，在虚拟实验系统设计上重技术轻教学理论。仿真系统要想更好地运用于教师教学和学生自学，教育教学方法的引入才是关键，其中探究式教学方法的使用对于挖掘学生潜力、创新学生思维方面具有重要的作用。

虚拟实验教学平台的设计，要紧跟教育部指导思想，引领教学信息化潮流，要有足够的教育教学理论支撑，才能提高学生的实践能力和创新能力，才能改革高校传统实验教学模式，创新虚拟实验教学，让虚拟实验系统能够更好地为教学服务。

3探究式网络虚拟实验系统的设计

虚拟实验系统的设计要遵循人对事物的认知过程。这个过程是一个循序渐进的认知过程，过程的设计要兼具易于理解、可重复、可延展等特性，把实验过程中涉及到的各个对象、对象间的联系进行充分的考虑和设计，使学生在高仿真的实验环境中完成实验过程，并能够得到思维上的启发和挖掘，给学生创新思考和实践留下空间。

3.1元认知过程设计

认知过程是人对客观世界的各个对象进行观察、认识、通晓、利用的过程。人将世界表现出的众多信息中有用信息筛检过滤出来，通过大脑进行存储形成初步认知，并通过抽象各个对象的内外部规律，形成概念和人特有的逻辑思维。

美国心理学家佛拉维尔指出元认知是一个人所具有的关于自己思维活动和学习活动的认知和监控，其核心是对认知的认知[2]。元认知实质上是学生在自我意识控制下，对认知过程进行的认知调节。在设计虚拟实验系统时，充分考虑学生自我调节能力，帮助学生完成认知调节，使学生的虚拟实验过程同时也是不断调整学习策略的过程，教会学生学会学习。元认知过程设计如图1所示。

3.2协同合作学习设计

学习团队是以相同的任务为共同目标，在实现任务的过程中学习团队成员相互配合、各展所长，在学习团队成员均有一定收获的同时，能够完成预定任务的发展性组织。这种合作学习是建立在协同基础上的，需要联合团队成员掌握的知识才能解决特定的问题。除了要掌握虚拟实验系统呈现的共享知识外，能够更好地挖掘学习团队成员的潜在能力，能够达到创新学习的目的。

虚拟实验系统教学性设计过程模型如图2所示。

探究式虚拟实验的过程需要多个学生共同配合协同完成。学生通过合作学习能够更好地将虚拟实验过程中的各个步骤都进行充分的思考，能够更好地培养学生的团队意识。在设计探究式虚拟实验系统时，要用虚拟技术和网络技术实现适应学生自主学习和适合教师课堂教学过程的功能，使虚拟实验系统的教学效果优于真实实验效果。实现多用户开发协同操作是虚拟实验系统走向网络化的必然，是虚拟实验的直接需要，需要多技术配合共同完成。

3.3远程协作学习场域设计

基于远程协同的可视化学习环境，要实现在模拟真实实验课堂的信息场，并将信息更有效、更直观地传达给更多的学生，通过各种学习支持工具有效实现“信息和知识”和特定“角色”以及“场景”的关联，进而指导学生做出决策和行动。因此，从技术支撑的角度就意味着要充分考虑学生的个体差异，通过利用虚拟实验系统进行教学，创设真实的实验情境，培养学生发现问题、解决问题和协作探究能力。远程协作设计，可以在网络环境下开展综合性实验和创新型实验，彻底摆脱了传统实验硬性条件的束缚，在教学环节的传播、教学内容的演绎、学生认知规律的把握、学生实验场域设计等方面都是有别于单机虚拟实验系统的。

3.4对实验过程再思考的设计

探究式虚拟实验系统设计重点在于探究，包括对知识内容的探究、对行动策略的探究、对操作过程的探究、对实验结果的探究和反思实验过程。这个再思考过程是传统实验没有分配课时的部分，却是学生真正学会学习、学会实践、学会思考的重点，所以探究式虚拟实验系统的实验再思考尤为重要。学生能够依托该模块产生新经验和能力，能够促进学生的全面发展。分析、总结和反思虚拟实验的进程，叙述自己对实验的理解和反应，总结问题解决的方法，有助于提高解决问题的能力，主动找出自己的差距和不足并努力缩短差距弥补不足，与学习伙伴共同进步。反思实验过程时把虚拟情境与真实世界相比较，把虚拟实验和现实问题联系起来，使得在虚拟情境中掌握的知识经验和解决问题的方法正确有效地迁移于实际情境中，努力做到具体问题具体分析，有步骤、有计划地处理实际问题[3]。

(1)适应虚拟实验系统的实际需要。通过探索、完善虚拟实验系统的探究式设计方案，提供更加有特色的工程人才培养模式，切实提高学生自我实验建构能力，为虚拟实验系统的顺利应用和健康发展提供助力。

(2)利于形成虚拟实验系统的特色化设计。具有开拓性、前瞻性，符合学生认知水平和能力发展需求，形成特色化的系统设计是区别于其他虚拟实验系统的重点。一切从学生的角度出发，学生除了可以共享学习资源外，更重要的是可以协同实验，这就为取得更高的实验教学效果提供了保障。

(3)设计以创新能力培养和自我知识建构为导向。虚拟实验教学系统的设计，能够适应以能力为导向的项目案例驱动的分层次教学方法实施，是课堂教学的有力补充。学生能够随时根据需要进行实验内容的动态调整和深入研究，对学生创新教育具有重要作用。

4应用推广前景

通过课题的研究与实践，总结并形成虚拟实验系统的人性化设计，是现代信息技术手段与现代教育理论的有效结合，能够更加有效地应用于实验教学、优化课程教学结构、创新教学方法。为下一步建设和使用虚拟实验系统辅助实验教学，提供强大的教育理论支持，使虚拟实验系统有更大的适应性和使用、发展空间。能够在很大程度上改善实验教学条件，有利于发挥学生的能动性，探索适合虚拟实验的教学模式。

在虚拟实验系统的建设过程中，教育理论和教学方法的引入具有至关重要的作用，关系到虚拟实验系统的教学适应性、自学引导性、知识呈现有效性、知识关系链接性等关键问题。在建设工科虚拟实验系统的过程中，帮助学生进行探究和思考，激发学生的创造力。虚拟实验系统中选择适合的教育理论支撑，才能使虚拟实验系统更加适合学生的探究式学习、适应教师教学，才能成为理论教学的重要补充，成为实践培训不可或缺的方式。

参考文献：

[1]单美贤.虚拟实验系统的分类研究[J].现代教育技术,2011，(10).

[2]百度百科[EB/OL].http://www.baike.com/wiki.

[3]何恩贵.体验式虚拟实验教学系统的构建研究[J].现代中小学教育,2013，(4).

责任编辑：柴造坡

作者简介：第一韩丽艳(1979—)，女，辽宁铁岭人，硕士，讲师。研究方向：计算机教育。

基金项目：渤海大学2013年教改立项(编号：JG13QN013)；2014年辽宁省教育厅教学改革立项(编号：PRP20140150)；2013年辽宁省社会科学规划基金项目(编号：L13CTQ012)

收稿日期：2014-11-24

中图分类号：G431

文献标志码：A

文章编号：1674-6341(2015)01-0021-03

doi:10.3969/j.issn.1674-6341.2015.01.010