虚拟仿真实验平台下探究式学习的设计与实践

刘畅 柯健

摘  要：为解决传统实验教学存在的种种弊端，开发设计出一款适用于探究式学习的虚拟仿真实验平台，重点研究了在虚拟仿真平台上以探究式学习方式组织学习活动，设计了基于虚拟仿真实验平台的探究式学习过程，内容包括实验前准备、探究式实验和实验评价等所有实验教学环节，通过开展实践取得了良好的教学效果。在虚拟仿真实验平台上进行探究式学习不仅可以激发学生的学习兴趣，发挥其学习主动性，而且可以降低实验成本，提高学习效率。

关键词：虚拟现实;虚拟仿真;实验教学;探究式学习

中图分类号：TP393        文献标志码：A         文章编号：1673-8454（2019）10-0042-03

随着虚拟现实技术的不断成熟，人们开始探索虚拟仿真实验在教育领域的应用价值，国内许多高校都根据自身科研和教学需求建立了各具特色的虚拟仿真实验平台，它们除了可以辅助高校的科研工作外，在实验教学方面也凸显了自身的许多优势。利用虚拟仿真实验平台，学生可以脱离真实的设备做各种各样的复杂实验，获得接近真实实验或者和真实实验一样的体验，从而丰富感性认知，加强对实验内容的理解，同时又能避免从事真实实验所带来的危险和财产损失。只要学生自己想学，即便是在课下也能够随时随地开展实验，打破了时间和空间的限制。

基于虚拟仿真实验平台的探究式学习首先要为学生构建出一个真实的或者接近真实的实验环境，让学生按照设定的学习目标进行实验。在实验过程中平台能够给予及时的反馈或者提示，让学生在探究式操作的过程中逐步掌握要领，不断反思总结，建构自己的结论，最后完成作品提交到评价系统中。教师可以调用或查询学生的学习过程，并对学生的作品进行评价，提出疑问或者建议。学生再根据这些反馈调整自己的行为模式，完善学习成果，最终得到满意的结果。

因此，能够支持探究式学习的虚拟仿真平台除了能够提供高仿真的界面外，还需要支持及时的行为结果反馈、学习过程的记录与重现、学习成果的评价等来满足学生的个性化探究学习。当然教师在学生学习的过程中也不能完全依赖平台，学习过程中面对面的指导和学生间的交流仍是十分必要的。

一、虚拟仿真实验平台简介

《视频新闻采集》是一门专业性和实践性都很强的课程，课程目标是使学生熟练掌握新闻视频作品的采集与制作的操作技能，能够熟练使用摄像机在新闻现场进行拍摄，获取有价值的新闻素材。因此，在学习的过程中到真实的新闻现场进行实地拍摄就显得十分重要。但将学生带入到某些新闻现场（如火灾、枪击）进行实践显然是不现实也不安全的，即便在课堂上进行现场还原也需要耗费大量的人力和财力，教学效果难以达到要求。基于此，我们设计开发了《视频新闻采集》虚拟仿真实验平台。该平台的特点是针对课程相关教学需求在网上开展虚拟拍摄实践，模拟真实拍摄中用到的器材和设备，提供与真实新闻事发现场相似的环境，支持学生的自主探究学习，登录界面见图1。

该平台为学生提供四个典型的新闻场景：新闻发布会、车祸现场、超市抢购现场和解救人质现场（见图2）。通过虚拟的人机交互界面，学生以第一人称的视角进入到实验场景中进行操作，在操作过程中不断接收到系统提出的任务要求，学生要根据要求完成任务，模拟出真实操作后的相应效果，完成一系列的拍摄活动。同时平台将操作过程的视频进行保存并可以回放，这种自动记录的结果和过程无论是错误的还是正确的，都可以作为后面开展个性化评价活动的依据。

二、虚拟仿真实验平台下探究式学习活动设计

基于虚拟仿真实验平台下的探究式学习，是在教师的引导下在虚拟学习环境中进行的。根据虚拟仿真平台的特殊性，我们以《视频新闻采集》平台上“解救人质”的新闻场景为例，将学习活动过程设计成图3所示的几个步骤。

1.实验前准备

在虚拟仿真平台上进行教学，首先要确保平台的正常运行，课前要对平台系统进行常规检测，保证教学能顺利进行。使用前，教师应该向学生介绍虚拟仿真实验平台的使用方法，包括如何进入学习系统、如何开始学习活动等。

2.形成问题

在教师提出本次课程的学习内容、学习目的的同时，最好能让学生自己形成问题，当学生面临各种让他们困惑的问题时，他们就要做出各种猜测，想方设法寻找问题的答案。比如，本次课程的主要学习任务是跟踪拍摄警察解救人质的过程，但是学生会看到一个显而易见的问题：如何在枪林弹雨的解救现场保证自己的安全，同时又能拍摄到最有价值的新闻画面？学生在没有进行操作之前，可以根据自己对问题的理解和想象给出一个临时的答案，在具体实验拍摄之后，可以将拍摄结果与前面的猜想作对比，形成自己的結论。

3.探究式学习过程

在虚拟构建的实验环境下，学生处于警方攻坚解救人质的场景中，点击开始后，学生需要跟随警员，拍摄攻坚过程。学生可以通过键盘在场景中任意走动，模拟手持摄像机操作，进行取景以及推、拉、摇、移、跟镜头拍摄。在拍摄过程中，系统还会不断给出每一个步骤的任务提示，并模拟画面人物对话，提示学生调整自己的行动轨迹完成拍摄任务，并在此过程中确保自身始终处于安全位置（见图4）。

当学生完成所有拍摄任务后，系统将拍摄视频进行保存，并可以回放。学生可以与其他学习同伴进行在线交流，并查看学习同伴的拍摄过程，与自己拍摄的素材进行对比和分析。除了在虚拟仿真实验平台上的实践操作，学生还可以根据平台提供的文献资料和网络连接进行进一步的阅读和总结，搜集同类案例的新闻现场报道，不断完善自己的知识体系建构。

4.学习评价

学习评价一直是探究式学习的重点和难点，虚拟仿真实验平台能够为探究式学习活动提供更加丰富的评价方式。

（1）对探究过程的评价

在虚拟仿真平台上，学生每一步通过鼠标点击或者键盘输入的操作都能够被记录下来，经过后台的进一步处理，为教师追溯评价学习过程提供了可能。另外，学生在平台上模拟摄像机拍摄的操作过程得以保存在系统中，教师可以通过回放观看过程进行判断和打分。

（2）对探究方法的评价

学生在学习过程中的探究思路和解决问题的方法也是探究式学习关注的重点。在该虚拟仿真实验平台上提供了实验报告管理功能，实验过程记录文档可以非常方便地被存储和调用，教师可以对实验报告进行批改，上面记录的文字或者图片信息都能够很好地表现学生在探究式学习过程中的思路和方法。

（3）对探究结果的评价

对结果的评价就是将学生的学习成果与系统预设的结果进行比较，系统自动或者教师手动进行打分，得分越高说明学习效果越好。学习成果可以是实践操作结果，也可以是探究式学习后的知识点测试结果。

5.总结与反思

学习总结阶段可以在真实的环境中进行，通过展示自己拍摄的解救人质画面阐述拍摄心得，在此过程中接受教师和同学们的质疑并给予解答，让学生对所学内容进行更深入的思考。同时，通过学习反思，学生能够更严肃地对待新闻工作，加深职业风险认知，提升职业荣誉感。

三、虚拟仿真实验平台在探究式学习中的优势

1.更直观的教学形式有利于探究式学习

传统的非真实的实验教学媒介，无论是通过文字、图片还是观摩视频操作过程，都是以间接的知识经验为主，而虚拟仿真实验平台能为学生提供直接的操作机会，获得真实的实验结果反馈，这种“从做中学”的经验不仅是全部教学理论的基本原则，也是学生进行探究式学习的基础。

2.丰富的趣味性有利于探究式学习

学生是探究式学习的主体，学生在学习过程中能否积极主动地解决困难和问题是探究式学习能否成功的关键。在虚拟仿真实验中，学生进入虚拟实验环境，这种环境通常是经过精心设计与制作的，除了真实感外还兼具美感，这让学生比在真实的实验环境中学习更能获得美的享受。同时，学生与虚拟物品之间常伴有交互，通过错误的或者正确的尝试，得到不同结果的反馈（甚至是奖励），有利于学生保持较高的学习兴趣，这一特点正是探究式学习理论所提倡的。

3.全面及时的反馈有利于探究式学习

探究式学习与传统学习的区别在于如何对学习进行评价。传统学习认为学习结果十分重要，但是探究式学习认为除学习结果，对学习过程的评价也同样重要。虚拟仿真实验平台除了能够提供对最终实验结果的评价，还能对实验过程中的每一个操作步骤提供反馈，同时保留记录学习过程中的操作记录。这样，教师就可以随时调用，对学生在探究式学习过程中的创新性和闪光点给予肯定和保留，真正体现出探究式学习的意义。

4.低成本的重复性利用有利于探究式学习

可持续发展是人类社会的永恒主题，教育也不例外。实验教学更是一项极具重复性的工作，虚拟仿真实验平台在提供重复性低成本的教学资源上有着得天独厚的优势，可以反复使用的实验资源既不会带来资源的浪费，也不会造成环境污染，是节约教育资源和社会资源的最有利渠道。虚拟实验平台还可以让学生修改一些实验细节，灵活地为学生提供不同的实验条件和实验场景，这种适用性对探究式学习极为有利。

四、结束语

学生的自主探究学习能力越来越被人们所重视，进而成为新时代教育的培养重点。当一些传统的教学媒介不能很好地展现某些学习内容、难以激发学生的探究热情时，就需要借助新的技术来实现。因此，在虚拟仿真实验平台上进行探究式学习的发展潜力是无限的，在实际教学过程中也取得了良好的效果，使学生的自主探究和创新实践能力得到了明显的提高，最大限度将教学资源优势与传统教育完美结合。

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（编辑：鲁利瑞）