虚拟实验教学系统研究与开发离“教”有多远

李 磊

（中国民航管理干部学院，北京 100102）

近年来，随着计算机技术的进步，虚拟实验室已得到了广泛的应用。一般认为，虚拟实验室（Virtual Laboratory）的概念最早是于1989年由美国弗吉尼亚大学的沃尔夫（William Wolf）提出的[1]。虚拟实验室是一个综合不同工具和技术的信息化、网络化的集成环境。在这个环境里，用户可以非常有效地利用世界上分布的各种数据、信息、仪器设备及人力等资源。加入因特网的虚拟实验室可视为建立了一个可以演示、操纵、控制实验的特殊网站。它的建立大大提高了实验教学的伸缩性和适应性。

在教育技术研究领域中，虚拟实验教学逐渐成为研究的热点，许多实验教学人员正在试图开发各种虚拟实验教学系统来替代传统的实验室。这些应用研究已经不限于最早在高校教学中的应用，在基础教育领域也不断有新的虚拟实验教学系统被设计和开发出来。不过当前我国的虚拟实验教学系统的研究与开发存在工程技术研究多，教学设计研究少的现象。从国内已知的相当数量的文献中我们发现：当前的虚拟实验教学研究较多集中在具体的课程应用开发上，这类研究报告往往作为技术报告出现在各种理工类专业刊物上，或是作为在工科学生的毕业论文（设计）出现。在教育研究刊物上对虚拟实验室的研究也多为区域应用现状的教育管理学研究，从教学设计角度探讨较少。换句话说，当前的虚拟实验教学研究可能离真正的教育学研究很远，所设计和开发的系统在教学理论家眼里可能离相对完整的教学系统也还很远。我们认为，在虚拟实验室的开发中，仿真模拟是系统的关键部分，设计开发者对不同仿真对象的关注决定了这个系统离“教”有多远。

一、虚拟实验室的三种仿真对象

我们知道，虚拟实验室一开始并非作为一个教学系统产生的。早期的虚拟实验仅仅只是一种实验工作环境，只是后来人们发现可以用于教学，并逐渐作为教学系统的一部分来关注。在这个发展过程中，出现了三种仿真对象：虚拟仪器、虚拟场景和虚拟环境。

1.虚拟仪器

虚拟仪器是虚拟实验室的最早形式之一，或者说是为了适应大型实验仪器的替代与开放性需求而产生的，只到今天，在工程设计中，虚拟仪器仍然是主要的形式，并已产生许多优秀的仿真模拟平台来部分替代相关大型实验仪器。在虚拟实验室应用于教学的早期，虚拟仪器可以安全替代易损或昂贵的真实实验器材让学生模拟操作完成实验任务。如在物理电工实验中，虚拟实验可以替代庞大的电工实验操作台，通过鼠标连线替代实际的连线操作。虚拟仪器是对学习材料的模拟，用于实验教学往往只能提供替代仪器的操作训练。

2.虚拟场景

很显然，仅仅对学习者进行技能的操练是不够的，虚拟仪器远不能满足教学的需要。大多数实验教学任务并非单纯操作技能的训练，而是希望能够培养学生解决实际问题的能力。也就是说，大多数情况下，教师要给学习者提供特定的问题情境，并要求学习者选择利用相关虚拟仪器来完成认知任务。虚拟仪器是这个工作场景的组成部分。虚拟场景可以来自现实的问题情境，也可以是现实中没有发生但是可能发生的情境，是可变的，并且依赖于特定的学习任务。虚拟场景的设计本质上是一个教学设计问题。相反，虚拟仪器在不同的场景中是不变的，它仅仅是对已经存在的真实仪器的仿真模拟，是单纯的工程技术问题。

3.虚拟环境

虚拟场景这种对问题情境的仿真只是对学习的物理环境的模拟。科学家协同工作的现实给了学习与教学研究者更多的启发。人们意识到，真正的学习环境不仅仅是物理的（场景），也是社会性的。好的教学系统应该同时为学习者提供物理的和社会的仿真环境。虚拟实验室最早用于研究和开发时，交互平台只是一个实现协同研究的技术手段，但是现在的教学理论家已经把科学研究者之间的互动本身看作了学习对象的一部分。因此，作为教学系统的虚拟实验室，学习者需要一个能够获得接近现实的社会文化互动环境[2]。可见虚拟环境设计实际上把传统的技术层面的交互平台设计也纳入教学设计中来。

二、适应教学需要的虚拟实验系统的特征

虚拟实验室一经提出实际上就被应用于两个不同但又相互关联的领域：协同研究和实验教学。许多研究者往往不去关注这种差异，企图通过开发一个通用平台来满足两方面的需要。他们实际上是想把教学设计的工作留给教师自己来完成。可见要想让虚拟实验教学系统离教更近，就必须重视教学型虚拟实验室的特殊性。我们认为教学型虚拟实验室至少要突出以下特征。

1.工作环境的预设性

很显然，教师在实施虚拟实验教学之前必须要有教学设计，也就是说教师要通过对学习环境的控制来引导实验人员（学习者）的特定学习行为和认知情感结果的发生。教学设计必须由教师根据教学目标来做出，即使在一个自学系统中，学习任务也并非完全由学习者自行组织的。不像在研发型虚拟实验室中，研发人员只要通过对工作环境（参数）的控制来模拟特定原型系统的运行结果的产生，其操作环境往往是一种由实验人员自行组织的工作环境。通用平台的开发对于研发型虚拟实验室来说已经足够了，但对教学型虚拟实验室来说则无法满足教师的需要。除了在用户类型里增加教师用户外，必须提供更多子系统来支持这种教师对工作环境的预设需要，这可能要有一个知识库系统，也可能还有其他更多的。

2.对学习情境的追求

学习情境的创设无疑是一个教学系统的主要任务，适应教学需要的虚拟实验室系统，应该在这一任务中发挥更大的作用，而不是完全留给教师来完成。在研发型虚拟实验室中，工作环境本身往往不需要系统开发人员专门去设计，相反要提供用户足够大的自主设置空间。工作平台的技术指标是开发者最大的追求。虚拟仪器是这类系统设计中非常普遍的仿真形式，虚拟环境或是虚拟场景对这类虚拟实验室而言可以不必考虑。而对于教学需要来说，学习情境既是学习条件也是学习对象，特别是当工作平台本身也成为学习对象的一部分的时候，我们就必须把虚拟环境的设计作为系统设计的核心，因此，我们不应该也不可能把创设学习情境的任务完全留给教师来完成。

3.对学习者发展的关注

任何一个教学系统都应该关注的是学习者的发展，在教学型虚拟实验室中，系统应该关注学习者通过实验操作后，对特定情境的认识水平的提高；或者更关心学习者对特定实践技能、问题解决能力的掌握。系统需要通过各种认知任务成果信息资料的收集，依照特定教学评价标准对学习者做出评价。为了对学习者的发展这个非直接结果作出判断，在这个系统中，评价应该是系统结构中的一个重要部分。而对评价子系统的设计取决于开发者教育评价观，与教学设计直接关联。

三、构建真正符合教学规律的虚拟实验室

建构主义认为，学习是建构内在心理表征的过程。学习者并不是把知识从外界搬到记忆中，而是以已有的经验为基础通过与外界的相互作用来获取、建构新知识的过程，所以建构主义强调学习环境的设计。建构主义强烈推荐学生要在真实的情境下进行学习，要减少知识与解决问题之间的差距，强调知识的迁移能力的培养。我们认为好的虚拟实验教学系统在各个开发环节中，都应体现这一思想。

1.需求分析

学习是一种有意义的社会协商，学习环境由情境、协作、对话和意义建构四个要素构成。情境是意义建构的基本条件，师生、生生之间的协作和对话是意义建构的核心环境，意义建构则是学习的目的。虚拟实验教学系统的需求分析要围绕建立以学习者为中心的学习环境这一目标。由于在这个学习环境中的教师不再是知识的传授者，而是学习者在学习过程中的帮助者、指导者。对用户的需求分析应该重点关注学习者的认知需求和学习方式需求，特别是要满足学习者在线自学的要求；满足学习者掌握知识，并进行思维、想象、知识迁移等训练的要求；满足学习者交互活动及获得支架的要求；满足学生对自测及自我评价的要求。在这一前提下，要0关注教师学习环境控制需求。

2.系统结构

虚拟实验室教学系统要重点关注学习对象、学习评价、管理平台等方面的子系统。这里的学习对象已经超出了一般学习对象的概念，不能只提供知识库，虚拟仪器等，应该从虚拟环境角度来认识学习对象，对系统架构的设计也要当作学习对象来考虑；学习评价系统中评价指标的选择和考察资料的采集是决定该系统效度的重要因素，它取决于系统设计者信奉何种学习与教学理论；管理平台则要适应教师教学设计和评估的需要而特殊考虑。可见，要开发一个充分适应教学需要的虚拟实验室，已经不可能把主要注意力放在了虚拟仪器和一般工作平台的设计上了。

3.技术选择

教学设计要为学习者创设含有真实问题或真实事件的情境，使学习者产生学习的需要，并通过学习共同体成员之间的互动、对话，实现主动学习。学习环境应当为学习者建构对知识的理解提供一种概念框架，这种框架中的概念是为发展学习者对问题的进一步理解所需要的。因此，好的虚拟实验教学系统应该在提高虚拟环境的仿真水平上多下功夫，促进学习者获得知识和能力可以进行较为宽广的迁移和应用。虚拟环境要综合应用多媒体技术，再现现实的工作情境。虚拟现实（VR）实验室将是未来的发展方向。目前虚拟环境的实现技术主要包括Java技术、flash技术、ActiveX技术、QTVR技术和VRML技术，VRML技术是在虚拟现实实验室开发中最具有应用前景的技术。