（教育技術(shù)學(xué)專業(yè)論文）桌面虛擬實驗的開發(fā)與教學(xué)應(yīng)用研究.pdf

桌面虛擬實驗的開發(fā)與教學(xué)應(yīng)用研究 摘要 實驗教學(xué)是教學(xué)活動中的重要環(huán)節(jié)，實驗對于培養(yǎng)學(xué)生的動手能力、解決問題能力 和創(chuàng)新能力是至關(guān)重要的。目前，隨著計算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展，以及科學(xué)研 究進(jìn)一步深入的需要，桌面虛擬實驗技術(shù)同漸成熟和完善，逐步走進(jìn)教學(xué)，發(fā)揮重要的 實踐教學(xué)作用，彌補(bǔ)真實實驗的不足。本研究針對桌面虛擬實驗應(yīng)用于教學(xué)這一熱點問 題作了以下幾個方面的研究： 首先，對真實實驗、虛擬實驗和桌面虛擬實驗的相關(guān)概念進(jìn)行了闡述，對真實實驗 和虛擬實驗的特點進(jìn)行了分析，在此基礎(chǔ)上提出在實驗教學(xué)中，整合真實實驗和虛擬實 驗，以實現(xiàn)兩種實驗教學(xué)方式的優(yōu)勢互補(bǔ)，為桌面虛擬實驗應(yīng)用的指導(dǎo)理論研究奠定基 礎(chǔ)。 實驗教學(xué)的主要目的是通過實驗建立概念、理解規(guī)則，并掌握一定的實驗基本知識 和技能。本文的第三部分和第四部分以教育心理學(xué)中技能形成理論為基礎(chǔ)，在現(xiàn)有 的對實驗技能學(xué)習(xí)的研究成果基礎(chǔ)上，結(jié)合桌面虛擬實驗的特點，詳細(xì)論述了桌面虛擬 實驗對培養(yǎng)學(xué)生心智技能的作用，桌面虛擬實驗對培養(yǎng)學(xué)生操作技能的作用和桌面虛擬 實驗對遷移學(xué)生實驗技能的作用，并在此基礎(chǔ)上歸納總結(jié)了桌面虛擬實驗的選擇和應(yīng)用 方法。 最后，依據(jù)桌面虛擬實驗選擇和應(yīng)用的方法，結(jié)合目前的實際教學(xué)情況，設(shè)計開發(fā) 了i i s 服務(wù)器配置虛擬實驗，并應(yīng)用實驗研究方法對i i s 服務(wù)器配置虛擬實驗的教學(xué)效 用進(jìn)行了實證研究，對學(xué)生使用虛擬實驗的感受進(jìn)行了問卷調(diào)查，分析總結(jié)學(xué)生使用桌 面虛擬實驗過程中存在的問題，提出今后努力的方向。 關(guān)鍵詞：桌面虛擬實驗；心智技能；操作技能；教學(xué)應(yīng)用 桌面虛擬實驗的開發(fā)與教學(xué)應(yīng)用研究 a b s t r a c t e x p e r i m e n t a lt e a c h i n gi sa l li m p o r t a n tp a r ti nt e a c h i n g e x p e r i m e n ti se s s e n t i a lt of o s t e r t h ep r a c t i c a la b i l i t y , p r o b l e m s o l v i n gs k i l l sa n dc r e a t i v i t yo fs t u d e n t s n o w , a l o n gw i t ht h e r a p i dd e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g ya n dn e t w o r kt e c h n o l o g y , a sw e l la st h en e e df o r f u r t h e ri n d e p t hs c i e n t i f i cr e s e a r c h ，d e s k t o pv i r t u a le x p e r i m e n tt e c h n o l o g yh a sb e e np e r f e c t a n dm a t u r i t yd a ya f t e rd a y , a n dg r a d u a l l yw e n ti n t ot e a c h i n g , p l a ya l li m p o r t a n tr o l ei nt h e p r a c t i c et e a c h i n g ，t om a k eu pf o rl a c ko ft h er e a le x p e r i m e n t f o c u s e do na p p l i c a t i o no f d e s k t o pv i r t u a le x p e r i m e n ti nt e a c h i n g ，t h i ss t u d ym a d et h ef o l l o w i n ga s p e c t s ： f i r s to fa l l ，i ts t a t e dt h er e l a t e dc o n c e p t so ft h er e a le x p e r i m e n t v i r t u a le x p e r i m e n ta n d d e s k t o pv i r t u a le x p e r i m e n t ，a sw e l la si ta n a l y z e dt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h er e a le x p e r i m e n t a n dv i r t u a le x p e r i m e n t ，a n do nt h i s b a s e s ，t h e a u t h o ra d v a n c e dt h a t i n t e g r a t e d r e a l e x p e r i m e n t sa n dd e s k t o pv i r t u a le x p e r i m e n t si nt h ee x p e r i m e n t a lt e a c h i n g , i no r d e rt oa c h i e v e t h i st w oe x p e r i m e n t a lt e a c h i n gm e t h o d st oc o m p l e m e n te a c ho t h e r , l a yt h ef o u n d a t i o nf o rt h e g u i d a n c eo ft h e o r e t i c a lr e s e a r c ho fd e s k t o pv i r t u a le x p e r i m e n t sa p p l i c a t i o n s n em a i np u r p o s eo ft h ee x p e r i m e n t a l t e a c h i n gi st h ee s t a b l i s h m e n to ft h ec o n c e p t u n d e r s t a n d i n go ft h er u l e s ，a n da c q u i r e sac e r t a i na m o u n to fb a s i ce x p e r i m e n tk n o w l e d g ea n d s k i l l s n et h i r da n dt h ef o r t hp a r to ft h i sa r t i c l ew e r eb a s e do nt h et h e o r yo fs k i l l sf o r m a t i o n i n ”e d u c a t i o n a lp s y c h o l o g y ”，a n do nt h eb a s i so fe x i s t i n gr e s u l t so nl e a r n i n gs k i l l sr e s e a r c h c o m b i n e dt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ed e s k t o pv i r t u a le x p e r i m e n t ，d e t a i l e dt h ef u n c t i o no f d e s k t o pv i r t u a le x p e r i m e n to ns t u d yi n t e l l e c t u a ls k i l l sa n dm a n i p u l a t i v es k i l l sa n dt h e m i g r a t i o no fs t u d e n t s e x p e r i m e n t a ls k i l l s ，a n df i n a l l ys u m m a r i z et h em e t h o do fh o wt o c h o o s ea n da p p l yd e s k t o pv i r t u a le x p e r i m e n t si np r a c t i c e f i n a l l y , a c c o r d i n gt ot h em e t h o do fc h o i c ea n da p p l i c a t i o no fd e s k t o pv i r t u a le x p e r i m e n t a n dc o m b i n et h ea c t u a lt e a c h i n gs i t u a t i o n ，t h ea u t h o rd e s i g n e da n dd e v e l o p e di i ss e r v e r c o n f i g u r a t i o nv i r t u a le x p e r i m e n t s ，a n da p p l yi ti nt h ep r a c t i c et e a c h i n g ，i no r d e rt ov a l i d a t et h e e f f e c t i v e n e s so fv i r t u a le x p e r i m e n t ，a n dt h e n ，a f t e rc l a s st e a c h i n g ，c o n d u c t e da nq u e s t i o n n a i r e s u r v e yt oi n v e s t i g a t et h es t u d e n t s f e e l i n go fu s e l i m i t a t i o no fd e s k t o pv i r t u a le x p e r i m e n ti nt e a c h i n g t h ed i r e c t i o no ff u t u r ee f f o r t s d e s k t o pv i r t u a le x p e r i m e n t ，a n a l y z et h e p r a c t i c e ，b e s i d e s ，a d v a n c e ds o l u t i o n sa n d k e yw o r d s d e s k t o pv i r t u a le x p e r i m e n t ；i n t e l l e c t u a ls k i l l ；m a n i p u l a t i v es k i l l ；a p p l i c a t i o ni nt e a c h i n g i l 桌面虛擬實驗的開發(fā)與教學(xué)應(yīng)用研究 學(xué)位論文獨(dú)創(chuàng)性聲明 本人承諾：所呈交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下所取得的研究成果。論文中 除特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，不包含他人和其他機(jī)構(gòu)已經(jīng)撰寫或發(fā)表過的研究 成果，其他同志的研究成果對本人的啟示和所提供的幫助，均已在論文中做了明確 的聲明并表示謝意。 學(xué)位論文作者簽名： 學(xué)位論文版權(quán)的使用授權(quán)書 王散凈王馭爭 本學(xué)位論文作者完全了解遼寧師范大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，及學(xué) 校有權(quán)保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交復(fù)印件或磁盤，允許論文被查閱和借閱。 本文授權(quán)遼寧師范大學(xué)，可以將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫并進(jìn)行 檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編學(xué)位論文，并且本人電子 文檔的內(nèi)容和紙質(zhì)論文的內(nèi)容相一致。 保密的學(xué)位論文在解密后使用本授權(quán)書。 學(xué)位論文作者簽名：量! 魚醛指導(dǎo)教師簽名： 簽名日期： 如7 ，年f 月形e l 桌面虛擬實驗的開發(fā)與教學(xué)應(yīng)用研究 第1 章序言 1 1 研究背景與意義 1 1 1 選題來源 2 0 0 6 2 0 0 8 年，本人全程參與了李玉斌老師主持的遼寧省教育廳的科研項目“面向 新課程的高師院校學(xué)生現(xiàn)代教育技術(shù)能力培養(yǎng)實踐研究 ，并在同期參與編寫教材現(xiàn) 代遠(yuǎn)程教育原理中虛擬實驗部分，這期間所做理論研究工作使我對虛擬實驗以及虛擬 實驗的教學(xué)作用有了較深的了解，為本課題的確立和理論實踐研究奠定了基礎(chǔ)。 1 1 2 研究的必要性 實驗是人類認(rèn)識世界的重要方法。十六世紀(jì)初期，實驗思想開始萌芽。1 6 8 7 年，艾 薩克牛頓的自然哲學(xué)之?dāng)?shù)學(xué)原理一書的出版，標(biāo)志著完整的實驗思想體系和方法 論的形成。實驗教學(xué)不僅能幫助學(xué)生形成正確的概念，加深對規(guī)律的理解，而且與課堂 理論教學(xué)相比，實驗課程在培養(yǎng)和提高學(xué)生動手實踐能力、觀察能力、理論聯(lián)系實際能 力等方面有著不可替代的作用，而且社會的發(fā)展，高校的擴(kuò)招，大學(xué)畢業(yè)生就業(yè)困難， 就業(yè)崗位對大學(xué)畢業(yè)生實踐能力的要求，也都體現(xiàn)出實驗教學(xué)的重要性。 然而隨著學(xué)科教育的發(fā)展和教學(xué)改革的不斷推進(jìn)，傳統(tǒng)實驗教學(xué)逐漸凸現(xiàn)出它的局 限性，實驗場地、儀器設(shè)備的短缺，大型儀器設(shè)施操作、微觀、危險性實驗的難于開展， 都使得實踐教學(xué)很難發(fā)揮其優(yōu)勢。隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，虛擬實驗開始出現(xiàn)并逐步走 進(jìn)教學(xué)，發(fā)揮其獨(dú)特的實踐教學(xué)作用，彌補(bǔ)真實實驗的不足。它能夠打破真實實驗時間 和空間的限制，使天上、地下、甚至微觀、宇觀、危險性的實驗融縮到一臺機(jī)器甚至一 個學(xué)習(xí)軟件中，使學(xué)習(xí)者在普通的實驗室甚至家里就能輕松安全的進(jìn)行實驗。但在目前， 完全沉浸式的虛擬實驗仍是一項高投入的技術(shù)，一般而言，一套基于圖形工作站和u n i x 操作系統(tǒng)的虛擬現(xiàn)實軟、硬件系統(tǒng)，往往需要4 0 0 5 0 0 萬元人民幣的資金。這在一定程 度上制約了虛擬實驗在教學(xué)中的普及。桌面虛擬實驗的應(yīng)用為教學(xué)媒體的應(yīng)用開辟了一 條新的道路。 荷蘭學(xué)者h(yuǎn) u g oj o n k e r s 在開發(fā)“j i m mp r o b l e ms o l v e r 項目前，就“現(xiàn)代教育需 要什么樣的軟件”問題調(diào)查過很多學(xué)院和研究所的看法，他得出這樣的總結(jié)性結(jié)論：現(xiàn) 代教育不需要基于教學(xué)的軟件，因為目f j 的研究已經(jīng)做的很好了。現(xiàn)代教育真正需要的 是當(dāng)學(xué)生在某個剛介入的領(lǐng)域里嘗試獨(dú)立解決問題時，提供支持作用的軟件1 。 ( 1 ) 軟件應(yīng)該是獨(dú)立于教師的，但教師又必須能跟蹤學(xué)生的進(jìn)步。 ( 2 ) 軟件應(yīng)鼓勵采用階段式系統(tǒng)方法：分析、建模、創(chuàng)作和評價。軟件必須突出分析、 建模和評價階段，因為學(xué)生傾向于跳過這些階段，限于創(chuàng)作階段。 ( 3 ) 學(xué)生應(yīng)該是解決問題的主要人，因此使用軟件時，學(xué)生應(yīng)有控制權(quán)和主動權(quán)。 ( 4 ) 學(xué)生在解決問題時應(yīng)有充分的自由，就像他們用筆和紙學(xué)習(xí)一樣，“紙”能對學(xué)生的 1 湯躍明虛擬現(xiàn)實技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用 m 北京：科學(xué)出版社2 0 0 7 3 1 1 桌面虛擬實驗的開發(fā)與教學(xué)應(yīng)用研究 行為給出反應(yīng)：解釋學(xué)生的行為，并給出真實的支持和反饋。 ( 5 ) 軟件應(yīng)能監(jiān)控學(xué)生的行為并判斷學(xué)生是否在用恰當(dāng)?shù)姆椒ㄗ鲈撟龅氖拢?給出建議但不應(yīng)該給出解決方案。 ( 6 ) 軟件應(yīng)能幫助學(xué)生減輕那些不得不做的但又不是核心內(nèi)容的繁重任務(wù)， 能期望學(xué)生頻繁使用這個軟件。 軟件能按需 只有這樣才 ( 7 ) 應(yīng)該用圖形、圖片、動畫等方式來說明問題，不應(yīng)該有太多的文字內(nèi)容，因為學(xué)生 已經(jīng)有了書本。計算機(jī)屏幕缺乏導(dǎo)向性和整體瀏覽性導(dǎo)致計算機(jī)屏幕不適合讀文字 內(nèi)容。 ( 8 ) 解決問題的費(fèi)用不應(yīng)該超過采用的書本形式太多。最終，軟件應(yīng)能代替書本來呈現(xiàn) 問題。 ( 9 ) 學(xué)生能在家或者通過網(wǎng)絡(luò)使用該軟件。即軟件應(yīng)能通過c d r o m 、i n t e r a c t 和i t r a n e t 等發(fā)送，鏈接時間盡可能短，下載負(fù)載不能太重。 桌面虛擬實驗是由一臺普通的計算機(jī)系統(tǒng)組成，使用者通過鍵盤、鼠標(biāo)便可與虛擬 環(huán)境進(jìn)行交互，真實的感受到所虛擬到情景。這種軟件的特點是交互性強(qiáng)、價格低廉、 制作技術(shù)簡單、便于網(wǎng)絡(luò)傳輸，運(yùn)行環(huán)境要求低，易于普及和推廣，是一種經(jīng)濟(jì)實用的 教學(xué)媒體。因此，根據(jù)h u g oj o n k e r s 的結(jié)論和目前教育技術(shù)的發(fā)展情況來看，桌面虛 擬實驗不僅迎合了現(xiàn)代教育發(fā)展的需要，也是目前教育研究比較現(xiàn)實的目標(biāo)。研究桌面 虛擬實驗及其相關(guān)技術(shù)，研究如何將桌面虛擬實驗科學(xué)合理地應(yīng)用于教學(xué)，探索一種新 的教學(xué)模式，彌補(bǔ)現(xiàn)實教學(xué)的不足，對于推動實驗教學(xué)改革，促進(jìn)實驗教學(xué)發(fā)展具有十 分重要的意義。 1 2 研究現(xiàn)狀 筆者通過中國知網(wǎng)用“桌面虛擬實驗”作為關(guān)鍵詞檢索詞對中國期刊全文數(shù)據(jù)庫進(jìn) 行搜索，從1 9 7 9 年到2 0 0 9 年共搜索到相關(guān)文章6 8 篇，其中在教育技術(shù)學(xué)權(quán)威核心期 刊電化教育研究上找到桌面虛實驗的2 篇文章，中國電化教育5 篇，中國遠(yuǎn)程 教育7 篇，現(xiàn)代遠(yuǎn)距離教育4 篇。而以實驗教學(xué)作為關(guān)鍵詞進(jìn)行檢索，搜索到的相 關(guān)文章為1 5 3 5 3 篇。從以上數(shù)據(jù)可以看出國內(nèi)在桌面虛擬實驗教學(xué)方面的研究還比較欠 缺，尤其是在教育技術(shù)領(lǐng)域更未給予一定的關(guān)注。 通過對搜索到的文章進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)：目前國內(nèi)在桌面虛擬實驗教學(xué)應(yīng)用方面的研 究主要集中在( 1 ) 技術(shù)應(yīng)用：具體技術(shù)在開發(fā)某學(xué)科桌面虛擬實驗中的應(yīng)用，或者此 技術(shù)在某個實驗環(huán)節(jié)中的應(yīng)用；( 2 ) 虛實比較研究：桌面虛擬實驗應(yīng)用于教學(xué)的優(yōu)勢和 局限；桌面虛擬實驗與真實實驗的比較研究等。而對桌面虛擬實驗對實驗教學(xué)的作用、 桌面虛擬實驗的教學(xué)應(yīng)用方法等基本指導(dǎo)理論至今還缺乏研究。 哲學(xué)理論始終強(qiáng)調(diào)，要用理論指導(dǎo)實踐，用實踐來豐富和發(fā)展理論。在沒有明確理 論的前提下，進(jìn)行的實踐研究，很難取得理想的效果。因此，當(dāng)前的研究沒有抓住問題 2 桌面虛擬實驗的開發(fā)與教學(xué)應(yīng)用研究 的主要矛盾，不能很好的指導(dǎo)桌面虛擬實驗的應(yīng)用。本文以教育心理學(xué)理論為指導(dǎo)，探 討了桌面虛擬實驗在實驗教學(xué)中的作用以及桌面虛擬實驗的選擇和應(yīng)用方式，希望對桌 面虛擬實驗的設(shè)計開發(fā)、桌面虛擬實驗在教學(xué)中的實踐應(yīng)用具有一定的理論指導(dǎo)意義。 1 3 研究方法 本課題的研究方法主要采用了文獻(xiàn)法、訪談法、實驗研究法和問卷調(diào)查法。 ( 1 ) 文獻(xiàn)法。為了廣泛了解桌面虛擬實驗的研究現(xiàn)狀和最新發(fā)展，通過c n k i 數(shù)據(jù)庫對 大量國內(nèi)外與桌面虛擬實驗相關(guān)的文獻(xiàn)進(jìn)行了收集與整理，分析研究現(xiàn)狀和存在的不 足。 ( 2 ) 訪談法。通過對廣大計算機(jī)相關(guān)專業(yè)教師和學(xué)生的訪談，了解i i s 服務(wù)器配置虛擬 實驗的現(xiàn)實需要，從而設(shè)計開發(fā)虛擬實驗。 ( 3 ) 實驗研究法。為了研究桌面虛擬實驗對培養(yǎng)學(xué)生實驗技能的作用以及桌面虛擬實驗 選擇應(yīng)用方法的指導(dǎo)作用，在鐵嶺師范高等?？茖W(xué)校0 7 級計算機(jī)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)選擇兩 個班級對自行設(shè)計的i i s 服務(wù)器配置虛擬實驗進(jìn)行對比教學(xué)研究。 ( 4 ) 問卷調(diào)查法。在實驗教學(xué)結(jié)束后，針對設(shè)計制作的兩個虛擬實驗，對實驗班學(xué)生進(jìn) 行問卷調(diào)查，旨在了解學(xué)生對桌面虛擬實驗教學(xué)效果的評價及學(xué)生對應(yīng)用桌面虛擬實驗 進(jìn)行學(xué)習(xí)的態(tài)度。 1 4 研究創(chuàng)新 論文的創(chuàng)新之處主要有以下幾個方面 ( 1 ) 以學(xué)習(xí)理論為指導(dǎo)，將技能形成理論與桌面虛擬實驗的特點相結(jié)合，研究了桌面虛 擬實驗在培養(yǎng)學(xué)生實驗技能中的作用和桌面虛擬實驗的選擇方法與應(yīng)用方式，研究立足 于運(yùn)用理論指導(dǎo)桌面虛擬實驗教學(xué)實踐，同時通過桌面虛擬實驗的開發(fā)和使用，豐富和 發(fā)展虛擬實驗設(shè)計與教學(xué)應(yīng)用相關(guān)理論。 ( 2 ) 以桌面虛擬實驗的選擇與應(yīng)用方法為指導(dǎo)，設(shè)計了以“心智技能、操作技能和遷移 實驗技能”為特色的桌面虛擬實驗教學(xué)應(yīng)用流程，為實驗教學(xué)的設(shè)計提供了一定的借鑒。 ( 3 ) 結(jié)合具體實驗教學(xué)內(nèi)容，開發(fā)虛擬實驗教學(xué)訓(xùn)練系統(tǒng)，并對桌面虛擬實驗的應(yīng)用情 況進(jìn)行教學(xué)實驗研究和問卷調(diào)查研究。通過研究對結(jié)果進(jìn)行分析，以真實可靠的數(shù)據(jù)驗 證了桌面虛擬實驗對培養(yǎng)學(xué)生實驗技能的作用，以及桌面虛擬實驗選擇應(yīng)用方法的指導(dǎo) 作用。 3 桌面虛擬實驗的開發(fā)與教學(xué)應(yīng)用研究 第2 章真實實驗、虛擬實驗與桌面虛擬實驗 2 1 概念界定：真實實驗、虛擬實驗、桌面虛擬實驗 2 1 1 真實實驗 真實實驗，指的是依據(jù)教學(xué)大綱、教學(xué)計劃，在實驗室或課堂上實施的各學(xué)科的實 驗總和。教師先講解實驗，包括實驗原理、實驗?zāi)康?、實驗步驟等，然后學(xué)生參與實驗 操作，得出實驗結(jié)果，書寫實驗報告的一個整體過程；或者是教師在教學(xué)時為了說明一 個現(xiàn)象所做的實驗，學(xué)生主要是觀察實驗，當(dāng)然也可以參與實驗。實驗教學(xué)是教學(xué)過程 中不可缺少的環(huán)節(jié)，是教學(xué)過程的必要的有機(jī)組成部分。在虛擬技術(shù)產(chǎn)生之前，教學(xué)中 的實驗方式當(dāng)然都是真實實驗。真實實驗教學(xué)的優(yōu)勢是學(xué)生在實驗中有真實的體驗和感 性認(rèn)識。學(xué)生面對實物進(jìn)行實驗，起著近距離面對面的啟發(fā)作用，學(xué)生通過觀察實驗 問題討論提高這一過程，對該實驗涉及的知識點進(jìn)行現(xiàn)場消化，在親身經(jīng)歷實驗操作 的基礎(chǔ)上，既解決了課堂中沒有弄明白的問題，又使學(xué)生加深了對課堂知識的理解，鍛 煉了學(xué)生的動手能力和協(xié)作能力。 但是，隨著高等教育的學(xué)科發(fā)展和教學(xué)改革的不斷推進(jìn)，真實實驗逐漸凸現(xiàn)出它的 局限性，主要表現(xiàn)在：首先，目前在教學(xué)領(lǐng)域，真實實驗教學(xué)，始終遵循著教師講授、 演示、指導(dǎo)，學(xué)生模仿實驗過程、找到相近實驗現(xiàn)象、結(jié)果的模式，嚴(yán)重地限制了學(xué)生 的思維發(fā)展和能力的提高；其次，學(xué)校的實驗條件有限，不可能完成教學(xué)計劃規(guī)定的所 有實驗，對于一些有危險的實驗，難以在現(xiàn)實中開展，而對于一些宇觀、微觀的實驗現(xiàn) 象真實實驗更是無能為力；第三，教學(xué)計劃上對學(xué)生實驗操作技能的培養(yǎng)時間有限，學(xué) 生按照實驗指導(dǎo)書步驟進(jìn)行實驗，但在有限的時間內(nèi)無法抓住實驗的重點，不能完全理 解實驗的全過程，實驗中出現(xiàn)問題也沒有時間冷靜、認(rèn)真的思考，更談不上自由進(jìn)行綜 合性、設(shè)計性實驗了；第四，真實實驗經(jīng)費(fèi)大。實驗室建設(shè)、維護(hù)需要大量資金，很多 學(xué)校難于為學(xué)生提供更多、更新、更好的儀器，保證實驗的進(jìn)行，同時實驗器材耗損、 老化等問題日漸突出，操作上誤差增大，影響著實驗結(jié)果的可靠性和穩(wěn)定性。這些問題 無疑都給實驗教學(xué)帶來了沖擊和壓力。 2 1 2 虛擬實驗 虛擬實驗作為近年來隨著計算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展而興起的一種實驗技術(shù)或 實驗方法，彌補(bǔ)了真實實驗存在的很多不足。虛擬實驗是指借助于多媒體、仿真和虛擬 現(xiàn)實等技術(shù)在計算機(jī)上營造可輔助、部分替代甚至全部替代傳統(tǒng)實驗各操作環(huán)節(jié)的相關(guān) 軟硬件操作環(huán)境，實驗者可以像在真實的環(huán)境中一樣完成各種實驗項目，所取得的實驗 效果等價于甚至優(yōu)于在真實環(huán)境中所取得的效果1 。虛擬實驗建立在一個虛擬的實驗環(huán)境 仿真平臺之上，而注重的是實驗操作的交互性和實驗結(jié)果的仿真性。實驗者可以進(jìn)入由 計算機(jī)技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)等生成的虛擬實驗室罩，操作虛擬儀器，進(jìn)行實驗，如同在 1 汪詩林，吳泉源開展虛擬實驗系統(tǒng)的研究和應(yīng)用計算機(jī)工程與科學(xué)2 0 0 0 ( 2 ) 3 3 3 5 4 桌面虛擬實驗的開發(fā)與教學(xué)應(yīng)用研究 現(xiàn)實實驗室里近距離進(jìn)行現(xiàn)場操作一樣。虛擬實驗按功能可分為兩種類型：沉浸式虛擬 實驗和非沉浸式虛擬實驗，即桌面虛擬實驗。前者是一套比較復(fù)雜的系統(tǒng)，使用者必須 佩戴頭盔、數(shù)據(jù)手套等傳感跟蹤裝置，才能與虛擬世界進(jìn)行交互。這種系統(tǒng)的優(yōu)點是用 戶可以完全沉浸到虛擬世界中去，缺點是系統(tǒng)設(shè)備價格昂貴，難于普及推廣。后者是由 一臺普通的計算機(jī)系統(tǒng)組成，計算機(jī)屏幕作為用戶觀察擬環(huán)境的窗口，通過各種輸入設(shè) 備與虛擬現(xiàn)實世界充分交互。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，價格低廉，易于普及推廣，但缺乏真實的 現(xiàn)實體驗。 虛擬實驗具有以下特點： ( 1 ) 仿真性 理想的虛擬實驗環(huán)境可以達(dá)到使實驗者難以分辨真假的程度，例如可視場景應(yīng)隨著 視點的變化而變化，甚至比真的還“真”( 如實現(xiàn)更為逼真的照明和音響效果) 。學(xué)生處 于虛擬實驗室中，可以產(chǎn)生一種逼真的存在感，使學(xué)生在一個極其生動、活潑、輕松、 有趣的環(huán)境里進(jìn)行實驗。 ( 2 ) 教學(xué)革新性 更新教學(xué)觀念，教師由原來的處于中心地位的知識權(quán)威轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)生學(xué)習(xí)的指導(dǎo)者和 合作伙伴、設(shè)計者、教育的研究者。學(xué)生由被動的知識容器和知識受體轉(zhuǎn)變?yōu)橹R的主 宰、學(xué)習(xí)的主體。教師與學(xué)生、學(xué)生與學(xué)生之間可以平等地通過“協(xié)商進(jìn)行學(xué)習(xí)1 。學(xué) 生也可以通過虛擬實驗自主學(xué)習(xí)，擺脫傳統(tǒng)實驗教學(xué)教師做一遍，學(xué)生跟著做一遍的弊 端，加強(qiáng)對學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)。 ( 3 ) 開放性 采取靈活的教學(xué)方法，實行開放式、個性化教學(xué)。學(xué)生更能靈活地掌握運(yùn)用自己的 實驗時間，不受傳統(tǒng)真實實驗室開放和關(guān)閉的限制，重點攻克自己的難點。不必受實驗 課程和指導(dǎo)書的限制，學(xué)生能按照自己的進(jìn)度、自主地選擇或組合虛擬實驗所需要的環(huán) 境和條件。學(xué)生能在任何時間選擇實驗內(nèi)容、實驗儀器設(shè)備、實驗信息資料等，以及取 得實驗結(jié)果的評估，并具有完全的自由度。此外，虛擬實驗對于做了實驗后沒有掌握實 驗過程或?qū)嶒灱夹g(shù)片斷的學(xué)生，可以自己方便地多次重復(fù)。這樣，學(xué)生始終處于實驗教 學(xué)的主導(dǎo)地位，掌握學(xué)習(xí)的主動權(quán)，大大提高了學(xué)習(xí)效果。 ( 4 ) 形象性 虛擬實驗可以做到把枯燥的實驗變?yōu)樾蜗蟮膶嶒?。例如，在機(jī)械拆裝虛擬實驗系統(tǒng) 中，學(xué)生可以將工件的零部件一件件拆下來，觀察各個組成部分，在拆卸過程的任意時 刻，還可以將散件重新裝回去。學(xué)生可以進(jìn)入虛擬實驗里，對于實驗設(shè)備、軟硬件和實 驗過程中發(fā)生的現(xiàn)象取得感性認(rèn)識。形象性的意義在于可以使做實驗的學(xué)生將許多抽象 1 瞿瞿，鄧居祁，殷科生虛擬實驗的特點與實現(xiàn)，現(xiàn)代遠(yuǎn)距離教育，2 0 0 7 4 6 8 6 9 5 桌面虛擬實驗的開發(fā)與教學(xué)應(yīng)用研究 的學(xué)習(xí)變換成具像的學(xué)習(xí)、理性的學(xué)習(xí)變換成體驗的學(xué)習(xí)、想象的學(xué)習(xí)變換為現(xiàn)實的學(xué) 習(xí)、枯燥的學(xué)習(xí)變換成生動的學(xué)習(xí)等等，從而輕松有效地從中獲取知識。 ( 5 ) 實效性 開設(shè)反映新技術(shù)成果的應(yīng)用以及其它新型實驗是虛擬實驗又一重要應(yīng)用形式?，F(xiàn)代 科學(xué)技術(shù)發(fā)展十分迅速，實驗教學(xué)相對于學(xué)科的發(fā)展有一定的滯后性，使得實驗教學(xué)內(nèi) 容具有理論驗證性和內(nèi)容單一性的特征。虛擬實驗是解決驗證性和單一性的有效途徑， 不但可以有效地營造一個跟隨技術(shù)發(fā)展的實驗環(huán)境，還具有適當(dāng)?shù)某靶?，同時實驗教 學(xué)內(nèi)容綜合性較強(qiáng)，它既綜合單學(xué)科的知識和技術(shù)，又融進(jìn)相關(guān)學(xué)科內(nèi)容。實驗環(huán)境虛 擬化意味著實驗活動可以在很大程度上脫離物理空間和時間的限制，擺脫了傳統(tǒng)實驗教 學(xué)時空觀念的束縛，對于某些因受時空限制而在真實世界中無法觀察和控制的過程和現(xiàn) 象，特別是一些障礙性、破壞性、設(shè)計性、應(yīng)用性、探索性和研究性的新型實驗，通過 虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以進(jìn)行真實的模擬。 2 1 3 桌面虛擬實驗 教學(xué)中應(yīng)用的桌面虛擬實驗是指用多媒體的手段對真實實驗進(jìn)行再現(xiàn)或模擬，按照 實驗?zāi)康暮鸵笤O(shè)計，旨在幫助學(xué)生掌握概念、理解規(guī)律、輔助實驗技能形成的一種實 驗方式。或者說，桌面虛擬實驗是利用攝像機(jī)錄制真實實驗或用計算機(jī)來模擬真實實驗 的環(huán)境及過程，讓學(xué)生通過觀看視頻或通過計算機(jī)操作來“做”某一實驗，從中學(xué)習(xí)和 掌握知識，以補(bǔ)充或加強(qiáng)傳統(tǒng)的真實實驗。簡單地說，桌面虛擬實驗就是利用多媒體再 現(xiàn)或模擬真實實驗的一種實驗方式。其包括兩方面的內(nèi)容： 其一，用媒體記錄下來的實驗過程。包括用照相機(jī)將每一個實驗步驟拍下來，將實 驗過程表現(xiàn)出來；又包括用攝像機(jī)設(shè)備將實驗過程錄制下來，通過重放錄像將實驗過程 進(jìn)行再現(xiàn)。這兩種方式相比較而言，前者記錄的僅是實驗的一部分，實驗?zāi)硞€瞬間的狀 態(tài)，或者是多個瞬間狀態(tài)的集合，是靜態(tài)的，解說力不是很強(qiáng)；后者記錄的是整個實驗 過程，既有聲音解說，也有操作演示，能將整個實驗說得較明白易懂。 其二，用計算機(jī)軟件模擬出來的實驗過程。這又可以分為二維實驗和三維實驗、交 互實驗和非交互實驗。比如：用f l a s h 、a u t h o r w a r e 等二維制作工具制作的實驗，它們既 屬于二維實驗，也屬于交互實驗。f l a s h 因其表現(xiàn)力較強(qiáng)，又有很強(qiáng)的交互性，現(xiàn)在用 得較多。a u t h o r w a r e 則憑借其強(qiáng)大的多媒體集成功能和交互功能成為專業(yè)的課件制作工 具，當(dāng)然也能模擬很多實驗。三維制作工具也不少，比如：用3 d 來演示一個實驗是完 全可以的，但是只能進(jìn)行演示，而不具有交互性。在三維虛擬實驗里面說得多的就是虛 擬現(xiàn)實技術(shù)( v r ) 。桌面虛擬現(xiàn)實憑借其獨(dú)特的沉浸性、交互性、構(gòu)想性，在虛擬實驗里 面占據(jù)了很大的空間1 。在桌面虛擬現(xiàn)實里面用得較多的是v r m l 。它能和j 越，a 語言有 效地結(jié)合在一起具有較強(qiáng)的交互性。當(dāng)然，還有其他的制作工具，如q u i c k t i m e v r 、 1 段新昱虛擬現(xiàn)實基礎(chǔ)與v r m l 編程f m 】北京：高等教育i l ：版社，2 0 0 4 6 桌面虛擬實驗的開發(fā)與教學(xué)應(yīng)用研究 c u l t 3 d 、v i r t o o l s 等等。 從上面兩種桌面虛擬實驗來看，第一種虛擬實驗已經(jīng)普遍應(yīng)用于實驗教學(xué)中，且取 得了較好的學(xué)習(xí)效果，而第二種桌面虛擬實驗在普通教學(xué)中應(yīng)用還不多。應(yīng)用計算機(jī)軟 件開發(fā)的桌面虛擬實驗是對真實實驗的模仿，采用圖片、動畫的方式呈現(xiàn)知識，具有很 強(qiáng)的交互性和靈活性。本文所討論的就是指這種利用計算機(jī)軟件模擬的，旨在輔助學(xué)生 實驗技能形成的軟件，這種實驗除了具有虛擬實驗的一般特點外，相對于圖形工作站虛 擬實驗系統(tǒng)，還具以下特點： ( 1 ) 投資少。隨著計算機(jī)技術(shù)，尤其是p c 機(jī)的軟、硬件技術(shù)水平的大幅度提高，基于 計算機(jī)軟件的桌面虛擬實驗開發(fā)技術(shù)價格是低廉甚至是免費(fèi)的，且目前應(yīng)用于開發(fā)虛擬 實驗的軟件生成的文件格式都是眾多軟件支持的，可共享、可擴(kuò)展，可重復(fù)利用。 ( 2 ) 制作技術(shù)簡單：目前應(yīng)用于制作桌面虛擬實驗的技術(shù)，例如v r m l ，q u i c k t i m e v r 等軟件技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，建模容易實現(xiàn)，更有f l a s h 、a u t h o r w a r e 等相對普通教師很 容易掌握的軟件，制作教學(xué)中應(yīng)用的虛擬實驗已經(jīng)是一件簡單的事。 ( 3 ) 易使用。教師和學(xué)生易于掌握與使用，是基于計算機(jī)軟件的桌面虛擬實驗的最大特 點。眾所周知，大多數(shù)人都能熟練使用微機(jī)和w i n d o w s 操作系統(tǒng)，具有w i n d o w s 操作 系統(tǒng)風(fēng)格的虛擬實驗，對于教師和學(xué)生來說，易于學(xué)習(xí)與掌握。 ( 4 ) 便于網(wǎng)絡(luò)傳輸。計算機(jī)軟件生成的文件本身占用空間小，或采用高壓縮比的方式， 網(wǎng)絡(luò)傳輸速度快。 ( 5 ) 運(yùn)行環(huán)境要求低。與沉浸式虛擬實驗相比，桌面虛擬實驗的優(yōu)勢在于能運(yùn)行在p c 機(jī)上，且目前計算機(jī)的運(yùn)算速度愈來愈快，計算機(jī)圖形功能愈來愈強(qiáng)。當(dāng)前i n t e lp 4 2 2 g 和a m d2 1 0 0 + c p u 的運(yùn)算速度都能達(dá)到數(shù)1 0 億次，t i4 6 0 0 圖形卡數(shù)據(jù)傳輸率達(dá)到3 2 g b s ，為在微機(jī)上運(yùn)行虛擬實驗打下了堅實的基礎(chǔ)。 2 2 整合虛擬實驗，優(yōu)化實驗教學(xué) 桌面虛擬實驗雖然具有很多優(yōu)勢能夠彌補(bǔ)真實實驗的不足，但是，虛擬實驗畢竟不 是真實實驗，虛擬實驗雖然具有實踐的本性，但它本身并非就是實踐，從科學(xué)認(rèn)識的角 度來看，虛擬實驗是一個實物模型或是思想模型，不能替代傳統(tǒng)實驗給學(xué)習(xí)者帶來的真 實感受。當(dāng)今電子計算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，使虛擬現(xiàn)實技術(shù)得到越來越廣泛的應(yīng)用，更 多的人通過虛擬現(xiàn)實獲取知識，如果把虛擬的實驗當(dāng)作真實的實驗來看待，則可能對我 們的實踐帶來巨大的危害。事實上我們據(jù)以虛擬現(xiàn)實的技術(shù)都來自現(xiàn)實的真實的實驗過 程，虛擬現(xiàn)實技術(shù)只是給了我們一種便捷的獲得間接認(rèn)識的手段。 真實實驗和虛擬實驗共同走入教學(xué)，各有優(yōu)勢，都對教學(xué)起到舉足輕重的作用，但 他們也各自存在不足，二者不是替代關(guān)系。虛擬實驗是對真實實驗的模擬或再現(xiàn)，通過 虛擬實驗可以輔助真實實驗的實施以及教學(xué)的進(jìn)行；真實實驗的開展則加深了學(xué)生對實 7 桌面虛擬實驗的開發(fā)與教學(xué)應(yīng)用研究 驗知識和技能的理解和掌握，兩者是互相補(bǔ)充，相互促進(jìn)的。在實際教學(xué)當(dāng)中，要整合 真實實驗和虛擬實驗，取二者之長，補(bǔ)彼此之短，實現(xiàn)兩種實驗方式的優(yōu)勢互補(bǔ)，從而 優(yōu)化實驗教學(xué)。因此，如何在教學(xué)中處理真實實驗和虛擬實驗的關(guān)系，對于整個教學(xué)過 程來說顯得很重要。了解虛擬實驗的作用，了解哪些內(nèi)容的實驗適合應(yīng)用虛擬實驗，哪 些內(nèi)容的實驗只有應(yīng)用真實實驗才能達(dá)到教學(xué)目的，了解虛擬實驗應(yīng)用于實驗的哪些環(huán) 節(jié)最能優(yōu)化教學(xué)，將對研究如何有效的設(shè)計實驗教學(xué)提供寶貴的啟發(fā)和指導(dǎo)作用。 8 桌面虛擬實驗的開發(fā)與教學(xué)應(yīng)用研究 第3 章桌面虛擬實驗在實驗教學(xué)中的作用 3 1 技能概述 3 1 1 技能的定義 實驗教學(xué)的基本要求之一是培養(yǎng)學(xué)生的實驗技能。對技能的理解目前還沒有一致的 意見，在心理學(xué)大詞典( 1 9 8 9 ) 中是這樣定義的：“個體運(yùn)用已有的知識經(jīng)驗，通過 練習(xí)而形成的智力動作方式和肢體動作方式的復(fù)雜系統(tǒng)。“簡明心理學(xué)百科全書( 1 9 9 1 ) 將技能定義為“通過練習(xí)形成的能完成一定任務(wù)的動作和智力操作系統(tǒng)。“中國大百科 全書心理學(xué)卷( 1 9 9 1 ) 將技能定義為“通過練習(xí)獲得的能夠完成一定任務(wù)的動作系統(tǒng)。 “也有學(xué)者認(rèn)為，技能是在練習(xí)的基礎(chǔ)上形成的按某種規(guī)則或操作程序順利完成某種智 慧任務(wù)或身體協(xié)調(diào)任務(wù)的能力1 。 3 1 2 技能的特點和分類 技能是由不會到會，由會到熟練，是一個逐漸發(fā)展的過程，是由一系列動作及其執(zhí) 行方式構(gòu)成的，屬于動作經(jīng)驗。按照技能的性質(zhì)和特點，可以將技能分為心智技能和操 作技能。心智技能所要解決的是事物是什么及怎么樣( 陳述性知識) 、做什么及怎么做( 程 序性知識) ，即知與不知的問題2 。在實驗的過程中陳述性知識和程序性知識都要涉及到， 但更重要的是程序性知識，它是學(xué)生對實驗過程進(jìn)行自我監(jiān)控的重要基礎(chǔ)。操作技能所 要解決的問題則是完成活動要求的動作，即會不會及熟練不熟練的問題。操作技能區(qū)別 于心智技能，心智技能是說明如何做實驗的動作步驟及執(zhí)行的順序，而操作技能則是實 際做實驗的動作方式，是把程序性知識轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的活動方式。因此，要掌握實驗技能， 不僅要掌握某些程序性知識，獲得心智技能，還要要通過實際操作，獲得動覺經(jīng)驗，形 成操作技能，才有可能實現(xiàn)。 3 1 3 技能的作用 ( 1 ) 技能是變革客觀現(xiàn)實所不可缺少的心理因素 人類在歷史的發(fā)展過程中，不僅積累、傳遞著關(guān)于現(xiàn)實的認(rèn)識方面的經(jīng)驗，即知識， 同時也積累、傳遞著用于直接適應(yīng)和改造現(xiàn)實的技能經(jīng)驗，它使人類能夠通過有效的、 合理的活動，來直接與環(huán)境相互作用，從而更好地適應(yīng)和改造環(huán)境，變革現(xiàn)實。從同常 生活中的衣、食、住、行，到計算機(jī)、人造衛(wèi)星等高科技領(lǐng)域，其中各種產(chǎn)品的產(chǎn)生中 無不包含著多種多樣的技能。正是如此多樣的技能，才使得人類社會發(fā)生了巨大的變革。 傳授和掌握技能應(yīng)當(dāng)成為學(xué)校教育的重要內(nèi)容之一，尤其在理工科教學(xué)中，技能的掌握 應(yīng)占有特別重要的地位。 ( 2 ) 技能是獲得經(jīng)驗、解決問題、變革現(xiàn)實的前提條件 經(jīng)驗獲得的過程是人腦對外在事物的反映過程，而這種反映又是通過一系列的心智 1 路海東教育心理學(xué)【m 】長春：東北師范大學(xué)出版社， 2 0 0 2 1 4 7 2 馮忠良，姚梅林，等教育心理學(xué)i m 】北京：人民教育出版社， 2 0 0 0 2 7 1 、3 8 8 9 桌面虛擬實驗的開發(fā)與教學(xué)應(yīng)用研究 動作實現(xiàn)的。通過心智活動，對感性經(jīng)驗進(jìn)行加工，形成更高級的理性經(jīng)驗。技能調(diào)節(jié) 著經(jīng)驗獲得的過程，決定著經(jīng)驗獲得的速度、水平，是經(jīng)驗獲得的手段。1 解決問題的過程也包含著一系列的心智活動和外部操作活動，從形成問題表征、確 定問題的性質(zhì)與類型、探索解決問題的可能方法，到實施解決問題的方案，都是通過各 種心智與操作動作實現(xiàn)的，而合法則的心智與操作技能保證了問題的順利解決，也達(dá)到 了變革現(xiàn)實的目的。 ( 3 ) 技能是能力的構(gòu)成要素之一，是能力形成發(fā)展的重要基礎(chǔ) 心理學(xué)研究表明，能力形成與發(fā)展，與個體經(jīng)驗的積累、與知識和技能的獲得是分 不開的。能力是對活動起到穩(wěn)定調(diào)節(jié)作用的一種心理特性，這種穩(wěn)定的調(diào)節(jié)作用是通過 知識與技能的概括化、系統(tǒng)化實現(xiàn)的。雖然知識和技能本身并不是能力，但是通過廣泛 的遷移，可以逐步地概括化和系統(tǒng)化而發(fā)展成為能力。所以，技能是能力形成和發(fā)展的 重要基礎(chǔ)，教育中應(yīng)從知識與技能的掌握和遷移入手來培養(yǎng)學(xué)生的能力。 3 2 桌面虛擬實驗對培養(yǎng)學(xué)生實驗技能的作用 從上面的論述可知，實驗技能的形成，不僅需要掌握實驗相關(guān)的程序性知識形成心 智技能，還要通過實際操作，獲得實驗操作的動覺經(jīng)驗，形成操作技能。因此，了解兩 種技能的形成過程，研究桌面虛擬實驗在心智技能和操作技能形成過程中具有哪些促進(jìn) 作用，將會有效的指導(dǎo)桌面虛擬實驗的應(yīng)用。 3 2 1 桌面虛擬實驗對培養(yǎng)學(xué)生心智技能的作用 心智技能，又稱智力技能、認(rèn)知技能，是指借助于內(nèi)部語言在頭腦中進(jìn)行的智力活 動方式，它包括感知、記憶、想象和思維等認(rèn)知因素，其中抽象思維因素占據(jù)主要地位 2 。它是通過學(xué)習(xí)而形成的，是一種按照客觀的、合理的、完善的程序組織起來的認(rèn)知活 動方式，是一種內(nèi)隱的智力操作，沒有明顯的外部動作，心智技能的本質(zhì)特征就是掌握 正確的思維方式和方法。心智技能是學(xué)校教育的重要內(nèi)容之一。心智技能的掌握是學(xué)生 能力形成發(fā)展的前提條件，是學(xué)生有效獲得知識和靈活解決問題的重要保證。 心智活動具有觀念性、內(nèi)潛性和簡縮性，因而不同于外部的實踐活動，但是它又來 源于實踐活動，是實踐活動的反映。心智活動是通過實踐活動的“內(nèi)化”而實現(xiàn)的。據(jù) 此，加里培林于1 9 5 9 年提出了著名的心智活動形成的五階段理論( 動作的定向階段、 物質(zhì)或物質(zhì)化動作階段、出聲的外部言語動作階段、不出聲的外部言語階段和內(nèi)部言語 活動階段) 。國內(nèi)學(xué)者馮忠良在長期的教學(xué)實驗過程中，發(fā)展并簡化了加里培林的理論， 提出原型定向、原型操作、原型內(nèi)化的心智技能形成三階段論。 馮忠良認(rèn)為，在原型定向階段，學(xué)生的主要學(xué)習(xí)任務(wù)是確定所學(xué)心智技能的實踐模 1 馮忠良，姚梅林，等教育心理學(xué)【m 】北京：人民教育f ；版社， 2 0 0 0 3 8 8 2 馮忠良，姚梅林，等教育心理學(xué)【m 】北京：人民教育出版社， 2 0 0 0 4 3 0 1 0 桌面虛擬實驗的開發(fā)與教學(xué)應(yīng)用研究 式，即操作活動程序( 動作的構(gòu)成要素、動作的執(zhí)行次序和動作的執(zhí)行要求) ，使這種 實踐模式的動作結(jié)構(gòu)在頭腦中得到清晰的反映。在原型操作階段，學(xué)生要依據(jù)心智技能 的實踐模式，把主體在頭腦中建立起來的定向映像，以外顯的操作方式付諸執(zhí)行，從而 在感性上獲得完備的動覺映像；在原型內(nèi)化階段，學(xué)生要在操作熟練的情況下，將操作 活動的實踐模式向頭腦內(nèi)部轉(zhuǎn)化，即將動作脫離實際物體及其外顯形式轉(zhuǎn)向頭腦內(nèi)部， 再借由言語來作用于觀念性對象，從而對事物的主觀表征進(jìn)行加工改造，使其發(fā)生變化。 在實驗教學(xué)中，為完成這些任務(wù)，馮忠良提出，教師必須做到以下幾點： ( 1 ) 要使學(xué)生了解實驗的規(guī)則，了解實驗中涉及的軟硬件的概念，了解實驗的操作步驟。 這樣，學(xué)生對于實驗才能有一個完整的映像，才能為以后的學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。 ( 2 ) 要為學(xué)生提供準(zhǔn)確流暢的演示示范，講解要確切，動作指令要明確。 ( 3 ) 要為學(xué)生提供可以反復(fù)觀看和操作的“物質(zhì)或物質(zhì)化的實驗。 根據(jù)虛擬實驗的特點及有效培養(yǎng)心智技能形成的措施進(jìn)行分析，筆者認(rèn)為桌面虛擬 實驗對心智技能形成的作用表現(xiàn)在： ( 1 ) 桌面虛擬實驗可以幫助學(xué)生建立概念 羅伯特加涅在教學(xué)設(shè)計原理一書中指出，利用語言教學(xué)可以促進(jìn)具體概念的 學(xué)習(xí)進(jìn)程，但另一方面，他也清醒地告訴我們，要使概念真正成為思考和處理現(xiàn)實世界 的精確工具，必須參照實際的刺激情景來學(xué)習(xí)，這樣才有可能給概念提供以其他的方式 所不能提供的“操作 意義，即概念脫離了具體經(jīng)驗的支持可能是不精確的，也就很難 為隨后含有這些概念的更復(fù)雜的學(xué)習(xí)服務(wù)。以成人為例，假定學(xué)習(xí)生理學(xué)的成人，要學(xué) 習(xí)細(xì)胞分裂這一概念，我們可以設(shè)想他已學(xué)過定義，但是現(xiàn)在他必須將這些詞同他已經(jīng) 觀察過的細(xì)胞分裂過程( 無論是實際的還是圖解) 聯(lián)系起來。也就是說學(xué)生要形成概念， 感知是第一要素，桌面虛擬實驗?zāi)軌驗閷W(xué)習(xí)提供模像直觀，是通過學(xué)生的視覺、聽覺來 形成感性認(rèn)識的，能有助于學(xué)生形成思維，加深對概念的理解。 ( 2 ) 桌面虛擬實驗可以幫助學(xué)生形成連貫的動覺映像 示范與講解在心智技能的形成過程中是不可缺少的，準(zhǔn)確的示范與講解有利于學(xué)習(xí) 者不斷的調(diào)整頭腦中的動作表象，形成準(zhǔn)確的映像，進(jìn)而在實際的操作中可以調(diào)節(jié)操作 的執(zhí)行。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)觀察熟練流暢的示范操作時，學(xué)生的學(xué)習(xí)效果最好。而在真實實 驗教學(xué)活動中，環(huán)境因素或儀器故障等突發(fā)狀況很可能導(dǎo)致教師示范的中斷，不僅浪費(fèi) 有限的教學(xué)時間，而且影響演示示范的連貫性，致使學(xué)生接受知識的整體性被擾亂，影 響連貫動覺映像的形成。桌面虛擬實驗是根據(jù)教學(xué)大綱，在分析實驗原理、掌握實驗過 程、總結(jié)實驗規(guī)律的基礎(chǔ)上設(shè)計開發(fā)的，利用虛擬實驗，不僅可以真實的再現(xiàn)實驗過程， 而且能夠排除真實實驗中可能存在的儀器故障、操作失誤等干擾，使信息呈現(xiàn)更準(zhǔn)確、 更流暢、更易于理解和接受。學(xué)生能夠清楚的掌握實驗的動作概念，使實驗原理、操作 步驟明確化，為進(jìn)行實際操作提供了內(nèi)部控制條件。 桌面虛擬實驗的開發(fā)與教學(xué)應(yīng)用研究 ( 3 ) 桌面虛擬實驗是可供學(xué)生反復(fù)觀看和操作的物質(zhì)化實驗 在心智技能形成的原型內(nèi)化階段，學(xué)生要完成操作活動的實踐模式向頭腦內(nèi)部的轉(zhuǎn) 化，就要對實驗原理、實驗步驟達(dá)到高度的理解和熟練的掌握，需要對實驗進(jìn)行反復(fù)的 觀看或操作練習(xí)。然而，很多實驗由于教學(xué)時間和學(xué)校實驗條件有限，學(xué)生課后沒有機(jī) 會進(jìn)行訓(xùn)練，鞏固知識。虛擬實驗則可以突破時空的限制，只要擁有一臺計算機(jī)，學(xué)習(xí) 者就可以隨時進(jìn)入到模擬的“物質(zhì)化 實驗環(huán)境中，觀看或操作實驗，達(dá)到對實驗的熟 練掌握，獲得動覺映像。而對于那些在現(xiàn)實中很難開展的實驗，虛擬實驗也可以很好的 模擬。 3 2 2 桌面虛擬實驗對培養(yǎng)學(xué)生操作技能的作用 ( 1 ) 桌面虛擬實驗不能使學(xué)生完全獲得新的操作技能 操作技能又稱運(yùn)動技能、動作技能，是指在練習(xí)的基礎(chǔ)上形成的，按照某種規(guī)則或 程序順利完成身體協(xié)調(diào)任務(wù)的能力，如書寫、體操、舞蹈等1 。操作技能主要是借助于骨 骼、肌肉和相應(yīng)的神經(jīng)過程來實現(xiàn)的。操作技能具有動作的客觀性、動作的精確性、動 作的協(xié)調(diào)性和動作的適應(yīng)性等特點2 。操作技能屬于實際操作活動范疇，其活動的對象無 論是人的肌肉還是操作的儀器都是物質(zhì)的、具體的，表現(xiàn)為外顯的骨骼和肌肉的操作， 是可以被觀察、被感知的。而桌面虛擬實驗是靠