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

桌面虛擬實(shí)驗(yàn)的開發(fā)與教學(xué)應(yīng)用研究 摘要 實(shí)驗(yàn)教學(xué)是教學(xué)活動(dòng)中的重要環(huán)節(jié)，實(shí)驗(yàn)對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)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(jì)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(shí)驗(yàn)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(shí)踐教學(xué)作用，彌補(bǔ)真實(shí)實(shí)驗(yàn)的不足。本研究針對(duì)桌面虛擬實(shí)驗(yàn)應(yīng)用于教學(xué)這一熱點(diǎn)問 題作了以下幾個(gè)方面的研究： 首先，對(duì)真實(shí)實(shí)驗(yàn)、虛擬實(shí)驗(yàn)和桌面虛擬實(shí)驗(yàn)的相關(guān)概念進(jìn)行了闡述，對(duì)真實(shí)實(shí)驗(yàn) 和虛擬實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)進(jìn)行了分析，在此基礎(chǔ)上提出在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，整合真實(shí)實(shí)驗(yàn)和虛擬實(shí) 驗(yàn)，以實(shí)現(xiàn)兩種實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，為桌面虛擬實(shí)驗(yàn)應(yīng)用的指導(dǎo)理論研究奠定基 礎(chǔ)。 實(shí)驗(yàn)教學(xué)的主要目的是通過實(shí)驗(yàn)建立概念、理解規(guī)則，并掌握一定的實(shí)驗(yàn)基本知識(shí) 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(duì)實(shí)驗(yàn)技能學(xué)習(xí)的研究成果基礎(chǔ)上，結(jié)合桌面虛擬實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)，詳細(xì)論述了桌面虛擬 實(shí)驗(yàn)對(duì)培養(yǎng)學(xué)生心智技能的作用，桌面虛擬實(shí)驗(yàn)對(duì)培養(yǎng)學(xué)生操作技能的作用和桌面虛擬 實(shí)驗(yàn)對(duì)遷移學(xué)生實(shí)驗(yàn)技能的作用，并在此基礎(chǔ)上歸納總結(jié)了桌面虛擬實(shí)驗(yàn)的選擇和應(yīng)用 方法。 最后，依據(jù)桌面虛擬實(shí)驗(yàn)選擇和應(yīng)用的方法，結(jié)合目前的實(shí)際教學(xué)情況，設(shè)計(jì)開發(fā) 了i i s 服務(wù)器配置虛擬實(shí)驗(yàn)，并應(yīng)用實(shí)驗(yàn)研究方法對(duì)i i s 服務(wù)器配置虛擬實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效 用進(jìn)行了實(shí)證研究，對(duì)學(xué)生使用虛擬實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)；心智技能；操作技能；教學(xué)應(yīng)用 桌面虛擬實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(duì)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(zhēng) 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(shí)驗(yàn)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(xiàng)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(shí)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(shí)驗(yàn)部分，這期間所做理論研究工作使我對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)以及虛擬 實(shí)驗(yàn)的教學(xué)作用有了較深的了解，為本課題的確立和理論實(shí)踐研究奠定了基礎(chǔ)。 1 1 2 研究的必要性 實(shí)驗(yàn)是人類認(rèn)識(shí)世界的重要方法。十六世紀(jì)初期，實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)思想體系和方法 論的形成。實(shí)驗(yàn)教學(xué)不僅能幫助學(xué)生形成正確的概念，加深對(duì)規(guī)律的理解，而且與課堂 理論教學(xué)相比，實(shí)驗(yàn)課程在培養(yǎng)和提高學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐能力、觀察能力、理論聯(lián)系實(shí)際能 力等方面有著不可替代的作用，而且社會(huì)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(duì)大學(xué)畢業(yè)生實(shí)踐能力的要求，也都體現(xiàn)出實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)教學(xué)逐漸凸現(xiàn)出它的局 限性，實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地、儀器設(shè)備的短缺，大型儀器設(shè)施操作、微觀、危險(xiǎn)性實(shí)驗(yàn)的難于開展， 都使得實(shí)踐教學(xué)很難發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，虛擬實(shí)驗(yàn)開始出現(xiàn)并逐步走 進(jìn)教學(xué)，發(fā)揮其獨(dú)特的實(shí)踐教學(xué)作用，彌補(bǔ)真實(shí)實(shí)驗(yàn)的不足。它能夠打破真實(shí)實(shí)驗(yàn)時(shí)間 和空間的限制，使天上、地下、甚至微觀、宇觀、危險(xiǎn)性的實(shí)驗(yàn)融縮到一臺(tái)機(jī)器甚至一 個(gè)學(xué)習(xí)軟件中，使學(xué)習(xí)者在普通的實(shí)驗(yàn)室甚至家里就能輕松安全的進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。但在目前， 完全沉浸式的虛擬實(shí)驗(yàn)仍是一項(xiàng)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(shí)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(shí)驗(yàn)在教學(xué)中的普及。桌面虛擬實(shí)驗(yàn)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(xiàng)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?yàn)槟縡 j 的研究已經(jīng)做的很好了?，F(xiàn)代教育真正需要的 是當(dāng)學(xué)生在某個(gè)剛介入的領(lǐng)域里嘗試獨(dú)立解決問題時(shí)，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(lì)采用階段式系統(tǒng)方法：分析、建模、創(chuàng)作和評(píng)價(jià)。軟件必須突出分析、 建模和評(píng)價(jià)階段，因?yàn)閷W(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(shí)，學(xué)生應(yīng)有控制權(quán)和主動(dòng)權(quán)。 ( 4 ) 學(xué)生在解決問題時(shí)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(duì)學(xué)生的 1 湯躍明虛擬現(xiàn)實(shí)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(shí)驗(yàn)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(shí)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(gè)軟件。 軟件能按需 只有這樣才 ( 7 ) 應(yīng)該用圖形、圖片、動(dòng)畫等方式來說明問題，不應(yīng)該有太多的文字內(nèi)容，因?yàn)閷W(xué)生 已經(jīng)有了書本。計(jì)算機(jī)屏幕缺乏導(dǎo)向性和整體瀏覽性導(dǎo)致計(jì)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(shí)間盡可能短，下載負(fù)載不能太重。 桌面虛擬實(shí)驗(yàn)是由一臺(tái)普通的計(jì)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(shí)的感受到所虛擬到情景。這種軟件的特點(diǎn)是交互性強(qiáng)、價(jià)格低廉、 制作技術(shù)簡(jiǎn)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(shí)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(shí)驗(yàn)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(shí)的目標(biāo)。研究桌面 虛擬實(shí)驗(yàn)及其相關(guān)技術(shù)，研究如何將桌面虛擬實(shí)驗(yàn)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(shí)教學(xué)的不足，對(duì)于推動(dòng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，促進(jìn)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)”作為關(guān)鍵詞檢索詞對(duì)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(duì)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用，或者此 技術(shù)在某個(gè)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)中的應(yīng)用；( 2 ) 虛實(shí)比較研究：桌面虛擬實(shí)驗(yàn)應(yīng)用于教學(xué)的優(yōu)勢(shì)和 局限；桌面虛擬實(shí)驗(yàn)與真實(shí)實(shí)驗(yàn)的比較研究等。而對(duì)桌面虛擬實(shí)驗(yàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的作用、 桌面虛擬實(shí)驗(yàn)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(shí)踐，用實(shí)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(shí)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的作用以及桌面虛擬實(shí)驗(yàn)的選擇和應(yīng)用方式，希望對(duì)桌 面虛擬實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)開發(fā)、桌面虛擬實(shí)驗(yàn)在教學(xué)中的實(shí)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)的研究現(xiàn)狀和最新發(fā)展，通過c n k i 數(shù)據(jù)庫對(duì) 大量國內(nèi)外與桌面虛擬實(shí)驗(yàn)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(duì)廣大計(jì)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(shí)驗(yàn)的現(xiàn)實(shí)需要，從而設(shè)計(jì)開發(fā)虛擬實(shí)驗(yàn)。 ( 3 ) 實(shí)驗(yàn)研究法。為了研究桌面虛擬實(shí)驗(yàn)對(duì)培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)技能的作用以及桌面虛擬實(shí)驗(yàn) 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(jí)計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)選擇兩 個(gè)班級(jí)對(duì)自行設(shè)計(jì)的i i s 服務(wù)器配置虛擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比教學(xué)研究。 ( 4 ) 問卷調(diào)查法。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)結(jié)束后，針對(duì)設(shè)計(jì)制作的兩個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)，對(duì)實(shí)驗(yàn)班學(xué)生進(jìn) 行問卷調(diào)查，旨在了解學(xué)生對(duì)桌面虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果的評(píng)價(jià)及學(xué)生對(duì)應(yīng)用桌面虛擬實(shí)驗(yàn) 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(gè)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(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)相結(jié)合，研究了桌面虛 擬實(shí)驗(yàn)在培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)技能中的作用和桌面虛擬實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐，同時(shí)通過桌面虛擬實(shí)驗(yàn)的開發(fā)和使用，豐富和 發(fā)展虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與教學(xué)應(yīng)用相關(guān)理論。 ( 2 ) 以桌面虛擬實(shí)驗(yàn)的選擇與應(yīng)用方法為指導(dǎo)，設(shè)計(jì)了以“心智技能、操作技能和遷移 實(shí)驗(yàn)技能”為特色的桌面虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)用流程，為實(shí)驗(yàn)教學(xué)的設(shè)計(jì)提供了一定的借鑒。 ( 3 ) 結(jié)合具體實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，開發(fā)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)訓(xùn)練系統(tǒng)，并對(duì)桌面虛擬實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用情 況進(jìn)行教學(xué)實(shí)驗(yàn)研究和問卷調(diào)查研究。通過研究對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析，以真實(shí)可靠的數(shù)據(jù)驗(yàn) 證了桌面虛擬實(shí)驗(yàn)對(duì)培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)技能的作用，以及桌面虛擬實(shí)驗(yàn)選擇應(yīng)用方法的指導(dǎo) 作用。 3 桌面虛擬實(shí)驗(yàn)的開發(fā)與教學(xué)應(yīng)用研究 第2 章真實(shí)實(shí)驗(yàn)、虛擬實(shí)驗(yàn)與桌面虛擬實(shí)驗(yàn) 2 1 概念界定：真實(shí)實(shí)驗(yàn)、虛擬實(shí)驗(yàn)、桌面虛擬實(shí)驗(yàn) 2 1 1 真實(shí)實(shí)驗(yàn) 真實(shí)實(shí)驗(yàn)，指的是依據(jù)教學(xué)大綱、教學(xué)計(jì)劃，在實(shí)驗(yàn)室或課堂上實(shí)施的各學(xué)科的實(shí) 驗(yàn)總和。教師先講解實(shí)驗(yàn)，包括實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?shí)驗(yàn)步驟等，然后學(xué)生參與實(shí)驗(yàn) 操作，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果，書寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告的一個(gè)整體過程；或者是教師在教學(xué)時(shí)為了說明一 個(gè)現(xiàn)象所做的實(shí)驗(yàn)，學(xué)生主要是觀察實(shí)驗(yàn)，當(dāng)然也可以參與實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)方式當(dāng)然都是真實(shí)實(shí)驗(yàn)。真實(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的優(yōu)勢(shì)是學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中有真實(shí)的體驗(yàn)和感 性認(rèn)識(shí)。學(xué)生面對(duì)實(shí)物進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，起著近距離面對(duì)面的啟發(fā)作用，學(xué)生通過觀察實(shí)驗(yàn) 問題討論提高這一過程，對(duì)該實(shí)驗(yàn)涉及的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)消化，在親身經(jīng)歷實(shí)驗(yàn)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(duì)課堂知識(shí)的理解，鍛 煉了學(xué)生的動(dòng)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(shí)實(shí)驗(yàn)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(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，始終遵循著教師講授、 演示、指導(dǎo)，學(xué)生模仿實(shí)驗(yàn)過程、找到相近實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)條件有限，不可能完成教學(xué)計(jì)劃規(guī)定的所 有實(shí)驗(yàn)，對(duì)于一些有危險(xiǎn)的實(shí)驗(yàn)，難以在現(xiàn)實(shí)中開展，而對(duì)于一些宇觀、微觀的實(shí)驗(yàn)現(xiàn) 象真實(shí)實(shí)驗(yàn)更是無能為力；第三，教學(xué)計(jì)劃上對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作技能的培養(yǎng)時(shí)間有限，學(xué) 生按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，但在有限的時(shí)間內(nèi)無法抓住實(shí)驗(yàn)的重點(diǎn)，不能完全理 解實(shí)驗(yàn)的全過程，實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)問題也沒有時(shí)間冷靜、認(rèn)真的思考，更談不上自由進(jìn)行綜 合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)了；第四，真實(shí)實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)大。實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，同時(shí)實(shí)驗(yàn)器材耗損、 老化等問題日漸突出，操作上誤差增大，影響著實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性和穩(wěn)定性。這些問題 無疑都給實(shí)驗(yàn)教學(xué)帶來了沖擊和壓力。 2 1 2 虛擬實(shí)驗(yàn) 虛擬實(shí)驗(yàn)作為近年來隨著計(jì)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(shí)驗(yàn)技術(shù)或 實(shí)驗(yàn)方法，彌補(bǔ)了真實(shí)實(shí)驗(yàn)存在的很多不足。虛擬實(shí)驗(yàn)是指借助于多媒體、仿真和虛擬 現(xiàn)實(shí)等技術(shù)在計(jì)算機(jī)上營造可輔助、部分替代甚至全部替代傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)各操作環(huán)節(jié)的相關(guān) 軟硬件操作環(huán)境，實(shí)驗(yàn)者可以像在真實(shí)的環(huán)境中一樣完成各種實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，所取得的實(shí)驗(yàn) 效果等價(jià)于甚至優(yōu)于在真實(shí)環(huán)境中所取得的效果1 。虛擬實(shí)驗(yàn)建立在一個(gè)虛擬的實(shí)驗(yàn)環(huán)境 仿真平臺(tái)之上，而注重的是實(shí)驗(yàn)操作的交互性和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的仿真性。實(shí)驗(yàn)者可以進(jìn)入由 計(jì)算機(jī)技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)等生成的虛擬實(shí)驗(yàn)室罩，操作虛擬儀器，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，如同在 1 汪詩林，吳泉源開展虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的研究和應(yīng)用計(jì)算機(jī)工程與科學(xué)2 0 0 0 ( 2 ) 3 3 3 5 4 桌面虛擬實(shí)驗(yàn)的開發(fā)與教學(xué)應(yīng)用研究 現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室里近距離進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)操作一樣。虛擬實(shí)驗(yàn)按功能可分為兩種類型：沉浸式虛擬 實(shí)驗(yàn)和非沉浸式虛擬實(shí)驗(yàn)，即桌面虛擬實(shí)驗(yàn)。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(diǎn)是用 戶可以完全沉浸到虛擬世界中去，缺點(diǎn)是系統(tǒng)設(shè)備價(jià)格昂貴，難于普及推廣。后者是由 一臺(tái)普通的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成，計(jì)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(shí)世界充分交互。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，易于普及推廣，但缺乏真實(shí)的 現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)。 虛擬實(shí)驗(yàn)具有以下特點(diǎn)： ( 1 ) 仿真性 理想的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境可以達(dá)到使實(shí)驗(yàn)者難以分辨真假的程度，例如可視場(chǎng)景應(yīng)隨著 視點(diǎn)的變化而變化，甚至比真的還“真”( 如實(shí)現(xiàn)更為逼真的照明和音響效果) 。學(xué)生處 于虛擬實(shí)驗(yàn)室中，可以產(chǎn)生一種逼真的存在感，使學(xué)生在一個(gè)極其生動(dòng)、活潑、輕松、 有趣的環(huán)境里進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。 ( 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(shí)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(jì)者、教育的研究者。學(xué)生由被動(dòng)的知識(shí)容器和知識(shí)受體轉(zhuǎn)變?yōu)橹R(shí)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(shí)驗(yàn)自主學(xué)習(xí)，擺脫傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)教師做一遍，學(xué)生跟著做一遍的弊 端，加強(qiáng)對(duì)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(shí)行開放式、個(gè)性化教學(xué)。學(xué)生更能靈活地掌握運(yùn)用自己的 實(shí)驗(yàn)時(shí)間，不受傳統(tǒng)真實(shí)實(shí)驗(yàn)室開放和關(guān)閉的限制，重點(diǎn)攻克自己的難點(diǎn)。不必受實(shí)驗(yàn) 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(shí)驗(yàn)所需要的環(huán) 境和條件。學(xué)生能在任何時(shí)間選擇實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備、實(shí)驗(yàn)信息資料等，以及取 得實(shí)驗(yàn)結(jié)果的評(píng)估，并具有完全的自由度。此外，虛擬實(shí)驗(yàn)對(duì)于做了實(shí)驗(yàn)后沒有掌握實(shí) 驗(yàn)過程或?qū)嶒?yàn)技術(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(shí)驗(yàn)教 學(xué)的主導(dǎo)地位，掌握學(xué)習(xí)的主動(dòng)權(quán)，大大提高了學(xué)習(xí)效果。 ( 4 ) 形象性 虛擬實(shí)驗(yàn)可以做到把枯燥的實(shí)驗(yàn)變?yōu)樾蜗蟮膶?shí)驗(yàn)。例如，在機(jī)械拆裝虛擬實(shí)驗(yàn)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(gè)組成部分，在拆卸過程的任意時(shí) 刻，還可以將散件重新裝回去。學(xué)生可以進(jìn)入虛擬實(shí)驗(yàn)里，對(duì)于實(shí)驗(yàn)設(shè)備、軟硬件和實(shí) 驗(yàn)過程中發(fā)生的現(xiàn)象取得感性認(rèn)識(shí)。形象性的意義在于可以使做實(shí)驗(yàn)的學(xué)生將許多抽象 1 瞿瞿，鄧居祁，殷科生虛擬實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)與實(shí)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(shí)驗(yàn)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(yàn)的學(xué)習(xí)、想象的學(xué)習(xí)變換為現(xiàn)實(shí)的學(xué) 習(xí)、枯燥的學(xué)習(xí)變換成生動(dòng)的學(xué)習(xí)等等，從而輕松有效地從中獲取知識(shí)。 ( 5 ) 實(shí)效性 開設(shè)反映新技術(shù)成果的應(yīng)用以及其它新型實(shí)驗(yàn)是虛擬實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)教學(xué)相對(duì)于學(xué)科的發(fā)展有一定的滯后性，使得實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi) 容具有理論驗(yàn)證性和內(nèi)容單一性的特征。虛擬實(shí)驗(yàn)是解決驗(yàn)證性和單一性的有效途徑， 不但可以有效地營造一個(gè)跟隨技術(shù)發(fā)展的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，還具有適當(dāng)?shù)某靶?，同時(shí)實(shí)驗(yàn)教 學(xué)內(nèi)容綜合性較強(qiáng)，它既綜合單學(xué)科的知識(shí)和技術(shù)，又融進(jìn)相關(guān)學(xué)科內(nèi)容。實(shí)驗(yàn)環(huán)境虛 擬化意味著實(shí)驗(yàn)活動(dòng)可以在很大程度上脫離物理空間和時(shí)間的限制，擺脫了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教 學(xué)時(shí)空觀念的束縛，對(duì)于某些因受時(shí)空限制而在真實(shí)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(jì)性、應(yīng)用性、探索性和研究性的新型實(shí)驗(yàn)，通過 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以進(jìn)行真實(shí)的模擬。 2 1 3 桌面虛擬實(shí)驗(yàn) 教學(xué)中應(yīng)用的桌面虛擬實(shí)驗(yàn)是指用多媒體的手段對(duì)真實(shí)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行再現(xiàn)或模擬，按照 實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵笤O(shè)計(jì)，旨在幫助學(xué)生掌握概念、理解規(guī)律、輔助實(shí)驗(yàn)技能形成的一種實(shí) 驗(yàn)方式?；蛘哒f，桌面虛擬實(shí)驗(yàn)是利用攝像機(jī)錄制真實(shí)實(shí)驗(yàn)或用計(jì)算機(jī)來模擬真實(shí)實(shí)驗(yàn) 的環(huán)境及過程，讓學(xué)生通過觀看視頻或通過計(jì)算機(jī)操作來“做”某一實(shí)驗(yàn)，從中學(xué)習(xí)和 掌握知識(shí)，以補(bǔ)充或加強(qiáng)傳統(tǒng)的真實(shí)實(shí)驗(yàn)。簡(jiǎn)單地說，桌面虛擬實(shí)驗(yàn)就是利用多媒體再 現(xiàn)或模擬真實(shí)實(shí)驗(yàn)的一種實(shí)驗(yàn)方式。其包括兩方面的內(nèi)容： 其一，用媒體記錄下來的實(shí)驗(yàn)過程。包括用照相機(jī)將每一個(gè)實(shí)驗(yàn)步驟拍下來，將實(shí) 驗(yàn)過程表現(xiàn)出來；又包括用攝像機(jī)設(shè)備將實(shí)驗(yàn)過程錄制下來，通過重放錄像將實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)的一部分，實(shí)驗(yàn)?zāi)硞€(gè)瞬間的狀 態(tài)，或者是多個(gè)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(gè)實(shí)驗(yàn) 過程，既有聲音解說，也有操作演示，能將整個(gè)實(shí)驗(yàn)說得較明白易懂。 其二，用計(jì)算機(jī)軟件模擬出來的實(shí)驗(yàn)過程。這又可以分為二維實(shí)驗(yàn)和三維實(shí)驗(yàn)、交 互實(shí)驗(yàn)和非交互實(shí)驗(yàn)。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(shí)驗(yàn)，它們既 屬于二維實(shí)驗(yàn)，也屬于交互實(shí)驗(yàn)。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(shí)驗(yàn)。三維制作工具也不少，比如：用3 d 來演示一個(gè)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)里面說得多的就是虛 擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)( v r ) 。桌面虛擬現(xiàn)實(shí)憑借其獨(dú)特的沉浸性、交互性、構(gòu)想性，在虛擬實(shí)驗(yàn)里 面占據(jù)了很大的空間1 。在桌面虛擬現(xiàn)實(shí)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(shí)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)來看，第一種虛擬實(shí)驗(yàn)已經(jīng)普遍應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)在普通教學(xué)中應(yīng)用還不多。應(yīng)用計(jì)算機(jī)軟 件開發(fā)的桌面虛擬實(shí)驗(yàn)是對(duì)真實(shí)實(shí)驗(yàn)的模仿，采用圖片、動(dòng)畫的方式呈現(xiàn)知識(shí)，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(jì)算機(jī)軟件模擬的，旨在輔助學(xué)生 實(shí)驗(yàn)技能形成的軟件，這種實(shí)驗(yàn)除了具有虛擬實(shí)驗(yàn)的一般特點(diǎn)外，相對(duì)于圖形工作站虛 擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，還具以下特點(diǎn)： ( 1 ) 投資少。隨著計(jì)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(jì)算機(jī)軟件的桌面虛擬實(shí)驗(yàn)開發(fā)技術(shù)價(jià)格是低廉甚至是免費(fèi)的，且目前應(yīng)用于開發(fā)虛擬 實(shí)驗(yàn)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(jiǎn)單：目前應(yīng)用于制作桌面虛擬實(shí)驗(yàn)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(shí)現(xiàn)，更有f l a s h 、a u t h o r w a r e 等相對(duì)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(shí)驗(yàn)已經(jīng)是一件簡(jiǎn)單的事。 ( 3 ) 易使用。教師和學(xué)生易于掌握與使用，是基于計(jì)算機(jī)軟件的桌面虛擬實(shí)驗(yàn)的最大特 點(diǎn)。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(shí)驗(yàn)，對(duì)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(jì)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(shí)驗(yàn)相比，桌面虛擬實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢(shì)在于能運(yùn)行在p c 機(jī)上，且目前計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度愈來愈快，計(jì)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(shí)驗(yàn)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。 2 2 整合虛擬實(shí)驗(yàn)，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué) 桌面虛擬實(shí)驗(yàn)雖然具有很多優(yōu)勢(shì)能夠彌補(bǔ)真實(shí)實(shí)驗(yàn)的不足，但是，虛擬實(shí)驗(yàn)畢竟不 是真實(shí)實(shí)驗(yàn)，虛擬實(shí)驗(yàn)雖然具有實(shí)踐的本性，但它本身并非就是實(shí)踐，從科學(xué)認(rèn)識(shí)的角 度來看，虛擬實(shí)驗(yàn)是一個(gè)實(shí)物模型或是思想模型，不能替代傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)給學(xué)習(xí)者帶來的真 實(shí)感受。當(dāng)今電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，使虛擬現(xiàn)實(shí)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(shí)獲取知識(shí)，如果把虛擬的實(shí)驗(yàn)當(dāng)作真實(shí)的實(shí)驗(yàn)來看待，則可能對(duì)我 們的實(shí)踐帶來巨大的危害。事實(shí)上我們據(jù)以虛擬現(xiàn)實(shí)的技術(shù)都來自現(xiàn)實(shí)的真實(shí)的實(shí)驗(yàn)過 程，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)只是給了我們一種便捷的獲得間接認(rèn)識(shí)的手段。 真實(shí)實(shí)驗(yàn)和虛擬實(shí)驗(yàn)共同走入教學(xué)，各有優(yōu)勢(shì)，都對(duì)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(shí)驗(yàn)是對(duì)真實(shí)實(shí)驗(yàn)的模擬或再現(xiàn)，通過 虛擬實(shí)驗(yàn)可以輔助真實(shí)實(shí)驗(yàn)的實(shí)施以及教學(xué)的進(jìn)行；真實(shí)實(shí)驗(yàn)的開展則加深了學(xué)生對(duì)實(shí) 7 桌面虛擬實(shí)驗(yàn)的開發(fā)與教學(xué)應(yīng)用研究 驗(yàn)知識(shí)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(shí)際教學(xué)當(dāng)中，要整合 真實(shí)實(shí)驗(yàn)和虛擬實(shí)驗(yàn)，取二者之長(zhǎng)，補(bǔ)彼此之短，實(shí)現(xiàn)兩種實(shí)驗(yàn)方式的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，從而 優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)。因此，如何在教學(xué)中處理真實(shí)實(shí)驗(yàn)和虛擬實(shí)驗(yàn)的關(guān)系，對(duì)于整個(gè)教學(xué)過 程來說顯得很重要。了解虛擬實(shí)驗(yàn)的作用，了解哪些內(nèi)容的實(shí)驗(yàn)適合應(yīng)用虛擬實(shí)驗(yàn)，哪 些內(nèi)容的實(shí)驗(yàn)只有應(yīng)用真實(shí)實(shí)驗(yàn)才能達(dá)到教學(xué)目的，了解虛擬實(shí)驗(yàn)應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)的哪些環(huán) 節(jié)最能優(yōu)化教學(xué)，將對(duì)研究如何有效的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供寶貴的啟發(fā)和指導(dǎo)作用。 8 桌面虛擬實(shí)驗(yàn)的開發(fā)與教學(xué)應(yīng)用研究 第3 章桌面虛擬實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的作用 3 1 技能概述 3 1 1 技能的定義 實(shí)驗(yàn)教學(xué)的基本要求之一是培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能。對(duì)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(gè)體運(yùn)用已有的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)，通過 練習(xí)而形成的智力動(dòng)作方式和肢體動(dòng)作方式的復(fù)雜系統(tǒng)?！昂?jiǎn)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(dòng)作和智力操作系統(tǒng)?！爸袊蟀倏?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(dòng)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(diǎn)和分類 技能是由不會(huì)到會(huì)，由會(huì)到熟練，是一個(gè)逐漸發(fā)展的過程，是由一系列動(dòng)作及其執(zhí) 行方式構(gòu)成的，屬于動(dòng)作經(jīng)驗(yàn)。按照技能的性質(zhì)和特點(diǎn)，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(shí)) 、做什么及怎么做( 程 序性知識(shí)) ，即知與不知的問題2 。在實(shí)驗(yàn)的過程中陳述性知識(shí)和程序性知識(shí)都要涉及到， 但更重要的是程序性知識(shí)，它是學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)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(dòng)要求的動(dòng)作，即會(huì)不會(huì)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(shí)驗(yàn)的動(dòng)作步驟及執(zhí)行的順序，而操作技能則是實(shí) 際做實(shí)驗(yàn)的動(dòng)作方式，是把程序性知識(shí)轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的活動(dòng)方式。因此，要掌握實(shí)驗(yàn)技能， 不僅要掌握某些程序性知識(shí)，獲得心智技能，還要要通過實(shí)際操作，獲得動(dòng)覺經(jīng)驗(yàn)，形 成操作技能，才有可能實(shí)現(xiàn)。 3 1 3 技能的作用 ( 1 ) 技能是變革客觀現(xiàn)實(shí)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(shí)的認(rèn)識(shí)方面的經(jīng)驗(yàn)，即知識(shí)， 同時(shí)也積累、傳遞著用于直接適應(yīng)和改造現(xiàn)實(shí)的技能經(jīng)驗(yàn)，它使人類能夠通過有效的、 合理的活動(dòng)，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(shí)。從同常 生活中的衣、食、住、行，到計(jì)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(huì)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(yàn)、解決問題、變革現(xiàn)實(shí)的前提條件 經(jīng)驗(yàn)獲得的過程是人腦對(duì)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(zhǎng)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(shí)驗(yàn)的開發(fā)與教學(xué)應(yīng)用研究 動(dòng)作實(shí)現(xiàn)的。通過心智活動(dòng)，對(duì)感性經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行加工，形成更高級(jí)的理性經(jīng)驗(yàn)。技能調(diào)節(jié) 著經(jīng)驗(yàn)獲得的過程，決定著經(jīng)驗(yàn)獲得的速度、水平，是經(jīng)驗(yàn)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(dòng)和外部操作活動(dòng)，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(shí)施解決問題的方案，都是通過各 種心智與操作動(dòng)作實(shí)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(shí)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(gè)體經(jīng)驗(yàn)的積累、與知識(shí)和技能的獲得是分 不開的。能力是對(duì)活動(dòng)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(shí)與技能的概括化、系統(tǒng)化實(shí)現(xiàn)的。雖然知識(shí)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(shí)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(shí)驗(yàn)對(duì)培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)技能的作用 從上面的論述可知，實(shí)驗(yàn)技能的形成，不僅需要掌握實(shí)驗(yàn)相關(guān)的程序性知識(shí)形成心 智技能，還要通過實(shí)際操作，獲得實(shí)驗(yàn)操作的動(dòng)覺經(jīng)驗(yàn)，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(shí)驗(yàn)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(huì)有效的指導(dǎo)桌面虛擬實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用。 3 2 1 桌面虛擬實(shí)驗(yàn)對(duì)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(dòng)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(dòng)方式，是一種內(nèi)隱的智力操作，沒有明顯的外部動(dòng)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(shí)和靈活解決問題的重要保證。 心智活動(dòng)具有觀念性、內(nèi)潛性和簡(jiǎn)縮性，因而不同于外部的實(shí)踐活動(dòng)，但是它又來 源于實(shí)踐活動(dòng)，是實(shí)踐活動(dòng)的反映。心智活動(dòng)是通過實(shí)踐活動(dòng)的“內(nèi)化”而實(shí)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(dòng)形成的五階段理論( 動(dòng)作的定向階段、 物質(zhì)或物質(zhì)化動(dòng)作階段、出聲的外部言語動(dòng)作階段、不出聲的外部言語階段和內(nèi)部言語 活動(dòng)階段) 。國內(nèi)學(xué)者馮忠良在長(zhǎng)期的教學(xué)實(shí)驗(yàn)過程中，發(fā)展并簡(jiǎn)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(shí)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(shí)驗(yàn)的開發(fā)與教學(xué)應(yīng)用研究 式，即操作活動(dòng)程序( 動(dòng)作的構(gòu)成要素、動(dòng)作的執(zhí)行次序和動(dòng)作的執(zhí)行要求) ，使這種 實(shí)踐模式的動(dòng)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(shí)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(dòng)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(dòng)的實(shí)踐模式向頭腦內(nèi)部轉(zhuǎn)化，即將動(dòng)作脫離實(shí)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(duì)象，從而對(duì)事物的主觀表征進(jìn)行加工改造，使其發(fā)生變化。 在實(shí)驗(yàn)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(diǎn)： ( 1 ) 要使學(xué)生了解實(shí)驗(yàn)的規(guī)則，了解實(shí)驗(yàn)中涉及的軟硬件的概念，了解實(shí)驗(yàn)的操作步驟。 這樣，學(xué)生對(duì)于實(shí)驗(yàn)才能有一個(gè)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(dòng)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(shí)驗(yàn)。 根據(jù)虛擬實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)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(shí)驗(yàn)對(duì)心智技能形成的作用表現(xiàn)在： ( 1 ) 桌面虛擬實(shí)驗(yàn)可以幫助學(xué)生建立概念 羅伯特加涅在教學(xué)設(shè)計(jì)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(shí)世界 的精確工具，必須參照實(shí)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(yàn)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(shí)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(shí)驗(yàn)?zāi)軌驗(yàn)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(shí)的，能有助于學(xué)生形成思維，加深對(duì)概念的理解。 ( 2 ) 桌面虛擬實(shí)驗(yàn)可以幫助學(xué)生形成連貫的動(dòng)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(dòng)作表象，形成準(zhǔn)確的映像，進(jìn)而在實(shí)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(shí)，學(xué)生的學(xué)習(xí)效果最好。而在真實(shí)實(shí) 驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)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(shí)間，而且影響演示示范的連貫性，致使學(xué)生接受知識(shí)的整體性被擾亂，影 響連貫動(dòng)覺映像的形成。桌面虛擬實(shí)驗(yàn)是根據(jù)教學(xué)大綱，在分析實(shí)驗(yàn)原理、掌握實(shí)驗(yàn)過 程、總結(jié)實(shí)驗(yàn)規(guī)律的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)開發(fā)的，利用虛擬實(shí)驗(yàn)，不僅可以真實(shí)的再現(xiàn)實(shí)驗(yàn)過程， 而且能夠排除真實(shí)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)的動(dòng)作概念，使實(shí)驗(yàn)原理、操作 步驟明確化，為進(jìn)行實(shí)際操作提供了內(nèi)部控制條件。 桌面虛擬實(shí)驗(yàn)的開發(fā)與教學(xué)應(yīng)用研究 ( 3 ) 桌面虛擬實(shí)驗(yàn)是可供學(xué)生反復(fù)觀看和操作的物質(zhì)化實(shí)驗(yàn) 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(dòng)的實(shí)踐模式向頭腦內(nèi)部的轉(zhuǎn) 化，就要對(duì)實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)步驟達(dá)到高度的理解和熟練的掌握，需要對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行反復(fù)的 觀看或操作練習(xí)。然而，很多實(shí)驗(yàn)由于教學(xué)時(shí)間和學(xué)校實(shí)驗(yàn)條件有限，學(xué)生課后沒有機(jī) 會(huì)進(jìn)行訓(xùn)練，鞏固知識(shí)。虛擬實(shí)驗(yàn)則可以突破時(shí)空的限制，只要擁有一臺(tái)計(jì)算機(jī)，學(xué)習(xí) 者就可以隨時(shí)進(jìn)入到模擬的“物質(zhì)化 實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，觀看或操作實(shí)驗(yàn)，達(dá)到對(duì)實(shí)驗(yàn)的熟 練掌握，獲得動(dòng)覺映像。而對(duì)于那些在現(xiàn)實(shí)中很難開展的實(shí)驗(yàn)，虛擬實(shí)驗(yàn)也可以很好的 模擬。 3 2 2 桌面虛擬實(shí)驗(yàn)對(duì)培養(yǎng)學(xué)生操作技能的作用 ( 1 ) 桌面虛擬實(shí)驗(yàn)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(dòng)技能、動(dòng)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(shí)現(xiàn)的。操作技能具有動(dòng)作的客觀性、動(dòng)作的精確性、動(dòng) 作的協(xié)調(diào)性和動(dòng)作的適應(yīng)性等特點(diǎn)2 。操作技能屬于實(shí)際操作活動(dòng)范疇，其活動(dòng)的對(duì)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(shí)驗(yàn)是靠