王永喜

西北師范大學(xué)教育技術(shù)與傳播學(xué)院 蘭州 730070

虛擬實(shí)驗(yàn)室在遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)用探討

王永喜

西北師范大學(xué)教育技術(shù)與傳播學(xué)院 蘭州 730070

在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)日臻成熟的時(shí)代，遠(yuǎn)程教學(xué)中的實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不足顯得與時(shí)代格格不入，如何解決這個(gè)矛盾？以虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為基礎(chǔ)的虛擬實(shí)驗(yàn)室的建立，成了解決這一矛盾的方法之一。就虛擬實(shí)驗(yàn)室在遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用，從虛擬技術(shù)、學(xué)習(xí)理論、設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)、面臨問題等4個(gè)方面進(jìn)行探討。

虛擬實(shí)驗(yàn)室；遠(yuǎn)程教育；實(shí)驗(yàn)教學(xué)

Author’s address College of Educational Technology and Communication, Northwest Normal University, Lanzhou, China 730070

1 前言

隨著計(jì)算機(jī)及通信技術(shù)的發(fā)展，新興的教育形式——遠(yuǎn)程教育得到飛速發(fā)展。不論是在教學(xué)方式和手段上，還是在校生規(guī)模上，遠(yuǎn)程教育已經(jīng)成為一種重要的教學(xué)方式，教學(xué)效果越來越接近傳統(tǒng)的面對(duì)面授課的效果。但是，相對(duì)于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)教學(xué)卻成了教學(xué)中的一個(gè)瓶頸。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，通過網(wǎng)絡(luò)來構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)成為可能，網(wǎng)絡(luò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)已成為解決遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的一個(gè)重要嘗試。虛擬實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用，可以降低科學(xué)實(shí)驗(yàn)中的風(fēng)險(xiǎn)性，不至于浪費(fèi)大量的人力和物力，同時(shí)也為了提高實(shí)驗(yàn)效率。虛擬實(shí)驗(yàn)室的應(yīng)用，提高了教學(xué)效率和教師的教學(xué)科研能力，促進(jìn)教師業(yè)務(wù)知識(shí)的更新，使實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段和教學(xué)內(nèi)容豐富多彩，有利于學(xué)生更好地掌握實(shí)驗(yàn)方法，提高知識(shí)的應(yīng)用能力和培訓(xùn)創(chuàng)造性能力。

2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality）是通過多媒體技術(shù)與仿真技術(shù)相結(jié)合，生成逼真的視、聽、觸覺一體化的虛擬環(huán)境，用戶以自然的方式對(duì)虛擬環(huán)境中的對(duì)象進(jìn)行體驗(yàn)和交互。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)綜合了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、圖像處理與模式識(shí)別、智能技術(shù)、傳感技術(shù)、語音處理與音響技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等多門科學(xué)，將計(jì)算機(jī)處理的數(shù)字化信息變?yōu)槿怂芨惺艿木哂懈鞣N表現(xiàn)形式的多維信息，通過視、聽、觸覺等作用于使用者，對(duì)使用者的控制行為做出動(dòng)態(tài)的交互反應(yīng)?，F(xiàn)階段常用的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)主要有VRML、QuickTime VR、Cult3D、Viewpoint、Flash等。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教學(xué)中有以下特點(diǎn)：臨場感、交互性、真實(shí)性、高效率。

3 虛擬實(shí)驗(yàn)室

所謂虛擬實(shí)驗(yàn)室（Virtual Laboratory）是指由計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)等生成的一類適于進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。虛擬儀器通過編程模擬真實(shí)儀器，在計(jì)算機(jī)中再現(xiàn)真實(shí)儀器的外觀及主要性能，實(shí)驗(yàn)者可以像在真實(shí)的環(huán)境中一樣完成各種預(yù)定的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，所取得的學(xué)習(xí)或訓(xùn)練效果甚至優(yōu)于在真實(shí)環(huán)境中所取得效果[1]。

與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室相比，虛擬實(shí)驗(yàn)室具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：1）能充分利用現(xiàn)有計(jì)算機(jī)資源，實(shí)驗(yàn)不消耗器材，實(shí)驗(yàn)所需器材種類和數(shù)量不限制，實(shí)驗(yàn)設(shè)備經(jīng)費(fèi)僅是傳統(tǒng)儀器的5%～10%，可復(fù)用性、重新配置性強(qiáng)；2）功能由用戶自己定義，易于擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)規(guī)模，實(shí)驗(yàn)功能完善，實(shí)驗(yàn)用的元器件及測試儀器儀表齊全，便于組建復(fù)雜多樣的測試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)；3）實(shí)驗(yàn)速度快、效率高，容易開展各種設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)；4）容易實(shí)現(xiàn)技術(shù)更新，創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)形式；5）使用靈活、方便，便于網(wǎng)絡(luò)化、虛擬化教學(xué)。

虛擬實(shí)驗(yàn)室具有的透明性、資源共享性、互動(dòng)操作性、用戶自主性、擴(kuò)展性以及安全性等特點(diǎn)，是傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室無法比擬的。其作用通常分為3類：1）為進(jìn)行真正的實(shí)驗(yàn)（或操作）做準(zhǔn)備練習(xí)；2）替代實(shí)物實(shí)驗(yàn)室；3）在實(shí)物實(shí)驗(yàn)后進(jìn)行分析。虛擬實(shí)驗(yàn)室一般有3種類型：軟件共享網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室；儀器共享網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室；遠(yuǎn)程控制網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室[2]。

4 理論基礎(chǔ)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于教育總是以一定的學(xué)習(xí)理論和教學(xué)理論為基礎(chǔ)的。影響最大的是認(rèn)知主義學(xué)習(xí)理論和建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論。

建構(gòu)主義學(xué)習(xí)對(duì)學(xué)習(xí)的基本解釋是：學(xué)習(xí)是一種內(nèi)部發(fā)展的過程，是一種由同化和順化交替發(fā)生作用，從而導(dǎo)致生理、心理從平衡狀態(tài)到不平衡狀態(tài)的循環(huán)過程。與此相對(duì)應(yīng)，認(rèn)知主義的教學(xué)觀念是：為學(xué)生提供一種對(duì)自身進(jìn)行認(rèn)知加工的特定情境和特殊過程，從而在促進(jìn)學(xué)生認(rèn)知結(jié)構(gòu)的形成過程中推動(dòng)學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展。虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)必須從學(xué)生的認(rèn)知心理出發(fā)，注重學(xué)生的具體經(jīng)驗(yàn)和對(duì)情境的理解，使得學(xué)習(xí)者的新舊知識(shí)之間的同化順利完成，建構(gòu)起自身的認(rèn)知結(jié)構(gòu)，促進(jìn)認(rèn)知發(fā)展。

建構(gòu)主義理論認(rèn)為，學(xué)習(xí)是一個(gè)動(dòng)態(tài)的適應(yīng)過程，學(xué)習(xí)者是通過與某一領(lǐng)域的知識(shí)相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)儲(chǔ)存和提取所有知識(shí)的。學(xué)生的知識(shí)建構(gòu)是一個(gè)主動(dòng)的活動(dòng)：試圖將新知識(shí)與更廣泛的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)聯(lián)系起來，成為整合的知識(shí)體系，而不只是與一兩個(gè)觀念建立聯(lián)結(jié)。學(xué)生不只是理解和記憶現(xiàn)成的結(jié)論，而且要理解這些知識(shí)所指向的問題，基于自己的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)來批判地分析它的合理性，形成屬于自己的知識(shí)。所以，學(xué)習(xí)者的自主學(xué)習(xí)是建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論的核心。自主學(xué)習(xí)也稱為自我導(dǎo)向?qū)W習(xí)，一般指學(xué)習(xí)者自己確定學(xué)習(xí)目標(biāo)、選擇學(xué)習(xí)方法、監(jiān)控學(xué)習(xí)過程、評(píng)價(jià)學(xué)習(xí)結(jié)果的過程。虛擬實(shí)驗(yàn)室和虛擬實(shí)驗(yàn)課件的應(yīng)用正是為學(xué)生提供了這樣一個(gè)自主學(xué)習(xí)的環(huán)境，從而達(dá)到一定的教學(xué)效果和學(xué)習(xí)目的。

5 虛擬實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)

虛擬實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)方法很多，究竟是基于什么技術(shù)來設(shè)計(jì)虛擬實(shí)驗(yàn)，主要是根據(jù)實(shí)際教學(xué)情況和技術(shù)條件來確定。一般來說，有以下幾種技術(shù)來實(shí)現(xiàn)虛擬實(shí)驗(yàn)室：1）基于LabVIEW；2）基于VRML；3）基于Web。其中在遠(yuǎn)程教學(xué)中用得最多的是基于Web的虛擬實(shí)驗(yàn)室，這類虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)最終以網(wǎng)站的形式實(shí)現(xiàn)，各個(gè)模塊內(nèi)容采用DHTML、CSS、Javascript、ASP與數(shù)據(jù)庫等技術(shù)制作成網(wǎng)頁，包含了豐富的文字、圖片、視頻、動(dòng)畫等多媒體內(nèi)容?；赪eb的虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)K的開發(fā)，有多種開發(fā)技術(shù)及專業(yè)軟件，如Java、VRML、Flash、Authorware等。

圖1

基于Web的虛擬實(shí)驗(yàn)室的實(shí)現(xiàn)模式一般如圖1所示。

虛擬實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)的有關(guān)技術(shù)要求主要有：1）數(shù)據(jù)資源的共享；2）建立共享軟件庫；3）支持用戶與教師之間的交互；4）可靠的安全機(jī)制；5）協(xié)同虛擬環(huán)境實(shí)現(xiàn)技術(shù)；6）面向?qū)ο缶幊谭椒ǖ膶?shí)現(xiàn)。即將虛擬對(duì)象抽象成如下類：用戶類、用戶數(shù)據(jù)類、虛擬儀器類、控制參數(shù)類、測試數(shù)據(jù)類、結(jié)果數(shù)據(jù)類。

在設(shè)計(jì)虛擬實(shí)驗(yàn)室時(shí)，應(yīng)注重考慮以下事項(xiàng)：1）虛擬實(shí)驗(yàn)室的軟件系統(tǒng)應(yīng)易于維護(hù)并具備擴(kuò)展性；2）虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)的運(yùn)行應(yīng)保證安全性和可靠性；3）虛擬實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)應(yīng)注重交互性；4）虛擬實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)應(yīng)注重科學(xué)性。

6 虛擬實(shí)驗(yàn)室在網(wǎng)絡(luò)教學(xué)中面臨的問題

在利用虛擬實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)，仍有許多問題：1）如何把以教師為中心的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ睫D(zhuǎn)變?yōu)橐詫W(xué)生為中心的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?，以充分體現(xiàn)建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論；2）如何評(píng)價(jià)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，評(píng)估一個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)效果；3）虛擬實(shí)驗(yàn)室與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室之間的關(guān)系，它是否可以完全替代傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室，還是僅僅作為傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的一種補(bǔ)充；4）如何準(zhǔn)確定位教師在實(shí)驗(yàn)中的地位，使之由組織者轉(zhuǎn)變?yōu)橹笇?dǎo)者；5）成本問題，如何保證基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬實(shí)驗(yàn)室成本低于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室。

7 結(jié)束語

虛擬實(shí)驗(yàn)室是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育教學(xué)中的一個(gè)重要的應(yīng)用形式，它的開發(fā)周期短，使用效率高，可擴(kuò)展性強(qiáng)，成本低廉，是解決遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源緊張、提高教學(xué)質(zhì)量、擺脫實(shí)驗(yàn)教學(xué)所面臨的困境的行之有效的途徑。但是，虛擬實(shí)驗(yàn)室的發(fā)展也是一個(gè)長期漸進(jìn)的、不斷完善的過程，必須抓住機(jī)遇，不斷發(fā)展，挖掘虛擬實(shí)驗(yàn)室的潛力，形成一個(gè)靈活多樣，適應(yīng)不同層次、不同專業(yè)要求的新型的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，以適應(yīng)遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需要。

[1]何利,等.基于虛擬技術(shù)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)[J].實(shí)用測試技術(shù),2001(4)

[2]陳濱.網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室與實(shí)驗(yàn)教學(xué)轉(zhuǎn)型[J].教學(xué)儀器與試驗(yàn),2005(10)

[3]張曉川,等.虛擬實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)與研究[J].實(shí)驗(yàn)室科學(xué),2005(3)

Application and Discussion about Virtual Laboratory in Distance Experimental Instruction

//Wang Yongxi

As network technologies growing maturity, the experimental teaching in distance education cannot meet the needs of our times. How to resolve this contradiction? One of the ways out is to build virtual laboratory based on virtual reality technology building. This article explores the application of virtual laboratory to distance education from four aspects: virtual technology, learning theory, design implementation and problems faced in the process.

virtual laboratory; distance education; experimental instruction

G642.423

B

1671-489X(2010)12-0089-02

10.3969 /j.issn.1671-489X.2010.12.089