宋正國 刁秀麗

【摘要】該文在查閱大量文獻(xiàn)資料的基礎(chǔ)上,闡述了當(dāng)前國內(nèi)虛擬實驗教學(xué)環(huán)境的研究現(xiàn)狀,分析了當(dāng)前研究的不足,嘗試提出了虛擬實驗教學(xué)環(huán)境需要進(jìn)一步研究的內(nèi)容和趨勢。

【關(guān)鍵詞】虛擬實驗;教學(xué)環(huán)境;研究現(xiàn)狀;研究趨勢;論文

【中圖分類號】G434 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A【論文編號】1009—8097(2009)12—0115—04

隨著計算機多媒體技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的迅速發(fā)展,信息時代的學(xué)習(xí)、生活方式都發(fā)生了重大變革。作為培養(yǎng)和提高學(xué)生動手實踐能力、觀察能力、分析問題和解決問題能力等方面有著先天優(yōu)勢的實驗教學(xué)是高校教育改革的關(guān)鍵問題之一。目前,我國傳統(tǒng)實驗教學(xué)環(huán)節(jié)不足、實驗資源不均衡,學(xué)生創(chuàng)新能力不足,虛擬實驗教學(xué)環(huán)境研究與建設(shè)有利于解決當(dāng)前實驗教學(xué)中存在的問題。

為了從整體上把握虛擬實驗教學(xué)環(huán)境發(fā)展脈絡(luò),擬重點從研究內(nèi)容入手,探悉虛擬實驗教學(xué)環(huán)境研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢。虛擬實驗教學(xué)環(huán)境是指開展虛擬實驗教學(xué)所需要的環(huán)境,包括硬件和軟件環(huán)境兩部分。硬件環(huán)境包括計算機終端、計算機網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器等,軟件環(huán)境包括基礎(chǔ)軟件、虛擬實驗教學(xué)系統(tǒng)軟件、實驗教學(xué)資源及理論指導(dǎo)等。本文所研究的虛擬實驗教學(xué)環(huán)境是指為開展虛擬實驗所搭建的教與學(xué)環(huán)境,主要指軟件方面的環(huán)境建設(shè)及其應(yīng)用研究。

一 研究設(shè)計與思路

1 研究資料

研究材料來源于“中國知識資源總庫”,以“虛擬實驗”為關(guān)鍵字進(jìn)行檢索,時間從2005年至2009年1月公開發(fā)表的主題中含有“虛擬實驗”的期刊論文、會議論文以及學(xué)位論文,共437篇,以下從發(fā)表時間、研究內(nèi)容兩個維度分別進(jìn)行統(tǒng)計分析。

2 研究方法與工具

研究材料采用內(nèi)容分析方法進(jìn)行研究。內(nèi)容分析法是對明顯的傳播內(nèi)容作客觀而又系統(tǒng)的量化,并對量化結(jié)果加以描述的一種研究方法。[1]它是教育技術(shù)學(xué)研究方法的一種,通常是先抽取有代表性的資料樣本,然后將資料內(nèi)容分解為一系列的分析單元,并按預(yù)先制定好的分析類別和緯度系統(tǒng)進(jìn)行評判記錄,最終對結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計分析。內(nèi)容分析法實施步驟包括提出研究問題或假設(shè)、抽取樣本、選擇分析單位、建立分析類目、進(jìn)行評判記錄、定量處理與計算以及解釋與檢驗等幾部分。本研究資料采用數(shù)據(jù)統(tǒng)計工具進(jìn)行數(shù)據(jù)管理、統(tǒng)計分析、統(tǒng)計繪圖和統(tǒng)計報表。

二 研究結(jié)果(即研究現(xiàn)狀)分析

1 從時間上看虛擬實驗教學(xué)環(huán)境研究受到的關(guān)注程度及其原因

以“虛擬實驗”為關(guān)鍵詞,時間段分別從1979年到1999年、2000年到2004年、2005年到2009年1月進(jìn)行檢索,題名中包含“虛擬實驗”的期刊論文和碩、博學(xué)位論文數(shù)量如表1所示。從三個時間段檢索的論文數(shù)量來看,近幾年虛擬實驗教學(xué)環(huán)境的研究已經(jīng)得到了眾多學(xué)者的廣泛關(guān)注?？梢?對于虛擬實驗教學(xué)環(huán)境的研究已經(jīng)成為當(dāng)前教育研究一個新熱點,分析其原因是主要信息技術(shù)的蓬勃發(fā)展已經(jīng)使部分虛擬實驗環(huán)境的設(shè)計與開發(fā)成為現(xiàn)實,并在一定的理論指導(dǎo)下應(yīng)用于實踐,使各類虛擬實驗室建設(shè)成為可能。而且,虛擬實驗環(huán)境的研究與實現(xiàn)極大地降低了實驗室建設(shè)成本,緩解了由于財政壓力給實驗實訓(xùn)教學(xué)環(huán)節(jié)帶來的不利影響,有利于學(xué)生實踐操作能力的培養(yǎng),因此,虛擬實驗教學(xué)環(huán)境的研究也就具有了極大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益,從而引起了更多學(xué)者、專家的關(guān)注。

表1 三個時間段檢索的論文數(shù)量

2 從內(nèi)容上看虛擬實驗教學(xué)環(huán)境研究的現(xiàn)狀及其分析

通過對2005年以來檢索的437篇期刊論文、會議論文以及學(xué)位論文進(jìn)行研究內(nèi)容分析可以發(fā)現(xiàn),虛擬實驗教學(xué)環(huán)境的研究主要集中在以下幾個方面:虛擬實驗平臺與系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)、虛擬實驗的設(shè)計、虛擬實驗的教學(xué)研究及虛擬實驗相關(guān)開發(fā)技術(shù)研究等,在檢索的論文中各個方面的研究內(nèi)容所占比例情況如圖1所示。

(1)虛擬實驗平臺與系統(tǒng)的研究

從圖1可以看出,虛擬實驗平臺與系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)的研究論文較多,其數(shù)量達(dá)175篇?？梢?計算機技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展為實驗平臺和系統(tǒng)的搭建提供了技術(shù)支持,虛擬實驗的實踐研究首先引起了廣泛關(guān)注。這方面的論文主要是探討某門課程的虛擬實驗平臺、系統(tǒng)設(shè)計或開發(fā)過程,如顧九春等[2]在論文中論述了基于matlab提供的函數(shù)和控制系統(tǒng)分析工具箱開發(fā)了自動控制原理課程的虛擬實驗平臺系統(tǒng),對課程控制系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)比較簡單,論文中沒有進(jìn)行應(yīng)用效果的分析。關(guān)于虛擬實驗平臺設(shè)計或設(shè)計與開發(fā)方面的研究論文有66篇。周冬婉[3]在論文中論述了實驗系統(tǒng)平臺的設(shè)計,并實現(xiàn)了簡單開發(fā),論文中無應(yīng)用方面的論述。關(guān)于虛擬實驗系統(tǒng)的研究論文有109篇。虛擬實驗平臺、系統(tǒng)研究的論文中進(jìn)行設(shè)計并實現(xiàn)的比較多,在實驗中應(yīng)用的不多,對應(yīng)用效果分析的就更少了。設(shè)計與開發(fā)具有開放性、自主性、協(xié)作性、交互性以及可擴(kuò)展性的虛擬實驗平臺和系統(tǒng)有利于虛擬實驗的開展和實施,有利于虛擬實驗的共建共享。通過分析以上175篇關(guān)于虛擬實驗平臺和系統(tǒng)研究論文發(fā)現(xiàn),目前虛擬實驗平臺和系統(tǒng)的開發(fā)各自為政,沒有統(tǒng)一的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn),很難實現(xiàn)平臺和資源的共享。虛擬實驗平臺和系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)研究大都是基于某一門課程實現(xiàn),開發(fā)的技術(shù)種類繁多。

圖1 虛擬實驗研究內(nèi)容情況

(2)虛擬實驗教學(xué)研究

虛擬實驗教學(xué)方面的研究有利于指導(dǎo)虛擬實驗教學(xué)實踐,這方面的研究論文有93篇。教學(xué)研究方面的研究內(nèi)容情況如圖2所示,主要包括以下幾個方面:虛擬實驗理論層次的應(yīng)用研究,如黃凱旋[4]論述了如何更好地發(fā)展實驗教學(xué),提出了建立開放式實驗與虛擬實驗結(jié)合的完全開放式實驗室,田靜[5]在論文中淺談了虛擬實驗在理科實驗教學(xué)中的應(yīng)用等;教學(xué)模式與方法研究,如朱乾[6]通過“大學(xué)物理”虛擬實驗系統(tǒng)在實驗教學(xué)中的應(yīng)用,對利用虛擬實驗教學(xué)的教學(xué)模式進(jìn)行了初步的探究,吳偉雄[7]探討了在電工學(xué)教學(xué)中采用虛擬實驗手段的意義和課堂教學(xué)方法等;教學(xué)效果分析,如于洪濤等[8]探討了桌面虛擬實驗對言語信息、智慧技能、動作技能學(xué)習(xí)的作用,最后通過調(diào)查問卷法和實驗法來驗證桌面虛擬實驗對言語信息和智慧技能學(xué)習(xí)的作用,陳柳君[9]探討了虛擬實驗的理論意義,沒有具體討論虛擬實驗的應(yīng)用效果等;其他方面的研究包括虛擬實驗的作用、虛實結(jié)合的理論探討與教學(xué)改革研究等。關(guān)于虛擬實驗教學(xué)方面的研究,從理論層面探討的較多,對實際應(yīng)用效果的研究比較少,這對虛擬實驗教學(xué)實踐而言顯然是不夠的。

圖2 虛擬實驗教學(xué)研究情況

(3)虛擬實驗設(shè)計與開發(fā)研究

虛擬實驗設(shè)計的開發(fā)是虛擬實驗教學(xué)開展和實施的前提,這方面的研究論文有74篇。虛擬實驗指所有實驗過程均在虛擬環(huán)境中以虛擬的形式完成,不涉及真實的實驗儀器設(shè)備的實驗,目前虛擬實驗的主要形式有實驗演示、仿真實驗、虛擬儀器三種。[10]其中實驗演示主要演示實驗的詳細(xì)操作步驟和實驗結(jié)果,供學(xué)生用于觀察實驗的實際執(zhí)行過程,主要是基于某一種或幾種技術(shù)或工具開發(fā)某一門課程或課程一部分虛擬實驗,如劉英杰等[11]基于3ds Max和Virtools技術(shù)對大學(xué)物理實驗功能進(jìn)行了簡易設(shè)計并對開發(fā)流程進(jìn)行了闡述。仿真實驗是利用計算機軟件仿真實驗環(huán)境。學(xué)生可以按實驗要求組裝實驗系統(tǒng),通過改變實驗?zāi)Ｐ偷膮?shù)進(jìn)行各種模擬實驗,觀察其實驗顯示結(jié)果,孫俊峰等[12]在論文中以心理學(xué)實驗為例,提出了虛擬實驗展開的方式,將虛擬實驗分為實驗準(zhǔn)備、交互實驗和結(jié)果反饋三個階段。虛擬儀器是在計算機上配置高性能的模塊化硬件,結(jié)合高效靈活的軟件來完成各種測試、測量和自動化的應(yīng)用,如張子剛[13]的碩士論文《基于LabVIEW的虛擬實驗儀器設(shè)計研究》,該論文以PC-DAQ/PCI插卡式結(jié)構(gòu)的硬件平臺,采用數(shù)據(jù)采集板,實現(xiàn)AD7202在Labview中的數(shù)據(jù)采集。論文重點講述了虛擬數(shù)字存儲示波器各個功能模塊的軟件設(shè)計。在虛擬實驗設(shè)計與實現(xiàn)方面的研究中,虛擬實驗被教師上課演示的多,被學(xué)生實際操作的少;虛擬實驗中驗證性實驗多,設(shè)計性和創(chuàng)新性實驗少;虛擬實驗以作業(yè)方式應(yīng)用的多,單獨開設(shè)實驗課程的很少。[14]

(4)虛擬實驗設(shè)計與開發(fā)應(yīng)用的相關(guān)技術(shù)研究

計算機技術(shù)以及計算機軟件技術(shù)的發(fā)展為虛擬實驗研究提供了技術(shù)支持和工具,各種技術(shù)的發(fā)展也促進(jìn)了虛擬實驗的開發(fā)。關(guān)于虛擬實驗設(shè)計與開發(fā)應(yīng)用的相關(guān)技術(shù)研究,主要是把互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、動畫技術(shù)以及虛擬現(xiàn)實等相關(guān)技術(shù)(如Java、VRML、Flash、3D等)引入到虛擬實驗設(shè)計中,從技術(shù)的角度深入探討虛擬實驗建設(shè)的可行性,主要集中在3D、VRML、Flash等技術(shù)在虛擬實驗系統(tǒng)構(gòu)建中的應(yīng)用,或者此技術(shù)在某個實驗環(huán)節(jié)中的應(yīng)用,或者側(cè)重于網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗系統(tǒng)的教學(xué)支持系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā),論文數(shù)量有38篇,各種技術(shù)使用與研究情況如圖3所示。

圖3 開發(fā)技術(shù)研究情況

(5)虛擬實驗環(huán)境相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、管理與評價方面的研究

虛擬實驗環(huán)境相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、管理與評價的研究可以為建立統(tǒng)一的虛擬實驗教學(xué)環(huán)境提供依據(jù)和保障。然而,在檢索的論文中只有2篇論文對標(biāo)準(zhǔn)化問題進(jìn)行了簡單的闡述。范新偉等[15]的《虛擬實驗標(biāo)準(zhǔn)化的研究和解決方案》,在論文中提出了一個虛擬實驗標(biāo)準(zhǔn)化信息模型,并提出了信息模型的xml綁定和用Web Service實現(xiàn)的解決方案,作者對虛擬實驗的標(biāo)準(zhǔn)化提出了一些見解,并對實踐結(jié)果進(jìn)行了初步的闡述,進(jìn)一步的工作還有待于大量的實踐來進(jìn)行驗證和不斷的修改完善。李小燕[16]的《虛擬實驗中儀器通信的標(biāo)準(zhǔn)化研究》,該論文針對虛擬實驗重復(fù)開發(fā),復(fù)用性差以及互操作困難等問題,提出了一個虛擬儀器間通信的標(biāo)準(zhǔn)化解決方案,建立了儀器間通信的信息模型。在當(dāng)前的研究中只有2篇此方面的相關(guān)論文對虛擬實驗的研究是不夠的,而且虛擬實驗環(huán)境的評價和虛擬實驗管理方面的研究也是空白。

隨著虛擬實驗教學(xué)研究的發(fā)展,各種技術(shù)被引入進(jìn)來,這些技術(shù)、協(xié)議或標(biāo)準(zhǔn)之間的兼容性,以及虛擬教學(xué)平臺、系統(tǒng)和已有平臺、系統(tǒng)的互操作都需要深入研究。此外,虛擬實驗平臺和系統(tǒng)的開發(fā)也需要一個規(guī)范,因此對虛擬實驗環(huán)境相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)與管理的研究極為迫切。

3 其他需要闡明的現(xiàn)象

隨著多媒體、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展,虛擬實驗研究得到了眾多學(xué)者的極大關(guān)注,逐漸成為計算機領(lǐng)域與教育技術(shù)界研究的方向與熱點,特別是虛擬實驗教學(xué)環(huán)境的建構(gòu)及應(yīng)用更應(yīng)引起教育技術(shù)領(lǐng)域的關(guān)注。但是,就國內(nèi)目前的研究來看,教育技術(shù)領(lǐng)域還沒有給予較多的關(guān)注,從2005年以來的研究論文結(jié)果看,在虛擬實驗方面的研究《中國電化教育》有3篇文章、《電化教育研究》上有2篇文章、《現(xiàn)代教育技術(shù)》有8篇文章、《中國遠(yuǎn)程教育》有3篇文章,這對于教育技術(shù)的研究方向和熱點而言是不夠的。再者,虛擬實驗教學(xué)環(huán)境的研究主要集中在計算機領(lǐng)域的雜志或?qū)W位論文中,其論文發(fā)表的期刊方面,一般期刊的論文較多,核心期刊論文不多,在學(xué)位論文中碩士論文較多,博士論文不多,這說明對虛擬實驗教學(xué)環(huán)境的研究還不夠深入。

三 研究趨勢分析

虛擬實驗教學(xué)環(huán)境的研究時間很短,研究中還存在很多不足,但是虛擬實驗作為當(dāng)前教育領(lǐng)域中的重要組成部分,在解決我國教育面臨的規(guī)模與質(zhì)量之間的矛盾,克服實驗資源不均衡、創(chuàng)新能力不足等問題,有著廣闊的發(fā)展前景。通過以上分析,虛擬實驗教學(xué)環(huán)境的研究應(yīng)注重以下幾個方面:

1 開展評價、測試、管理等標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的研究

制定虛擬實驗平臺和系統(tǒng)的評價、測試、管理等標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范,為建立統(tǒng)一的虛擬實驗教學(xué)環(huán)境提供依據(jù)和保障。針對我國虛擬實驗教學(xué)的發(fā)展現(xiàn)狀,研究制定基于統(tǒng)一支撐平臺的虛擬實驗開發(fā)標(biāo)準(zhǔn),制定虛擬實驗的評價、指導(dǎo)、管理和基礎(chǔ)軟件跨平臺規(guī)范,實現(xiàn)平臺和資源的高度共享,通過多種標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范的有機結(jié)合,解決分布式的實驗教學(xué)與現(xiàn)有的教學(xué)系統(tǒng)協(xié)同工作的問題,從而實現(xiàn)協(xié)同工作,提高其共享性和復(fù)用性。

2 虛擬實驗平臺的統(tǒng)一開發(fā)

按照統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范,開發(fā)集實物演示、實物仿真、創(chuàng)新設(shè)計、智能指導(dǎo)和管理于一體,具有良好交互性和可擴(kuò)展性的虛擬實驗教學(xué)平臺是當(dāng)前和未來虛擬實驗教學(xué)環(huán)境研究的重要內(nèi)容之一,從而突破目前的各自為政、沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、沒有協(xié)同性平臺開發(fā)的局面。

3 虛擬實驗的多方面設(shè)計與開發(fā)

在統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范的指導(dǎo)下的適合教學(xué)需要的更多的虛擬實驗設(shè)計與開發(fā)是當(dāng)前虛擬實驗教學(xué)研究的內(nèi)容之一,這有利于為教育提供豐富的虛擬實驗資源,從而為廣大學(xué)習(xí)者提供優(yōu)質(zhì)的虛擬實驗服務(wù),也能夠產(chǎn)生很好的經(jīng)濟(jì)和社會效益。

4 加強虛擬實驗的指導(dǎo)與管理研究

虛擬實驗缺乏有效的教學(xué)管理、過程指導(dǎo)和效果評價,導(dǎo)致虛擬實驗的優(yōu)越性在實踐教學(xué)中難以發(fā)揮。因此,應(yīng)開展虛擬實驗過程的智能指導(dǎo)和實驗結(jié)果自動批改技術(shù)等方面的研究;開發(fā)虛擬實驗指導(dǎo)與管理系統(tǒng),包括實驗知識輔助學(xué)習(xí)、實驗智能指導(dǎo)、實驗結(jié)果自動批改、實驗答疑、實驗教學(xué)效果評估等功能;開發(fā)跨平臺的虛擬實驗管理系統(tǒng),為虛擬實驗教學(xué)環(huán)境提供服務(wù)并開展應(yīng)用,并展開視角對使用虛擬實驗進(jìn)行實驗學(xué)習(xí)進(jìn)行評價的研究。

5 開展虛擬實驗應(yīng)用研究

虛擬實驗只有在不斷的完善、經(jīng)過實踐檢驗后,能夠取得良好效果才能應(yīng)用于實驗教學(xué)和推廣,因此,虛擬實驗的應(yīng)用研究對此研究課題具有重要價值。然而,目前虛擬實驗教學(xué)環(huán)境的研究內(nèi)容主要集中在理論探討、系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)、虛擬實驗教學(xué)平臺的開發(fā),未來應(yīng)加大虛擬實驗系統(tǒng)應(yīng)用于教學(xué)的模式與效果分析、虛擬實驗系統(tǒng)開發(fā)評價等方面的研究,尤其從學(xué)生視角對使用虛擬實驗平臺和系統(tǒng)進(jìn)行實驗學(xué)習(xí)的評價研究需加強。

四 結(jié)語

虛擬實驗是信息時代的產(chǎn)物,它在教育、科研等方面有著廣闊的發(fā)展前景,是當(dāng)前教育的重要組成部分,是教育教學(xué)的重要資源。在構(gòu)建現(xiàn)代教育創(chuàng)新體系、培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的大教育背景下,融合現(xiàn)代教育理念的虛擬實驗教學(xué)環(huán)境的研究必將促進(jìn)教育教學(xué)的蓬勃發(fā)展。

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