虚拟现实的热现状与冷思考讲解

1、文章编号：1006 9860 ( 20 11 0人 0 126 04总第291期中国电化教育20 11.4现状与冷”思考？虚拟实验的热”王济军1,魏雪峰2(1.天津外国语大学教育技术与信息学院，天津300204;2.北京师范大学教育技术学院，北京100875虚拟实验热”，本文试图对其现状以及存在摘要：虚拟实验可以仿真和模拟真 实实验，面对实验教学中掀起的的问题进行多视角分析，以求抛砖引玉，引起学术界和相关人员的注意与讨 论。笔者认为：不是所有学科的实验或者任何内容的实验都适合采用虚拟实验，不 是所有类型的实验都适合采用虚拟实验，虚拟实验不能完全代替真实实验，虚拟实 验只能是真实实验的补充。教育

2、目标分类；虚拟认识论关键词：虚拟实验；经验之塔；认知摩擦；中图分类号：434文献标识码：A热”现状一、虚拟实验的虚拟实验是指借助于多媒体、仿真和虚拟现实等技术，在计算机上所进行的对传统实验各操作环节的模拟和仿真。自从1989年美国弗吉尼亚大学的威廉沃尔夫(WilliamWolf教授提出拟实验”的概念以来， 虚拟实验系统的开发与应用就得到了迅速发展，国内外很多高校、研究机构和中小 学都投入大量的人力、物力和资金去设计、开发虚拟实验系统。如美国卡内基梅隆大学的IrYdium化学实验系统、 英国牛津大学的化学 VL、德国Ruhr大学网络 虚拟实验系统等。我国关于虚拟实验的研究最早始于 20世纪90年

3、代后期，如中国 科技大学开发了物理仿真实验系统并用于教学中。继中国科技大学之后，中央广播电视大学开发了物理虚拟实验系统、几何光学设计实验平台、大学物理虚拟实验 远程教学系统，同济大学建筑学院建成了可以对建筑景观、结构进行仿真的虚拟现实实验系统，西南交通大学开发了 TDS-JD机车驾驶模拟装置等1。2000年以后， 关于虚拟实验设计与开发的理论和技术研究的文献以及一些相应的介绍性资源在我 国各种学术期刊、杂志和网站上发表，虚拟实验就像雨后春笋”一样，也出现在了 各学校的网络教学平台或学科实验教学网站上。笔者使用虚拟实验”为关键词在中国知网（CNKI全文数据库中进行主题检索，检索时间范围界定为20

4、00年1月至 2010年10月，一共检索到2529篇相关文献。文献除了一少部分是对虚拟实验系统的产品简介和广告之外，绝大部分是学术论文和学位论文。文献内容涉及 的范围包括虚拟实验的理论探索和设计、技术开发、实践应用及其评价等方面。从技术开发的角度来看，主要有基于VRML虚拟现实技术的仿真实验、基于Flash 的交互式虚拟实验、基于Active技术的仿真实验、基于Java技术的虚拟实验和基 于QuickTime VR技术的虚拟实验等2。参与虚拟实验开发与应用的单位包括普 通高校、职业技术学院、中小学、远程教育机构，还有专门的商业软件开发公 司。由于与传统的真实实验相比，虚拟实验具有高仿真性、开放

5、共享性、人机交互 性、可扩展性、重复使用性以及安全性好（比如有些实验在实验过程中会产生有 毒或放射性物质，影响实验者身体健康或可能产生爆炸等威胁人身安全的现象等诸多优点3,所以某些传统的实验可以通过做虚拟实验来模拟和仿真，在实验教学中掀起了一股虚拟实验热似乎虚拟实验大有取代真实实验”之趋势。为了了 解虚拟实验的应用现状并研究其实验教学效果，笔者选取了天津、北京共6所普通 高校的12个专业和4所高中，共计317名师生（其中教师31位、大学生238位、 高中生48位做了一项调查研究。调查数据显示：91.3%（ 261位的学生做过虚拟实验，80.6%（ 25位的教师使用过虚拟实验系统进行实验教学。在

6、不同学科的实验中，68.2%（ 195位的学生认为他们所做的虚拟实验占整个实验教学的三分之一。尽管虚拟实验系统被广泛使用，但笔者的调查数据同时显?本文受天津市教育科学十一五”规划青年项目滨海新区教育信息化效果 与对策研究”保题编号：G149的资助。20 11.4中国电化教育总第2 91期塔”理论可知，真实实验教学给学生提供了至少两种经验：做”的经验和 匆1察” 的经验，甚至还包括抽象”的经验,这几种经验的获得既是递进式的、又是交叉融合的，而不是独立的。因此，真实实验教学从具体的、实际可操作的实验开始，让学生获得了充分的动手机会和观察机会，使学习在具体真实的情景下发生。相对于真实实验，虚拟实验是

7、基于虚拟现实技术实现的，在虚拟实当系统中，实验设备和实验 仪器虚拟化，实验现象和实验过程虚拟化，学生在虚拟实验中通过操作鼠标、键盘以及与计算机相连接的各种多媒体数据输入设备进行点击或拖放等动作，从而实现对虚拟设备的操作，完成对虚拟实验的体验。学生从虚拟实验中得到的是一种虚拟 的体验，这是一种抽象的体验。根据经验之塔”理论,如果学生没有一定的知识和经验特别是亲身体验作为基础，那么这种虚拟和抽象就不符合学生的认知发展规律，对学生学习经验的获取和意义的建构不仅不具有积极的作用，反而由于过于抽象或 虚拟而起阻碍作用。2.认知负荷与认知摩擦”的视角认知负荷理论（CognitiveLoad Theory

8、, CLT是澳大利亚教育心理学家 John Sweller等人提出的，主要从认知资源分配角度考察人类的学习和问题解决。他们关注学习者在学习过程中产生的认知负荷，把工作记忆容量的有限性看作学习的主 要障碍，研究如何通过教学设计优化认知负荷，使工作记忆容量更多地集中于将要学 习的材料中，从而促进学习40根据认知负荷理论，当使用虚拟实验室进行虚拟实 验时，学习者往往需要先掌握相关的知识与技能（比如，了解虚拟实验系统的操作规范和技术流程等，虽然这些知识和技能可能跟当前学习任务没有必然联系，但其实无形中增加了学习者的认知负荷。同时，由于部分学习者可能存在技术上的迷航，从而很容易使他们产生挫折感,分散其注

9、意力，美国学者Ala Cooper将这种现象称为 认知摩擦”他指出认知摩擦是“当人类智力遭遇随问题变化而变化的复杂系统规则时遇到的阻力”是产品设计不良的一种普遍现象。 认知摩擦是技术的应用和功 能的堆砌，使产品变得复杂、难于理解和使用，用户很难通过感官来预期操作的结 果5。魏书莉等人通过问卷调查发现：在进行虚拟实验时，71.43%的学习者需要在教 师或同学帮助下使用软件,72%的学习者不喜欢现在的导航形式,50%的学习者认为 系统提供的有用性信息少，35%的学习者因产品不容易操作而情绪低落等6。这些 数据显示虚拟实验教学系统存在着高认知摩擦，学习者使示，虚拟实验的教学效果并不尽如人意，在261

10、位做过虚拟实验的学生中仅有 43.3%( 113位的学生认为其实验效果能够达到教学目标规定的要求 ，而56.7%( 148 位的学生认为其根本达不到教学目标规定的要求。冷”思考二、虚拟实验的基于以上所述，笔者认为这种虚拟实验热”是不够理性的，虚拟实验在运用的时候存在很多误区。本文试图从多个视角对虚 拟实验在实验教学中应用的热现状及其存在的问题进行理性的分析，以求抛砖引 玉，引起学术界和相关人员的注意与讨论。1.经验之塔”的视角实验教学是学习者在教师的指导下，通过操作仪器设备、观察实验现象并记录 实验数据、认识或验证规律、探索科学真理，从而加深学生对理论的理解、培养 其动手操作能力并提高科学研究

11、兴趣的一种教学活动。这种教学活动是学习者接受知识并进行意义建构的过程。因此,实验教学也应该符合人类知识经验学习和传 播的基本规律。美国视听教育专家爱德加戴尔（EdgarDale在其（教学中的视听方法 一书 中提出了著名的 经验之塔”理论。戴尔在经验之塔”理论中把人类学习的经验 依据抽象程度的不同分成三大类十一个层次。经验之塔”是一种形象化比拟，用来说明学习经验从直接参与到用图像代替、再用抽象符号表示的逐步发展过程。依照心理学的概念来划分：塔的底部（做的经验 可称为实物直观，塔尖（抽象的经验 可称为语言直观，塔的中部（观察的经验 可称为抽象直观。戴尔之所以提出经验 之塔”理论,是让人们认识人类的

12、认知途径和规律。根据人类的这种从简单到复杂：从形象到抽象，形象和抽象相结合的认知规律，我们就可以选择合理的教学和学习方 式，使学生的认知过程符合这一认知规律，达到最佳的学习效果。由经验之塔”理论，我们不难得到启示：在教学中，越是直接具体的经验，就越易于学习，所以教育应 从具体经验入手，逐步过渡到抽象，学习间接经验应尽可能以直接经验作为充实的基 础，同时也要适时引导学生向抽象思维发展，而不是一开始就采用过于抽象的方式进 行。在真实实验之前，学生需要根据实验目的来设计实验步骤，在实验过程中，既需 要学生一边动手做实验，也需要学生一边仔细观察实验现象（包括借助于实验仪器 来观察、记录实验数据，并通过

13、分析实验现象进行推理并最终得出实验结论。由经验之用的过程并不顺利。同时,魏书莉等人分析了虚拟实验操作系统中的认知摩擦 问题，把其归结为：虚拟实验系统的健忘”、虚拟实验系统吝于”提供信息、虚 拟实验系统的不灵活”、虚拟实验系统 赁备”学习者与虚拟实验系统的不负责 任 ” 7可见，当学生做虚拟实验时，由于虚拟实验系统自身存在的或技术上的缺陷，比 如设计不够灵活”不负责任”以及健忘”等等，加上学习者自身认知负荷的增加 就可能会出现所谓的认知摩擦”从而降低了其实验教学的效果。.教育目标分类”的视角美国教育心理学家布鲁姆将教育目标分为认知、动作技能和情感领域三大类。实验教学既有认知成分（实验原理和实验设

14、计、 动作技能成分（实验仪器的操 作，还有情感态度成分（培养科学严谨的态度和热爱科学的精神等，因此可以说实验 教学对学生的目标培养是全方位的。在虚拟实验中，学生利用鼠标、 键盘和其他输入设备对虚拟环境下的实验设备和仪器进行虚拟操作，去演示或验证实验规律、获 得虚拟的实验体验。与真实实验相比，在虚拟实验中，学生在认知、动作技能和情 感态度领域的发展并不相同。具体而言，虚拟实验在促进学生认知发展方面相比传统实验具有一定优势，但是这仅仅局限于记忆、 理解和应用三个层次，而当涉及到分析、 综合与评价等高级学 习层级，尤其对提高学生发现问题和解决问题的能力，培养学生的创新思维和发散思 维等方面，虚拟实验

15、就无能为力了。 这是因为目前的虚拟实验系统是程序开发人员 严格按照实验步骤和实验现象进行设计和开发的，可以说一个实验只有一个结果，实 验只能按照固定的、 正确的操作流程或方法进行，否则实验不能得到正确的结果， 这个结果是机械的，是由程序本身决定的，而不是真实情况的反映。 实验中，不允许 学习者的操作错误或者对实验进行一些改变，不利于培养学生从操作失误中发现问 题和解决问题的能力,这无疑就限制了实验者的发散思维和创造性思维的培养。就动作技能目标的培养而言，目前虚拟实验在一些演示性和验证性类型的实验 中，发挥了较好的作用，但是在实际操作性强的实验中，则降低了学生的动手操作能 力。比如，电磁学的很多

16、实验中，需要实验者根据不同的实验条件使用不同的导线 连接实总第291期中国电化教育20 11.4验线路。在虚拟实验中，只要点击相应的按钮就可以把导线连接到仪器上去 ， 学生根本就体会不出不同方法所用的导线以及导线连接方法有何不同 ，不能锻炼学 生的实际动手能力。由于目前在绝大多数的虚拟实验系统开发中，科学主义始终占据主导地位，开发 者单一强调学生认知的发展，而针对态度和情感层面的教育往往被忽视8。尽管目 前很多虚拟实验系统在技术上实现了交互性和沉浸性，也有辅助的情感交互和激励 机制，但是这些措施太微弱了。比如，有些虚拟实验用几句 彳尔真棒！ ”加油啊！ ”太好了！”等鼓励的话语来激励实验者，这

17、些手段对儿童可能会有一定效果，但 对于那些年龄较大、求知欲旺盛、情绪和情感基本成熟稳定的大学生和中学生来 说，作用较小，情感和态度的培养微乎其微。止匕外，与传统实验相比，虚拟实验不利 于培养学生的团队合作精神，因为虚拟实验的操作界面是电脑，是人机对话关系，只 要一个人用鼠标按照操作提示做就可以得出实验结果，无需像传统实验那样需要几个人的合作才能完成。.虚拟认识论”的视角20世纪伟大的哲学家卡尔波普尔认为，我们所赖以生 存的周围可以划分为三个各自独立的世界，第一世界”是包括物理实体和物理状态 的物理世界，简称世界1 ；第二世界”是精神的或心理的世界，包括意识状态、心 理素质和主观经验等，简称世界

18、2 ；第三世界”是思想内容的世界、客观知识世界，简称 世界3却虚拟世界1。 世界1和世界2”直接相互作用,世界2” 和世界3”直接相互作用,而世界1和世界3”的相互作用需要通过世界2 作为中介才能进行9。进一步来说，世界3”不仅不能离开作为载体的世界1而 独立存在，而且其产生和演化都离不开人们的主观精神状态 （即世界2。可见 世 界3”并非是与物理世界相对等的，充其量不过是物理世界中的一个亚世界”。然而，正是由于这个亚世界”的出现和在人类创造活动的作用下不断扩大和复杂化，才使得在其中涌现出一个更具自主性并与物理世界在本体论上具有某种对等性的新 世界，即我们所称的虚拟世界” 10对波普尔 三个世

19、界”理论的哲学含义分析，将有助于我们解决存在于虚拟场域 的理论与现实问题。从这个视角来看，虚拟实验应该是属于世界3的,那么，虚拟 实验（世界3”到物理世界（世界笔者注：卡尔波普尔关于 世界3”没有直接提到虚拟世界，但是世界3”的范畴包括了 虚拟世界”而华中科技大学的殷正坤教授则认为可以直接用虚拟世 界”来表示波普尔的世界3。20 11.4中国电化教育总第2 91期验证型实验只需要实验者根据实验步骤依次操作，验证某个现象或特定的结论就可以，而探究型实验则需要实验者根据不同的实验条件改变实验操作，从而探究其 中的规律。虚拟实验完全可以满足验证型实验的要求，而要应付探究型实验则无能为力。3.虚拟实验

20、不能完全代替真实实验，虚拟实验只能是真实实验的有益补充真实实验的魅力在于它的不可预制和人在接触实在物体、操作实验时身处其中的真实感觉和感受。虚拟实验对实验过程的设计在一定程度上限制了实验的丰 富性,学生在反复操作同一种方案时每次出现的现象”完全相同，容易处于抑制状态，大脑对实验信息的接受能力将会降低12。虚拟实验只是实验教学的一种辅助 手段，它不能完全代替真实的实验，虚拟实验只能是真实实验的一个补充、完善和 扩展13。因此，在实验教学实践中，我们应该以真实实验为依托，将虚拟实验与真 实实验相互结合，利用虚拟实验作为教师辅助教学的工具、情景创设的工具和学生自主学习的工具，做到实”中有虚“，虚“实

21、结合，从而达到形象、生动、高效 的实验教学目的，使学生获得发展、增强能力。参考文献：1黄慕雄.高校教学型虚拟实验室建设的现状与建议J.电化教育研究, 2005,( 9: 77-80.2李凌云，王海军.网络虚拟实验系统构建方式的比较研究J.中国电化教育， 2008,( 1: 102-105.3杨雪，刘英杰，阚宝朋.基于设计的研究范式在网络三维虚拟实验中的运用研 究J.中国电化教育,2008( 10: 103-106.4常欣，王沛.认知负荷理论在教学设计中的应用及其启示J.心理科学， 2005,( 5: 1115-1119.567魏书莉，杨雪，傅健.虚拟实验操作系统中的认知摩擦问题研究J.现代 教

22、育技术,2009,( 9: 121-123.8王基生，于平太，李莹等.虚拟实验平台开发和应用的理性思考J.现代教育 技术，2010, ( 2: 136-139. 9卡尔波普尔.客观知识M.上海：上海译文出版社,1987: 163. 10张怡,郦全民，陈敬全.虚拟认识论M.上海：学林出版社,2003:181-182.11张雷.虚拟技术在三个世界”中的位置J.自然辩证法研究，2003,( 8: 10-11.12沈亦红.论物理虚拟实验与真实实验的互补作用J.中国电化教育，2004,( 7: 42-44.13王育杰，王昭君,梁志华.虚拟实验教学与DIS实验教学的整合研究J,中国电化教育,2009,(

23、7: 92-95.1 ”的映射就是需要前提和条件的，那就是作为载体的计算机硬件设备和其他仪 器(属于M界1”的范畴以及包括软件操作体验、对实验原理的理解、实验步骤 的设计等在内的意识状态、心理素质和主观经验(属于世界2”的范畴。这其 中，世界2的作用比世界1更重要，如果没有学习者对实验软件的操作体验，或者没有对实验原理的透彻理解，甚至没有合理设计的实验步骤的支撑，无论这个虚拟 实验看起来和感觉起来有多么真实，它始终是虚拟的，是一个可能实现或不可能实现 的场域或 场景是真的假”或 假的真”它都不能完全代替真实的实验。因为，离开了特定的场域”虚拟现实（VirtualReality就被“关闭”了，如同电