桌面虛擬實驗的教學效應研究

【摘要】以加涅的學習結果分類理論為依據(jù)結合已有的研究成果，討論桌面虛擬實驗對言語信息學習的作用，桌面虛擬實驗對智慧技能學習的作用，桌面虛擬實驗對動作技能學習的作用，最后通過調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習的作用。

【關鍵詞】桌面虛擬實驗； 教學效應； 言語信息；智慧技能

【中圖分類號】G434 【文獻標識碼】B【論文編號】1009—8097 (2008) 01—0115—04

桌面虛擬實驗作為虛擬現(xiàn)實應用的一個領域，已經(jīng)對實驗教學，遠程教學產(chǎn)生了越來越重要的影響，成為目前研究的熱點，從目前研究的結果來看，對于桌面虛擬實驗的研究，多是局限在桌面虛擬試驗的設計與開發(fā)，桌面虛擬實驗的優(yōu)點和局限性以及桌面虛擬實驗與傳統(tǒng)實驗結合的模式研究等問題上，對桌面虛擬實驗在教學中的效應研究相對教少。本文以加涅的學習結果分類理論以依據(jù)，結合桌面虛擬實驗的特點，探討了桌面虛擬實驗的教學效應。

一 桌面虛擬實驗對言語信息學習的作用

1 桌面虛擬實驗可以為言語信息的學習提供模像直觀，促進對言語信息的學習

桌面虛擬實驗能提供模像直觀。模像即事物的模型性形象，它是實際事物的模擬品，而非實際事物本身。所謂直觀，是指主體通過對直接感知到的信息的表層意義、表面特征進行加工，從而形成對有關事物的具體的、特殊的、感性的認識活動。所謂模像直觀即在對事物的模像的直接感知的基礎上進行的一種直覺的能動反映。例如，各種圖片、圖表、模型、幻燈片和教學電視等的觀察和演示，均屬于模像直觀，實驗表明，模像直觀的教學效果優(yōu)于實物直觀。心理學家伯格拉夫斯基曾用實驗研究過實物直觀和模像直觀對掌握花的構造的不同效果，該實驗把學生分成能力相等的兩組，一組為實物學習組，一組為掛圖學習組，實物學習組的學生，實際到花園中去觀察各種花的構造；掛圖學習組只在教室內根據(jù)放大的掛圖來學習花的構造。兩組的學習時間相等。事后以有關的花的知識與實物辨別兩種方式來測量兩組的學習成績，結果發(fā)現(xiàn)掛圖學習組在兩方面的成績均較實物學習組優(yōu)。實物直觀雖然真切，但是難以突出本質要素和關鍵特征，由于模像直觀的對象可以人為制作，很大程度上可以克服實物直觀的局限，有利于突出本質要素和關鍵特征。研究表明，先進行模像直觀，在獲得基本的科學概念和科學原理后再進行實物直觀，比一開始就進行事物直觀的學習效果好。

2 桌面虛擬實驗為言語信息的學習提供形象記憶和情景記憶，促進對言語信息的記憶

（1）桌面虛擬實驗為言語信息的學習提供形象記憶

形象記憶是以感知過去的事物的具體形象為內容的記憶，它是以感性材料，包括事物的形狀、體積、質地、顏色、聲音、氣味等等具體形象的識記、保持和重現(xiàn)。美國圖論學者哈拉里有一句名言，“千言萬語不及一張圖。”在實驗教學中，學生要學習大量的實驗儀器、用品的名稱、實驗結果的事實和實驗過程的步驟等言語信息。桌面虛擬實驗中的儀器是根據(jù)真實的儀器建模，桌面虛擬實驗真實的再現(xiàn)了真實實驗儀器的形狀、體積、顏色、聲音等信息，而這些信息都是經(jīng)過人為的加工和處理的，更能夠突出事物的本質特征，所以這些信息有利通過形象記憶的方式，促進學生對實驗儀器、實驗用品的名稱言語信息的學習和記憶。

（2）桌面虛擬實驗為言語信息的學習提供情景記憶

情景記憶（episodic memory）：是指人們根據(jù)時空關系對某個事件的記憶。這種記憶是與個人親身的經(jīng)歷分不開，如人們對自己參加某次聚會的記憶，對游覽某個景點的記憶。實驗教學過程中，學生需要記住各種復雜的公式，例如，在物理教學中，經(jīng)常需要記憶各種公式，學生剛開始接觸這個公式，很難記住這個抽象的公式，桌面虛擬實驗可以為學生創(chuàng)造情景，學生通過回憶實驗過程來記憶公式。

二 桌面虛擬實驗對智慧技能學習的作用

1 桌面虛擬實驗可以為辨別學習提供感性素材

加涅認為，盡管獲得辨別的能力在每個人的生活中，甚至在學校的學習中起著重要作用，但是學習辨別總是給人以簡單的印象，原因可能是我們大多數(shù)人在早期的生活無意就學會了辨別的能力。但是當我們在學習中遇到新的刺激，例如，學習化學的學生可能要學會辨別各種氣體、液體，學習生物的學生第一次使用顯微鏡時，可能會遇到需要考察的新的視野。這時辨別學習重要性還是很明顯的，辨別的重要性更在于它為概念、規(guī)則的學習奠定了基礎。桌面虛擬實驗可以真實的展示實驗現(xiàn)象和變化的過程，特別是學生日常生活中難以見到的或者和學生的經(jīng)驗相抵觸的現(xiàn)象和過程，使學生獲得豐富的感性知識。

2 桌面虛擬實驗可以幫助學生建立概念

加涅一方面強調，利用語言教學可以促進具體概念的學習進程，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習，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感念的更復雜的學習（如規(guī)則的學習）服務。加涅以成人為例，假定學習生理學的成人，要學習橫紋肌這一概念，我們可以設想他已學過定義，但是現(xiàn)在他必須將這些詞同他已經(jīng)觀察過的這類肌肉組織（無論是實際的還是圖解）聯(lián)系起來。也就是說學生要形成概念，感知是第一要素，桌面虛擬實驗就是通過學生的視覺、聽覺來形成感性認識的，能有助于學生形成思維，加深對概念的理解。

3 桌面虛擬實驗可以幫助學生形成規(guī)則

對于鑒于新的規(guī)則中可能含有一些不熟悉的概念而影響人們對它的全面理解，對于這種情況，加涅指出，用文字、符號來表述定義性概念或規(guī)則，當人缺乏對它或它們中的某一部分的具體經(jīng)驗的支撐時，對它或它們的總體把握可能是膚淺的。出現(xiàn)這種情況時，人可能要部分或全部回到實際經(jīng)驗的再體會中去。例如，在生物學中在學習“變態(tài)發(fā)生在昆蟲的幼蟲變成蛹時”這一規(guī)則時，如果真要妥帖地學習這一原理的話，也許要回憶昆蟲的幼蟲變成蛹時發(fā)生變態(tài)的一兩個實際的事例，需要指出的是，如果在實驗室或在博物館，在郊游或電影里曾見到過變態(tài)發(fā)生的話，那么這一先規(guī)則可能會掌握的更好。

根據(jù)加涅對規(guī)則（原理）學習的解釋，要學習一個新的規(guī)則（原理）光去學習規(guī)則的言語陳述是不夠的，還必須對原理有具體的經(jīng)驗支撐，具體的經(jīng)驗可以是事物、標本、電影等。在學習新規(guī)則時，可以利用桌面虛擬實驗給學生提供具體經(jīng)驗的支撐，規(guī)則的獲得可以從桌面虛擬實驗結果中分析、歸納、概括出來。以“研究電磁感應現(xiàn)象”實驗教學為例，首先通過桌面虛擬實驗演示直導線切割磁力線產(chǎn)生感應電流，通過閉合線圈的磁通量發(fā)生變化，是產(chǎn)生感生電流的必要而充分條件，然后再深入分析，總結、概括出楞次定律。

三 桌面虛擬實驗對動作技能學習的作用

1 桌面虛擬實驗不能完全獲得新的動作技能

操作技能又稱動作技能是指在練習的基礎上形成的，按照某種規(guī)則或程序順利完成身體協(xié)調任務的能力，如書寫、體操、舞蹈等，操作技能主要是借助于骨骼、肌肉和相應的神經(jīng)過程來實現(xiàn)的[1]。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。虛擬實驗本質是意識而不是物質，桌面虛擬實驗是靠學生想象，借助于計算機實時生成的圖像和顯示的文字以及聲音，通過鼠標和鍵盤交互沉浸在虛擬的實驗場景中去獲取知識、技能的一種活動。對應不同的活動，人在頭腦中所運用的表征活動過程的方式是不同的。布魯納認為，人們可以用三種方式在頭腦中表征對某種事物的經(jīng)驗，即動作性表征、形象性表征和符號性表征[2]。例如在“電磁感應”物理虛擬實驗中，學生可以通過虛擬實驗提供的較為真實的磁鐵、電流表、線圈等實驗儀器以及實驗過程獲得形象表征，還可以通過虛擬實驗中的文字講解以及對實驗現(xiàn)象的分析獲得符號表征。但通過鼠標和鍵盤與虛擬環(huán)境的交互卻不能獲得實驗要求的動作表征。因為這種通過用鼠標鍵盤等輸入設備操作虛擬物體的交互方式并沒有真正的去操作物體，而是對人具體操作實驗儀器細節(jié)進行了省略，并沒有對肌肉和骨骼進行鍛煉（鼠標和鍵盤交互除外），更多的是對具體操作的細節(jié)過程進行了省略，省略部分是靠想象來彌補的，想象是來自于對現(xiàn)實世界的原有的操作經(jīng)驗，因此運用桌面虛擬實驗不能夠獲得動作表征。正如布魯納所說，“如果你試圖訓練某人打網(wǎng)球或溜冰，或者教一個孩子學騎自行車，你一定會深切體會到，這類教學過程要用語言或圖解方法進行是無能為力的”。

2 桌面虛擬實驗對學生獲得新動作技能的促進作用

桌面虛擬實驗雖然不能形成新的動作技能，但是它對學生新動作技能的形成還是有促進作用的，為了更好的研究操作技能的形成過程，很多研究者提出了各種階段模型，如菲茨與波斯納的三階段模型（1976），亞當斯（1971）與金泰爾（1972）各自提出的兩段模型，國內學者馮忠良[3]（1981）提出操作技能形成的四段模型，即操作定向、操作模仿、操作整合與操作熟練四個階段。在這些操作技能的形成階段中，都明確指出了讓學習者了解做什么、怎么做的重要性，而讓學習者了解做什么、怎么做正是桌面虛擬實驗所擅長的。桌面虛擬實驗對操作技能形成的促進作用具體表現(xiàn)在：

（1）桌面虛擬實驗可以提供準確的示范

利用虛擬現(xiàn)實技術，可以真實的再現(xiàn)實驗過程，使信息呈現(xiàn)更準確、更方便、更易于接受。并且虛擬實驗中，可以用講解和示范更好的結合，二者的結合有利于學習者形成正確的動作概念，使運動感覺、運動表象明確化，有利于準確的、穩(wěn)定的定向映象的形成。

（2）桌面虛擬實驗可以提供模擬練習和“心理練習”

桌面虛擬實驗中學習者可以觀看演示或操作虛擬物體，在一定程度上獲得某種技能的執(zhí)行計劃以及其中要實施的各個步驟，為學習者提供了模擬練習和心理練習。這些練習對動作技能形成是很有幫助的，不過，加涅指出，這種“心理練習”只有學習者具備執(zhí)行這類技能的初步體驗之后才可能最有效。

（3）桌面虛擬實驗可以為學習者提供外部反饋

通過學習者對虛擬物體的操作，計算機可以對學習者的操作結果及其操作過程給出相應的反饋，能讓學習者根據(jù)反饋結果修正自己的學習程序，這種外部反饋對操作技能學習的初始階段作用較大。

四 桌面虛擬實驗的教學效應實證研究

為了驗證桌面虛擬實驗對學生獲取言語信息和智慧技能的作用，采用問卷調查研究方法和實驗研究方法對桌面虛擬實驗在實驗教學中的作用進行研究。

1 問卷調查研究

（1）調查目的及調查對象

為了了解桌面虛擬實驗對言語信息和智慧技能掌握的作用，2006年7月，對內蒙古自制區(qū)烏蘭浩特市32名高中物理教師就桌面虛擬實驗在實驗教學中的作用問題進行了調查，發(fā)放試卷32份，回收試卷32份，有效試卷32份，有效率為100%。

（2）調查內容

采用自編問卷的形式進行調查，調查的問題包括封閉式和開放式問題相結合的問卷，其中四道調查問題針對“通電、斷電自感”和“電磁感應”兩個虛擬實驗演示實驗，這兩個虛擬實驗是根據(jù)實驗目的，利用Cult3D和Flash開發(fā)制作的，虛擬實驗如圖1、圖2所示。這兩個實驗都是高中物理課程標準中要求演示的兩個演示實驗，通過問卷調查主要想了解教師在課堂上演示這兩個桌面虛擬實驗是否能夠達到課程標準的要求。

（3）調查結果

這兩個實驗都是高中物理課程標準中要求演示的兩個演示實驗，調查結果如表1和表2。

（4）討論

調查結果表明，通過演示桌面虛擬實驗能有效的促進學生對實驗原理、實驗步驟和實驗儀器名稱等內容的學習，應用桌面虛擬實驗能夠達到演示實驗的目的。

2 實驗研究

（1）實驗目的

為了了解桌面虛擬實驗對培養(yǎng)學生智慧技能的作用，筆者采用實驗研究的方法探討了桌面虛擬實驗對培養(yǎng)學生技能的作用。游標卡尺讀數(shù)技能是高中物理課程標準中要求學生掌握的一項技能。采用桌面虛擬實驗培訓學生游標卡尺讀數(shù)技能和傳統(tǒng)方法（游標卡尺實物輔以板書）培訓學生游標卡尺讀數(shù)技能相對比的方法，借以來了解桌面虛擬實驗對學生技能的促進作用。

（2）實驗過程

從通遼一中（市重點中學）選取兩個班級，一個是實驗班、一個是控制班，實驗班級采用游標卡尺的桌面虛擬實驗講授游標卡尺讀數(shù)的技能，控制班采用傳統(tǒng)的講授方法講授游標卡尺讀數(shù)技能，班級選取的原則是理論上選取兩個人數(shù)和物理平均成績相同的班級，但是在現(xiàn)實中很難找到物理平均成績相同的兩個班級，只能找到平均成績相近的兩個班，選擇的原則是實驗班的以往物理考試的平均成績略小于控制班的物理考試平均成績，以平均成績低的班級作為實驗班，以平均成績高的班級作為對比班，為了減少干擾因素由同一名授課教師講授，講授完成后參加統(tǒng)一測試，其中有一道游標卡尺讀數(shù)試題，分值為4分，得分情況是，實驗班中得4分的學生共35名，控制班中得4分的學生共21名，測試成績如表3。

（3）數(shù)據(jù)分析

從上述數(shù)據(jù)可以看出，實驗班的物理平均分還是低于對比班的物理平均分，但是游標卡尺讀數(shù)這一題的實驗班的平均分卻高于對比班平均分，這說明游標卡尺桌面虛擬實驗對培養(yǎng)學生讀數(shù)技能起到了促進作用。

為了進一步檢驗實驗結果，進行平均數(shù)差異的顯著性檢驗，由于兩個樣本都是非正態(tài)分布且n＞30，屬于大樣本，應采用Z檢驗。根據(jù)題意建立虛無假設：H0：u1=u0，即先認為想個平均數(shù)之間無顯著差別。規(guī)定差異顯著水平（0.01級）， 計算兩個平均數(shù)之差的Z值，套用如下公式：

所以差異非常顯著，實驗結果表明，運用桌面虛擬實驗能有效的培訓學生的智慧技能。

（4）討論

在“游標卡尺讀數(shù)”這個實驗中，有操作技能的學習和智慧技能的學習，操作技能主要是學生用游標卡尺的測角卡住被測物體，擰緊固定螺絲，智慧技能是根據(jù)主尺和游標的位置進行讀數(shù)。在這個實驗中，由于學生都已經(jīng)掌握了用游標卡尺的測腳卡住被測物體，擰緊固定螺絲等動作技能，而游標卡尺的讀數(shù)智慧技能是學習者以前沒有學習過的，這個實驗的主要目的是學習智慧技能。通過桌面虛擬實驗學習智慧技能后，考察學生用游標卡尺測量金屬管的內徑和外徑，通過實際觀察，學生能把學習的智慧技能和以前的動作技能遷移到真實實驗中去。

——————————

參考文獻：

[1]路海東．教育心理學[M]．長春：東北師范大學出版社，2002：147

[2]陳佑清．論活動與發(fā)展之間的相關對應性[J] ．教育研究，2005，2：79

[3]馮忠良等．教育心理學[M]．北京:人民教育出版社，2000：412

The Desktop Virtual Experiment Teaching Effect Studies

YU Hong-tao1 YANG Xue2 SUN Yan-li3

(1.College of Education Science， Inner Mongolia University for Nationalities， Tongliao 028043， China;

2. Institute of Higher Education of JLU， Jilin， Changchun 130012， China;

3. the First High School in Tongliao， Tongliao 028043， China)

Abstract: Based on Gagne's learning outcome theory and other research results， this article discussed the desktop virtual experiment on the role of language learning information， intellectual skills of learning， motor skill learning. Finally， through the questionnaire method and experimental methodt to verify the role of desktop virtual experiment on speech learning skills and intellectual skills.

Keywords: The Desktop Virtual Experiment; Teaching Effect; Verbal Information; Intellectual Skill

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文。