虛擬實驗教學環境研究現狀及趨勢探悉

宋正國 刁秀麗

【摘要】該文在查閱大量文獻資料的基礎上,闡述了當前國內虛擬實驗教學環境的研究現狀,分析了當前研究的不足,嘗試提出了虛擬實驗教學環境需要進一步研究的內容和趨勢。

【關鍵詞】虛擬實驗;教學環境;研究現狀;研究趨勢;論文

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

隨著計算機多媒體技術和網絡通信技術的迅速發展,信息時代的學習、生活方式都發生了重大變革。作為培養和提高學生動手實踐能力、觀察能力、分析問題和解決問題能力等方面有著先天優勢的實驗教學是高校教育改革的關鍵問題之一。目前,我國傳統實驗教學環節不足、實驗資源不均衡,學生創新能力不足,虛擬實驗教學環境研究與建設有利于解決當前實驗教學中存在的問題。

為了從整體上把握虛擬實驗教學環境發展脈絡,擬重點從研究內容入手,探悉虛擬實驗教學環境研究現狀及發展趨勢。虛擬實驗教學環境是指開展虛擬實驗教學所需要的環境,包括硬件和軟件環境兩部分。硬件環境包括計算機終端、計算機網絡、服務器等,軟件環境包括基礎軟件、虛擬實驗教學系統軟件、實驗教學資源及理論指導等。本文所研究的虛擬實驗教學環境是指為開展虛擬實驗所搭建的教與學環境,主要指軟件方面的環境建設及其應用研究。

一 研究設計與思路

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”為關鍵字進行檢索,時間從2005年至2009年1月公開發表的主題中含有“虛擬實驗”的期刊論文、會議論文以及學位論文,共437篇,以下從發表時間、研究內容兩個維度分別進行統計分析。

2 研究方法與工具

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

二 研究結果(即研究現狀)分析

1 從時間上看虛擬實驗教學環境研究受到的關注程度及其原因

以“虛擬實驗”為關鍵詞,時間段分別從1979年到1999年、2000年到2004年、2005年到2009年1月進行檢索,題名中包含“虛擬實驗”的期刊論文和碩、博學位論文數量如表1所示。從三個時間段檢索的論文數量來看,近幾年虛擬實驗教學環境的研究已經得到了眾多學者的廣泛關注?？梢?對于虛擬實驗教學環境的研究已經成為當前教育研究一個新熱點,分析其原因是主要信息技術的蓬勃發展已經使部分虛擬實驗環境的設計與開發成為現實,并在一定的理論指導下應用于實踐,使各類虛擬實驗室建設成為可能。而且,虛擬實驗環境的研究與實現極大地降低了實驗室建設成本,緩解了由于財政壓力給實驗實訓教學環節帶來的不利影響,有利于學生實踐操作能力的培養,因此,虛擬實驗教學環境的研究也就具有了極大的經濟效益和社會效益,從而引起了更多學者、專家的關注。

表1 三個時間段檢索的論文數量

2 從內容上看虛擬實驗教學環境研究的現狀及其分析

通過對2005年以來檢索的437篇期刊論文、會議論文以及學位論文進行研究內容分析可以發現,虛擬實驗教學環境的研究主要集中在以下幾個方面:虛擬實驗平臺與系統的設計與開發、虛擬實驗的設計、虛擬實驗的教學研究及虛擬實驗相關開發技術研究等,在檢索的論文中各個方面的研究內容所占比例情況如圖1所示。

(1)虛擬實驗平臺與系統的研究

從圖1可以看出,虛擬實驗平臺與系統設計與開發的研究論文較多,其數量達175篇?？梢?計算機技術與網絡技術的發展為實驗平臺和系統的搭建提供了技術支持,虛擬實驗的實踐研究首先引起了廣泛關注。這方面的論文主要是探討某門課程的虛擬實驗平臺、系統設計或開發過程,如顧九春等[2]在論文中論述了基于matlab提供的函數和控制系統分析工具箱開發了自動控制原理課程的虛擬實驗平臺系統,對課程控制系統的設計與開發比較簡單,論文中沒有進行應用效果的分析。關于虛擬實驗平臺設計或設計與開發方面的研究論文有66篇。周冬婉[3]在論文中論述了實驗系統平臺的設計,并實現了簡單開發,論文中無應用方面的論述。關于虛擬實驗系統的研究論文有109篇。虛擬實驗平臺、系統研究的論文中進行設計并實現的比較多,在實驗中應用的不多,對應用效果分析的就更少了。設計與開發具有開放性、自主性、協作性、交互性以及可擴展性的虛擬實驗平臺和系統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篇關于虛擬實驗平臺和系統研究論文發現,目前虛擬實驗平臺和系統的開發各自為政,沒有統一的規范和標準,很難實現平臺和資源的共享。虛擬實驗平臺和系統的設計與開發研究大都是基于某一門課程實現,開發的技術種類繁多。

圖1 虛擬實驗研究內容情況

(2)虛擬實驗教學研究

虛擬實驗教學方面的研究有利于指導虛擬實驗教學實踐,這方面的研究論文有93篇。教學研究方面的研究內容情況如圖2所示,主要包括以下幾個方面:虛擬實驗理論層次的應用研究,如黃凱旋[4]論述了如何更好地發展實驗教學,提出了建立開放式實驗與虛擬實驗結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中的應用等;教學模式與方法研究,如朱乾[6]通過“大學物理”虛擬實驗系統在實驗教學中的應用,對利用虛擬實驗教學的教學模式進行了初步的探究,吳偉雄[7]探討了在電工學教學中采用虛擬實驗手段的意義和課堂教學方法等;教學效果分析,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,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用效果等;其他方面的研究包括虛擬實驗的作用、虛實結合的理論探討與教學改革研究等。關于虛擬實驗教學方面的研究,從理論層面探討的較多,對實際應用效果的研究比較少,這對虛擬實驗教學實踐而言顯然是不夠的。

圖2 虛擬實驗教學研究情況

(3)虛擬實驗設計與開發研究

虛擬實驗設計的開發是虛擬實驗教學開展和實施的前提,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境中以虛擬的形式完成,不涉及真實的實驗儀器設備的實驗,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操作步驟和實驗結果,供學生用于觀察實驗的實際執行過程,主要是基于某一種或幾種技術或工具開發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技術對大學物理實驗功能進行了簡易設計并對開發流程進行了闡述。仿真實驗是利用計算機軟件仿真實驗環境。學生可以按實驗要求組裝實驗系統,通過改變實驗模型的參數進行各種模擬實驗,觀察其實驗顯示結果,孫俊峰等[12]在論文中以心理學實驗為例,提出了虛擬實驗展開的方式,將虛擬實驗分為實驗準備、交互實驗和結果反饋三個階段。虛擬儀器是在計算機上配置高性能的模塊化硬件,結合高效靈活的軟件來完成各種測試、測量和自動化的應用,如張子剛[13]的碩士論文《基于LabVIEW的虛擬實驗儀器設計研究》,該論文以PC-DAQ/PCI插卡式結構的硬件平臺,采用數據采集板,實現AD7202在Labview中的數據采集。論文重點講述了虛擬數字存儲示波器各個功能模塊的軟件設計。在虛擬實驗設計與實現方面的研究中,虛擬實驗被教師上課演示的多,被學生實際操作的少;虛擬實驗中驗證性實驗多,設計性和創新性實驗少;虛擬實驗以作業方式應用的多,單獨開設實驗課程的很少。[14]

(4)虛擬實驗設計與開發應用的相關技術研究

計算機技術以及計算機軟件技術的發展為虛擬實驗研究提供了技術支持和工具,各種技術的發展也促進了虛擬實驗的開發。關于虛擬實驗設計與開發應用的相關技術研究,主要是把互聯網技術、動畫技術以及虛擬現實等相關技術(如Java、VRML、Flash、3D等)引入到虛擬實驗設計中,從技術的角度深入探討虛擬實驗建設的可行性,主要集中在3D、VRML、Flash等技術在虛擬實驗系統構建中的應用,或者此技術在某個實驗環節中的應用,或者側重于網絡虛擬實驗系統的教學支持系統的設計開發,論文數量有38篇,各種技術使用與研究情況如圖3所示。

圖3 開發技術研究情況

(5)虛擬實驗環境相關標準、規范、管理與評價方面的研究

虛擬實驗環境相關標準、規范、管理與評價的研究可以為建立統一的虛擬實驗教學環境提供依據和保障。然而,在檢索的論文中只有2篇論文對標準化問題進行了簡單的闡述。范新偉等[15]的《虛擬實驗標準化的研究和解決方案》,在論文中提出了一個虛擬實驗標準化信息模型,并提出了信息模型的xml綁定和用Web Service實現的解決方案,作者對虛擬實驗的標準化提出了一些見解,并對實踐結果進行了初步的闡述,進一步的工作還有待于大量的實踐來進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準化研究》,該論文針對虛擬實驗重復開發,復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準化解決方案,建立了儀器間通信的信息模型。在當前的研究中只有2篇此方面的相關論文對虛擬實驗的研究是不夠的,而且虛擬實驗環境的評價和虛擬實驗管理方面的研究也是空白。

隨著虛擬實驗教學研究的發展,各種技術被引入進來,這些技術、協議或標準之間的兼容性,以及虛擬教學平臺、系統和已有平臺、系統的互操作都需要深入研究。此外,虛擬實驗平臺和系統的開發也需要一個規范,因此對虛擬實驗環境相關標準與管理的研究極為迫切。

3 其他需要闡明的現象

隨著多媒體、網絡技術的迅速發展,虛擬實驗研究得到了眾多學者的極大關注,逐漸成為計算機領域與教育技術界研究的方向與熱點,特別是虛擬實驗教學環境的建構及應用更應引起教育技術領域的關注。但是,就國內目前的研究來看,教育技術領域還沒有給予較多的關注,從2005年以來的研究論文結果看,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、《現代教育技術》有8篇文章、《中國遠程教育》有3篇文章,這對于教育技術的研究方向和熱點而言是不夠的。再者,虛擬實驗教學環境的研究主要集中在計算機領域的雜志或學位論文中,其論文發表的期刊方面,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環境的研究還不夠深入。

三 研究趨勢分析

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

1 開展評價、測試、管理等標準和規范的研究

制定虛擬實驗平臺和系統的評價、測試、管理等標準和規范,為建立統一的虛擬實驗教學環境提供依據和保障。針對我國虛擬實驗教學的發展現狀,研究制定基于統一支撐平臺的虛擬實驗開發標準,制定虛擬實驗的評價、指導、管理和基礎軟件跨平臺規范,實現平臺和資源的高度共享,通過多種標準與規范的有機結合,解決分布式的實驗教學與現有的教學系統協同工作的問題,從而實現協同工作,提高其共享性和復用性。

2 虛擬實驗平臺的統一開發

按照統一的標準和規范,開發集實物演示、實物仿真、創新設計、智能指導和管理于一體,具有良好交互性和可擴展性的虛擬實驗教學平臺是當前和未來虛擬實驗教學環境研究的重要內容之一,從而突破目前的各自為政、沒有統一標準、沒有協同性平臺開發的局面。

3 虛擬實驗的多方面設計與開發

在統一標準與規范的指導下的適合教學需要的更多的虛擬實驗設計與開發是當前虛擬實驗教學研究的內容之一,這有利于為教育提供豐富的虛擬實驗資源,從而為廣大學習者提供優質的虛擬實驗服務,也能夠產生很好的經濟和社會效益。

4 加強虛擬實驗的指導與管理研究

虛擬實驗缺乏有效的教學管理、過程指導和效果評價,導致虛擬實驗的優越性在實踐教學中難以發揮。因此,應開展虛擬實驗過程的智能指導和實驗結果自動批改技術等方面的研究;開發虛擬實驗指導與管理系統,包括實驗知識輔助學習、實驗智能指導、實驗結果自動批改、實驗答疑、實驗教學效果評估等功能;開發跨平臺的虛擬實驗管理系統,為虛擬實驗教學環境提供服務并開展應用,并展開視角對使用虛擬實驗進行實驗學習進行評價的研究。

5 開展虛擬實驗應用研究

虛擬實驗只有在不斷的完善、經過實踐檢驗后,能夠取得良好效果才能應用于實驗教學和推廣,因此,虛擬實驗的應用研究對此研究課題具有重要價值。然而,目前虛擬實驗教學環境的研究內容主要集中在理論探討、系統設計與開發、虛擬實驗教學平臺的開發,未來應加大虛擬實驗系統應用于教學的模式與效果分析、虛擬實驗系統開發評價等方面的研究,尤其從學生視角對使用虛擬實驗平臺和系統進行實驗學習的評價研究需加強。

四 結語

虛擬實驗是信息時代的產物,它在教育、科研等方面有著廣闊的發展前景,是當前教育的重要組成部分,是教育教學的重要資源。在構建現代教育創新體系、培養創新型人才的大教育背景下,融合現代教育理念的虛擬實驗教學環境的研究必將促進教育教學的蓬勃發展。

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