虚拟实验在教学中的应用限度研究

摘 要：虚拟实验在教学应用的过程中所受到的限制，即为虚拟实验的应用限度。它主要体现在三个方面：一是虚拟实验功能的限度；二是学科领域应用的限度；三是虚拟现实技术应用的限度。功能决定了虚拟实验的教学效能，学科领域不同的应用目的导致了虚拟现实技术应用条件的多样性。充分认识和客观分析虚拟实验的应用限度，对于更好地发挥虚拟实验在教学中的作用具有重要的理论和实践意义。

关键词：虚拟实验；限度；功能

中图分类号：G434文献标志码：A 文章编号：1673-8454（2014）12-0079-02

虚拟实验是指借助于多媒体、仿真和虚拟现实等技术，在计算机上营造可辅助、部分替代甚至全部替代传统实验各操作环节的相关软硬件操作环境，实验者可以像在真实的环境中一样完成各种实验项目，所取得的实验效果等价于甚至优于在真实环境中所取得的效果。虚拟实验以其虚拟性、沉浸性、交互性、多感知性等特点，为目前实验教学中迫切需要解决的问题提供策略和方法。虚拟实验在教学应用的过程中所受到的限制，即为虚拟实验的应用限度。笔者从以下三个方面对虚拟实验在教育中的应用限度展开分析。

一、虚拟实验教学功能的限度

1.专注模拟真实实验，以真实实验功能扩展为限度

现有的虚拟实验教学研究主要专注于对真实实验平台的虚拟化模仿，而超越真实平台的功能扩展还有待继续深入研究。虚拟实验不是将课本上的实验用电子形式呈现，而是使师生在三维临境环境下, 通过视觉、听觉、触觉、甚至嗅觉和味觉得到多重感官刺激，为学生提供教学性、沉浸性、交互性、多感知性等全方位的体验情境。[1]

2.以学生为中心，培养学生多元智能为限度

完整、优质的教育不仅需要学生在情境中体验学习，还需要学生在虚拟实验的学习环境中得到全面锻炼与培养。因此，虚拟实验的研究应扭转以“技术为中心”走向以“学生为中心”，进行以问题为导向的情境创设，开展以设计为主线带动技术创新的研究范式，探索培养学生多元智能的开发策略。

3.以关注虚拟实验系统自身的管理和评价研究，保证实验体系完整为限度

虚拟实验的设计、开发、应用、管理和评价是一个完整的系统，每一个环节都有其自身不可替代的作用。目前，对于虚拟实验管理和评价的研究却几乎空白。虚拟实验中的反馈和评价设计，大多数是针对实验内容而进行的，真正对虚拟实验系统自身的反馈和评价也被忽视。什么样的评价机制、如何进行评价工作以及如何管理是虚拟实验亟待解决的问题。

4.以虚拟实验标准化建设为限度

对虚拟实验统一、系统的开发方法和设计模型很少。虚拟实验的开发是一个庞大和复杂的体系，根据各领域实验的共同点和相似性，为虚拟实验建立通用的分析方法、建模方法、实验教学平台等，可以为虚拟实验的设计和开发提供指导和参考作用。华中科技大学刘超、金海等人曾提出了一种多学科的虚拟实验平台系统架构，基于多学科统一建模，设计了一种面向多学科的统一仿真计算流程，并实现了一种高效的多学科虚拟实验教学平台的仿真调度机制。[2]此研究的成功充分肯定了虚拟实验标准化建设的必要性与可行性。

二、虚拟实验在学科领域应用的限度

1.以开拓新的学科和领域，实现虚拟实验的创新发展为限度

目前，虚拟实验已广泛应用于生物、化学、物理、机械、电子等操作性强的学科领域。为了促进虚拟实验的创新发展，更好的在教育中发挥虚拟实验的作用，我们还需开拓新的学科领域和实验对象。例如，虚拟实验在医学教育中的应用，虚拟实验在地理学中的应用，虚拟实验在语言和智能培训方面的应用等。

2.以实现案例开发，建立虚拟实验资源库为限度

虚拟实验的复杂性和多样性导致网络上出现不同层次、不同属性的虚拟实验资源，但没有针对不同学科而建立的学科化虚拟实验资源库,我们迫切需要对这些资源以学科为界限进行整理。资源库中可包括典型的学科案例、学生与教师录制的实验过程等各种多媒体素材和资源。

三、虚拟现实技术应用的限度

1.虚拟实验常用三维建模技术应用限度

Web3D技术是目前开发虚拟教学实验的主要手段，该技术在开发虚拟实验过程中有三种建模方式：第一，运用虚拟现实的底层技术进行虚拟环境的建模，Web3D技术创建虚拟环境模型时主要以编程的方式进行，常用技术有VRML、OpenGL、DirectX3D、Java3D。第二，运用自身综合的建模模块建模，MultiGen Creator是运用自身综合模块建模技术的代表，它包括一套综合强大的建模工具。第三，采用第三方建模工具建模，主要有3ds Max、Maya、AutoCAD/Mechanical DeskTop等。工具没有好与坏之分，只有合适与不合适之说，只要选择合适的工具，就可以减少设计开发的时间和难度，为使用者提供好的虚拟学习环境和平台。[3]三种建模方式和第三方建模工具的优缺点对比如表1。

2.以系统的稳定，网络传输顺畅，易于开发、更新、维护为限度

虚拟实验的应用必须考虑软、硬件的运行条件和网络传输的顺畅，超过软、硬件的运行负荷，实验效果往往会适得其反。[4]在虚拟实验的设计环节，充分考虑其后期的更新和维护，才能推动虚拟实验应用的可持续性。

3.以资源共享、均衡发展为限度

教学资源分配不平衡是地区差异导致的必然恶果。提倡资源共享，加大落后地区的虚拟实验资源建设，是虚拟实验应用的一大困境。

事物的发展是一个不断完善的过程，虚拟实验以其愈发完善的功能在很多领域创造了极大的应用价值。但是，在虚拟实验的教学应用中还存在多方面的限制。充分认识和分析虚拟实验在教学中的应用限度是为了促进虚拟实验在教学领域应用价值的最大化，助推虚拟实验系统更科学、更有效的发展。

参考文献：

[1]刘一儒,沈强.虚拟现实技术在中小学教育中的应用[J].景德镇高专学报,2006(7):49.

[2]刘超，金海，蒋文斌，李浩，张磊，王曙光，马潇.一种多学科虚拟实验教学平台仿真计算与调度机制[A].第六届和谐人机环境联合学术会议（HHME2010)、第19届全国多媒体学术会议（NCMT2010）、第6届全国人机交互学术会议（CHCI2010）、第5届全国普适计算学术会议（PCC2010）论文集[C]，2010年.

[3]郭桂平,南岳松.虚拟实验教学研究现状及问题分析[J].实验室科学,2010 (10):176.

[4]刘英杰,杨雪,阚宝朋.基于3ds Max 和Virtools 的大学物理虚拟实验的设计与开发[J].现代教育技术,2008(6):88.

（编辑：鲁利瑞）