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摘要 在网络技术日臻成熟的时代,远程教学中的实验教学的不足显得与时代格格不入,如何解决这个矛盾?以虚拟现实技术为基础的虚拟实验室的建立,成了解决这一矛盾的方法之一。就虚拟实验室在远程实验教学中的应用,从虚拟技术、学习理论、设计实现、面临问题等4个方面进行探讨。
关键字 虚拟实验室;远程教育;实验教学
中图分类号:G642.423 文献标识码:B 文章编号:1671-489X(2010)12-0089-02
Application and Discussion about Virtual Laboratory in Distance Experimental Instruction//Wang Yongxi
Abstract As network technologies growing maturity, the experimental teaching in distance education cannot meet the needs of our times. How to resolve this contradiction? One of the ways out is to build virtual laboratory based on virtual reality technology building. This article explores the application of virtual laboratory to distance education from four aspects: virtual technology, learning theory, design implementation and problems faced in the process.
Key words virtual laboratory; distance education; experimental instruction
Author’s address College of Educational Technology and Communication, Northwest Normal University, Lanzhou, China 730070
1 前言
随着计算机及通信技术的发展,新兴的教育形式——远程教育得到飞速发展。不论是在教学方式和手段上,还是在校生规模上,远程教育已经成为一种重要的教学方式,教学效果越来越接近传统的面对面授课的效果。但是,相对于传统实验教学,远程实验教学却成了教学中的一个瓶颈。
随着计算机技术、虚拟现实技术、网络技术的发展,通过网络来构建虚拟实验室已经成为可能,网络虚拟仿真实验已成为解决远程实验教学的一个重要尝试。虚拟实验的应用,可以降低科学实验中的风险性,不至于浪费大量的人力和物力,同时也为了提高实验效率。虚拟实验室的应用,提高了教学效率和教师的教学科研能力,促进教师业务知识的更新,使实验教学手段和教学内容丰富多彩,有利于学生更好地掌握实验方法,提高知识的应用能力和培训创造性能力。
2 虚拟现实技术
虚拟现实(Virtual Reality)是通过多媒体技术与仿真技术相结合,生成逼真的视、听、触觉一体化的虚拟环境,用户以自然的方式对虚拟环境中的对象进行体验和交互。虚拟现实技术综合了计算机图形学、图像处理与模式识别、智能技术、传感技术、语音处理与音响技术、网络技术等多门科学,将计算机处理的数字化信息变为人所能感受的具有各种表现形式的多维信息,通过视、听、触觉等作用于使用者,对使用者的控制行为做出动态的交互反应。现阶段常用的虚拟现实技术主要有VRML、QuickTime VR、Cult3D、Viewpoint、Flash等。虚拟现实技术在教学中有以下特点:临场感、交互性、真实性、高效率。
3 虚拟实验室
所谓虚拟实验室(Virtual Laboratory)是指由计算机技术、网络技术、计算机仿真技术、虚拟现实技术等生成的一类适于进行虚拟实验的实验系统。虚拟仪器通过编程模拟真实仪器,在计算机中再现真实仪器的外观及主要性能,实验者可以像在真实的环境中一样完成各种预定的实验项目,所取得的学习或训练效果甚至优于在真实环境中所取得效果[1]。
与传统实验室相比,虚拟实验室具有独特的优点:1)能充分利用现有计算机资源,实验不消耗器材,实验所需器材种类和数量不限制,实验设备经费仅是传统仪器的5%～10%,可复用性、重新配置性强;2)功能由用户自己定义,易于扩展实验规模,实验功能完善,实验用的元器件及测试仪器仪表齐全,便于组建复杂多样的测试实验系统;3)实验速度快、效率高,容易开展各种设计性实验;4)容易实现技术更新,创新实验形式;5)使用灵活、方便,便于网络化、虚拟化教学。
虚拟实验室具有的透明性、资源共享性、互动操作性、用户自主性、扩展性以及安全性等特点,是传统实验室无法比拟的。其作用通常分为3类:1)为进行真正的实验(或操作)做准备练习;2)替代实物实验室;3)在实物实验后进行分析。虚拟实验室一般有3种类型:软件共享网络虚拟实验室;仪器共享网络虚拟实验室;远程控制网络虚拟实验室[2]。
4 理论基础
虚拟现实技术应用于教育总是以一定的学习理论和教学理论为基础的。影响最大的是认知主义学习理论和建构主义学习理论。
建构主义学习对学习的基本解释是:学习是一种内部发展的过程,是一种由同化和顺化交替发生作用,从而导致生理、心理从平衡状态到不平衡状态的循环过程。与此相对应,认知主义的教学观念是:为学生提供一种对自身进行认知加工的特定情境和特殊过程,从而在促进学生认知结构的形成过程中推动学生的认知发展。虚拟实验教学必须从学生的认知心理出发,注重学生的具体经验和对情境的理解,使得学习者的新旧知识之间的同化顺利完成,建构起自身的认知结构,促进认知发展。
建构主义理论认为,学习是一个动态的适应过程,学习者是通过与某一领域的知识相关的经验储存和提取所有知识的。学生的知识建构是一个主动的活动:试图将新知识与更广泛的知识经验联系起来,成为整合的知识体系,而不只是与一两个观念建立联结。学生不只是理解和记忆现成的结论,而且要理解这些知识所指向的问题,基于自己的知识经验来批判地分析它的合理性,形成属于自己的知识。所以,学习者的自主学习是建构主义学习理论的核心。自主学习也称为自我导向学习,一般指学习者自己确定学习目标、选择学习方法、监控学习过程、评价学习结果的过程。虚拟实验室和虚拟实验课件的应用正是为学生提供了这样一个自主学习的环境,从而达到一定的教学效果和学习目的。
5 虚拟实验室设计
虚拟实验室的设计方法很多,究竟是基于什么技術来设计虚拟实验,主要是根据实际教学情况和技术条件来确定。一般来说,有以下几种技术来实现虚拟实验室:1)基于LabVIEW;2)基于VRML;3)基于Web。其中在远程教学中用得最多的是基于Web的虚拟实验室,这类虚拟实验室系统最终以网站的形式实现,各个模块内容采用DHTML、CSS、Javascript、ASP与数据库等技术制作成网页,包含了丰富的文字、图片、视频、动画等多媒体内容。基于Web的虚拟实验模块的开发,有多种开发技术及专业软件,如Java、VRML、Flash、Authorware等。
基于Web的虚拟实验室的实现模式一般如图1所示。
虚拟实验室实现的有关技术要求主要有:1)数据资源的共享;2)建立共享软件库;3)支持用户与教师之间的交互;4)可靠的安全机制;5)协同虚拟环境实现技术;6)面向对象编程方法的实现。即将虚拟对象抽象成如下类:用户类、用户数据类、虚拟仪器类、控制参数类、测试数据类、结果数据类。
在设计虚拟实验室时,应注重考虑以下事项:1)虚拟实验室的软件系统应易于维护并具备扩展性;2)虚拟实验室系统的运行应保证安全性和可靠性;3)虚拟实验室的设计应注重交互性;4)虚拟实验室的设计应注重科学性。
6 虚拟实验室在网络教学中面临的问题
在利用虚拟实验室进行远程实验教学时,仍有许多问题:1)如何把以教师为中心的实验模式转变为以学生为中心的实验模式,以充分体现建构主义学习理论;2)如何评价学生的实验结果,评估一个虚拟实验室的实验效果;3)虚拟实验室与传统实验室之间的关系,它是否可以完全替代传统的实验室,还是仅仅作为传统实验室的一种补充;4)如何准确定位教师在实验中的地位,使之由组织者转变为指导者;5)成本问题,如何保证基于网络的虚拟实验室成本低于传统实验室。
7 结束语
虚拟实验室是虚拟现实技术在教育教学中的一个重要的应用形式,它的开发周期短,使用效率高,可扩展性强,成本低廉,是解决远程实验教学资源紧张、提高教学质量、摆脱实验教学所面临的困境的行之有效的途径。但是,虚拟实验室的发展也是一个长期渐进的、不断完善的过程,必须抓住机遇,不断发展,挖掘虚拟实验室的潜力,形成一个灵活多样,适应不同层次、不同专业要求的新型的实验教学体系,以适应远程实验教学的需要。
参考文献
[1]何利,等.基于虚拟技术的实验教学[J].实用测试技术,2001(4)
[2]陈滨.网络虚拟实验室与实验教学转型[J].教学仪器与试验,2005(10)
[3]张晓川,等.虚拟实验室的建设与研究[J].实验室科学,2005(3)
关键字 虚拟实验室;远程教育;实验教学
中图分类号:G642.423 文献标识码:B 文章编号:1671-489X(2010)12-0089-02
Application and Discussion about Virtual Laboratory in Distance Experimental Instruction//Wang Yongxi
Abstract As network technologies growing maturity, the experimental teaching in distance education cannot meet the needs of our times. How to resolve this contradiction? One of the ways out is to build virtual laboratory based on virtual reality technology building. This article explores the application of virtual laboratory to distance education from four aspects: virtual technology, learning theory, design implementation and problems faced in the process.
Key words virtual laboratory; distance education; experimental instruction
Author’s address College of Educational Technology and Communication, Northwest Normal University, Lanzhou, China 730070
1 前言
随着计算机及通信技术的发展,新兴的教育形式——远程教育得到飞速发展。不论是在教学方式和手段上,还是在校生规模上,远程教育已经成为一种重要的教学方式,教学效果越来越接近传统的面对面授课的效果。但是,相对于传统实验教学,远程实验教学却成了教学中的一个瓶颈。
随着计算机技术、虚拟现实技术、网络技术的发展,通过网络来构建虚拟实验室已经成为可能,网络虚拟仿真实验已成为解决远程实验教学的一个重要尝试。虚拟实验的应用,可以降低科学实验中的风险性,不至于浪费大量的人力和物力,同时也为了提高实验效率。虚拟实验室的应用,提高了教学效率和教师的教学科研能力,促进教师业务知识的更新,使实验教学手段和教学内容丰富多彩,有利于学生更好地掌握实验方法,提高知识的应用能力和培训创造性能力。
2 虚拟现实技术
虚拟现实(Virtual Reality)是通过多媒体技术与仿真技术相结合,生成逼真的视、听、触觉一体化的虚拟环境,用户以自然的方式对虚拟环境中的对象进行体验和交互。虚拟现实技术综合了计算机图形学、图像处理与模式识别、智能技术、传感技术、语音处理与音响技术、网络技术等多门科学,将计算机处理的数字化信息变为人所能感受的具有各种表现形式的多维信息,通过视、听、触觉等作用于使用者,对使用者的控制行为做出动态的交互反应。现阶段常用的虚拟现实技术主要有VRML、QuickTime VR、Cult3D、Viewpoint、Flash等。虚拟现实技术在教学中有以下特点:临场感、交互性、真实性、高效率。
3 虚拟实验室
所谓虚拟实验室(Virtual Laboratory)是指由计算机技术、网络技术、计算机仿真技术、虚拟现实技术等生成的一类适于进行虚拟实验的实验系统。虚拟仪器通过编程模拟真实仪器,在计算机中再现真实仪器的外观及主要性能,实验者可以像在真实的环境中一样完成各种预定的实验项目,所取得的学习或训练效果甚至优于在真实环境中所取得效果[1]。
与传统实验室相比,虚拟实验室具有独特的优点:1)能充分利用现有计算机资源,实验不消耗器材,实验所需器材种类和数量不限制,实验设备经费仅是传统仪器的5%～10%,可复用性、重新配置性强;2)功能由用户自己定义,易于扩展实验规模,实验功能完善,实验用的元器件及测试仪器仪表齐全,便于组建复杂多样的测试实验系统;3)实验速度快、效率高,容易开展各种设计性实验;4)容易实现技术更新,创新实验形式;5)使用灵活、方便,便于网络化、虚拟化教学。
虚拟实验室具有的透明性、资源共享性、互动操作性、用户自主性、扩展性以及安全性等特点,是传统实验室无法比拟的。其作用通常分为3类:1)为进行真正的实验(或操作)做准备练习;2)替代实物实验室;3)在实物实验后进行分析。虚拟实验室一般有3种类型:软件共享网络虚拟实验室;仪器共享网络虚拟实验室;远程控制网络虚拟实验室[2]。
4 理论基础
虚拟现实技术应用于教育总是以一定的学习理论和教学理论为基础的。影响最大的是认知主义学习理论和建构主义学习理论。
建构主义学习对学习的基本解释是:学习是一种内部发展的过程,是一种由同化和顺化交替发生作用,从而导致生理、心理从平衡状态到不平衡状态的循环过程。与此相对应,认知主义的教学观念是:为学生提供一种对自身进行认知加工的特定情境和特殊过程,从而在促进学生认知结构的形成过程中推动学生的认知发展。虚拟实验教学必须从学生的认知心理出发,注重学生的具体经验和对情境的理解,使得学习者的新旧知识之间的同化顺利完成,建构起自身的认知结构,促进认知发展。
建构主义理论认为,学习是一个动态的适应过程,学习者是通过与某一领域的知识相关的经验储存和提取所有知识的。学生的知识建构是一个主动的活动:试图将新知识与更广泛的知识经验联系起来,成为整合的知识体系,而不只是与一两个观念建立联结。学生不只是理解和记忆现成的结论,而且要理解这些知识所指向的问题,基于自己的知识经验来批判地分析它的合理性,形成属于自己的知识。所以,学习者的自主学习是建构主义学习理论的核心。自主学习也称为自我导向学习,一般指学习者自己确定学习目标、选择学习方法、监控学习过程、评价学习结果的过程。虚拟实验室和虚拟实验课件的应用正是为学生提供了这样一个自主学习的环境,从而达到一定的教学效果和学习目的。
5 虚拟实验室设计
虚拟实验室的设计方法很多,究竟是基于什么技術来设计虚拟实验,主要是根据实际教学情况和技术条件来确定。一般来说,有以下几种技术来实现虚拟实验室:1)基于LabVIEW;2)基于VRML;3)基于Web。其中在远程教学中用得最多的是基于Web的虚拟实验室,这类虚拟实验室系统最终以网站的形式实现,各个模块内容采用DHTML、CSS、Javascript、ASP与数据库等技术制作成网页,包含了丰富的文字、图片、视频、动画等多媒体内容。基于Web的虚拟实验模块的开发,有多种开发技术及专业软件,如Java、VRML、Flash、Authorware等。
基于Web的虚拟实验室的实现模式一般如图1所示。
虚拟实验室实现的有关技术要求主要有:1)数据资源的共享;2)建立共享软件库;3)支持用户与教师之间的交互;4)可靠的安全机制;5)协同虚拟环境实现技术;6)面向对象编程方法的实现。即将虚拟对象抽象成如下类:用户类、用户数据类、虚拟仪器类、控制参数类、测试数据类、结果数据类。
在设计虚拟实验室时,应注重考虑以下事项:1)虚拟实验室的软件系统应易于维护并具备扩展性;2)虚拟实验室系统的运行应保证安全性和可靠性;3)虚拟实验室的设计应注重交互性;4)虚拟实验室的设计应注重科学性。
6 虚拟实验室在网络教学中面临的问题
在利用虚拟实验室进行远程实验教学时,仍有许多问题:1)如何把以教师为中心的实验模式转变为以学生为中心的实验模式,以充分体现建构主义学习理论;2)如何评价学生的实验结果,评估一个虚拟实验室的实验效果;3)虚拟实验室与传统实验室之间的关系,它是否可以完全替代传统的实验室,还是仅仅作为传统实验室的一种补充;4)如何准确定位教师在实验中的地位,使之由组织者转变为指导者;5)成本问题,如何保证基于网络的虚拟实验室成本低于传统实验室。
7 结束语
虚拟实验室是虚拟现实技术在教育教学中的一个重要的应用形式,它的开发周期短,使用效率高,可扩展性强,成本低廉,是解决远程实验教学资源紧张、提高教学质量、摆脱实验教学所面临的困境的行之有效的途径。但是,虚拟实验室的发展也是一个长期渐进的、不断完善的过程,必须抓住机遇,不断发展,挖掘虚拟实验室的潜力,形成一个灵活多样,适应不同层次、不同专业要求的新型的实验教学体系,以适应远程实验教学的需要。
参考文献
[1]何利,等.基于虚拟技术的实验教学[J].实用测试技术,2001(4)
[2]陈滨.网络虚拟实验室与实验教学转型[J].教学仪器与试验,2005(10)
[3]张晓川,等.虚拟实验室的建设与研究[J].实验室科学,2005(3)