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[摘要]随着网络的发展，虚拟实验室正逐渐成为远程教育中的一个重要组成部分，而VRML技术以其媒体表现形式丰富、交互性强和带宽要求低的优点，成为开发虚拟实验室的重要技术之一。但是虚拟实验室作为一种的教育形式，不仅包含技术层面，还应当包括对虚拟情境的教学设计环节。从教学设计的视角，对基于VRML的虚拟实验室进行了不同方面的比较、分析，探讨VRML技术在虚拟情境建构中的优势与不足。
[关键词]虚拟实验室 VRML 教学设计
中图分类号：G40-057 文献标识码：A 文章编号：1671－7597(2008)0520129－02
虚拟实验室（Virtual Laboratory）概念，是由美国弗吉尼亚大学的沃尔夫（William Wolf）教授于1989年首次提出的，用来描述一个计算机网络化的虚拟实验室环境。虚拟实验室最早实际上用于工程科学教学实验（如早期约翰霍普金斯大学化学工程系的虚拟工程/科学实验室），后来在协同研究领域也得到了广泛应用，如Fluent公司CFD软件。目前在工程技术领域对虚拟实验室的开发技术研究已有一定规模的讨论，尤其是VRML(Virtual Reality Modeling Language)技术应用的论文和研究报告近来频繁出现在各种期刊中或作为学位论文的选题。然而这些文献中很少有人真正意识到以教学为目标的虚拟实验室系统设计和开发的特殊性，并且在实践中对VRML技术等技术层面过分依赖。本文将从教学设计视角对这些问题予以反思。
一、教学型虚拟实验室的特殊性
由于以实验教学为目标的虚拟实验室（教学型）与以研究开发为目标的虚拟实验室（研发型）有着重要的差异，因而虚拟实验室教学系统的构成有其自身的特殊性。
（一）教学型虚拟实验室与研发型虚拟实验的主要差异
1.工作环境的预设性与自定性差异。我们知道，研发型虚拟实验室的目的主要是通过仿真来帮助研发人员不通过实物的实验来获得等效的测试成果，因而研发人员要通过对工作环境（参数）的控制来模拟特定原型系统的运行结果的产生，换句话说，研发型虚拟实验室的工作环境往往是一种由实验人员自行组织的工作环境。而教学型虚拟实验室的目的是通过实验教学来帮助学习者掌握特定的实践能力，因而教师要通过对学习环境的控制来引导实验人员（学习者）的特定学习行为和认知结果的发生。也就是说，教学型虚拟实验室的工作环境往往是一种他人预设环境。与研发型虚拟实验室相比，需要为教师设置相应的功能模块。
2．虚拟环境仿真与虚拟仪器仿真的差异。由于两种虚拟实验室在工作环境上的差异使得系统开发时它们在仿真设计的重点环节上存在显著的差异。对教学型虚拟实验室而言，为了体现工作环境的预设性特征，仿真设计的重点强调学习环境的仿真，根据不同的学习理论，学习环境应该具备哪些特征将会有所不同。而对于研发型虚拟实验室而言，工作环境本身往往不需要系统开发人员去特殊设计，相反要提供用户足够大的自主设置空间。这样适用于多种工作环境的实验仪器的仿真设计（包括虚拟仪器的交互设计）成为系统开发的重点。
3．知识评价与绩效评价的差异。在研发型虚拟实验室中，对系统效果的评价要看实验结果能否最经济、最近似地替代实物实验，本质上是一种绩效评价。而在教学型虚拟实验室中，对系统效果的评价可能并不考察系统实际运行的最终结果，而更关心学习者通过实验操作后，对特定情境的认识水平的提高；或者更关心学习者对特定实践技能、问题解决能力的掌握，本质上是一种知识评价注。
（二）教学型虚拟实验室的一般功能结构
教学型虚拟实验室的一般功能结构大致可分为四个部分：
1．虚拟环境和学习资源库。虚拟实验教学的目的就是向学习者提供一种特殊学习环境，这种环境起码应该是对实物实验环境的替代，也就是说应该具备实物实验环境的关键要素。在此基础上这种学习环境应该在某些方面弥补实物实验的不足甚至优于实物实验环境。因此，教学型虚拟实验室应能够提供适合教学目标的虚拟环境。在这个系统的学习资源库中，虚拟仪器的设计可能相对要简单和次要的多。
2．工作平台。同其它学习与教学系统一样，教学型虚拟实验室应该根据需要设计特定的系统结构。根据学习任务和技术条件，可以选择C/S或B/S的架构，可以考虑交互型或非交互型平台等等。这主要是信息技术层面的算法问题。
3．学习评价系统。和其他教学系统一样，对学习的评价系统是不可缺少的部分，在这个系统中评价指标的选择和考察资料采集是决定该系统效度的重要因素。它取决于系统设计者信奉何种学习与教学理论。
4．管理系统。当然，包含一个处理诸如用户权限、系统扩充等功能的管理系统在这样的一个教学系统总是不可缺少的。
当前相当多的教学型虚拟实验室的设计者仍然把主要注意力放在了虚拟仪器和工作平台的设计上，这是不正确的。可以认为，教学型虚拟实验室的设计核心是对虚拟环境的设计，倾向于教学设计而不是平台设计，更多依赖于学习与教学理论。
二、应该如何设计虚拟环境促进情境建构
建构主义认为，学习是建构内在心理表征的过程。学习者并不是把知识从外界搬到记忆中，而是以已有的经验为基础通过与外界的相互作用来获取、建构新知识的过程。所以建构主义强调学习环境地设计。建构主义强烈推荐学生要在真实的情境下进行学习，要减少知识与解决问题之间的差距，强调知识的迁移能力地培养。这样，情境教学理论被提了出来。
（一）情境教学理论的基本思想
情境教学理论认为：学习总是与一定的社会文化背景即“情境”相联系的。在实际情境下开展学习，可以使学习者利用自己原有认知结构中的有关经验去同化和顺应当前学习到的新知识，从而赋予新知识以某种意义。知识是学习者在一定的情境即社会文化背景下，借助教师和学习伙伴的帮助，利用必要的学习资料，通过意义建构的方式获得的。
1.教学设计应从创设有利于学生意义建构的情境开始。学习者与周围环境的交互作用， 对于其理解学习内容具有关键性的作用。教学设计要为学生创设含有真实问题或真实事件的情境，使学生产生学习的需要，并通过学习共同体成员之间的互动、对话，实现主动学习。
2．教师提供的教学情境应当为学习者建构对知识的理解提供一种概念框架，这种框架中的概念是为发展学习者对问题的进一步理解所需要的。要注意让同一教学内容在不同时间、不同情境下为了不同的教学目的而以不同的方式呈现出来。
3.学习是一种有意义的社会协商，学习环境由情境、协作、对话和意义建构四个要素构成。情境是意义建构的基本条件，师生、生生之间的协作和对话是意义建构的核心环境，意义建构则是学习的目的。
（二）促进情境建构的虚拟环境设计原则
虚拟环境是虚拟实验室教学系统提供的教学情境中的重要组成部分，是系统体现教学思想的核心部分。促进情境建构的虚拟环境设计应该把握以下原则：
1.要重视用户需求分析，建立以学习者为中心的虚拟环境，为学习者提供贴近现实的协作、对话环境。在这个学习环境中的教师不再是知识的传授者，而是学习者在学习过程中的帮助者、指导者。对用户的需求分析应该重点关注学习者的认知需求和学习方式需求，关注教师学习环境控制需求。
2.要突出虚拟环境的情境建构功能，促进学习者要在这个环境中形成意义建构。在这个环境中要满足学习者在线自学的要求；满足学习者掌握知识，并进行思维、想象、知识迁移等训练的要求；满足学习者交互活动及获得支架的要求；满足学生对自测及自我评价的要求。
3.要提高虚拟环境的仿真水平，促进学习者获得知识和能力可以进行较为宽广的迁移和应用。虚拟环境要综合应用多媒体技术，再现现实的工作情境。虚拟现实（VR）实验室将是未来的发展方向。目前虚拟环境的实现技术主要包括Java技术、flash技术、ActiveX技术、QTVR技术和VRML技术，VRML技术是在虚拟现实实验室开发中最具有应用前景的技术。
三、VRML技术的作用究竟有多大
VRML技术只是一种开发技术，它的价值应该体现在对虚拟环境的高度仿真能力上，但这种作用的发挥必然受到学习任务特征的限制。它终究无法替代教学设计者对教学环境的设计，而只能通过对教学设计的实现来体现其价值。
（一）基于VRML的虚拟环境设计的优点
VRML(Virtual Reality Modeling Language，虚拟现实建模语言)是一种三维场景的描述性语言，也是在Internet上实现虚拟现实的关键性技术。其基本原理是用文本信息描述三维场景，在客户端由VRML的浏览器解释生成三维场景。这种思想使得在Internet上传输很少的数据，就可以在Web上实现三维虚拟场景浏览成为可能。用VRML实现与Internet虚拟现实交互有下面几个优势：
1.丰富了媒体表现形式，特别适宜构建虚拟实验室中的虚拟实验环境部分。这个结合三维空间的场景和WWW平台的语言，主要是参考SGI的Open Inventor ASCII文档格式而制订，并且增加网络的功能。由于Inventor的文档格式能够完整地描述三维空间场景，如多边形物体，光源，材质及一些真实的效果，使用它能产生非常接近实际物体的场景。
2．1996年8月公布的VRML2.0又加入了交互的能力，让使用者可与WWW上的景象进行交互。如今的VRML具有协同工作角色的可视化管理、改善了协同环境的用户界面、增强了协同环境的交互性。
3．由于VRML采用的是ASCII码的方式记录模型与链接信息，大大降低了网络传输数据量，可以保证低带宽运行。并且VRML的访问模式是C/S模式，由客户机建立VR模型，实现了平台的无关性。
（二）基于VRML的虚拟实验室设计应注意的问题
1．设计者要对虚拟环境中的学习资源要素及其布局特征能够正确把握。VRML不是一种造型语言，而是一种建模语言。在应用VRML构建虚拟环境时，设计者必须或是通过已有视频、图片资料或是通过其他造型语言获得虚拟环境的原型。这样，虚拟环境的设计者的场景模型与开发者的场景模型需要进行转换。实验环境的意义建构目标的实现可能受到影响。
2．虽然VRML能够提供功能完整的三维虚拟现实场景，并具较强的交互能力，但基于VRML的虚拟实验室可能只是一个简易桌面系统并非完整意义上的虚拟现实，鼠标和键盘很多时候并不能实现某些实践操作功能。设计者应根据教学任务需要，组建高端沉浸式系统。例如具有立体头盔显示、数据手套、位置和方向跟踪设备、以及其他虚拟现实设备的高度沉浸式系统。
3．在强调学习环境的互动功能时，许多设计者重视Blog、留言板等组件的运用，但是这些互动工具并非是对人们现实社会环境中互动的恰当模拟，并不符合学习者的互动习惯。VRML除了在描述三维场景方面具有突出能力外，还能够提供协同工作角色的可视化管理，从而可以实现虚拟环境的协作和对话等互动功能，也可以为教师实时提供支架知识支持。设计者应综合考虑各种技术手段选择符合现实场景的互动方式。
参考文献：
[1]舒炎泰，薛飞，《Internet上的虚拟实验室》，《电子科技导报》1998年第二期.
[2]彭立，乔爱玲，王楠，《基于建构主义网络课程的设计与实现》，《中国电化教育》2002年第九期.
[3]钟志贤，刘春燕，《论学习环境设计中的任务、情境与问题概念》，《电化教育研究》2006年第三期.
[4]黄振亮，《VRML在远程教育中的应用》，《计算机与数字工程》2007年第四期.
[5]姜锐，《利用VRML97创建虚拟现实世界的三维场景》，《计算机教育》2007年第十一期.
[6]邱威，《基于VRML的在线虚拟现实场景设计与实现》，《计算机应用与软件》2007年第四期.
[7]张子群，韩建国，《VRML在交互式远程教学中的应用》，《工程应用》2005年第四期.
作者简介：
汪航，男，讲师，博士，北京航空航天大学高等教育研究所讲师，研究方向：教学环境设计；刘良超，北京航空航天大学高等教育研究所硕士研究生。
[关键词]虚拟实验室 VRML 教学设计
中图分类号：G40-057 文献标识码：A 文章编号：1671－7597(2008)0520129－02
虚拟实验室（Virtual Laboratory）概念，是由美国弗吉尼亚大学的沃尔夫（William Wolf）教授于1989年首次提出的，用来描述一个计算机网络化的虚拟实验室环境。虚拟实验室最早实际上用于工程科学教学实验（如早期约翰霍普金斯大学化学工程系的虚拟工程/科学实验室），后来在协同研究领域也得到了广泛应用，如Fluent公司CFD软件。目前在工程技术领域对虚拟实验室的开发技术研究已有一定规模的讨论，尤其是VRML(Virtual Reality Modeling Language)技术应用的论文和研究报告近来频繁出现在各种期刊中或作为学位论文的选题。然而这些文献中很少有人真正意识到以教学为目标的虚拟实验室系统设计和开发的特殊性，并且在实践中对VRML技术等技术层面过分依赖。本文将从教学设计视角对这些问题予以反思。
一、教学型虚拟实验室的特殊性
由于以实验教学为目标的虚拟实验室（教学型）与以研究开发为目标的虚拟实验室（研发型）有着重要的差异，因而虚拟实验室教学系统的构成有其自身的特殊性。
（一）教学型虚拟实验室与研发型虚拟实验的主要差异
1.工作环境的预设性与自定性差异。我们知道，研发型虚拟实验室的目的主要是通过仿真来帮助研发人员不通过实物的实验来获得等效的测试成果，因而研发人员要通过对工作环境（参数）的控制来模拟特定原型系统的运行结果的产生，换句话说，研发型虚拟实验室的工作环境往往是一种由实验人员自行组织的工作环境。而教学型虚拟实验室的目的是通过实验教学来帮助学习者掌握特定的实践能力，因而教师要通过对学习环境的控制来引导实验人员（学习者）的特定学习行为和认知结果的发生。也就是说，教学型虚拟实验室的工作环境往往是一种他人预设环境。与研发型虚拟实验室相比，需要为教师设置相应的功能模块。
2．虚拟环境仿真与虚拟仪器仿真的差异。由于两种虚拟实验室在工作环境上的差异使得系统开发时它们在仿真设计的重点环节上存在显著的差异。对教学型虚拟实验室而言，为了体现工作环境的预设性特征，仿真设计的重点强调学习环境的仿真，根据不同的学习理论，学习环境应该具备哪些特征将会有所不同。而对于研发型虚拟实验室而言，工作环境本身往往不需要系统开发人员去特殊设计，相反要提供用户足够大的自主设置空间。这样适用于多种工作环境的实验仪器的仿真设计（包括虚拟仪器的交互设计）成为系统开发的重点。
3．知识评价与绩效评价的差异。在研发型虚拟实验室中，对系统效果的评价要看实验结果能否最经济、最近似地替代实物实验，本质上是一种绩效评价。而在教学型虚拟实验室中，对系统效果的评价可能并不考察系统实际运行的最终结果，而更关心学习者通过实验操作后，对特定情境的认识水平的提高；或者更关心学习者对特定实践技能、问题解决能力的掌握，本质上是一种知识评价注。
（二）教学型虚拟实验室的一般功能结构
教学型虚拟实验室的一般功能结构大致可分为四个部分：
1．虚拟环境和学习资源库。虚拟实验教学的目的就是向学习者提供一种特殊学习环境，这种环境起码应该是对实物实验环境的替代，也就是说应该具备实物实验环境的关键要素。在此基础上这种学习环境应该在某些方面弥补实物实验的不足甚至优于实物实验环境。因此，教学型虚拟实验室应能够提供适合教学目标的虚拟环境。在这个系统的学习资源库中，虚拟仪器的设计可能相对要简单和次要的多。
2．工作平台。同其它学习与教学系统一样，教学型虚拟实验室应该根据需要设计特定的系统结构。根据学习任务和技术条件，可以选择C/S或B/S的架构，可以考虑交互型或非交互型平台等等。这主要是信息技术层面的算法问题。
3．学习评价系统。和其他教学系统一样，对学习的评价系统是不可缺少的部分，在这个系统中评价指标的选择和考察资料采集是决定该系统效度的重要因素。它取决于系统设计者信奉何种学习与教学理论。
4．管理系统。当然，包含一个处理诸如用户权限、系统扩充等功能的管理系统在这样的一个教学系统总是不可缺少的。
当前相当多的教学型虚拟实验室的设计者仍然把主要注意力放在了虚拟仪器和工作平台的设计上，这是不正确的。可以认为，教学型虚拟实验室的设计核心是对虚拟环境的设计，倾向于教学设计而不是平台设计，更多依赖于学习与教学理论。
二、应该如何设计虚拟环境促进情境建构
建构主义认为，学习是建构内在心理表征的过程。学习者并不是把知识从外界搬到记忆中，而是以已有的经验为基础通过与外界的相互作用来获取、建构新知识的过程。所以建构主义强调学习环境地设计。建构主义强烈推荐学生要在真实的情境下进行学习，要减少知识与解决问题之间的差距，强调知识的迁移能力地培养。这样，情境教学理论被提了出来。
（一）情境教学理论的基本思想
情境教学理论认为：学习总是与一定的社会文化背景即“情境”相联系的。在实际情境下开展学习，可以使学习者利用自己原有认知结构中的有关经验去同化和顺应当前学习到的新知识，从而赋予新知识以某种意义。知识是学习者在一定的情境即社会文化背景下，借助教师和学习伙伴的帮助，利用必要的学习资料，通过意义建构的方式获得的。
1.教学设计应从创设有利于学生意义建构的情境开始。学习者与周围环境的交互作用， 对于其理解学习内容具有关键性的作用。教学设计要为学生创设含有真实问题或真实事件的情境，使学生产生学习的需要，并通过学习共同体成员之间的互动、对话，实现主动学习。
2．教师提供的教学情境应当为学习者建构对知识的理解提供一种概念框架，这种框架中的概念是为发展学习者对问题的进一步理解所需要的。要注意让同一教学内容在不同时间、不同情境下为了不同的教学目的而以不同的方式呈现出来。
3.学习是一种有意义的社会协商，学习环境由情境、协作、对话和意义建构四个要素构成。情境是意义建构的基本条件，师生、生生之间的协作和对话是意义建构的核心环境，意义建构则是学习的目的。
（二）促进情境建构的虚拟环境设计原则
虚拟环境是虚拟实验室教学系统提供的教学情境中的重要组成部分，是系统体现教学思想的核心部分。促进情境建构的虚拟环境设计应该把握以下原则：
1.要重视用户需求分析，建立以学习者为中心的虚拟环境，为学习者提供贴近现实的协作、对话环境。在这个学习环境中的教师不再是知识的传授者，而是学习者在学习过程中的帮助者、指导者。对用户的需求分析应该重点关注学习者的认知需求和学习方式需求，关注教师学习环境控制需求。
2.要突出虚拟环境的情境建构功能，促进学习者要在这个环境中形成意义建构。在这个环境中要满足学习者在线自学的要求；满足学习者掌握知识，并进行思维、想象、知识迁移等训练的要求；满足学习者交互活动及获得支架的要求；满足学生对自测及自我评价的要求。
3.要提高虚拟环境的仿真水平，促进学习者获得知识和能力可以进行较为宽广的迁移和应用。虚拟环境要综合应用多媒体技术，再现现实的工作情境。虚拟现实（VR）实验室将是未来的发展方向。目前虚拟环境的实现技术主要包括Java技术、flash技术、ActiveX技术、QTVR技术和VRML技术，VRML技术是在虚拟现实实验室开发中最具有应用前景的技术。
三、VRML技术的作用究竟有多大
VRML技术只是一种开发技术，它的价值应该体现在对虚拟环境的高度仿真能力上，但这种作用的发挥必然受到学习任务特征的限制。它终究无法替代教学设计者对教学环境的设计，而只能通过对教学设计的实现来体现其价值。
（一）基于VRML的虚拟环境设计的优点
VRML(Virtual Reality Modeling Language，虚拟现实建模语言)是一种三维场景的描述性语言，也是在Internet上实现虚拟现实的关键性技术。其基本原理是用文本信息描述三维场景，在客户端由VRML的浏览器解释生成三维场景。这种思想使得在Internet上传输很少的数据，就可以在Web上实现三维虚拟场景浏览成为可能。用VRML实现与Internet虚拟现实交互有下面几个优势：
1.丰富了媒体表现形式，特别适宜构建虚拟实验室中的虚拟实验环境部分。这个结合三维空间的场景和WWW平台的语言，主要是参考SGI的Open Inventor ASCII文档格式而制订，并且增加网络的功能。由于Inventor的文档格式能够完整地描述三维空间场景，如多边形物体，光源，材质及一些真实的效果，使用它能产生非常接近实际物体的场景。
2．1996年8月公布的VRML2.0又加入了交互的能力，让使用者可与WWW上的景象进行交互。如今的VRML具有协同工作角色的可视化管理、改善了协同环境的用户界面、增强了协同环境的交互性。
3．由于VRML采用的是ASCII码的方式记录模型与链接信息，大大降低了网络传输数据量，可以保证低带宽运行。并且VRML的访问模式是C/S模式，由客户机建立VR模型，实现了平台的无关性。
（二）基于VRML的虚拟实验室设计应注意的问题
1．设计者要对虚拟环境中的学习资源要素及其布局特征能够正确把握。VRML不是一种造型语言，而是一种建模语言。在应用VRML构建虚拟环境时，设计者必须或是通过已有视频、图片资料或是通过其他造型语言获得虚拟环境的原型。这样，虚拟环境的设计者的场景模型与开发者的场景模型需要进行转换。实验环境的意义建构目标的实现可能受到影响。
2．虽然VRML能够提供功能完整的三维虚拟现实场景，并具较强的交互能力，但基于VRML的虚拟实验室可能只是一个简易桌面系统并非完整意义上的虚拟现实，鼠标和键盘很多时候并不能实现某些实践操作功能。设计者应根据教学任务需要，组建高端沉浸式系统。例如具有立体头盔显示、数据手套、位置和方向跟踪设备、以及其他虚拟现实设备的高度沉浸式系统。
3．在强调学习环境的互动功能时，许多设计者重视Blog、留言板等组件的运用，但是这些互动工具并非是对人们现实社会环境中互动的恰当模拟，并不符合学习者的互动习惯。VRML除了在描述三维场景方面具有突出能力外，还能够提供协同工作角色的可视化管理，从而可以实现虚拟环境的协作和对话等互动功能，也可以为教师实时提供支架知识支持。设计者应综合考虑各种技术手段选择符合现实场景的互动方式。
参考文献：
[1]舒炎泰，薛飞，《Internet上的虚拟实验室》，《电子科技导报》1998年第二期.
[2]彭立，乔爱玲，王楠，《基于建构主义网络课程的设计与实现》，《中国电化教育》2002年第九期.
[3]钟志贤，刘春燕，《论学习环境设计中的任务、情境与问题概念》，《电化教育研究》2006年第三期.
[4]黄振亮，《VRML在远程教育中的应用》，《计算机与数字工程》2007年第四期.
[5]姜锐，《利用VRML97创建虚拟现实世界的三维场景》，《计算机教育》2007年第十一期.
[6]邱威，《基于VRML的在线虚拟现实场景设计与实现》，《计算机应用与软件》2007年第四期.
[7]张子群，韩建国，《VRML在交互式远程教学中的应用》，《工程应用》2005年第四期.
作者简介：
汪航，男，讲师，博士，北京航空航天大学高等教育研究所讲师，研究方向：教学环境设计；刘良超，北京航空航天大学高等教育研究所硕士研究生。