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基于设计的研究是一种探究学习的方法论，旨在设计一些人工制品作为教学干预或教学革新并应用于实践，以潜在影响自然情境之中的学与教并对其作出阐释，从而促进教育实践和学习理论的同等发展。“数字化校园中的虚拟实验室建设与发展研究”项目正是在真实、自然的研究情境下，通过重复性的分析、设计、开发、实施、检验和反思来不断完善虚拟实验系统的教学功能，进而促进理论、技术与实践的和谐发展。
一、基于设计的研究范式在虚拟实验中的具体运用
基于设计的研究范式运用到大学物理虚拟实验系统的研究过程主要经历四个阶段：分析－实施－检验－反思。其中以研究者、实践者与技术开发者和产品使用者等共同分析和解决问题为突出特点，从而有效地凝聚了学科优势，保证了虚拟实验系统的可用性。本轮虚拟实验项目的研究流程如图1所示，首先在前期研究的基础上，细化了各个研究步骤的设计流程，重新进行了需求分析、研究起点问题的确定及项目总体计划的初步制定；实施阶段以理论与技术调研为基础。进行设计方案的修订，开发的虚拟实验模型和程序产品要经过严密的功能调试才能进入实践检验阶段；在虚拟实验产品的实际教学应用中，采用观察、测试、访谈、问卷和数据分析等方法综合检验评价产品的性能，如有需要须返回分析和实施阶段进行重新设计与开发；最后针对本轮研究的理论模型、设计原则和实践策略进行深入总结与反思，逐步夯实大学物理虚拟实验项目的研究基础。
二、以前期成果为基础，问题分析为起点
“数字化校园中的虚拟实验室建设与发展研究”项目源自于大学物理实验教学一线对虚拟实验的迫切需求，以期利用相关理论与技术来设计开发有效的教学干预产品，进而推动实际问题的解决，改善实验教学的效率和效果。本项目的前期研究立足于提升虚拟实验的实用价值，将基于设计的研究范式应用到大学物理虚拟实验设计研究的过程之中并取得了较好成效。随后又通过问卷、访谈等多种方式对大学物理虚拟实验系统进行了全面的实践检验和反思，首先确定以提升大学物理虚拟实验设计中情感交互水平作为新一轮研究问题的起点，并由教育技术的专业人员和学科领域专家等共同参与，对大学物理虚拟实验系统进行跨学科合作开发。
三、理论与技术解决方案的改进与实施
1 监控评价理论的指导
在虚拟实验教学中，监控评价系统主要存在的问题是评价主体和实现形式单一，这是影响虚拟实验系统情感交互水平的关键性因素。因此在大学物理虚拟实验的监控评价系统设计过程中引入“判断评价”理论，对实验过程与结果进行客观化的自动测评：学习者在自主操作实验过程中，系统自动记录和处理实验环境中的界面、行为、交流与评价等各种交互信息和数据，此时尽量保证客观化与科学性，便于学习者与教师对实验情况的把握。
2 解决方案的改进与实施
将大学物理虚拟实验交互环境的开发分为四个部分：一是大学物理虚拟实验室交互界面的设计，二是大学物理虚拟实验系统行为模块的开发，三是进一步构建多元参与的学习交流平台，四是采用多元评价的策略来设计虚拟实验的监控评价系统。实验室交互界面的设计，按钮、图标、帮助、导航等的设计方便合理，操作更具“人性化”特色；实验室的空间结构、模型设计、颜色搭配、背景音乐、提示语言等方面富有美感和亲切感。虚拟实验系统行为模块的开发以学习者自主操作的视角来设计实验的流程，便于学习者对实验仪器、原理、步骤等知识的掌握。实验交流平台的构建，采用实时与异步交流相结合的方式来提高学习者之间交流的效率和效果。监控评价系统的搭建，自动记录和测评实验数据，并分析出较为客观准确的过程性评价与总结性评价信息。
四、实践应用的评价与检验
1 大学物理虚拟实验系统评价分析
按照界面设计、行为设定、交流平台和监控评价系统四个评价因素，对142名学生第一阶段与第二阶段虚拟实验产品评价作了对比考察和分析。结果如图2所示。
根据以上调查数据的分析可知，对大学物理虚拟实验的二次设计使界面美化、行为设定、交流平台和监控评价等方面均有了较大幅度的提高，特别是对界面设计与监控评价系统的满意度较设计前提高21.1％和17.6％。但是通过随后对师生的访谈也了解到，大学物理虚拟实验系统中实验数据的记录、知识的测试、学习情况的反馈、学习过程及结果的评价等功能均借助于计算机数据库技术自动处理，由于这种方式客观公正又易于操作受到广大教师的好评；但对部分学生进行深入访谈后得知，学习者面对这种“机械化”的监控评价方式往往会产生冷漠情绪。缺乏情感的抚慰和交流。
2 从师生反馈评价中得到的启示
在大学物理虚拟实验的监控评价过程中引入第四代教育评价理论，为有效解决以上问题提供了创新思路，对实验操作数据的记录可借助计算机数据库等技术尽量保证其科学性与客观性，便于学习者与教师对实验过程和结果的了解；充分体现第四代教育评价理论的价值多元、全面参与和共同建构的特点，力图尊重每一个学习者的个性、人格、尊严和隐私等情感，避免机械化与一元化评价倾向，以一种“人性化的关怀”来组织评价信息，逐步做到将评价主体与评价方式从一元化向多元化发展，使学习者从中体验到学习的乐趣、信心以及情感的升华。在此情感化监控评价设计理念的指导下，采用人评和机评配合的方式来提升虚拟实验系统的情感交互水平，从而实现虚拟实验系统的情感化评价目标，促进学习者认知与情感智能的和谐发展。
五、深入反思理论模型、开发原则与应用策略
1 对于情感交互层次塔理论的应用反思
通过对大学物理虚拟实验前期的设计开发、实践评价等过程的反思，将设计思路进行了进一步的调整，即从大学物理虚拟实验界面设计的光美观入手，到对实验学习行为的科学设定，到师生间交流平台的搭建，再到情感化监控评价系统的完善来层层深入地设计情感交互实现模型，为提升情感交互本能层、行为层、会话层与反思层的整体水平提供可具体实施的应用策略，以进一步提高虚拟实验系统设计的效率和教学应用的效果(如图3所示)。
图3左半部分是“远程学习的情感交互层次塔模型一，分为本能层、行为层、会话层与反思层四个情感交互层次，对应的情绪目标依次表现为生理快乐、精神快乐、社交快乐和思想快乐。本研究在此模型的基础上。根据项目设计需求进一步构建了“网络虚拟实验情感交互层次塔应用模型”，右半部分的界面设计、行为设定、交流平台、监控评价四个层次是情感交互中的本能层、行为层、会话层与反思层的具体应用方式，亦是由低级向高级交互水平提升，其所达到的情感化效果首先是通过美观的界面设计激起学习者的感官兴趣，产生尝试操作的积极情绪；通过科学的实验行为设定，使学习者集中注意力、保持学习兴趣以顺利完成实验的各个步骤；在实验中产生的各种体验和问题通过实验交流平台来合作 共享；通过实验前、中、后对实验操作的监控，进行系统的过程性和结果性评价，以便学习者和教师进一步了解实验操作情况和学习效果。
2 网络虚拟实验情感交互设计原则
(1)界面设计做到科学性与艺术性的统一。虚拟实验界面设计也涉及外观和感觉，应有助于学习者对知识的理解、学习状况的了解以及学习效率的提升，达到科学性与艺术性的有机结合。(2)行为设计做到任务设定与已有技能的平衡。虚拟实验行为设定与游戏关卡设计有极大类似之处。即设定的目标是明确的，并从始至终要注重实效，特别注意在学习过程中利用任务的科学设定与适时提示来提升和保持学习者内驱力，以保证他们完成各级别的任务并从中体味到成功的愉悦，在不断提高自身技能与达到预期目标之间形成动态的平衡。(3)交流设计做到实时与异步的结合。虚拟实验交流平台的设计要保证参与者之间有充分的思想碰撞条件。因此须采取实时与异步结合的方式，使学生学习与教师指导达到良性互动，增进参与者之间交流的灵活性与有效性。(4)监控评价设计做到客观化与情感化的融合。虚拟实验监控评价的设计应尽力达到客观化与情感化的双重目标，给学习者带来愉快的学习体验和深远的思想引导，使其既能认识自身的优缺点、适时适度的发展认知潜力，又能把在学习中产生的积极情绪带到生活学习中，从而产生较为持久而深远的情感动力。
3 虚拟实验“场线整合”的教学应用策略
传统的“在场课堂实验教学”与远程的“在线虚拟实验教学”有其各自突出的优缺点，因此应尽力做到虚实结合、优势互补。在课前预习、课堂学习、课后练习几个教学环节中，根据其操作流程和适用范围的不同，可创生出各种形式的“场线整合”教学模式，供教师及学习者根据实际情况灵活运用。
如图4所示，虚拟实验“场线整合”的教学应用策略是以课前预习、课堂学习、课后练习三个教学功能模块和“在场”、“在线”两种操作方式的不同组合构建的8种“场线整合”教学模式，其中技能性、操作性强的实验教学一般采取第5种“线一场一场”的模式，即学生在线预习、教师课堂讲解、课后实际操练的模式，理论性较强的实验课多采用第6种“线一场一线”的模式或第8种“线一线一线”模式，在实际教学过程中亦应根据不同时段学生学习的实际情况对教学形式进行相应的调整。为了克服实验教学的随意性和无序性，提高教学效率，因此必须对“场线整合”教学模式从内容到形式进行全面设计，充分考查学习者现有的实验知识储备、信息素养，了解学习者“在场教学”和“在线教学”中不同的学习习惯、学习态度与学习效果等，从而合理选择整合模式，最大程度上提升实验教学的效率和效果。
六、总结
基于设计的研究范式重在以学习者为中心的技术设计理念，在大学物理虚拟实验教学交互设计的新一轮综合运用中。充分利用了前期研究成果，经过了问题的再次解析、对理论与技术开发方案的反复改进与实施、实践应用的评价与检验几个阶段，逐步总结出情感交互层次塔应用模式、网络虚拟实验情感交互设计原则与虚拟实验“场线整合”的教学应用策略，一定程度上提升了大学物理虚拟实验系统的情感交互水平，可以为促进相关理论、设计与实践的可持续发展提供有益参考。
一、基于设计的研究范式在虚拟实验中的具体运用
基于设计的研究范式运用到大学物理虚拟实验系统的研究过程主要经历四个阶段：分析－实施－检验－反思。其中以研究者、实践者与技术开发者和产品使用者等共同分析和解决问题为突出特点，从而有效地凝聚了学科优势，保证了虚拟实验系统的可用性。本轮虚拟实验项目的研究流程如图1所示，首先在前期研究的基础上，细化了各个研究步骤的设计流程，重新进行了需求分析、研究起点问题的确定及项目总体计划的初步制定；实施阶段以理论与技术调研为基础。进行设计方案的修订，开发的虚拟实验模型和程序产品要经过严密的功能调试才能进入实践检验阶段；在虚拟实验产品的实际教学应用中，采用观察、测试、访谈、问卷和数据分析等方法综合检验评价产品的性能，如有需要须返回分析和实施阶段进行重新设计与开发；最后针对本轮研究的理论模型、设计原则和实践策略进行深入总结与反思，逐步夯实大学物理虚拟实验项目的研究基础。
二、以前期成果为基础，问题分析为起点
“数字化校园中的虚拟实验室建设与发展研究”项目源自于大学物理实验教学一线对虚拟实验的迫切需求，以期利用相关理论与技术来设计开发有效的教学干预产品，进而推动实际问题的解决，改善实验教学的效率和效果。本项目的前期研究立足于提升虚拟实验的实用价值，将基于设计的研究范式应用到大学物理虚拟实验设计研究的过程之中并取得了较好成效。随后又通过问卷、访谈等多种方式对大学物理虚拟实验系统进行了全面的实践检验和反思，首先确定以提升大学物理虚拟实验设计中情感交互水平作为新一轮研究问题的起点，并由教育技术的专业人员和学科领域专家等共同参与，对大学物理虚拟实验系统进行跨学科合作开发。
三、理论与技术解决方案的改进与实施
1 监控评价理论的指导
在虚拟实验教学中，监控评价系统主要存在的问题是评价主体和实现形式单一，这是影响虚拟实验系统情感交互水平的关键性因素。因此在大学物理虚拟实验的监控评价系统设计过程中引入“判断评价”理论，对实验过程与结果进行客观化的自动测评：学习者在自主操作实验过程中，系统自动记录和处理实验环境中的界面、行为、交流与评价等各种交互信息和数据，此时尽量保证客观化与科学性，便于学习者与教师对实验情况的把握。
2 解决方案的改进与实施
将大学物理虚拟实验交互环境的开发分为四个部分：一是大学物理虚拟实验室交互界面的设计，二是大学物理虚拟实验系统行为模块的开发，三是进一步构建多元参与的学习交流平台，四是采用多元评价的策略来设计虚拟实验的监控评价系统。实验室交互界面的设计，按钮、图标、帮助、导航等的设计方便合理，操作更具“人性化”特色；实验室的空间结构、模型设计、颜色搭配、背景音乐、提示语言等方面富有美感和亲切感。虚拟实验系统行为模块的开发以学习者自主操作的视角来设计实验的流程，便于学习者对实验仪器、原理、步骤等知识的掌握。实验交流平台的构建，采用实时与异步交流相结合的方式来提高学习者之间交流的效率和效果。监控评价系统的搭建，自动记录和测评实验数据，并分析出较为客观准确的过程性评价与总结性评价信息。
四、实践应用的评价与检验
1 大学物理虚拟实验系统评价分析
按照界面设计、行为设定、交流平台和监控评价系统四个评价因素，对142名学生第一阶段与第二阶段虚拟实验产品评价作了对比考察和分析。结果如图2所示。
根据以上调查数据的分析可知，对大学物理虚拟实验的二次设计使界面美化、行为设定、交流平台和监控评价等方面均有了较大幅度的提高，特别是对界面设计与监控评价系统的满意度较设计前提高21.1％和17.6％。但是通过随后对师生的访谈也了解到，大学物理虚拟实验系统中实验数据的记录、知识的测试、学习情况的反馈、学习过程及结果的评价等功能均借助于计算机数据库技术自动处理，由于这种方式客观公正又易于操作受到广大教师的好评；但对部分学生进行深入访谈后得知，学习者面对这种“机械化”的监控评价方式往往会产生冷漠情绪。缺乏情感的抚慰和交流。
2 从师生反馈评价中得到的启示
在大学物理虚拟实验的监控评价过程中引入第四代教育评价理论，为有效解决以上问题提供了创新思路，对实验操作数据的记录可借助计算机数据库等技术尽量保证其科学性与客观性，便于学习者与教师对实验过程和结果的了解；充分体现第四代教育评价理论的价值多元、全面参与和共同建构的特点，力图尊重每一个学习者的个性、人格、尊严和隐私等情感，避免机械化与一元化评价倾向，以一种“人性化的关怀”来组织评价信息，逐步做到将评价主体与评价方式从一元化向多元化发展，使学习者从中体验到学习的乐趣、信心以及情感的升华。在此情感化监控评价设计理念的指导下，采用人评和机评配合的方式来提升虚拟实验系统的情感交互水平，从而实现虚拟实验系统的情感化评价目标，促进学习者认知与情感智能的和谐发展。
五、深入反思理论模型、开发原则与应用策略
1 对于情感交互层次塔理论的应用反思
通过对大学物理虚拟实验前期的设计开发、实践评价等过程的反思，将设计思路进行了进一步的调整，即从大学物理虚拟实验界面设计的光美观入手，到对实验学习行为的科学设定，到师生间交流平台的搭建，再到情感化监控评价系统的完善来层层深入地设计情感交互实现模型，为提升情感交互本能层、行为层、会话层与反思层的整体水平提供可具体实施的应用策略，以进一步提高虚拟实验系统设计的效率和教学应用的效果(如图3所示)。
图3左半部分是“远程学习的情感交互层次塔模型一，分为本能层、行为层、会话层与反思层四个情感交互层次，对应的情绪目标依次表现为生理快乐、精神快乐、社交快乐和思想快乐。本研究在此模型的基础上。根据项目设计需求进一步构建了“网络虚拟实验情感交互层次塔应用模型”，右半部分的界面设计、行为设定、交流平台、监控评价四个层次是情感交互中的本能层、行为层、会话层与反思层的具体应用方式，亦是由低级向高级交互水平提升，其所达到的情感化效果首先是通过美观的界面设计激起学习者的感官兴趣，产生尝试操作的积极情绪；通过科学的实验行为设定，使学习者集中注意力、保持学习兴趣以顺利完成实验的各个步骤；在实验中产生的各种体验和问题通过实验交流平台来合作 共享；通过实验前、中、后对实验操作的监控，进行系统的过程性和结果性评价，以便学习者和教师进一步了解实验操作情况和学习效果。
2 网络虚拟实验情感交互设计原则
(1)界面设计做到科学性与艺术性的统一。虚拟实验界面设计也涉及外观和感觉，应有助于学习者对知识的理解、学习状况的了解以及学习效率的提升，达到科学性与艺术性的有机结合。(2)行为设计做到任务设定与已有技能的平衡。虚拟实验行为设定与游戏关卡设计有极大类似之处。即设定的目标是明确的，并从始至终要注重实效，特别注意在学习过程中利用任务的科学设定与适时提示来提升和保持学习者内驱力，以保证他们完成各级别的任务并从中体味到成功的愉悦，在不断提高自身技能与达到预期目标之间形成动态的平衡。(3)交流设计做到实时与异步的结合。虚拟实验交流平台的设计要保证参与者之间有充分的思想碰撞条件。因此须采取实时与异步结合的方式，使学生学习与教师指导达到良性互动，增进参与者之间交流的灵活性与有效性。(4)监控评价设计做到客观化与情感化的融合。虚拟实验监控评价的设计应尽力达到客观化与情感化的双重目标，给学习者带来愉快的学习体验和深远的思想引导，使其既能认识自身的优缺点、适时适度的发展认知潜力，又能把在学习中产生的积极情绪带到生活学习中，从而产生较为持久而深远的情感动力。
3 虚拟实验“场线整合”的教学应用策略
传统的“在场课堂实验教学”与远程的“在线虚拟实验教学”有其各自突出的优缺点，因此应尽力做到虚实结合、优势互补。在课前预习、课堂学习、课后练习几个教学环节中，根据其操作流程和适用范围的不同，可创生出各种形式的“场线整合”教学模式，供教师及学习者根据实际情况灵活运用。
如图4所示，虚拟实验“场线整合”的教学应用策略是以课前预习、课堂学习、课后练习三个教学功能模块和“在场”、“在线”两种操作方式的不同组合构建的8种“场线整合”教学模式，其中技能性、操作性强的实验教学一般采取第5种“线一场一场”的模式，即学生在线预习、教师课堂讲解、课后实际操练的模式，理论性较强的实验课多采用第6种“线一场一线”的模式或第8种“线一线一线”模式，在实际教学过程中亦应根据不同时段学生学习的实际情况对教学形式进行相应的调整。为了克服实验教学的随意性和无序性，提高教学效率，因此必须对“场线整合”教学模式从内容到形式进行全面设计，充分考查学习者现有的实验知识储备、信息素养，了解学习者“在场教学”和“在线教学”中不同的学习习惯、学习态度与学习效果等，从而合理选择整合模式，最大程度上提升实验教学的效率和效果。
六、总结
基于设计的研究范式重在以学习者为中心的技术设计理念，在大学物理虚拟实验教学交互设计的新一轮综合运用中。充分利用了前期研究成果，经过了问题的再次解析、对理论与技术开发方案的反复改进与实施、实践应用的评价与检验几个阶段，逐步总结出情感交互层次塔应用模式、网络虚拟实验情感交互设计原则与虚拟实验“场线整合”的教学应用策略，一定程度上提升了大学物理虚拟实验系统的情感交互水平，可以为促进相关理论、设计与实践的可持续发展提供有益参考。