（教育技术学专业论文）基于协作的虚拟实验研究及其实现.pdf

摘要 计算机网络技术、通讯技术、多媒体技术的不断成熟与进步，促 进了现代远程教育的快速发展。然而由于远程教育的时空分离性，远 程实验一直是困扰远程教育发展的一个难题。随着远程教育实践的不 断深入，如何在网络条件下建立一个虚拟实验教学环境为远程学习者 提供可交互的实验成为远程教育者关注的焦点。另外，随着互联网的 发展，计算机支持的协同工作是网络技术发展中的一个重要方向，也 是今后教育、科学研究、产品设计等应用领域的发展趋势。本文主要 从理论上介绍了如何将协作学习等相关理论和c s c w 理念与虚拟实 验相结合，实现网络上的多人协作实验。 本文首先介绍了虚拟实验的概念和特点，虚拟实验教学的特点， 优势和存在的不足。详细介绍了协作虚拟实验的理论基础，以及协作 学习理论在现代远程教育中应用的必要性和可行性。在此基础上，阐 述了协作学习理论在虚拟实验中的实现策略；其次，阐述了协作虚拟 实验系统框架的设计原则、体系结构、设计目标、功能目标和工作流 程，分析了构建协作实验系统的相关理念、技术。再次，构建了一个 协作虚拟实验的原型系统来演示虚拟实验的协作机制。最后，对本论 文研究进行了总结，并对协作虚拟实验的发展前景做了阐述。 关键字协作，虚拟实验，计算机支持的协同工作 a bs t r a c t t h eu n c e a s i n gi m p r o v e m e n to ft h ec o m p u t e rn e t w o r kt e c h n o l o g y ， t h em e c h a n i c so fc o m m u n i c a t i o na n dt h em u l t i m e d i at e c h n o l o g yp r o m o t e t h em o d e md i s t a n c el e a r n i n gf a s td e v e l o p m e n t ，b u tb e c a u s eo fs e p a r a t i o n o fd i s t a n c ee d u c a t i o n ss p a c ea n dt i m e ，t h el o n g d i s t a n c ee x p e r i m e n ti sa d i f f i c u l tp r o b l e mi nd i s t a n c ee d u c a t i o n sd e v e l o p m e n tp r o c e s s d u r i n gt h e c o u r s eo fp r a c t i c i n gd e e p l yi nd i s t a n c ee d u c a t i o n ，r e s e a r c h e r sa r ep a y i n g m o r ea t t e n t i o no nh o wt oe s t a b l i s hav i r t u a le x p e r i m e n te n v i r o n m e n tf o r l o n g d i s t a n c el e a r n e r st op r o v i d e i n t e r a c t i v ee x p e r i m e n t s m o r e o v e r , a l o n gw i t hu n i v e r s i t y se x p e r i m e n t e d u c a t i o n a l r e f o r m ，u n i v e r s i t y s e x p e r i m e n tt e a c h i n gm u s tc h a n g et r a d i t i o n a le d u c a t i o n a lm o d e la n d t e a c h i n gi d e a ，s e e k st e a c h i n gm e t h o dc l o s et ot h ee x p e r i m e n tt e a c h i n g g o a l a l o n g w i t hi n t e m e t s d e v e l o p m e n t ，c o m p u t e rs u p p o r t e d c o o p e r a t i v ew o r l ( ( c s c w ) i sn o to n l y a ni m p o r t a n td i r e c t i o no f n e t w o r k i n g d e v e l o p m e n t ，b u ta l s o ad e v e l o p m e n tt r e n d si ns u c ha s e d u c a t i o n ，s c i e n t i f i cr e s e a r c ha n dp r o d u c td e s i g nd o m a i n t h ep a p e r i n t r o d u c e sm a i n l yh o wt oc o m b i n ec o o p e r a t i v el e a r n i n gt h e o r y ，c s c w i d e ab a s e do nn e t w o r ka n dv i r t u a l e x p e r i m e n t ，4 f o ra c c o m p l i s h i n g m u l t i u s e r c o o p e r a t i v ee x p e r i m e n ts y s t e mw h i c hb a s e d o ni n t e m e t t 1 1 i sa r t i c l ef k s ti n t r o d u c e sv i r t u a le x p e r i m e n t sc o n c e p ta n dt h e c h a r a c t e r i s t i c ，v i r t u a le x p e r i m e n tt e a c h i n gc h a r a c t e r i s t i c ，s u p e r i o r i t ya n d i n s u f f i c i e n c y ，t h e ni n t r o d u c e sc o o p e r a t i o nv i r t u a le x p e r i m e n t sr a t i o n a l e i nd e t a i l ，a sw e l la sc o o p e r a t i o nt h e o r yo fl e a r n i n gi nm o d e md i s t a n c e l e a r n i n ga n dg e n e r a le d u c m i o na p p l i c a t i o nn e c e s s i t ya n df e a s i b i l i t y w i t i l t h a t ，e l a b o r a t e st h ec o o p e r a t i o nt h e o r yo fl e a r n i n gr e a l i z e ds t r a t e g yi nt h e v i r t u a le x p e r i m e n t s e c o n d l y ，t h ea r t i c l ee l a b o r a t e st h ec o o p e r a t i o nv i r t u a l e x p e r i m e n ts y s t e mf r a m e sp r i n c i p l e o fd e s i g n ，t h ea r c h i t e c t u r e ，t h e d e s i g ng o a l ，t h ef u n c f i o n a lm o d u l ea n dt h ew o r kf l o w , t h e ne l a b o r a t e st h e r e l a t e di d e aa n dt e c h n o l o g i e so fc o o p e r a t i o ne x p e r i m e n ts y s t e m i n a d d i t i o n ，t h e a r t i c l ec o n s t r u c t e dac o o p e r m i v ev i r t u a l e x p e r i m e n t s p r o t o t y p es y s t e m t od e m o n s t r a t ev i r t u a l e x p e r i m e n t sc o o p e r a t i v e m e c h a n i s m f i n a l l y ，b o t hs u m m a r yo fo u rr e s e a r c h a n da n a l y s i so f i l p r o s p e c t so fc o o p e r a t i o nv i r t u a le x p e r i m e n ti nt h et h e s i sa leg i v e n k e yw o r d sc o o p e r a t i o n ，v i r t u a l e x p e r i m e n t ，c o m p u t e rs u p p o r t e d c o o p e r a t i v ew o r k i i i 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共 同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：刻：芝亟 日期：塑旦星年丛月丛日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允 许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名： 硕士学位论文第一章绪论 1 1 概述 第一章绪论 随着社会的不断发展和进步，人们的生活和劳动方式越来越倾向于具有群体 性、交互性、分布性和协作性等特点，例如一个项目、工程或任务越来越需要集 合多人的力量合作才能完成，但由于时间和空间的限制及开发、管理成本的原因， 这个团队可能分散在各地，不可能面对面地一起工作，因而产生异地协作的需要。 另外，计算机技术的发展把人类社会带入了信息化时代，随着信息化进程的深入， 通信技术与计算机及其网络技术相融合，产生了一个新的研究领域计算机支 持的协同工作c s c w ( c o m p u t e rs u p p o r t e dc o o p e r a t i v ew o r k ) u j ，c s c w 强调对组 工作( t e a mw o r k ) 的技术支持。它的提出和社会的发展密切相关，可以说c s c w 是在现代社会中，以人们协同工作方式为背景，以计算机和通信技术的发展融合 为基础，具有广泛应用领域为前提条件而形成的。它涉及到众多的学科领域，如 计算机、管理学、通信、分布系统、人工智能、社会学、心理学和组织理论等【2 j 。 网上虚拟实验是网络虚拟技术的一种应用，它借助于图形图像、仿真和虚 拟现实等一切可用的技术，在计算机网络中虚拟一个与现实实验室功能相似的实 验环境，以满足广大网络学习者的实验要求。 而基于协作的虚拟实验系统是计算机协同工作理论与网络虚拟实验系统两 者相结合的产物，同时也参考了协作学习的相关理论。c s c w 的研究目标是利用 计算机克服人们工作和学习的时间与空间的障碍，它的研究包括两方面内容：一 是协同工作的本质，这涉及到群体中人们的工作习惯，是人的因素；二是支持协 同工作的信息技术，是技术的因素。从第二个方面，即技术角度来说，c s c w 是 在分布计算机环境中，支持群体成员在各种条件下，包括空间上分布、时间上异 步的条件下，以协作的方式完成任务的信息技术与系统。 在如今的远程网络教育中，参与学习的成员分布在全国各地，彼此通过互联 网络在一起学习，虽然相互之间也能够交流，但是交流的环境比之传统的学校教 育还相差甚远。特别是网络教育中的实验课程，目前多采用的单机版的虚拟实验 软件来辅助教学，学员独自进行实验，在实验过程中很少会有交流。但是通过多 人网络协同实验系统，分布在各地的学员就能够共同完成一项实验，并在实验的 过程中使用多种交流手段互相探讨、协同的对虚拟实验中的各种虚拟仪器进行操 作，使得网上学员能够互相交流和学习，克服网络异地教育带来的学生之间的陌 生感和学习气氛的贫乏等问题。 硕士学位论文第一章绪论 1 2 计算机协同工作和协同虚拟实验发展及现状 c s c w 概念是在1 9 8 4 年由i r e n eg r e i f 和p a u lc a s h m a n 两位研究人员，在描 述如何用计算机技术来支持交叉科学的人们共同工作的课题时提出来的【3 1 ，在国 际上，c s c w 经过二十余年的发展，已经具有相当的规模和影响力。诸多国际知 名高校、企业、研究机构，都加入到c s c w 的研究中来，并且大量研究成果已 经得到了实际应用，例如微软的o f j f i c cs y s t e m ，i b m 公司的l o t u s n o t e s 和g o o g l e d o c u m e n m 、g t a l k 以及m ym a p s 等都是得到广泛使用的协同软件。欧洲的 e c s c w 等国际会议已经成为i t 领域中颇有影响力的国际会议，并且为全世界 从事c s c w 研究的人们提供了交流和展示的平台。 在国内，许多高校及科研机构都开展了计算机协同工作技术和工作流的研 究，开发的相关产品有些已经进入了实用阶段；大量的来自各个领域的学者及相 关研究人员正积极的参与到c s c w 的研究中来。但是，将c s c w 的各项研究广 泛应用到各行各业中还有很长一段路要走。 计算机协同工作技术可以应用到远程教育网络学习环境下的协同学习中，可 以使学生、教师和专家等从网上获得丰富的资源；同时，远程教育和协作学习为 人们工作和学习提供了一种基本又非常重要的方式和环境。协同实验系统就是 c s c w 在网络教育中的一个应用。 网上协同实验室的概念的提出可以追溯至u 1 9 8 9 年，当时网上协同实验室的想 法第一次在国家自然科学基金委员会上被正式讨论。这个术语本身，正如被计算 机科学家w i l l i a mw u l f 所定义的一样，是一个“缺少中心的四壁 【4 l 。在其核心 部分，这个术语描述了科学家和其同事，以及不考虑地理位置的大量信息和计算 资源之间的一种交互方式。 网上协同实验室几乎在它们被引进之后就立刻蓬勃发展了起来，将曾经的概 念转化成了实体。位于美国密歇根的高空大气研究协同实验室让科学家分享使用 雷达和其他仪器的权力来研究太空天气和相关的太空天气现象。华盛顿的里奇兰 德是环境和分子科学的网上协同实验室的家乡，在这里，来自不同学科和地域的 科学家可以共同致力于环境问题的工作，分享分析仪器、专业技术和强大的超型 计算机。在认识到了它的成功之后，美国能源部已经开始资助两个新的网上协同 实验室，一个探索柴油机引擎的新型设计以最小化污染，另一个则探寻防腐蚀材 料的创新途径。英国诺丁汉大学的混合现实实验室( m r l ) 致力于远程学习、知 识管理、控制和协同系统等应用领域中混合现实系统的开发和研究，并且成功开 发一个虚拟校园系统。目前其研究主要包括通信研究、图像解释和处理，虚拟现 2 硕士学位论文第一章绪论 实应用研究等方向。西佛里达大学和i b m 公司联合开发的q u o r u mp r o j e c t t 5 】和 s n o o k e r p u s sa d v e n t u r e i 6 】提供协作式环境，支持学生和教师在共同的虚拟环境中 共享观点，进行彼此之间的交流及协作，达到建构知识的目的。加拿大渥太华大 学多媒体通信研究实验室( m c r l a b ) 成立于1 9 8 4 年，1 9 9 5 年，成为远程学习研 究网络的成员，一直致力于分布式和协同虚拟环境在工业培训和电子商务上应用 的研究，并在1 9 9 8 年成立了d i s c o v e r 实验室。目前的主要研究方向集中在基于 w e b 的协同虚拟环境、w e b j 艮务、多媒体通信、远程协同环境等【丌。 1 3 课题研究背景 当今世界信息化程度与日俱增，信息资源共享也越来越重要。有效的信息共 享机制可以消除信息孤岛，提高信息化效率，减少不必要的重复投资和建设。而 协同工作与信息共享是密切相连的，在协调不同小组及个人的工作时，信息资源 在一定程度上的共享是协同工作的前提，要实现不同对象之间的协同工作，首先 就必须在对象之间共享相关资源；其次，为了做到信息资源的有序共享及科学管 理，共享者之间的协同也是必须的。 同时，c s c w 还通过建立协同工作的环境，改善人们进行信息交流的方式消 除或减少人们在时间和空间上相互分隔的障碍，节省工作人员的时间和精力，提 高群体工作质量和效率【8 】，从而提高企业、机关、团体、乃至整个社会的整体效 益和人类的生活质量。 现代远程教育是实现“终身学习的一种行之有效的手段，也正是c s c w 的理念和技术在教育领域中的应用。基于网络的c s c w 系统是远程教育支持系 统的一个重要发展方向。远程实验课程作为网络教育的重要组成部分，同样需要 c s c w 技术的支持。采用协作虚拟实验系统能够更好的加强学员之间的交流、加 深对实验课程的理解，更好的促进网络教育的发展。网络协作教育是未来网络教 育发展的必然趋势。同时在传统学校教育中，也可以在传统实验的基础上把网络 协作实验作为一种行之有效的辅助手段，使得学生对实验更加了解，并能够节省 实验费用开支、解决扩招带来的实验资源紧缺等问题。 因此，计算机协同工作技术将带来人们协作方式的变革，提高人们协同工作 的整体效率。计算机协同工作应用系统的发展和推广会改善人们交流信息进行协 作的方式，而计算机技术的发展也必然走向计算机协同工作的方向。 鉴于c s c w 的优点，本课题以协作教学理论、网络教学理论和c s c w 理念 为出发点，尝试如何为远程教育提供有效的网上实验教学进行理论与实践研究。 3 硕士学位论文第一章绪论 1 4 研究意义和目标 与同伴协作是实验过程中一个至关重要的环节，因为科学实验是协作性的活 动【9 1 ，实验教学的目的是让学生在掌握有关知识和技能的同时，锻炼培养创新意 识和能力。实验本身是一项集趣味、知识和探索于一身的科学活动，如何在实验 中激发学生的学习兴趣和探索精神，而又能避免传统实验教学中的不可预知的危 险呢? 由于协作虚拟实验支持多用户共享虚拟环境，支持用户对虚拟场景中的对 象进行实时操作，用户之间可以进行自由交互，能够尽可能的模拟真实实验的操 作过程，又能够避免由于误操作而造成的危险，因而协作虚拟实验可以很好地符 合实验的要求，从而达到探索知识的目的，在科研、远程教育中有良好应用前景。 虚拟实验教学是远程教学一个重要组成部分。如何共同完成虚拟实验，对于 实践性较强的学科而言，实践是获取知识、提高技能的必需环节，因此从协作学 习理论角度研究虚拟实验教学的原理、特性、方法策略及其应用，对弥补普通实 验的不足，优化网络实验教学过程，完善网络教育教学理论，充分发挥现代远程 教育的优势，都有重大的现实意义。 1 5 本文的架构及所做的工作 本论文的主体部分包括：协作学习理论在现代远程教育虚拟实验教学中的应 用、基于协作的虚拟实验教学系统设计、协作虚拟实验原型系统的实现。 ( 1 ) 协作学习理论在现代远程教育虚拟实验教学中的应用研究：阐述了虚拟 实验的概念、虚拟实验教学的特点及实现策略，论述了现代远程教育与虚拟实验 教学的关系，并对协作实验的理论基础和协作学习理论在虚拟实验中的实现策略 作了阐述。协作学习理论在现代远程教育虚拟实验教学中的应用研究为协作虚拟 实验系统的构建奠定了理论基础。 ( 萄基于协作的虚拟实验教学系统设计：以现代教育技术为支撑，提出网络 协作虚拟实验的系统设计方案，分析系统设计原则，系统框架结构，功能模块与 系统实现的关键技术。 ( 3 ) 协作虚拟实验原型系统的实现：借助学习理论与f l a s h 技术以及j a v a 技 术，通过一个原型系统来模拟协作虚拟实验的整个过程。 本论文的三个主要部分的内容联系紧密，围绕主题步步展开。协作学习理论 在现代远程教育虚拟实验教学中的应用研究是全文的理论基石；基于协作的虚拟 实验教学系统设计是系统设计和开发的依据；协作虚拟实验原型系统的实现是既 是协作虚拟实验系统模型的具体化，也是本研究的理论实现。 4 硕士学位论文第一章绪论 本论文的架构如图1 - 1 所示： 研究的目的及意义 协作学习理论在远 程教育虚拟实验教 学中的应用研究 基于协作的虚拟实 验教学系统设计 协作虚拟实验原型 系统的实现 协作虚拟实验的研究背景 研究的目的及研究意义 虚拟实验与虚拟实验教学 现代远程教育与虚拟实验教学 协作学习理论与虚拟实验教学 协作虚拟实验系统框架设计 构建实验系统相关理念、技术 协作实验原型系统的设计 协作实验原型系统的实现 图1 - 1 文章的组织结构 5 基于协作的虚拟实验研究及其实现 硕士学位论文 第二章协作学习理论在现代远程教育虚拟实验教学中的应用 第二章协作学习理论在现代远程教育虚拟实验教学中 的应用 2 1 虚拟实验与虚拟实验教学 2 1 1 虚拟实验的概念和特点 一、虚拟实验的概念 按照我们一般意义上的理解，虚拟实验是相对于真实实验而存在的，两者的 主要差别在于实验过程中所触及的对象与事物是否真实f l o l 。在真实实验中所采用 的实验工具、实验对象都是以实物形态出现的，比如天文观察中的望远镜和遥远 的天体，化学实验中的各种分析仪器和化学药品等；而在虚拟实验中，没有以实 物形态存在的实验工具与实验对象，实验过程主要是对虚拟物的操作。但在实际 应用中，关于虚拟实验是什么，人们往往结合自身的特点给予不同的定义和表述。 ( 1 ) 从实际应用的角度来看，虚拟实验是为研究和创新活动提供远程协作和 实验的一个电子平刽】。这主要从实验在远程教学中的应用角度描述，虚拟实验 作为远程教学的组成部分，为远程学习者提供实验教学，成为学习者新的学习方 式，同时改变教师的教学方法。 ( 2 ) 从技术角度上来看，虚拟实验是指在计算机系统中采用虚拟现实技术实 现的各种虚拟实验环境，实验者可以像在真实的实验环境中一样完成各种预定的 实验项目1 1 2 1 ，可以取得在真实实验条件下一样的学习或训练效果。 ( 3 ) 从功能角度来看，虚拟实验是在一个创造和引导模拟实验的交互环境中， 利用实验所依赖的模拟程序、实验单元、工具和参考资料来完成实验【1 3 1 。 ( 4 ) 从教学模式层面来看【h 】。虚拟实验是借助计算机模拟和仿真以及多种多 样的教学技术来代替面对面的实验活动。 ( 5 ) 从学习目标上定义。虚拟实验是利用开放的互联网开展各种网上实验， 以调动学生学习兴趣、提高学习效率、培养创新能力为目标的活动【1 5 】。 二、虚拟实验的特点 ( 1 ) 虚拟性 虚拟实验与实际实验的一个显著而本质的不同就在于其虚拟性。正是由于虚 拟性，才使虚拟实验具备了传统实验所不具备的特殊优势，在很大程度上减少实 验设备与空间，节约资金，改善实验条件【1 6 】。首先，虚拟实验中的设备、仪器和 对象都不是实物，都是虚拟的，是对实物的模拟，拓展了实验对象的范围，以便 6 硕士学位论文第二章协作学习理论在现代远程教育虚拟实验教学中的应用 获得在自然状态下难以获得的客体信息。其次，建立在计算与逻辑推理基础上的， 因而一些具有破坏性、损伤性的实验能在虚拟实验系统中得以进行。 ( 2 ) 实践性 虚拟实验虽然不能像传统实验那样直接地提供新的未知的事实，但在人们获 取对事物的一些新的认识、完善已有的知识结构，或者在实践中消除不确定因素、 提高实践能力方面具有重要的作用，因而具有明显的实践特征。首先，虚拟实验 是与客观世界相联系的，虚拟实验中的实验仪器、设备和实验对象都有着各自的 结构原型，实验程序和操作规则也是在实际经验和理论指导下的产物，因而虚拟 实验具有与实际实验活动系统相同的组成要素、结构和运作程序。其次，人们借 助虚拟实验，虽然不能像真实环境中那样获得直接经验，但却能提高其相关领域 的认识，以便在今后的实践活动中懂得应当如何行动。 ( 3 ) 灵活性 虚拟实验在设计时采用的是“面向对象 的概念，其优点主要是：功能软件 的模块化提高了资源的可重复利用率，具有良好的可扩充性，仪器可以由用户自 己定义，使得组件系统变得更加灵活、简单。与此同时，在虚拟实验的过程中， 学生能方便地改变事物的条件以观察所发生的变化，有利于学生获得丰富的感性 认识，便于学生根据自己的假设分析试验数据。在虚拟实验环节中并不一定需要 一种理论或假设作指导，但却可能会为某一理论提出某些观点或意见，因为虚拟 实验的灵活性使得学生能从实验过程中学习，不仅知道实验的结果，而且能体验 知识的发现过程，激发学生进一步提出问题与寻求解决问题的兴趔1 7 l 。 ( 4 ) 多样性 虚拟实验环境应创建一个开放的实验空间，以突出实验者的主体地位，有助 于其主动性和能动性的发挥。首先，实验环节的多目标、多层次性。在虚拟实验 环境中，教师的辅导作用主要通过软件自身实现，考虑到实验者客观存在的水平 差异性，因此所提供的实验应该满足各个层次的实验者的要求。只有当虚拟实验 环境能针对具体的实验者提出有针对性的实验要求，并能满足不同层次实验者的 需要时，虚拟实验的生命力才能得以充分地体现，才更具有吸引力。实验环节的 多目标、多层次性有助于学生把科学的理性与逻辑、自我想象力与创造性相结合 起来，有效地发挥自身的能动性，借助于实验更好地理解知识，为探索未知领域 做准备。其次，评价方式的多样性。在虚拟实验中，应根据学生的应用目的，并 结合学生的自主性、能动性和创造性进行评价。因而，评价的侧重点不仅仅是实 验数据的处理和实验结果，更重要的是学生是否发展了相关领域的概念、解决问 题的基本技能以及从虚拟向真实情境迁移的能力等。评价可以采取实验系统评 定、学生自评、老师评定、小组评定等多种方式相结合，从而使学生感到既有动 7 硕士学位论文第二章协作学 - - jt 里论在现代远程教育虚拟实验教学中的应用 力、也有压力，真正从思想上重视实验。 虚拟实验的虚拟性、实验性、灵活性、多样性等特征，使得虚拟实验( 与真 实实验相比) 具有以下特殊作用：它拓展了实验的对象范围，使实验者能够获得 在真实实验条件下难以获得甚至根本无法得到的关于客观对象的信息。主要在以 下两个方面拓展了实验的范围：第一，它能够对现实存在的，但由于主、客观条 件的限制难以或无法进行直接实验的对象进行实验研究。从客观方面看，有些自 然现象，如地震、台风、大气环流等，在现实条件下人们是无法加以控制的，借 助虚拟实验，这些实验现象就进入了实验的范围。另外有些事物现象本来是可以 通过真实实验认识的，但由于主观方面的原因( 如危及人体生命安全的核反应堆 爆炸实验) 不能进行真实实验，必须求助于虚拟实验。第二，虚拟实验能够认识 历史上曾经出现过，但由于时过境迁已不复存在的事物对象。前者如生命起源、 地球的形成等；后者如长江三峡水电等，虚拟实验在这方面显示了巨大的优越性。 第三，虚拟实验可以彻底打破空间的限制，缩短实验周期，更利于科学研究的进 行。例如，生物中的孟德尔遗传定律，用果蝇做实验往往要几个月的时间，而通 过虚拟实验就可以在一堂课内实现。 2 1 2 虚拟实验教学的特点 虚拟实验教学是在现代教育思想的指导下，以实验为教学内容、培养学生实 践能力为目标的网络教学组织形式。我国现阶段使用虚拟实验教学的特点： ( 1 ) 虚拟实验教学与传统实验教学相结合共同构成了较完整的实验教学体 系，在一定程度上满足了实验教学的需要和发展。 ( 2 ) 虚拟实验的应用，提高了教学效率和教师的教学科研能力，促进了教师 业务知识的更新，使实验教学手段和教学内容丰富多样。 ( 3 ) 在虚拟实验中学生自主思考、主动参与的程度较高，有利于学生能动性 的发挥。 ( 4 ) 虚拟实验的应用，激发了学生的实验兴趣、拓宽了实验方法和设计思路， 提高了知识应用能力，为创造性能力的形成奠定了一定的基础。 2 1 3 虚拟实验教学中存在的不足和改进建议 虽然虚拟实验教学具有很多优点，但仍存在以下几个方面的不足： ( 1 ) 实验方式上，现阶段仍侧重于验证性和演示性实验，用作设计性实验的 很少。 ( 2 ) 虚拟实验中，学生的注意范围不够广，不能很好地理论联系实际，限制 了迁移的有效发生。 ( 3 ) 在虚拟实验过程中，学生的实验目的并不十分明确，常在一个实验中改 变太多的变量，结果无法确定哪个因素起作用，加之对实验现象的观察不到位， 8 硕士学位论文 第二章协作学习理论在现代远程教育虚拟实验教学中的应用 从而无法检验自己关于变量关系的理解。 ( 4 ) 虚拟实验自身的局限性( 如稳定性、真实性等) 限制了实验活动空间， 这在一定程度上破坏了人类经验的完整性，不利于培养学生严谨求实的科学态 度、一丝不苟的科研作风、与人合作的整体意识等。 ( 5 ) 实验教学中使用的虚拟实验大多是企业开发的，不能很好地体现出实验 教学的设计思想。 针对虚拟实验教学中存在的不足，提出以下改进建议： ( 1 ) 使用虚拟实验辅助实验教学，打破了传统实验教学的束缚，有利于学生 能动性的发挥。对于存在的问题，要结合实际教学过程中的特点，探索新的实验 教学模式，注重学生自我监控能力的培养，并提出相应的学习支持。 ( 2 ) 虚拟实验虽然不能像真实实验那样直接地提供新的未知的事实和真实的 经验，但其虚拟性、实践性、灵活性等特点，使之具备真实实验所不具备的某些 特殊优势，如在很大程度上减少实验设备与空间，节约资金，改善实验条件：在 人们获取对事物的一些新的认识、完善已有的知识结构，或者在实验中能消除不 确定因素、提高实践能力等。 ( 3 ) 在虚拟实验的实验环节中，学习者的原理掌握、情景识别和系统思考能 力制约着实验活动和迁移水平，因此，需要从学生的理解与概括水平、迁移范围、 自我效能感和实验意识等方面培养学生的迁移能力。 一 ( 4 ) 在虚拟环境中，实验成功与否既离不开系统所提供的实验环境，又与学 生的认知活动密切相关，因此，在完善虚拟实验系统的同时，要加强学生的自我 管理能力，注重其迁移能力的培养。 2 2 现代远程教育与虚拟实验教学 2 2 1 现代远程教育实验教学的状况 随着计算机技术、网络技术的发展，现代远程教育的开展也日益广泛。现代 远程教育是学校借助现代信息通讯技术和各种教育资源来实现超越传统时空限 制的教育活动，是构建终身教育与学习型社会的主要手段【1 8 1 。远程教育依托 i n t e r a c t 为平台，以灵活、方便的方式解决了教与学上时间与空间的矛盾，受到 越来越多学生的欢迎，为了满足教育发展和人们素质修养提高的要求，我国很多 高校都已经开展了远程教育，为许多由于各种条件不能在普通学校上课的学生提 供了一个继续教育的平台，极大地促进了教育的发展。 在远程教育中，如何通过信息技术变革教学手段，拓展教育空间、突破集中 学习的制约，开发优秀的教育资源，为学习者提供自主的远程学习，是远程教育 9 硕士学位论文 第二章协作学习理论在现代远程教育虚拟实验教学中的应用 的核心。其中，怎样为远程学习者提供实验教学一直是远程教学中最棘手的问题。 现代远程教育因其在我国“量大面广”的特殊性，学校不可能仿照国外一些 远程教育机构，将实验装置小型化，做成车载式或手提式送实验上门。目前大多 数学校避免开设实践要求强的工科专业，其中开设有工科专业的院校网站上，带 有实验功能的远程教学平台极少。为解决远程实验教学的问题，有些学校采用集 中实验的方法，但这种实验教学过程与理论教学长时间的脱节，教学效果不佳； 有些学院就在教学课件辅以视频演示与动画演示来模拟实验，但这仅适用于少数 简单的实验，而且没有交互性。 对于试点高校而言，这个问题更为突出。首先，由于师生处在时空分离的状 态，学生因工学矛盾难以甚至不可能来学校进行授课实验。其次，由于试点高校 连续几年的扩招，产生学生人数增加与学校实验设备捉襟见肘的矛盾，连在校学 生的实验时间与次数都在不同程度的缩减，可想而知，要为远程学生提供实验机 会的确是难上加难。最后，校外学习中心也因投入不足、设施紧张、师资紧缺而 没有条件提供实验教学，从而影响实践教学的顺利完成。 因此，现代远程教育的发展不仅对远程教学手段改革而且对远程教育资源建 设提出了更高的要求，即：利用现代教育思想与计算机技术，拓展虚拟实验教学， 为教师与学生提供多样的教授和学习方式，丰富远程教学资源，满足学习者的需 求，完善远程教育的功能。 2 2 2 开展虚拟实验教学的必要性 作为远程教学过程的重要环节，虚拟实验教学能培养学生的科学作风和创新 精神，调动学生的主观能动性，使学生掌握基础理论知识，促进学生的认知发展。 虚拟实验教学促使远程教育充分发挥其教学时空上的分离优势，为学生提供远距 离的实验教学资源，为远程学习质量提供保障、为理工科专业教学的顺利进行提 供条件：有利于因材施教，满足学生个性化学习的需求。另外，虚拟实验教学资 源，为远程学习质量提供保障、为理工科专业教学的顺利进行提供条件；有利于 因材施教，满足学生个性化学习的需求。再者，虚拟实验教学利用先进的教育技 术，为师生提供了新的教学方式，促进教学手段的改革。因此，虚拟实验教学在 远程教育中应用必要性是显而易见的。 ( 1 ) 虚拟实验教学符合人才培养的要求 随着科学技术的发展与社会的进步，社会需要培养大量具有创新精神和实践 能力的复合型人才。党中央关于深化教育改革全面推进素质教育的决定中明 确提出：教育要以提高国民素质为根本宗旨，以培养学生的创新精神和实践能力 为重点，重视培养学生的创新能力、实践能力和创业精神，普遍提高学生的人文 素质和科学素质。现代远程教育肩负着为社会培养合格人才的重任。虚拟实验教 1 0 硕士学位论文第二章协作学习理论在现代远程教育虚拟实验教学中的应用 学是远程教育的重要组成部分。没有实验教学的远程教育或者忽视实验教学的远 程教育，造成理论教学与社会实践脱节，学生动手能力和实践能力不强，难以培 养出适合社会需求的人才。虚拟实验教学是在基于网络的虚拟条件下，学生利用 虚拟的仪器设备，进行操作以获得实践经验、培养技能、技巧和创新精神的一种 教学方式。虚拟实验教学有利于学生创新精神的培养，有利于非智力因素的发展， 有利于学生观察、思维能力的培养等，总之，虚拟实验教学对学生能力的培养和 造就有创造性人才，有着十分重要的意义。 ( 2 ) 虚拟实验教学是开发远程教育理念的需要 以网络为特征的现代远程教育是一种全新的教育理念。它不受时间、空间、 对象与地域的制约，强调以学习者为中心，以自主学习、个性化学习为主，进行 实时或非实时的交互性教学。在远程教育系统中，远程学习是远程教育的核心， 远程教学为远程学习提供资源和服务。作为远程教学的重要环节，虚拟实验教学 首先本着“以学习为主体，教师为主导 的教育思想，为学生提供自主、交互的 学习环境，学生可以在任何时候任何地方选择进入实验，让学生感受多方面的刺 激，激发学生的学习热情，为远程学习者提供新的学习方式；同时教师也因此革 新教学方式，提高远程教学技能，改变远程教学模式的单一性。最后，虚拟实验 教学依托网络，将“近距离”的实验“远距离 化，解决了远程理论教学远距离 与实验教学近距离的矛盾，完善远程教学的功能；更重要的是为远程教学提供了 丰富的学习资源以及实验教学服务。 ( 3 ) 虚拟实验教学额还是构建学习型社会的需要 学习型社会是信息网络化的产物。构建终身教育体系，建设学习型社会是现 代远程教育的最终目标。作为现代远程教育系统中的组成部分，虚拟实验系统的 研制提出更高的要求。作为现代远程教育系统中的组成部分，虚拟实验系统的研 制是信息化建设的薄弱环节，阻碍了远程教育的发展，自然不能满足全民学习的 需要。因此，现代远程教育必须加强信息网络化建设，研究开发虚拟实验系统， 创建网络共享实验环境，实施网络虚拟实验教学，满足广大人民群众的教育需求， 逐步走向学习型社会。 2 2 3 开展虚拟实验教学的可行性 ( 1 ) 学校自身的发展为虚拟实验教学提供良好的条件。各个高校都非常注重 远程教育，无一不将网络远程教育看作学校走向信息化、数字化的契机，把网络 远程教育的开展列入学校整体规划之中，有效地调集整合了校内外各种资源，不 同程度地引进外部资源、设备等资源，为虚拟实验提供物力基础；校内学科建设 为远程教育提供优秀的学科专业，从各校开设的远程教育专业看，大多数学校开 办的专业是学校自己的优势学科专业同时也是社会急需的专业，为虚拟实验提供 硕士学位论文第二章协作学习理论在现代远程教育虚拟实验教学中的应用 理论基础；各校为学校的信息化建设开发高质量的网络课程，给本校教师提供相 关培训以掌握现代教育技术，从而加强了远程师资队伍的建设，为虚拟实验教学 提供优秀师资；各校教学改革为虚拟实验教学提供有利的指导。 ( 2 ) 网络建设与计算机硬件发展为虚拟实验教学提供可靠的基础。为了提高 教育技术手段的现代化与教育信息化程度，国家加强了信息技术基础设施与教育 网络平台的建设。网络速度的提升及网络设备的改进，为虚拟实验程序在网上流 畅运行创造了条件，以前的远程教育技术因为网络带宽窄与传送速度慢，难以实 现互动性、适时性强的远程实验教学。现在随着计算机技术的不断发展，这些问 题都已经得到了很好的解决，已经不是制约虚拟实验教学的因素。 ( 3 ) 人们已经累积的开发虚拟实验的经验给我们启发，为顺利建立虚拟实验 创造了条件。虚拟实验的研制是一项繁琐且费力的工作，实验仪器的开发、实验 过程的模拟、实验数据的采集、实验系统的优化等都有一定的难度。而现在，我 们可以借鉴他人的开发经验甚至开发成果，少走弯路，缩短开发周期。 2 3 协作学习理论与虚拟实验教学 2 3 1 协作实验的理论基础 1 协作学习的相关理论 协作学习是在2 0 世纪7 0 年代美国兴起，并在随后的7 0 年代中期至8 0 年代 中期取得了实质性进展的一种教学理论与策略体系。所谓协作学习，是指“旨在 促进学生在异质小组中互助合作，达成共同的学习目标，并以小组的总体成绩为 奖励依据的教学策略体系 1 9 1 。协作学习的相关理论主要有以下几种【2 0 1 ： ( 1 ) 群体动力学理论 从群体动力的角度来看，协作学习理论的核心可以用简单的话来表述：“当 所有的人聚在一起为了一个共同目标而工作的时候，靠的是相互团结的力量。相 互依靠为个人提供了动力。协作学习的核心是小组“相互团结”，成员的相互 依靠使他们“互勉、互助和互爱 。 协作学习对于学习成绩的影响在很大程度上是以社会凝聚力( c o h e s i v e n e s s ) 为媒介的。学生们在学习上互相帮助是因为他们互相关心并希望彼此都获得成 功。这种观点与动机观的相似之处就是，他们强调从动机而不是从认知上解释协 作学习的教学效果。 协作学习和个别化学习相比，有利于促进学生高级认知能力的发展，有利于 学生健康情感的形成，因而受到广大教育工作者的普遍关注。基于网络的协作学 习是指利用计算机网络以及多媒体等相关技术，由多个学习者针对同一学习内容 1 2 硕士学位论文第二章协作学习理论在现代远程教育虚拟实验教学中的应用 彼此交互和协作，以达到对教学内容比较深刻理解与掌握的过程。它具有能激励 学生发挥出自己的最高水平，使每个学生都能得到发展，能提高学生学习效率， 调动学生学习中的人际互动等优点。 ( 2 ) 人本主义学习理论 著名人本主义心理学家卡尔罗杰斯坚持“以学生为中心的学习观，以“自 由和全面发展”为教育的终极目的，提倡宽松、自由的学习环境，重视情感因素 在学习过程中的重要作用。罗杰斯认为学习的本质是有意义的学习，提倡把人作 为全人进行培养，不仅重视知识技能学习，同时也强调要培养全方位人格；他认 为学习活动和其他活动一样，离不开人与人之间的交往，教学和学习中的人际关 系主要有师生之间的关系、学生之间的同伴关系。在他看来，人际相互作用最本 质的特征，是一种对他人的积极帮助，它是作为一种“动力”发挥作用的，而决 不仅仅是一种人与人彼此间的关系，其中，学生之间的同伴关系创设了学生身心 发展最直接的人文环境，同伴教学和小组学习均可促进学生的学习，给学生的发 展以巨大影响。马斯洛在人类激励的一种理论一文中认为人类有5 种需要， 即生理的需要、安全的需要、社交的需要、尊重的需要、自我实现的需要。心理 学实验表明，学生的学习与情感有关，学生最喜欢与同伴在一起，选择同伴的比 例占绝对优势，就协作学习的教学而言，由于它为学生创造了社会性交往的条件， 主张学生互助学习，这在很大程度上满足了学生的交往的需要、尊重的需要、自 我实现的需要。在协作学习教学中，小组成员之间互相关心、互相帮助、互相促 进、合作交流，满足了他们的爱和归属的需要，即交往的需要；小组成员之间平 等合作、互相激励、互相欣赏、互相尊重，满足了他们的尊重与自我尊重的需要； 小组成员之间互相表达、互相倾听、互相评价、互相认可，满足了他们的自我实 现的需要，相对于目前部分学生对于网络的过分使用和网络沉迷，协作学习的教 学可以满足学生的各种精神需要和情感需要，从而形成