基于WEB的虚拟现实实验室的开发与应用研究.doc

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1、 目 录前言3第一章研究概述4一、研究背景4二、研究内容4三、研究意义5四、国内外研究现状6五、研究步骤和方法7六、研究创新之处8七、概念界定与说明9第二章研究的理论基础12一、建构主义学习理论及其启示12二、人本主义学习理论及其启示13第三章构建虚拟现实实验室15一、教学设计15二、引擎的选用19三、设计目标与设计思想20四、功能模块21五、关键技术22第四章开发虚拟实验网络课件27一、网络课件教学设计27二、课件特色33三、教学内容的多媒体呈现策略34第五章探索基于VRLAB的教学模式34一、基于VRLab网络课件的教学模式分析34二、基于VRLab网络课件的教学模式的行动研究35三、典型

2、的试验教学案例44第六章研究结论与展望45一、研究结论45二、存在问题及后续研究47三、对今后开展网络VRLab教学的思考48第七章研究成果50一、基因工程虚拟现实实验室教学软件50二、基因工程虚拟实验网络课件50三、论文50参考文献52基于WEB的虚拟现实实验室的开发与应用研究刘志刚1 张凡2 吴燕玲21深圳大学生命科学院 2深圳大学现代教育技术与信息中心摘要 本研究自主构建了基于网络的基因工程虚拟现实实验室，提出一套构建虚拟现实实验室的可行性技术解决方案，并进一步探索运用虚拟实验室进行实验教学的教学模式，是虚拟现实技术在高校信息技术辅助教学中的创新应用。本研究不仅直接有助于基因工程实验课的

3、教学，而且也将为虚拟现实技术的教学开发以及其他实验课程的教学改革提供借鉴。关键词 虚拟现实，实验教学，信息技术与课程整合前言深圳大学生命科学学院的生物技术专业是广东省名牌专业，细胞生物学为广东省重点建设扶持学科，微生物基因工程实验室为深圳市重点实验室。为拓展学生知识面，学院在本科生中开设了生物制药选修课。但是面临的问题是该课程的基因工程实验课的教学却因昂贵的实验成本而无法开展。深圳大学现代教育技术与信息中心是一个涉及计算机、网络、教育技术和影视等多学科领域，从事教育现代化与信息化建设的多功能专业机构，本项目的研究人员长期从事计算机辅助教育软件的开发与研究工作，并对虚拟现实技术在教学中的应用已关

4、注多年并取得一些实践经验。作为广东省高校现代教育技术“151工程项目”之一，基于网络虚拟显示技术的基因工程实验主要在虚拟现实教学软件的开发和与传统实验教学的整合方面作出实验教学改革的探索。本研究报告的重点在于阐述基因工程虚拟现实实验室（以下简称VRLab）教学软件开发的过程和关键技术，同时还就虚拟现实技术与实验教学有机整合的研究作概括性描述。本报告论述的内容包括：l 研究概述（研究背景、内容、意义、国内外研究现状、研究思路等）l 研究的理论基础l 基因工程VRLab网络课件的教学设计l 基于VRLab网络课件的教学模式的行动研究l 研究结论与展望 本课题问题的提出直接来源于教学，是为谋求解决实

5、验教学中遇到的实际问题，因此研究成果直接有助于缓解基因工程实验课教学面临的困境，是对本课程教学改革的有益尝试，同时虚拟现实技术的应用也开创了实验教学的新模式。本课题开发了一个基于游戏引擎的虚拟现实实验室教学软件，同时该软件又能作为后继同类型教学软件开发的引擎，所以项目的成功完成具有即时改进课程教学和提供VRLab基础开发工具的双重意义。另外，本报告中提出了一个行之有效的教学模式，能够为其他实验类课程的教学提供参考；对虚拟现实实验室教学应用效果的分析对今后开展VRLab引擎的自主开发设计具有重要的参考意义；在研究中获得的一些有关利用虚拟现实实验室网络教学的客观事实，可为今后该领域的深入研究提供依

6、据。第一章 研究概述一、 研究背景随着高校扩招，教学中实验条件不足和实验需求旺盛之间的矛盾日益突出。有些实验课根本无法开设，有些实验课实验时间不充裕，这无疑不利于应用型人才的培养。而近年来网络技术的进步和基于网络的虚拟现实技术（Web Virtual Reality，简称Web VR）的出现为该问题的解决提供了可能。简单地说，虚拟现实就是指用计算机生成一种特殊的立体的环境，人可以通过使用各种特殊装置将自己“投射”到这个环境中，并操作、控制环境，实现特殊的目的。虚拟现实技术在教学中的最直接应用就是“虚拟现实实验室（以下简称VRLab）”。本研究中的VRLab是一个仿真的基于个人电脑的可视化的三维

7、实验室环境，学习者可以通过鼠标和键盘的操作，在该实验室中自由走动、操作仪器和完成实验。而所谓“基于网络的”，是指采用基于网络服务器的计算模式，客户端请求操作，服务器端仿真环境并进行数据的处理、分析和存储。生命科学是一门实践性较强的学科，非常注重研究者的实际动手能力，然而由于受到昂贵的实验仪器设备和分子生物学试剂等条件的限制，目前我国大部分高校都无法为生命科学本科生开设基因工程实验课。虽然有些学校建有较完善的基因工程实验室，但并不对本科生开放，研究生做实验也需要做很充足的准备以求降低实验失败率，提高实验效率。因此实验教学急需改革探索出一条新路。二、 研究内容（一） 设计和开发一个基因工程VRLa

8、b教学软件。难点是VRLab的构建，关键技术是实验室开发引擎。VRLab引擎的开发技术综合了虚拟现实技术、三维技术、网络技术、游戏技术和教育学的理论和方法，是一个复杂的系统工程。目前市场上缺乏成熟的商业化的VRLab开发引擎。针对这种情况，有两种解决方法：一是自主开发，二是在现有的虚拟现实引擎基础上做二次开发。综合考虑各种情况，本实验室的构建方法是以著名的3D游戏开发引擎 Torque 作为基础平台进行二次开发， 该平台的主要优势在于购买费用低、市场占有率高及开放源代码。（二） 开发基因工程VRLab网络课件虽然VRLab的开发涉及前端信息技术，但是开发出来的产品要想取得良好的教学效果，离不开

9、教育学的理论和方法，牵涉到教学设计和系统设计。也就是说，在软件开发过程中，必须运用教育学知识，对网络课件进行设计。虽然鲜见有关虚拟现实应用于教学的研究论文，但是教学本身就有自身的特点和规律。本研究以建构主义和人本主义学习理论为指导，参照网络课件教学设计模式，从教学目标、教学内容、学习者特征分析、学习环境分析、教学活动设计、学习评价等几方面，结合虚拟现实技术和课程的特点，综合运用多种媒体，设计和开发基因工程VRLab网络课件，探索基因工程VRLab网络课件的教学设计和系统设计。（三） 探索应用基因工程VRLab网络课件进行实验课教学的教学模式基于网络虚拟实验室课件的教学，运用了网络和虚拟现实技术

10、，面向对象主要是在校学生，主要是作为课堂教学的补充形式，因此教学模式不仅和传统面授教学不同，而且和完全的远程教学中的教学模式也不完全相同。另外由于实验课程的主要教学目标是技能学习，这种基于网络的虚拟操作的学习和其他的网络课件的学习，其学习模式可能会存在差别。本研究运用行动研究法，在通过教学实践不断完善该网络课件的同时，探索网络VRLab教学模式，提出一个可行的教学模式方案。三、 研究意义（一） 促进基因工程实验课程的教学改革，提高教学效益本研究问题的提出来源于教学，是为谋求解决实验教学中遇到的实际问题，因此研究成果将直接有助于缓解基因工程实验课教学面临的困境。基因工程课是生命科学专业学生的选修

11、课，为学生扩展知识面、提高专业素养而开设，是一门有利于增强学生知识运用能力的课程。其中的实验课利用基于网络的VRLab进行教学，引导学生利用网络资源（教学内容、教师指导、VRLab、虚拟仪器、图片、视频等）进行自主学习，这是对本课程教学改革的有益尝试，虚拟现实技术的应用开创了实验教学的新模式。（二） 探索网络教学的问题和规律VRLab的应用必须依托课程，与具体实验课程、教学策略和方法有机整合，必须探讨出与之适应的教学模式，可能发挥其教学作用。这是现代教育技术研究人员和任课教师都需要研究的新课题。基于网络虚拟实验室课件的教学，运用了网络和虚拟现实技术，面向对象主要是在校学生，主要是作为课堂教学的

12、补充形式，因此教学模式不仅和传统面授教学不同，而且和完全的远程教学中的教学模式也不完全相同。另外由于实验课程的主要教学目标是技能学习，这种基于网络的虚拟操作的学习和其他的网络课件的学习，其学习模式可能会存在差别。本研究运用行动研究法，在通过教学实践不断完善该网络课件的同时，探索网络VRLab教学模式，提出一个可行的教学模式方案。（三） 获得有关网络教学的客观事实VRLab属于新生事物，立体场景、人机互动和网络三维游戏元素的引入，很可能会给学生带来新奇感。但是，有兴趣并不等于有效果。要使VRLab真正能够发挥教学作用，就不得不按照教学规律办事，就一定要研究体现学生主体作用的网络环境下的新型教学模

13、式。切实可行的教学模式的提出将为其他实验类课程的教学提供参考，从而更好地促进实验类课程的教学改革。另外，据了解目前市面上还没有适用于VRLab开发的商业引擎。无论是自主开发还是在现有游戏引擎上进行二次开发，从技术的角度来说都绝非易事。而该引擎的设计开发除了技术上的考虑，还有教学上的、游戏心理方面的考虑。所以必须依托课程，只有在实践中找出需求，开发后再回到教学实践中反复使用、获得教学反馈信息再多次修改才有可能开发出实用的VRLab引擎。所以说VRLab的教学应用效果对引擎的开发设计具有重要的参考意义。四、 国内外研究现状（一） 基于Web的VRLab研究现状美国是虚拟现实技术的发源地，基本上代表

14、了国际发展水平，现已风行于娱乐、教育、医学、军事训练、制造、建筑等各个领域。美国宇航局建立了虚拟教育系统可在全国范围内进行航空、卫星维护等虚拟训练，Loma Linda大学医学中心成功地将VR设备用于探索与神经疾病有关的医学研究等。德国所有汽车制造企业都建立了VR开发中心，医院开始用人体数字模型进行手术实验。日本是在实用VR的研究和开发方面领先的国家，主要致力于建立大规模的VR知识库和游戏方面的研究。 胡庆夕等：聚焦虚拟现实技术. 机电一体化，2002.6我国的VR研究目前处于起步阶段，与发达国家的差距较大。比较有代表性的有北京航空大学用于飞行员训练的VR系统，浙江大学CAD&CG国家重点实验

15、室开发的一套桌面型虚拟建筑环境实时漫游系统，武汉大学的虚拟地理环境实验室等。VRLab研究主要分两个大方面，一是硬件制作，比如传感装置、动作捕捉等，二是软件开发，一般都要与具体的某个领域或学科相结合，比如地理、医学、军事、游戏等。VRLab最为常见的应用是网络三维游戏。在教育领域的应用还不多，其中有技术的因素教育本身有自己特殊的需求，研制VRLab开发引擎并非易事；也有经济的因素教育软件的经济回报率远低于游戏软件，没有几家公司会乐意投资在这个领域。针对目前VRLab建设在技术上遇到的主要问题缺乏合适的引擎，本研究拟寻找到一个适宜的解决方案，要么自行开发，要么在现有的游戏引擎上二次开发，最后选择

16、的方案要综合考虑成本控制、开发周期、人员配置、功能扩展等多方面因素。本研究所基于的VRLab将真正实现实验者与实验对象在虚拟现实世界中的互动，实验者不仅可以在实验室场景中自由走动，参观实验室，也可以操作其中的仪器设备，按步骤独立完成实验。而且该实验室是基于网络的，实验进行过程中存在大量的网络数据通信。据了解，这是国内高校中首个基于网络的三维VRLab。（二） 运用VRLab网络课件进行教学的教学应用研究现状为分析当前高等学校基于网络的VRLab的教学研究与实践的情况，对中国期刊全文数据库至今为止所有期刊中关键词是“虚拟现实”的文章进行模糊查找，共有242篇文章(截至2006年3月3日)，这说明

17、整体来说国内对虚拟现实技术用在实验室建设方面的研究不多；其中在电子技术与信息科学类期刊上刊登的有153篇，在教育与社会科学类杂志上刊登的有57篇，二者的比例接近3：1，这也可以说是研究技术问题与研究教学应用问题的比例是3：1；再进一步查找出其中建立在实际应用案例上的论文，结果是技术类论文18篇，教学研究类论文7篇，且技术类论文数量呈上升趋势，而教育类论文数量极少，05年甚至没有。可见，国内在VRLab建设方面的研究已开始得到重视，探讨主要集中在计算机技术领域，在教学应用方面的研究可以说是凤毛麟角。国外和香港、台湾地区开始有相关的研究，属于“教育游戏”的范畴，在即将召开的全球华人计算机教育应用大

18、会（GCCCE）2006年年会上将设专题讨论。但是教育游戏在高校的应用，尤其是和实验课的结合，目前笔者还没有查到有关文献。五、 研究步骤和方法（一） 研究思路1、 理论指导与方法应用：以建构主义和人文主义理论为指导，运用教学设计方法和教育技术研究方法，展开试验研究。2、 资源建设：自行开发国内第一套基因工程虚拟现实实验室教学软件；整合多种媒体。3、 基于网络的学习方式：自主学习模式。4、 教学设计：特别注重学习环境和学生自主学习活动的设计。5、 试验内容：本课程共包含4大实验，本研究涉及其中三个实验：实验一cDNA的提取；实验二基因克隆与表达；实验三发酵。6、 试验对象：生命科学学院2年级本科

19、生。7、 试验环境：网络多媒体计算机教室（二） 研究步骤1、 比较研究各类开发工具并确定适合的开发引擎；2、 开发基因工程虚拟现实实验室教学软件；3、 修改完善VRLab开发引擎；4、 组织建设基因工程网络课件；5、 设计教学改革方案，开展教学试验；6、 拍摄课堂教学实录，并作出分析；7、 设计评价指标体系（认知能力和学习过程评价）8、 观察、测量、评价数据资料的收集和整理分析9、 完成研究报告（三） 研究方法本课题主要有开发研究法、行动研究法等。本研究重视“教育技术必须为教学服务”，“一定要做，不要空谈”的教育理念，以行动研究贯穿整个过程，开展三轮教学试验获得反馈意见和统计数据，用于修改和完

20、善网络课件和基于网络课件的教学模式。本人认为行动研究方法的典型特征有三个：一是教师参与，二是解决实际问题，三是研究结果客观。在整个课件开发和应用研究的过程中，开发和应用是交织在一起的，在多次反复行动中完善课件和改善教学。在行动研究中又运用了以定量为主、定性为辅的方法，参照应用后统计分析的结果去改善课件（课件某种程度上可以说是教育技术的体现）。课堂教学是学校教育活动中最主要的环节，行动研究与课堂教学改革的结合不仅是可能的，而且是可行的。在探索信息技术与课程整合的规律中，首先，通过“调查”了解某一门课程的教学情况，从中发现问题；其次，在“应用信息技术改进教学”的设想基础上，制定出有指导、可实施、有

21、评价、可修改的具体计划，再次进行“教学试验行动”，将设想与计划付诸实现，在不同类型的学校，不同程度的班级中运用，然后“观察行动的结果”并进行反思，将行动得出的一定的模式进行推广应用，并从应用结果中得出总结评价。本研究开展三轮教学试验获得反馈意见和统计数据，用于修改和完善网络课件和基于网络课件的教学模式。六、 研究创新之处（一） 运用新兴的信息技术手段虚拟现实是在计算机图形学、计算机仿真技术、人机接口技术、多媒体技术以及传感技术的基础上发展起来的交叉学科，对该技术的研究始于20世纪60年代。直到90年代初，虚拟现实技术才开始作为一门较完整的体系而受到人们极大的关注。所以从技术的角度来说，虚拟现实

22、属于新兴技术，虽然技术潜力巨大，应用前景广阔，但仍存在着许多尚未克服的技术障碍。（二） 提出一个可行的实验教学模式基于虚拟实验室网络课件的教学，主要是作为课堂教学的补充形式，面向对象主要是在校学生，因此教学模式不仅和传统面授教学不同，而且和完全的远程教学中的教学模式也不完全相同。另外由于实验课程的主要教学目标是技能学习，这种基于网络的虚拟操作的学习和其他的网络课件的学习，其学习模式可能会存在差别。本研究运用行动研究法，在通过教学实践不断完善该网络课件的同时，探索网络VRLab教学模式，提出一个可行的教学模式方案。七、 概念界定与说明（一） 虚拟实验室近年来，虚拟现实技术、多媒体技术和网络技术的

23、高速发展促使教学方式的不断变革，在此背景下“虚拟实验”也应运而生。1989年美国VPL探索公司和它的创始人Jaron Lanier提出 Virtual Reality 一词。在此之前，己有不少类似的概念，M W Krueyer曾在70年代提出“人工现实”(Artifical Reality)一词。1984年美国科幻作家Willian Gibson提出了另一词“电脑空间”(Cyber Space)，也是在1989年，美国弗吉尼亚大学的威廉沃尔夫（William Wolf）教授提出虚拟实验室（Virtual Laboratory）的概念，用来描述一个计算机网络化的虚拟实验室环境 陈秀清. 关于虚拟

24、实验室的建设J,福建广播电视大学学报, 2003, 1:40-43。具体来说，所谓虚拟实验室就是根据现实实验环境利用编程技术编写的仿真性软件，在计算机中营造一个接近或优于真实环境的虚拟场景，通过借助软件系统实验者可完成各种预定的实验项目。1999年5月美国爱荷华州立大学举行的虚拟实验室专家会议上采用的定义是：虚拟实验室是为研究和创新活动提供远程协作和实验的一个电子平台。在这里，虚拟实验室是作为网络教学的一部分予以描述的，侧重于实际应用，即远程实验。另外，从虚拟实验室的功能这一角度表述的定义为：虚拟实验室是一个创造和引导模拟实验的交互环境：即实验场所。它由实验所依赖的模拟程序、实验单元、工具和参

25、考资料组成。用户可以通过增加新的物休、建立新的实验并把他们转化成超文本文件来扩充实验室 祝智庭. 网络教育应用教程M.北京师范大学出版社2001。目前看来，虚拟实验室有四个研究方向：一是所谓的“网上虚拟仪器中心”，即“通过公共网络，将处于不同地域的大型科学仪器资源集中起来形成虚拟仪器中心，借助远程控制和远程协同技术，通过中心的安排，使在全世界不同地域的多名科学家能通过Internet公共网络控制虚拟中心的任何一台仪器，并可有更多的科学家实时观察整个实验和分析过程并加入讨论。中心还可提供仪器分析实验过程的回放技术。” 曹菲. 刘敦一：虚拟实验室将在东方建成. 二是虚拟仪器技术。虚拟仪器以计算机为

26、核心，利用强大的图形环境， 建立界面友好的虚拟仪器面板（ 即软面板），操作人员通过友好的图形界面及图形化编程语言控制仪器运行，完成对被测试量的采集、分析、判断、显示、存储及数据生成。虚拟仪器是既有普通仪器的基本功能，又有一般仪器所没有的特殊功能的高档低价的新型仪器，不仅在科学研究、产品开发等方面广泛应用，而且也走入高等院校的实验室。三是运用多媒体技术实现对实验基本概念和操作的理解。具体方法是借助文字、动画、视频、计算机程序交互等多媒体工具，加强学习者对实验的理解。这是目前国内高校普遍采用的实验课程及其他演示类教学内容的辅助教学方法。第四个研究方向是虚拟现实技术，即运用计算机对复杂数据进行可视化

27、操作与交互，人可以通过使用各种特殊装置将自己“投射”到这个环境中，并漫游、操作、控制环境，实现特殊的目的。目前比较典型的研究有宇航员的模拟飞行、驾驶员的模拟驾驶、建筑场景的三维漫游、三维网络游戏等。（二） 虚拟现实技术虚拟现实是在计算机图形学、计算机仿真技术、人机接口技术、多媒体技术以及传感技术的基础上发展起来的交叉学科，对该技术的研究始于20世纪60年代。直到90年代初，虚拟现实技术才开始作为一门较完整的体系而受到人们极大的关注。概括地说，虚拟现实是人们通过计算机对复杂数据进行可视化操作与交互的一种全新方式，“现实”是泛指在物理意义上或功能意义上存在于世界上的任何事物或环境，它可以是实际上可

28、实现的，也可以是实际上难以实现的或根本无法实现的。而“虚拟”是指用计算机生成的意思。因此，虚拟现实是指用计算机生成的一种特殊环境，人可以通过使用各种特殊装置将自己“投射”到这个环境中，并操作、控制环境，实现特殊的目的。虚拟现实技术的主要特征有以下几方面：多感知性（Multi-Sensory）所谓多感知是指除了一般计算机技术所具有的视觉感知之外，还有听觉感知、力觉感知、触觉感知、运动感知，甚至包括味觉感知、嗅觉感知等。浸没感（Immersion）又称临场感，指用户感到作为主角存在于模拟环境中的真实程度。理想的模拟环境应该使用户难以分辨真假，使用户全身心地投入到计算机创建的三维虚拟环境中，该环境中

29、的一切看上去是真的，听上去是真的，动起来是真的，甚至闻起来、尝起来等一切感觉都是真的，如同在现实世界中的感觉一样。交互性（Interactivity）指用户对模拟环境内物体的可操作程度和从环境得到反馈的自然程度（包括实时性）。构想性（Imagination）强调虚拟现实技术应具有广阔的可想像空间，可拓宽人类认知范围，不仅可再现真实存在的环境，也可以随意构想客观不存在的甚至是不可能发生的环境。从技术的角度来说，虚拟现实是多种技术的综合，包括实时三维计算机图形技术，广角（宽视野）立体显示技术，对观察者头、眼和手的跟踪技术，以及触觉/力觉反馈、立体声、语音输入输出技术等。虚拟现实的本质是人与计算机的

30、通信技术，它几乎可以支持任何人类活动，适用于任何领域。与传统的人机界面以及流行的视窗操作相比，虚拟现实在技术思想上有了质的飞跃。对于虚拟现实的研究可涉及到人工智能、计算机科学、电子学、传感器、计算机图形学、智能控制、心理学、教育学等，有硬件开发，也有软件开发；既有属于自然科学范畴的研究，也有属于社会科学范畴的研究。我们必须清醒地认识到，虽然这个领域的技术潜力是巨大的，应用前景也是很广阔的，但仍存在着许多尚未解决的理论问题和尚未克服的技术障碍。（三） 虚拟现实实验室虚拟实验的基本思想是通过软件的方法模拟硬件的功能，旨在通过逼真的三维交互场景完成实验过程，得到如同做真实实验一样的体验。所以也可以这

31、样定义：所谓虚拟实验室是指在计算机系统中采用虚拟现实技术构建各种虚拟实验环境，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等价于甚至优于在真实环境中所取得的效果。这一定义则把虚拟实验限定在虚拟现实技术这一阶段上。近年来虚拟现实的定义逐渐倾向于是一种人机交互工具，用户可以通过计算机看见、操纵极端复杂的数据并与之进行交互。本研究中的虚拟现实实验室（VRLab）是虚拟现实技术的一个应用分支，是运行在个人电脑上的虚拟现实技术。它运用实时三维计算机图形技术生成实验室场景，利用个人电脑上的鼠标和键盘，漫游于实验室并进行实时的交互的实验操作。信息化教育主要特点可以归结为:教材

32、多媒体化、资源全球化、教学个性化、学习自主化、任务合作化、环境虚拟化、管理自动化。虚拟现实技术在信息化教学改革，强化教学效果方面的优越性已越来越受到人们的重视。开发虚拟教学软件己成为面向21世纪高等教育改革的一项重要内容 曾建超,俞志和. 虚拟现实技术及其应用.北京:清华大学出版社,1996.。本研究的VRLab运行在“网络化的实验环境”中，及引擎采用的是基于网络服务器的计算模式，客户端请求操作，服务器端仿真环境并进行数据的处理、分析和存储。网络VRLab适用于网络教学，不仅可以实现人机互动，而且可以实现生生互动和师生互动。第二章 研究的理论基础一、 建构主义学习理论及其启示（一） 建构主义学

33、习理论概述近二十年以来，把学生作为知识灌输对象的行为主义学习理论，已经让位于把学生看作是信息加工主体的认知学习理论。随着心理学家对人类学习过程认知规律研究的不断深入，近年来，认知学习理论的一个重要分支建构主义学习理论逐渐在教育界流行开来。 陈越. 建构主义与建构主义学习理论综述. 建构主义学习理论的基本内容包括对学习的含义和学习方法的诠释。首先，关于学习的含义，建构主义认为，知识不是通过教师传授得到，而是学习者在一定的情境下，借助其他人的帮助，利用必要的学习资料，通过意义建构的方式而获得。因此“情境”、“协作”、“会话”和“意义建构”是学习环境中的四大要素。获得知识的多少取决于学习者根据自身经

34、验去建构有关知识的意义的能力，而不取决于学习者记忆和背诵教师讲授内容的能力。其次，关于学习的方法，建构主义提倡在教师指导下的、以学习者为中心的学习，学生是信息加工的主体、是意义的主动建构者，而不是外部刺激的被动接受者和被灌输的对象。学生要成为意义的主动建构者，就要用探索法、发现法去建构知识的意义；在建构意义过程中要主动搜集并分析有关的信息和资料，对所学习的问题要提出各种假设并努力加以验证；要把当前学习内容所反映的事物尽量和自己已经知道的事物相联系，并对这种联系加以认真的思考。（二） 建构主义学习理论对网络虚拟实验教学的启示1、 把虚拟情境创设看作是教学设计的重要内容建构主义学习理论认为学生是知

35、识意义的主动建构者，强调具体问题解决需要针对具体情景对原有知识进行再加工和再创造，对知识的真正理解只能是由学习者自身基于自己的经验背景而建构起来的，取决于特定情况下的学习活动过程。无论在设计该网络课件还是在教学中应用的过程中，都要始终坚持以学生为中心，充分利用设计好的学习环境发挥学生的学习主动性。 “情境”、“协作”、“会话”和“意义建构”这四大学习环境要素中，“情境”要素是虚拟现实实验所要构建的主要学习环境。在教学设计时必须要考虑有利于学生建构意义的虚拟情境的创设问题，并把虚拟情境创设看作是教学设计的最重要内容之一。2、 提供丰富实用的图文声像并茂的教学资源建构主义学习理论认为学习是由学生自

36、己主动建构知识的过程。学生根据自己的经验背景，对外部信息进行主动地选择、加工和处理，从而获得自己的意义。在本网络课件中要提供大量与基因工程实验有关的素材，包括学习指导、实验指导等文本素材、分子图形素材、实验图象素材、分子动画素材、实际实验和基因工程的视频素材等，力求通过丰富实用的图文声像并茂的教学资源来帮助学习者主动选择学习内容兴趣，按照自己的兴趣和学习习惯对知识进行加工和处理，从而获得知识的意义建构。3、 虚拟教师和真实教师的作用不容忽视教师是教学过程的组织者、指导者、意义建构的帮助者、促进者，建构主义虽然非常重视个体的自我发展，但是也不否认外部引导，亦即教师的影响作用。所以教师从传统的传递

37、知识的权威转变为学生学习的辅导者，成为学生学习的高级伙伴或合作者；教师要成为学生建构知识的积极帮助者和引导者。在虚拟实验室的设计和构建中，可以设置一名虚拟教师，他的主要工作是激发学生的学习兴趣、引发和保持学生的学习动机。虚拟教师要在学生迷茫的时候提供帮助，对学生的进步及时予以表扬，对操作错误提出警告，学生要能够很容易地获得虚拟教师的指导和帮助。而真实的任课教师的功能也不能被忽略，他可以通过提供资源、组织讨论等方式帮助学生完成知识的意义建构并引导学生的思维向深层次发展。4、 学习任务置于真实环境中建构主义学习理论认为学习任务应该置于为了能够更有效地适应世界的学习中。本研究非常重视虚拟现实实验室的

38、开发，实验环境要尽可能地模拟真实，教学目标与学生的学习环境中的目标要相符合，要设计真实的任务，设计能够从事有效行动的复杂环境，给予学生解决问题的自主权，设计支持和激发学生思维的学习环境，并支持学生对所学内容与学习过程的反思。二、 人本主义学习理论及其启示（一） 人本主义学习理论概述人本主义心理学是20世纪五六十年代在美国兴起的一种心理学思潮，其主要代表人物是马斯洛（A.Maslow）和罗杰斯（C.R.Rogers）。人本主义的学习与教学观深刻地影响了世界范围内的教育改革，是与程序教学运动、学科结构运动齐名的20世纪三大教学运动之一。1、 有意义的自由学习观人本主义强调教学的目标在于促进学习，因

39、此学习并非教师以填鸭式严格强迫学生无助地、顺从地学习，而是在好奇心的驱使下去吸收任何他自觉有趣和需要的知识。罗杰斯认为，学生学习主要有两种类型：认知学习和经验学习，其学习方式也主要有两种：无意义学习和有意义学习，并且认为认知学习和无意义学习、经验学习和有意义学习是完全一致的。经验学习以学生的经验生长为中心，以学生的自发性和主动性为学习动力，把学习与学生的愿望、兴趣和需要有机地结合起来，因而经验学习必然是有意义的学习，必能有效地促进个体的发展。对于有意义学习，罗杰斯认为主要具有四个特征：一是全神贯注：整个人的认知和情感均投入到学习活动之中；二是自动自发：学习者由于内在的愿望主动去探索、发现和了解

40、事件的意义；三是全面发展：学习者的行为、态度、人格等获得全面发展；四是自我评估：学习者自己评估自己的学习需求、学习目标是否完成等。因此，学习能对学习者产生意义，并能纳入学习者的经验系统之中。总之，“有意义的学习结合了逻辑和直觉、理智和情感、概念和经验、观念和意义。若我们以这种方式来学习，便会变成统整的人。”2、 学生中心的教学观罗杰斯从人本主义的学习观出发，认为凡是可以教给别人的知识，相对来说都是无用的；能够影响个体行为的知识，只能是他自己发现并加以同化的知识。因此，教学的结果，如果不是毫无意义的，那就可能是有害的。教师的任务不是教学生学习知识（这是行为主义者所强调的），也不是教学生如何学习（

41、这是认知主义者所重视的），而是为学生提供各种学习的资源，提供一种促进学习的气氛，让学生自己决定如何学习。因此，罗杰斯主张废除“教师（teacher）”这一角色，代之以“学习的促进者（facilitator）”。教师必须采取有效的方法来促进学生的变化和学习，培养他们适应变化和知道如何学习的能力。（二） 人本主义学习理论对网络实验教学的启示1、 始终关注学生的兴趣点，引导自发学习要注意培养和保持学生的好奇心，把学习与学生的愿望、兴趣和需要有机地结合起来，达至有意义的学习。游戏是目前许多学生感兴趣的娱乐方式，而且学生有一定的操作经验，所以在基于虚拟实验室的教学中一定要利用学生对游戏的兴趣和经验，学生

42、可以通过在三维立体的实验环境中漫游并自如地操作仪器设备，经常性地得到虚拟教师的指导，保持对学习的全神贯注；要引入分数、评语、表情等游戏元素促进学生自动自发地学习；学生要可以方便地进行自我评估，不断调整自己的经验值，以获得新的经验，实现有意义的学习。教师是学习的促进者，要为学生提供各种学习的资源，提供一种促进学习的气氛，让学生自己决定如何学习。VRLab中学习资源是重要的组成部分，要注意学习资源提供的数量和方式方法，同一个知识点可以考虑采取多种媒体表现方式，让学生根据自己的兴趣和认知特点，自行选择资源进行学习。2、 重视自我评估课件设计提供实时评价、形成性评价和总结性评价等多种方式。学习者自己评

43、估自己的学习需求、学习目标是否完成，随时自觉地调整学习进度，同时还可以通过对照了解其他同学的学习情况，对自己的学习有更全面的认识。第三章 构建虚拟现实实验室一、 教学设计尽管本研究旨在探讨某种特定的教学模式，但是在技术与课程整合的教学设计过程中有些共同的原则也是必须遵循的，否则可能导致事倍功半。这些原则包括：要以先进的教育思想、教学理论为指导；要高度重视学科教学资源建设；要紧紧围绕“新型教学结构”的创建这一核心来进行整合；课程整合的教学设计要注重“学教并重” 程勋然. 课程整合与高校的教学创新. 北京：教育技术研究，。（一） 教学目标本网络课件的教学目标是：知识性目标理解与基因工程实验有关的知

44、识；技能性目标在示范与指导下独立完成实验操作；情感性目标促进对基因工程领域的认同度。（二） 教学内容本网络课件包含4大实验，总课时40学时，其中课程学习 学时，实验操作 学时。具体内容如下：实验一 cDNA的提取实验二 基因克隆与表达实验三 发酵实验四 蛋白质分离纯化（三） 学习者特征分析本课程的教学对象是生命科学学院高年级本科生（选修）和研究生（必修），要求具备信息技术基础知识和能力，包括网页浏览、多媒体浏览、信息查找等，同时还需要有三维游戏操作经验。另外，对学生的客户端电脑硬件要求是配备有支持Direct8.0以上技术的显示卡。据了解，学生普遍具有信息技术的基础知识和能力，大部分学生的个人

45、电脑显卡符合系统运行要求，但是部分学生没有三维游戏操作的经验。针对这部分学生，本课程中提供了一个小的三维游戏，帮助学生熟悉游戏键盘操作。（四） 学习环境的设计本网络课件的学习环境主要是指学习资源和学习工具。本课程的学习资源是网络课件，主要用于知识点的辅助教学。在资源设计时要注意资源与课程内容的密切相关，避免与课程教学目标无关的资源分散学生的注意力和参与度；要提供丰富的信息量，给学生足够的探索空间；要有多种表现形态，满足学习多样性的要求；对课程的每一个教学知识点都要有一定数量的教学资源支持。本网络课件的学习工具以探究工具为主，即利用多媒体的虚拟的实验环境，使学生重复操作实验、观察现象、读取数据、

46、科学分析，加深对实验现象和规律的认识；同时以虚拟仪器来弥补实验教学仪器、场地和经费的不足。本课件既可以对单一仪器进行教学讲解与操作演示，也可让学生在3D虚拟实验室中根据实验要求直接对多种仪器设备进行操作，这样在让学生了解和掌握贵重仪器使用的同时，又避免了对设备的损坏。实验室场景即虚拟实验的三维环境，要尽可能的做到和现实中的实验室一模一样（如图1所示），比如实验室房子的门窗的位置、实验台在实验室的位置及其高度、实验仪器的摆放位置、甚至是墙上的图画，这样做的最大好处就是可以让做虚拟实验的学生尽可能多的了解实验室环境，为以后做真正的实验提供帮助。为了更好的展示虚拟实验过程中的各种信息，可以分别在实验

47、场景的上面和下面各设一个状态条。上方状态条的信息有：分数、时间、本虚拟实验名称、实验大纲、退出，下方的状态条信息有：虚拟教授、提示信息、当前选择的对象名称。“虚拟教授”会根据学生所做实验的情况做出不同的表情，而且还可以在右边的提示条中给出虚拟实验下一个步骤的信息。声音模块是一个辅助性的模块，使虚拟实验更加逼真、有趣。在虚拟实验中的加入的声音主要可以分为以下几种：背景音乐、实验音效、GUI音效。背景音乐是一段柔和的音乐，可以在进入虚拟实验系统或者开始做实验的时候循环播放，也可以在适当的时候停止音乐。首先在选择素材的时候要考虑音乐本身必须柔和，在重复播放的时候没有较大变化，不会影响到虚拟实验的进行。最好准备多个背景音乐，每次随机的选取一个播放，这样就避免了用户每次都听到一个背景音乐的单调感觉。音效是在做虚拟实验的时候，相关的仪器或者器皿应该发出的声音，如：仪器的噪音和倾倒液体的声音等，这些需要把真实实验的声音录制下来，经过软件处理，在虚拟实验过程中由事件触发播放。首先要做的便是通过各种方式收集音效素材， 大部分音效都可以通过实际的录制得到，少量的音效是从音频库里面挑选。对于这些录制音频必须经过处理才能真正用到虚拟