虚拟学具的研发――学习科学研究的教育实践课题

摘 要：虚拟学具是指应用于学科教学的数字化学习工具。从当代教育改革和发展的角度审视其价值取向，虚拟学具作为高科技的课程资源能够有效促进学生传统学习方式的根本变革，推动教学模式、教学技术手段的优化和创新。因而，在学习科学基于设计的研究范式中，虚拟学具的研究开发具有较大的理论和实践价值。

关键词：虚拟学具；学习科学；基于设计的研究

学具是供学生按照教学要求进行动手加工组装或操作的基本材料和器具。心理学研究表明，个体认知规律是 “感知―表象―概念”，学生思维的具体性与学科知识的抽象性之间存在矛盾，而学具为学生提供便于抽象概括的感知材料，让学生在操作学具的学习过程中，变被动地听讲为主动地操作探究，充分调动学生的各种感官参与学习活动，让学生体验知识的动态生成，通过大量直观形象的感知，形成知识的表象，激发学生积极探索，从事物的表象中概括出事物的本质特征和规律，使学生比较顺利地建构新概念，并能深刻理解运用。因而，基于学具的教学历来是学科教学的重要方式之一。

学具的发展，经历了两次“飞跃”，从传统的木质、塑质等学具，到电动学具，再到虚拟学具，每一步都渗透着科技发展的深刻影响。随着信息技术对人们社会文化生活影响的加剧，虚拟世界逐渐成为现实世界不可忽视的存在，因此，虚拟学具完全有可能成为未来学具的主要形式之一而广泛应用于日常教学中。

一、现代教育技术的新产物：虚拟学具及其特点

虚拟现实是利用计算机模拟产生一个三度空间的虚拟世界，提供使用者关于视觉、听觉、触觉等感官的模拟，让使用者如同身历其境一般，可以及时、没有限制地观察三度空间内的事物，使用者进行位置移动时，电脑可以立即进行复杂的运算，将精确的3D世界影像传回产生临场感。作为新一代计算机的产物，虚拟学具主要是指应用于学科教学的专题性工具软件，是一种为学生提供学习活动的互动多媒体活动程序，或者说，虚拟学具是一种为了帮助学生更好地学习而开发的基于电脑设备和互联网的交互式、可视化、模拟人或物的数字化学习工具，[1]它允许学生像使用实际学具那样，通过操控动态的虚拟物件，进行相应的学习和探索。

较之传统学具，虚拟学具在感知维度、扩展重用、状态保存等方面都更具竞争优势，可以避免实物学具成本高、数量少、设计单一、使用效率不高及管理、维护困难等问题，使用虚拟学具更能节约时间、空间和成本。同时，不同于以单向信息传递为主的计算机模型演示，虚拟学具能创设具有交互式及动态特性的虚拟学习环境而具有以下特点：一是交互性，学生可以在模拟环境中直接通过鼠标操控和手控操作虚拟化的物件进行学习探索；二是动态性，静态三维图型能随着具体的操作进行连续的变化，从而展现出动态变化的过程；三是虚拟学具不受学习时间、空间的约束，可以最大限度地共享资源，等等。正是由于虚拟学具的特性，使之在教学实践中可以发挥出更大的、特殊的功用。

二、当代学生学习方式变革的新支架：虚拟学具研发的教育背景及其功能分析

新课程改革重点之一是如何促进学生学习方式的变革。转变学习方式就是要倡导学生自主学习；就是要突出学生在学习过程中发现、探究和研究等认知过程；就是要以培养学生创新精神和实践能力为目标。学习方式的变革除教育观念上的革新外，最重要的要为新的学习方式提供必要的课程资源，即向学生提供主动探索、有效思维和积极体验的物质载体。而虚拟学具的研发和使用正是把现代信息技术作为学生学习强有力的工具，其最根本的价值目标就是最大限度地为学生提供实践活动的平台和物质载体，尽可能地给学生提供直观形象的观察、切实深刻的操作及独立思考理解的机会，使学生自主性、探索性的学习活动落到实处，在实际的操作整理、分析和探索中体验学习过程并有效地发展创新思维。新课改要求我们以全新的视角去审视虚拟学具的现实内涵，以发展的眼光全面解读它的价值取向。

1．虚拟学具的使用能够促进学生主体意识的发展，促进学生自主性、探究性学习

新课程改革努力实现师生关系的民主与平等，把课程目标的达成集中于现实的、有意义的、富有挑战性的学习活动之中，倡导学生主动参与、勤于动手、乐于探究。虚拟学具可以创造高技术含量的学习情境，引导学生大胆探索实践，充分体现了学生在教学过程中的主体地位。学生通过直接操控虚拟学具可以进行主动的学习探索，让学生从“看”到“做”，把学习变成学生的主动性、能动性和独立性不断生成、张扬、发展和提升的过程。

2．虚拟学具的使用能够将认知信息化静为动，突出学习过程中发现、探究和研究等认知过程。

新课程改革倡导关注学生在学习过程中的认知和体验，心理学家认为，学生智力技能的形成，常常在外部动作技能的基础上发生、发展的，是一个由外部的物质活动向内部的认知心理活动转化的过程。虚拟学具或颜色、或形状、或操作可以具体呈现丰富的、动态的变化过程，学生在操作虚拟学具过程中从静态思维切换到动态思维，将认知信息融会贯通，不断内化深入，帮助学生建构复杂抽象的概念和原理，并在操作学习活动的过程中尝试应用、积极体验，凸现学习过程成为发现问题、分析问题和解决问题的过程，从而提高学习的效益。

3．虚拟学具的使用激发学生学习的兴趣，为培养学生创造性思维提供平台。

新课程改革关注学生的学习兴趣，学生面向静态呆板的课本和板书，难免枯燥乏味。而虚拟学具能为教学创设一个生动有趣的教学情境，可以使教学具有形象性、多样性，新颖性、趣味性、直观性、丰富性等特点，从而改善学生的学习兴趣和态度。新课程改革强调素质教育要以培养学生的创新精神为重点。虚拟学具的使用可以展示学生创造性思维的过程，从而发展学生创造性的思维品质，培养学生的创造性能力。[2]

总之，虚拟学具作为新的高科技课程资源，能够成为促进学生自主学习的认知工具、情感激励工具、丰富教学环境的创设工具，能够促进学生传统学习方式的根本变革，将极大推动教学模式、教学技术手段的优化和创新，因而，在教学实践中具有极大的研发和应用价值。

三、学习科学研究的新拓展：虚拟学具基于设计的研究及其开发

1．基于学习科学的虚拟学具研究与开发

学习科学无疑是当代关于学习研究的最前沿地带。作为一个多学科交叉的研究领域，学习科学的研究共同体以研究和探索学习的本质与机制、创新学习的理论与方法、创建高技术含量的学习环境、探索和提高人类学习绩效为己任。借助现代教育技术，在以学习者为中心的设计理念的催生下，使学习科学逐渐演化成了教育改革与发展的核心动力与思想源泉。虚拟学具的研究和开发体现着学习科学研究的基本特征：

其一，学习科学研究中充分重视以智能技术为研究工具和支撑，重视学习技术的研发。学习科学实践共同体通过对学习的理解设计学习软件和开发课程材料，把设计变成产品，虚拟学具作为学习技术研发的产物，正是贯穿学习科学用技术改变人类学习绩效的基本原则和重要思想，为学生的深度学习提供支架，实现将内隐知识外化和阐明为深度理解进行反思或元认知，建构从具体知识到抽象知识的学习过程，从而使学习科学创造一个区别于传统的、高技术含量的学习环境的设想成为可能。

其二，学习科学重视科学研究与教育实践的紧密结合，在探索学习基本规律的同时，力求把学习科学的研究成果应用于学校系统，推进教育创新。学习科学由于关注真实世界的学习现象而有别于传统研究，明确提出把研究对象从实验室转向课堂并超越课堂，体现了学习科学之于教育创新的重要价值。虚拟学具作为学习科学的教育实践课题，来自于教育真实世界的需要，解决学校、课堂及各种学习情境中的具体问题，真正实现以技术促进学习和革新教育。在虚拟学具开发的平台上，学习科学致力于学习工具的开发和学习理论的构建，给学习研究和实践带来新突破，在学习理论与实践中搭建起了一座桥梁。[3]

2．虚拟学具基于设计的研究范式

由于学习科学研究者来自不同的领域，有关基于设计研究的涵义解读也是见仁见智， 我国学者祝智庭将基于设计的研究特征概括为实用性、务实性、迭代性、整合性和情境性，[4]虚拟学具设计开发体现基于设计的研究特征。首先基于设计的研究作为一种统合的研究范式给予虚拟学具研究一种全新视角，虚拟学具通过对学习工具的系统设计来实现对学习的研究，将学具设计、整合的实践和理论的应用与学习过程的研究更紧密地结合起来。其次，基于设计的研究为虚拟学具的设计研究、开发及应用提供一套工作模式。在基于设计的研究这一方法论的指导下，在课堂真实、自然的研究情境中，虚拟学具研发者采用研究者参与设计、在课堂情境中实施、研究情境中的学习、提炼学习理论、参与重新设计、继续执行循环的研究模式，其过程要经历了多个开发阶段。新的学习科学理论的发展会给虚拟环境的开发指明新的方向，新的计算机技术和虚拟现实技术的出现也会给虚拟学具的设计带来许多新构想，因此，在虚拟学具开发中遵循基于设计研究“迭代”的思想，每一个阶段都有新技术及新思想的注入，使虚拟学具功能不断趋于完善，并生成相关学习科学理论，进而促进理论、技术与实践的和谐发展。

四、学习工具设计开发的新构想：虚拟学具的设计标准及其研发机制

在学习科学理论指导下的虚拟学具的设计和开发，从最初的学习需求分析到最终的产品使用评价及迭代设计，其间需经历一个复杂的过程，只有对这个过程进行科学合理的统筹规划，遵循可持续的技术开发原则，合理利用资源，才能保证其开发过程顺利、高效地进行，才能实现虚拟学具在教学实践中应用价值的最大化。

1．虚拟学具的设计研发应建立全新的设计评价标准。

虚拟学具应用于教学实践，还处在探索和尝试阶段，这是一个比较复杂的问题，其教学效果并不一定能完全通过显性的指标和外在的行为表现出来，可能更多的是一种潜在的、隐性的和长期的效果，应建立新的设计评价标准：

第一，教育性标准。虚拟学具作为服务于教学的课程资源，必须以实现教学目标，满足教学实际需求为原则，应紧紧围绕课程标准来设计，可依据课程标准将学科基本知识技能及要求做系统的梳理，形成各学科的知识体系和知识点，据此进行系统的学具设计开发。虚拟学具设计的出发点和归宿都应该是促进学生学习，它所追求的主要是学具的内在特征，虚拟学具应当是学生探究学习中的“脚手架”，其设计应保障学生在这样的支架上可以顺利进行探究性学习，避免跟随技术潮流盲目设计开发而导致实用价值的降低。

第二，体验性标准。虚拟学具是要让学习者在积极的体验中，获得准确的知识技能，所以，对其评价不能仅仅用成绩等传统的考核标准来衡量，而要将学习者在学习过程中获得知识的学习体验和感受纳入其中，突出以人为本。

第三，技术性标准。虚拟学具的设计开发技术是重要保障，用于探究学习的优质虚拟教具资源对情境设计和技术要求很高，虚拟学具技术性评价的重点是开发技术的可操作性和易实现性、场景渲染的真实性、画面生成的逼真性、图形绘制的方便性、集成作品的交互性、参与性、有效管理和可修改性等等。

第四，艺术性标准。虚拟学具呈现的是多维感官共同作用的立体信息，这些信息符号并非杂乱无章的堆积，而是艺术思维的渗透，在遵循人类视觉规律和审美规律的基础上，应以艺术的形式呈现学具内容，融入教学内容的同时体现趣味性，在一定程度上可与教育游戏相结合，激发学习者的视觉享受、思维驱动，以达到最佳学习的效果。[5]

2．虚拟学具的设计应组建强大的研发团队，建立资源共享平台。

优质的虚拟学具应该具有内容性、教育性、科学性、技术性和艺术性等特征，其研发涉及学习科学、教育技术学、心理学、传播学、设计艺术学、计算软件与理论、计算机应用技术等诸多学科的研究领域，需要包括教学设计专家、心理专家、软件开发技术人员、一线教师甚至是学生的专业团队来实现。来自一线的教师负责提出课程内容，保障虚拟学具的内容性；教育研究人员运用相关学习科学理论，保障虚拟学具具有教育性；学具设计人员负责设计组织，将课程内容与虚拟环境更好地融合，保障虚拟环境的科学性；计算机科学家和设计艺术家主要运用计算机技术和虚拟现实技术来开发虚拟环境，并达到技术性和艺术性的统一。[6]同时，有关部门应协调各研发团体建立虚拟学具资源共享平台，应推动优质学具资源在最大范围内的共享利用，以避免重复性劳动。

五、结束语

目前国内优质学习资源还十分匮乏，虚拟学具的研究设计尚处于起步阶段，开发和使用缺乏统一的协调。但其在提高学生学习绩效、促进课程改革方面的潜能越来越被关注，需要各类专业人才的投入研究，这是学习科学实践共同体未来工作的重要内容。可以想象，在学习科学理论指导下的虚拟学具有效研发和广泛应用，将对学习情境和学习工具带来多大的变革！

参考文献：

[1] 张露.虚拟教具在数学教学中的使用[J].中国信息技术教育，2009，(17)：78-79

[2] 于虹.新课程标准实施背景下数学学具的新价值取向[J].世界教育信息，2010，(4)：63-64

[3] 郑旭东,孟红娟.在联合中走向变革:学习科学与教育技术创新发展的新景观[J].远程教育杂志，2011，(1)：15-16

[4] 祝智庭.设计研究作为教育技术的创新研究范式[J].电化教育研究，2008，(10)：30~31

[5] 杨晓宏,李鸿科.对我国教育游戏研究现状的思考[J].中国电化教育研究，2010，(10)：19-20

[6] 王建明,陈仕品,刁永锋.多用户虚拟学习环境River City 的项目分析及其启示[J].电化教育研究，2011，(7)：66

作者简介：

姓名：孙一萍 性别：女 民族：汉 籍贯：四川省成都市

职称：副教授 出生年月：1964-11-24 所获学位：硕士目前主要从事的工作和研究方向：教育心理学、学习科学与技术教学及研究