基于学科领域知识的虚拟现实实验系统的设计与实现|虚拟现实技术未来发展

　　[摘 要] 研究表明，学科领域知识在学习过程中发挥着积极的作用。在虚拟现实实验设计的理论探索和开发实践中，文章依据学科领域知识的三维结构，即学理内容、认知过程和问题条件三类知识，根据SCORM内容聚合模型的设计思想，引入一种基于学科知识库的三维虚拟实验知识单元模型，探讨基于该模型的实验知识单元的表征及其可视化呈现。在此基础上，以中学化学实验“实验室制取气体”为案例，介绍了基于学科领域知识的虚拟现实实验系统的构建策略。
　　[关键词] 虚拟现实； 虚拟实验； 学科领域知识
　　[中图分类号] G434 [文献标志码] A
　　[作者简介] 孙江山（1978—），男，山东东营人。讲师，硕士，主要从事新技术教育应用研究。E-mail：jssun@deit.ecnu.edu.cn。
　　一、引 言
　　当前，有关教与学的理论与技术的不少有价值的研究成果未能有效地向教学迁移，未能产生教育教学改革的预期效益，方兴未艾的虚拟实验系统的开发与应用也面临同样的困境。在现实的实验教学过程中，由于教师考虑实验安全隐患、需要花费时间和精力甚至教师信心不足等问题的存在，实验教学的效果一直未曾充分显现(Walton，2002)，虚拟实验系统应用在课程学习中的重要性也没有得到足够的重视(Saka，2002)，教学效果不尽如人意，达不到教学目标规定的要求。[1]英国“学习与绩效技术中心”统计，由教学专家们评选出的前100名最优秀的E-learning 工具排名中，截至2011年6月，虚拟实验系统难觅其踪。
　　随着具有视觉输入反馈功效的触控设备等虚拟现实建模技术和传感技术的日趋成熟，虚拟实验系统的诸多问题得到了进一步的改进和革新，如增强现实技术的教学实验应用等。[2]虚拟实验系统也越来越突现出了虚拟现实的特性，[3]如图1所示为虚拟微观化学分子结构及实验现象科学假设仿真。国内外的相关研究在涉及科学、技术和教育领域中的概念改变、抽象思维的发展和促进认知发展都给出了很高的认可，如基于三维世界的空间学习。[4][5][6]它在熟悉真实实验环境、消减实验焦虑、提高实验操作信心方面效果显著，[7]并且在当下实验教育资源匮乏和分配不平衡的情况下，虚拟实验教学突现利用率高、易维护和低成本等诸多优点，更体现了虚拟实验在实验教学实践中的应用价值。
　　以往研究主要侧重描述如何应用虚拟现实软件开发具体的实验项目、介绍新兴和常用实现技术，以及从计算机图形学的角度优化三维建模算法。笔者将从学科领域知识的角度研究如何设计有效的虚拟现实实验系统，以达到预期的教育目标。在整个虚拟现实实验系统设计过程中，不仅要考虑虚拟现实系统的软件功能模块、兼容性、可扩展性和使用成本等技术特征，更要从学科内容的特点（知识属性）和知识学习的心理规律（认知特性）两个方面审视虚拟实验设计的理论探索和开发实践。
　　二、基于学科领域知识的虚
　　拟现实实验系统的设计
　　学科学习可以看作是一个引导学生从新手认知向专家认知发展的过程。本文旨在通过对结构良好和功能完善的学科领域知识进行重新表征，构建基于学科领域知识的虚拟现实实验系统，以提高学科教学的有效性和学生学习的效率。学科领域知识是指学生所拥有的关于某个特定学科范围内的所有知识，是关于某一学科中的那些具有一定相关性、逻辑性、操作性的知识，按其知识属性、认知特性而加以组织形成的知识组块和认知操作图式。[9]从其结构上看，学科领域知识的三维结构包括了学理内容、认知过程和问题条件三类知识。其三维结构不仅涵盖了陈述性知识和程序技能，也包括了在认知操作中具有核心作用的元认知策略成分。它将原来教学实验中只考虑知识本身、内在关系的知识系统转变为将知识和认知相结合的领域知识。每一个学习者所获得的所有知识都可包含在这三类知识中，并且学科领域知识的三个组成部分是截然不同的。例如，学习者掌握化学制取二氧化碳气体的实验知识，就不仅要求具有制取二氧化碳气体需要准备什么和注意什么事项的学理知识，还要掌握实验仪器组装、药品添加及实验观察分析等认知过程知识，同时还要知道在什么条件下执行什么实验程序的限制性条件（即条件性知识）。这样，才能置换出二氧化碳，只有掌握了这三类知识，学习者才真正掌握了制取二氧化碳的完整知识。
　　（一） 学理知识的表征
　　虚拟现实实验系统按照学科领域知识的具体与抽象的逻辑关系，透过具体的实验现象的展示，揭示出具体的科学原理，帮助学习者突破思维上的难点和疑点。如“化学实验制取气体”，虚拟试验装置可逼真地模拟实验的仪器组装过程，演示实验的现象，如加热、生成气泡。突破了真实实验的某些局限，如实验时间跨度太长或太短不利于现象观察，实验过程变化的细节不便直观感受，科学假设受限于实验条件和设备的高要求无法验证。这样的虚拟现实建模虽然一般能帮助学习者清晰地了解具体的实验场景与现象，但是学习者观察过后未必能把握具体现象与抽象科学规律间的关系，也就难以达到运用规律解决新问题的有意义学习目标。如制取气体的虚拟实验现象要揭示的科学规律是化学制取气体的原理，为什么特定化学药品被混合时会产生气体？气体生成的化学反应过程的规律是什么？现实生活中的应用又如何？这些都是构建基于学科领域知识的三维虚拟实验知识单元模型要考虑的关键因素。
　　一个实验任务的成功完成是在考虑学生已有知识水平与学生在学习活动中的认知特点的基础上，同时考虑一系列相互关联的实验知识单元，组建实验知识单元学习序列。而虚拟现实三维建模能够全息表征实验知识单元内容，它借助几何建模、运动建模、物理建模等，构建可视化虚拟学习对象外观、运动和物理特性的数据模型。作为虚拟实验活动过程中传递学科知识信息的基本单元，具体包括概念、原理、关系、规则等反映事物的知识内容。
　　实验知识单元是学科实验知识学习的基本内容。本文根据SCORM内容聚合模型的设计思想，结合学科领域知识相关理论，引入一种基于学科知识库的三维虚拟实验知识单元模型。[10]在该实验知识单元模型中，描述学科知识库的核心元素Organization不是单纯地用于聚合实验内容或实验活动，还要用于描述学科知识体系、实验知识单元及其逻辑结构关系；元素Item用于描述实验知识单元，允许嵌套子元素Item；子元素Metadata用于描述有关实验知识单元的元数据，包括实验知识单元之间的组织结构关系。该模型中包含的数据，不单是特定实验项目中可视化场景所需的具体实验数据，而是要包括可视化3D模型及相关描述信息。在虚拟现实实验系统中，基于该知识单元模型的结构化数据可以实现直接扩展和迁移，实现在学科知识体系中的查询和获取，从而得到重复使用。如图2所示为基于该知识单元模型的中学化学虚拟实验实例的内容组织结构图。