建構(gòu)主義理論在虛擬仿真實驗設(shè)計中的應(yīng)用研究

葛峰，謝寒宵，姜雷，李強，李靜嫻

（1 南京工業(yè)大學 建筑學院，江蘇南京 211816；2 南京工業(yè)大學 實驗室建設(shè)與管理處，江蘇南京 211816）

2018 年4 月，教育部發(fā)布的《教育信息化2.0 行動計劃》提到，加強高等院校虛擬仿真實訓教學環(huán)境建設(shè)，滿足教學信息技術(shù)的需求。虛擬仿真實驗教學中學生學習自主化、實驗教學仿真化、教學內(nèi)容形象化等特點，與建構(gòu)主義的“以學生為中心，教師為引導(dǎo)”教育理念在方向上具有一致性[1]。因此，將建構(gòu)主義理論應(yīng)用到虛擬仿真實驗設(shè)計中，在實驗教學的創(chuàng)新改革、信息化建設(shè)、人才培養(yǎng)模式等方面是具有挑戰(zhàn)性和實踐意義的嘗試。

楊明[2（]2011）在分析建構(gòu)主義認識論指導(dǎo)下仿真教育技術(shù)的中介作用基礎(chǔ)上，提出基于建構(gòu)主義認識論的感知認識、智力開發(fā)、審美等八項仿真教育技術(shù)價值考量。賴晶亮[3（]2020）主要分析了建構(gòu)主義理論與虛擬現(xiàn)實技術(shù)融合在職業(yè)教育中的實驗教學發(fā)展應(yīng)用情況，并探討了信息時代職業(yè)教育的創(chuàng)新觀點。尹雋[4（]2022）基于建構(gòu)主義學習理論，構(gòu)建了虛擬仿真教學系統(tǒng)學習效果的影響機制模型，從教學內(nèi)容、虛擬仿真技術(shù)、學習者特征三個維度探討虛擬仿真教學系統(tǒng)對學習效果的影響。建構(gòu)主義理論與虛擬仿真實驗進行融合已經(jīng)具備了一定基礎(chǔ)，不僅可以訓練學生主動學習的積極性，還可以提高學習效果和實驗教學的水平。但也需要注意到虛擬仿真實驗的缺點，如實驗結(jié)果不具有普遍性[5]，需要加強對實驗結(jié)果的驗證。因此，在虛擬仿真實驗設(shè)計過程中融合建構(gòu)主義理論，需要創(chuàng)新性地總結(jié)出一種合理有效的教學模式和實驗內(nèi)容設(shè)計方式。

1 建構(gòu)主義與虛擬仿真實驗結(jié)合分析

建構(gòu)主義和虛擬仿真實驗技術(shù)在教育領(lǐng)域中都有其獨特的理論基礎(chǔ)和教學方法，將這兩者進行融合，分別從理論性、可行性、必要性和先進性四個方面的不同視角進行分析和研究，旨在進一步推動實驗教學的創(chuàng)新和改革。

1.1 理論性分析

建構(gòu)主義理論倡導(dǎo)學生進行自主實踐和自由探究，自主發(fā)現(xiàn)和建構(gòu)知識，主要目的是為了培養(yǎng)學生實驗創(chuàng)新和科學研究的能力。虛擬仿真實驗技術(shù)是一種先進的信息技術(shù)教育手段，可以體現(xiàn)出部分現(xiàn)實情況無法實踐的優(yōu)勢，讓學生在實驗教學中發(fā)揮出充分的創(chuàng)造力。建構(gòu)主義和虛擬仿真實驗技術(shù)的結(jié)合，完全可以利用虛擬仿真實驗技術(shù)的虛擬情境和建構(gòu)主義理論的同化和順應(yīng)、平衡與不平衡等特點幫助學生主動構(gòu)建知識，把專業(yè)知識轉(zhuǎn)化為更容易理解的內(nèi)容，提高學習效果和興趣。

1.2 可行性分析

建構(gòu)主義和虛擬仿真實驗技術(shù)結(jié)合的可行性主要來自兩個方面：一是建構(gòu)主義理論的支持；二是虛擬仿真實驗技術(shù)的發(fā)展。建構(gòu)主義教學理論和虛擬仿真實驗技術(shù)是虛實結(jié)合、優(yōu)勢互補的關(guān)系。仿真技術(shù)可以模擬各種實驗情境，提供與真實情境類似的學習體驗，不受實驗設(shè)備和場地限制，使學生在更多的場景下可以隨時隨地開展實驗活動。因此，虛擬仿真實驗的“技”與建構(gòu)主義理論的“術(shù)”的結(jié)合，可以更好地幫助那些現(xiàn)實條件難以實現(xiàn)的實驗教學活動順利開展。

1.3 必要性分析

建構(gòu)主義教學理論強調(diào)學生的主動探究和建構(gòu)，虛擬仿真實驗技術(shù)的大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)能夠解決實體實驗中無法完成的實驗，通過人機交互和團隊協(xié)作，提高學習效果和興趣。同時，虛擬仿真實驗技術(shù)能夠提供多種實驗情境的模擬[6]，讓學生在虛擬環(huán)境中通過教師的指導(dǎo)和協(xié)助自主完成實驗，提高學生的實踐能力和實驗數(shù)據(jù)處理能力。建構(gòu)主義和虛擬仿真實驗技術(shù)結(jié)合，讓虛擬仿真實驗過程中的會話協(xié)商和意義構(gòu)建更加合理，使教學內(nèi)容、教學方法和教學技術(shù)更加科學，對于推動實驗教學的改革和發(fā)展起到舉足輕重的作用。

1.4 先進性分析

兩者融合可以讓學生在實驗操作過程中更加明確目標和團隊協(xié)作的重要意義，重新審視專業(yè)知識建構(gòu)的重要作用。虛擬仿真實驗可以根據(jù)學習者的需求進行調(diào)整和定制，實現(xiàn)不同難度級別、不同設(shè)置和參數(shù)變化，從而滿足不同學習者的需求，以及避免學生在真實實驗中遇到高風險、高成本的實驗操作。因此，兩者的結(jié)合可以提供更加全面、高效、靈活和安全的學習體驗，賦予實驗教學先進性一種新的詮釋。

2 建構(gòu)主義理論應(yīng)用于虛擬仿真實驗設(shè)計的思路

在虛擬仿真實驗設(shè)計和建設(shè)過程中，利用實驗教學的文化和社會背景，以學生為主體，加強在教學大綱、教學方法、教學目的、考核評價方式、學習案例等方面學習資源的建設(shè)，創(chuàng)造積極的學習環(huán)境，提供具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)和問題，培養(yǎng)學生創(chuàng)新實踐的能力。

2.1 明晰科學的學習目標

建構(gòu)主義理論認為，學習是一種主動的、自主的和建構(gòu)性的過程，學生在構(gòu)建的情境中通過交互來建構(gòu)知識和認知。在虛擬仿真實驗設(shè)計中，應(yīng)用建構(gòu)主義理論，需要確定清晰的學習目標，指導(dǎo)學生在虛擬環(huán)境中的探索和學習。確定學習目標需要考慮學習目的、特征和虛擬場景等多種因素，凝練出科學合理的學習目標，以提高學生的學習效果。學習目標應(yīng)該具有一定的挑戰(zhàn)性和復(fù)雜性，在激發(fā)學生求知欲的情況下，幫助學生樹立勇攀科學高峰的意識。并且考慮虛擬仿真實驗內(nèi)容和場景應(yīng)匹配，設(shè)置科學縝密的實驗步驟和邏輯思維，通過支架式教學、拋錨式教學、隨機進入教學等不同教學方法讓學生在逼真的情境中完成實驗，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維和實踐能力。

2.2 設(shè)計逼真的仿真環(huán)境

在虛擬仿真實驗設(shè)計和建設(shè)中，逼真的虛擬仿真環(huán)境是非常重要的，在創(chuàng)設(shè)虛擬仿真情境時，需要考慮以下幾個方面：（1）確定虛擬仿真環(huán)境的類型。虛擬仿真環(huán)境可以是三維環(huán)境、二維環(huán)境、動畫環(huán)境等。在確定類型時需要考慮學習目標、學生年齡、學科背景等因素；（2）選擇合適的虛擬仿真軟件。虛擬仿真軟件應(yīng)該具有逼真的畫面效果，具備豐富的交互功能，讓學生更加容易地進行操作和學習；（3）確定虛擬仿真環(huán)境的場景。虛擬仿真環(huán)境的場景應(yīng)該與學習目標相匹配，以結(jié)果為導(dǎo)向增強人機交互的體驗感。例如，對于音質(zhì)的混響設(shè)計實驗，虛擬仿真環(huán)境的場景應(yīng)該設(shè)置在廳堂中，使學生能自主、迅速地掌握廳堂音質(zhì)設(shè)計的要點、流程、方法及技術(shù)調(diào)整手段，有效鞏固及提升學生對該實驗從設(shè)計到營造全過程的認識和理解。

2.3 構(gòu)建多元化的學習資源

在虛擬仿真實驗設(shè)計中，基于建構(gòu)主義理論需要不同類型的學習資源，便于學生更好地熟悉實驗內(nèi)容。首先，在實驗預(yù)習的習題庫的設(shè)置方面，應(yīng)該注重設(shè)計多樣化的實驗題目，涵蓋不同難度的知識點。在實驗習題庫中為學生提供選擇題、判斷題和應(yīng)用題等不同類型的實驗題目，幫助學生在解題過程中建構(gòu)自己的知識。其次，在課程設(shè)計資源方面，注重設(shè)計豐富多樣的多媒體教學資源，涵蓋圖像、聲音、視頻等多個類別，吸引學生的注意力，鼓勵學生提前預(yù)習和主動學習。以及根據(jù)不同需求對學習資源進行分級分類，便于學生根據(jù)自己的情況進行差異化學習。第三，在視頻資料的制作方面，注重制作實驗簡介視頻和實驗教學引導(dǎo)視頻。實驗簡介視頻可以幫助學生掌握實驗相關(guān)原理和實驗情境，提高學生的實驗參與度；實驗教學引導(dǎo)視頻則側(cè)重幫助學生學習具體的實驗操作步驟和實驗方法，通過同化理念和順應(yīng)需求的方式幫助學生優(yōu)化自己的認知結(jié)構(gòu)。最后，優(yōu)秀實驗案例回放也是一種非常有價值的學習資源，通過優(yōu)秀實驗的操作與自己的實驗方案設(shè)計進行對比，并從中汲取學習經(jīng)驗和方法。

2.4 設(shè)置挑戰(zhàn)性的任務(wù)問題

在虛擬仿真實驗設(shè)計和建設(shè)中，設(shè)計具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)和問題可以加強學生的協(xié)作與交流。通過任務(wù)分解、分組討論、師生互動的方式展開會話，潛移默化地幫助學生增強學習積極性。虛擬仿真實驗的任務(wù)和問題設(shè)置應(yīng)考慮以下情況：（1）確定任務(wù)和問題的難度級別。任務(wù)和問題的難度級別應(yīng)該與學生的知識儲備相匹配，難易程度適當，并且可以根據(jù)學生的專業(yè)基礎(chǔ)、學術(shù)水平等因素進行調(diào)整；（2）確定任務(wù)和問題的實用性。任務(wù)和問題的實用性是評價其質(zhì)量的一個重要指標，任務(wù)和問題應(yīng)該與實際應(yīng)用相關(guān)，可以讓學生在實踐中掌握知識和技能；（3）適時提供支持和引導(dǎo)。在學生面對具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)和問題時，適宜的支持和引導(dǎo)能夠幫助學生重新審視自身認知的不足，引導(dǎo)學生利用相關(guān)的學習資源、線索、提示、互動和反饋等，利用支持線索消除對畏難情緒，對挑戰(zhàn)性的難題進行抽絲剝繭，完成實驗任務(wù)的同時改善自己的知識結(jié)構(gòu)。

3 應(yīng)用案例驗證

建構(gòu)主義應(yīng)用于虛擬仿真實驗中，可以強化學生的學習目標，提高實驗教師教學水平和學生學習體驗。以實驗空間網(wǎng)站上南京工業(yè)大學的《高電壓氣體放電多效應(yīng)綜合診斷及其物理過程虛擬仿真實驗》（圖1）和《廳堂音質(zhì)的混響設(shè)計虛擬仿真實 驗》（圖2）兩門虛擬仿真一流課程為例，隨機在南京工業(yè)大學的兩個專業(yè)中各選取100 名學生完成虛擬仿真實驗和問卷調(diào)查，并對實驗過程中實驗內(nèi)容、難易程度、人機交互感、操作體驗感、場景設(shè)計、學習資源多樣性、滿意度等方面進行前后數(shù)據(jù)對比分析（圖3），兩個實驗的相同選項取平均值。

圖1 高電壓氣體放電多效應(yīng)綜合診斷及其物理過程虛擬仿真實驗

圖2 廳堂音質(zhì)的混響設(shè)計虛擬仿真實驗

圖3 建構(gòu)主義應(yīng)用前后評分對比

在實驗內(nèi)容的數(shù)據(jù)統(tǒng)計中可以看出，通過兩者融合后的仿真實驗，學生對實驗的掌握情況得到明顯的改善。得分從87 分提高到91 分，提升了4 分。難易程度方面，虛擬仿真實驗設(shè)計可以根據(jù)學生的學習進度和能力水平進行調(diào)整，使學生更容易理解和掌握實驗內(nèi)容。得分從81 分提高到了89 分，提升了8分。人機交互感方面，虛擬仿真實驗設(shè)計的人機交互性可以讓學生更加主動地參與實驗，增強交互感和學習體驗。得分從85分提高到了93 分，提升了7 分。操作體驗感方面，虛擬仿真實驗設(shè)計的操作體驗感可以讓學生更加熟練地掌握實驗技能，增強操作體驗感和實驗效果。得分從86 分提高到了92 分，提升了6 分。場景設(shè)計方面，虛擬仿真實驗設(shè)計的場景設(shè)計可以讓學生更好地理解實驗內(nèi)容，增強學習效果和興趣。得分從82 分提高到了94 分，提升了12 分。學習資源多樣性方面，虛擬仿真實驗設(shè)計的學習資源多樣性可以讓學生更加全面地了解實驗內(nèi)容，增強學習效果和深度。得分從79 分提高到了90 分，提升了11 分。滿意度方面，虛擬仿真實驗設(shè)計的提高對學生的整體滿意度有積極的影響。得分從84 分提高到了92 分，提升了8 分。

由此可見，建構(gòu)主義應(yīng)用在虛擬仿真實驗設(shè)計中，可以提高實驗教學水平和學習體驗，增強了實驗內(nèi)容、難易程度、人機交互感、操作體驗感、場景設(shè)計、學習資源多樣性和滿意度等方面的實驗教學效果。200 份學生的問卷調(diào)查數(shù)據(jù)也證實了這一點，前后數(shù)據(jù)對比顯示，各方面得分均有不同程度的提升，平均提升了近10 分，充分驗證了建構(gòu)主義在虛擬仿真實驗設(shè)計中應(yīng)用的有效性。

4 結(jié)語

本文的研究表明，將建構(gòu)主義理論應(yīng)用于虛擬仿真實驗設(shè)計中，在高校實驗教學改革和協(xié)同創(chuàng)新方面具有重要的價值和借鑒意義。通過綜合考量學習目標、仿真環(huán)境、學習資源和挑戰(zhàn)性等因素，建構(gòu)主義理論與虛擬仿真技術(shù)的融合能夠積極促進新工科人才培養(yǎng)，體現(xiàn)在促進高校實驗教學改革、強化基于社交和合作的協(xié)同創(chuàng)新等多個方面。然而，本文未涉及到文科相關(guān)專業(yè)，在新領(lǐng)域的拓展和應(yīng)用上仍需更多的探索。