傅健，杨雪
（吉林大学高等教育研究所吉林长春130012）
【摘要】桌面虚拟实验以其“真实”、教学效果好等特点为教学和科研等机构所青睐，虽然技术实现已不再是难点，但在设计和应用上仍然存在很多问题。文章从哲学中主客体视角提出桌面虚拟实验的设计原则和应用指导，从而最大程度地提高“桌面虚拟实验”产品开发性价比与应用绩效。
关键词：主客体；桌面虚拟实验；设计；应用；
【中图分类号】G459 【文献标识码】A 【论文编号】
Designing and Application of the Desktop Virtual Experiment from Perspective of Host-guest
FU Jian ,YANG Xue
（Institute of Higher Education, Jilin University, Jilin, Changchun, 130012, China）
Abstract：Teaching and scientific research institutions are in favor of the desktop virtual experiment for its characteristics of “reality” and effective teaching. neglected easily and problems are still exist in process of designing and application though the technology is no longer difficult. This article provides several guidance for the designing and application of the desktop virtual environment so as to improve cost-effective and application’s effect of the products in the greatest degree.
Keywords: Host-guest; The Desktop Virtual Experiment; Design; Application
一、引言
近年来，桌面虚拟实验作为虚拟现实技术应用的一个重要领域，其情境性、灵活性及一定的“实践性”优势使其被广泛应用在医学、物理等自然学科的实验教学与学习上。同时伴随信息化教育对数字化资源建设的需求，桌面虚拟实验产品越来越多。但当前在设计与开发上，“碰运气”或“跟着感觉走”现象较为盛行；在应用上也存在虚拟实验一定比其它多媒体课件应用效果好等类似观点，这样的理念使得开发的产品应用效果并不好。例如对大连理工大学的“大学化学虚拟实验系统”及吉林大学的“大学物理虚拟实验系统”使用者的问卷调查显示：72%学习者不喜欢系统的导航方式；50%学习者认为实验系统操作中及时反馈及提示信息较少；35%学习者则认为操作不便捷【1】。可见当前开发的诸多实验系统虽然在一定程度上辅助了教学，特别是实验教学，但是应用仍局限在“可用”的基本功能满足上，而尚未达到使用户“爱用”的效果，究其原因，大多开发与应用效果较差的桌面虚拟实验产品在设计与应用过程中缺乏科学的指导。因此本文试图从哲学学科的主客体视域为虚拟实验的设计与应用提供理论指导，使得有据可依，科学开发与应用，从而提高桌面虚拟实验产品的开发性价比与应用绩效。
二、桌面虚拟实验操作中的主体与客体辨析
主客体理论归属于哲学基本范畴，常作为一种视角来分析实践活动中对象关系。早在古希腊时期，亚历士多德就在他的《范畴篇》中将主体的概念抽象出来，认为主体是性质、状态、关系、活动等等的基质，而属性、状态、关系、活动是属于主体的【2】，可见对主客体理论研究之久远。而对于主客体的区分，马克思以实践论视角认为主体是有意识、能从事实践活动的人，是在一定的社会关系中进行改造和认识客体活动的鲜活的人；客体是进入主体实践活动领域并和其关系的客观事物。皮亚杰则从认识论角度对主客体概念进行了严格的区分，在他看来，主体与客体及其概念是通过主体的活动建构而成的，一开始既不存在一个认识论意义上的主体，也不存在作为客体而存在的客体【3】。虽然视角不同，但都肯定了实践活动是主客体之间联系的中介。
而桌面虚拟现实（Desktop Virtual Reality，简称DVR）是利用个人计算机和低级工作站进行仿真，将计算机屏幕作为用户观察虚拟境界的一个窗口，通过鼠标、键盘等廉价输入设备实现与VR世界的充分交互【4】。桌面虚拟实验就是桌面虚拟现实技术在实验领域的典型应用，从概念可知在学生操作“桌面虚拟实验”这一活动中，可将其归结为学生与虚拟场景之间的主客体活动，即学生作为虚拟实验的操作者和控制者，是主体，而“桌面虚拟实验”所构建的虚拟场景由于被纳入主体的学习活动中而作为对象即客体存在，学习活动的发生，正是桌面虚拟实验操作这一对象化活动所完成。
三、主客体视域中桌面虚拟实验的设计
在主客体理论中，主客体关系理论是其核心，关系理论主要表现在以下两点：第一，主体通过生产实践改变客体。在改造世界的实践中, 主体能动地反映和改造客体，同时客体对主体有约束和规定作用；第二，主客体是对立统一关系，即不是决定的对立，而是主客体之间通过相互作用达到二者一定意义的双向和谐建构，正是在复杂矛盾运动中, 既改造客体也改造自己的能力。
从主客体之间的关系，桌面虚拟实验中的主体（学生）与客体（虚拟场景）是互相影响的，同时作为鲜活的、灵动的学生主体具有社会性、自然性等特点，其所需要掌握的生活经验更多需要来自真实的实践；而作为客体的虚拟场景并非真实，当主体“遭遇”机器所构建的虚拟场景时，有时会比非直观的书本阅读出现更多问题，因为书本虽不直观，但留人想象的空间，不至于产生误导。因此下面根据主客体关系理论并结合桌面虚拟实验中的主客体特点提出一些设计原则。
（一）减少对学生的主体地位限定
人通过认识与改造世界这一对象化活动求得生存和发展，在活动中，人以其实践能力占据主体地位，但客体的对象化活动仍然制约了主体的地位。当前一些桌面虚拟实验中，学生的操作更多的是适应机器构建的虚拟场景，而不是让机器来适应人，导致了学生主体性一定程度的消解，同时一些实验演示过多、互动参与少，这都使得学生的主动积极性降低，因此设计中，可以通过一些细节的设计使学生主体性加强。例如在一些粗糙的桌面虚拟实验（图1左）中，所有操作鼠标形状不改变，改良后，当操作旋钮等时，鼠标会变成手型（图1右），细节的设计使学生在操做“实验”时，感受的是自己的行为，减少了客体（虚拟场景）对自己的主体地位约束。
图1 “鼠标”细节设计比较
（二）减少主体的认识错位
用户特别是低年级的学习者认知能力有限，即使在真实的场景，有时出现认知错位，而虚拟实验所构建的模象信息遗漏难免，或者过于频繁的使用“虚拟缩放”，都会使学生认识错位，潜意识中默认虚拟与真实无异，扩大了虚拟场景本有疆域，所以设计虚拟实验时，应尽量避免错位产生，可通过以下两种设计策略来避免：
1. 注重选择参照物：以熟悉物件为参照让学生有真实场景的依附感，减少认识错位。在一些虚拟测量实验中，学生不能习惯对虚拟物件的测量，到真实实验中时，学生对尺寸有时产生很大误解，无法正确把握被测物体的尺度等，因此可以在旁边放置一个尺寸比较单一的熟悉物件；
2. 注重反馈设计：在桌面虚拟实验操作中，可能会因认知错位而产生一些错误行为甚至习惯。例如:学生在“实验”中可能因“好玩”而反复单击鼠标操作器材，如果不能意识到真实与虚拟实验的区别，把这个行为带进真实实验中，可能产生不爱护器材的行为甚至习惯，这在普通实验中所造成的伤害不明显，但在危险性高的实验中，其重要性不言而喻。为了防止这种情况，应注重反馈的设计。在“实验”中甚至是“实验”前通过文字或者演示错误行为带来后果来设置反馈，预防不良行为发生和习惯的养成。
3. 防止“弄巧成拙”：虚拟实验以真实实验为基础，但由于技术限制不是所有的现象和器械都能表现“完美”，因此表现无法与真实贴近时则可不表示，防止“弄巧成拙”。例如在演示光的性能时，不能为了形象采用粒子系统表现，要注意到光的波粒二象性，防止误导学生。
（三）使虚拟场景具有情感性
一些虚拟实验没有重视“实验”场景的设计：没有场景或场景粗糙，使学生提不起兴趣，因此在设计虚拟实验时，即使添加一个色彩和谐的简单场景或者和生活贴近的物品，也能激发人的情感，使学生体会到“实验”对自己的关怀，同时也能使学生能在“实验”中找到课堂学习的“归属感”。例如图2中，花盘的添加增加了一定的情感作用。
图2 添加花盘的“实验”设计
（四）注重学生的“社会性”
人是社会性动物，所有的活动都离不开与他人的交往，同样在学习活动中，更多是与教师、同学和课程内容等的交流。交流不仅使学生知识技能得到提高，身心也得到发展，而一些虚拟实验所描述的虚拟场景有时候缺少对人的社会性的重视，实验中只是单纯的技能操作，只有器材和人的交互，忽略了情感交流，导致学生的心智得不到应有的全面发展。因此设计中，要融入情感要素，可以给“实验”设计一个“虚拟”教师提供简单的导航，或者设计更多“生生”交流等互动模块。添加虚拟教师的实验设计示例如图3：
图3 添加可简单导航的虚拟教师
（五）考虑主体的系统思维提高
桌面虚拟实验通过采集真实实验中的关键信息来模拟真实实验，其信息采集的有限性必然导致信息的损失。而系统论认为, 一个系统的能力大于其内部各部分的简单总和，因为其内部各要素之间存在着一定结构或“组织”形式【5】。在目前桌面虚拟实验中，更多的是物件、机体的的简单“拼接”，这点应用到医学教学上则很不科学，因此在“实验” 设计时，要注意多提醒学生联接整合功能的作用：呈现一个局部单元应先有演示该局部与整体之间的关系和局部在整体中的地位的部分，而不是直接演示操作所需部分。
综上所述，有时改变一下鼠标操作的形状，添加充满感情的色彩、简单物品等细节都可以在保证开发成本的前提下促进学生与虚拟场景的有效互动，提高学习效果。
四、主客体视域中桌面虚拟实验的应用
通过以上从主客体视域对桌面虚拟实验进行设计，可以达到一定的性价比，但客体（虚拟场景）中“实践”得到的经验仍然不能真实地代替真实场景的生活和经验，因此在应用桌面虚拟实验的过程中，更需要慎重选择以及提供良好的使用条件，方能应用出最佳效果，以下给出一些具体应用指导：
（一）产品选用原则：首先依据“多媒体组合教学”的思想，衡量是否选择桌面虚拟实验产品来辅助教学，决定使用后则选用能使主体（学生）和客体（虚拟场景）和谐一致的“实验”，选用的原则以上文中设计的要点为依据，选用设计“和谐”的产品学生能既能沉浸到虚拟实验场景中去，也能将虚拟与真实区分，防止认识错位。同时要求“实验”反馈时间恰当，提示明了，互动为主，注重学生参与，以及场景的情感设计和交流空间，这样方能使学生切身参与而达到良好的意义建构。
（二）应用时的要点：虚拟实验不仅能让学生不限时空的“实验”，而且设计良好的实验能够让学生得到练习，解答学生的问题，但毕竟区别于真实实验，不能涵盖真实实验中的所有情况，也不能完美诠释真实实验器材所特有的性能和质感等，因此在学生使用虚拟实验时，实验教师应该在现场补充实验关键信息，给予正确的组织、指导。
（三）应用角色定位：主体通过实践活动改造客体，这一对象化活动给予主体以知识和智慧，但桌面虚拟实验中所构建的虚拟场景虽强大但无法完全获得真实场景所能给予的知识经验和心智提高，同时虚拟实验本身影响学生对“细致”变化和非正常信息的感受，不利于学生创新能力和问题意识的培养，同时虚拟实验操作对计算机操作能力有一定要求，因此若作为实验的考核很难说明实际动手实验操作能力。
以上从选用、应用要点和角色定位三方面对桌面虚拟实验的应用进行了分析，可以看出必须摆正桌面虚拟实验产品的地位，仅将其作为辅助手段：实验前预习，实验后复习所用，而无法替代真实实验。在应用时，还应结合具体情况科学应用，发挥桌面虚拟实验应用的最大成效。
五、结语
通过从主客体视域对桌面虚拟实验设计与应用的分析，可以看出桌面虚拟实验虽然逼真、高效，但区别于高仿真虚拟现实技术，仍然仅仅局限在“桌面”上，同时在设计和应用时却更容易因为忽视细节而导致学习效果降低甚至导致学生不良“习惯”产生，所以以主客体等科学理论为指导，结合教学实际情况来设计和应用，可以在一定程度上提高桌面虚拟实验产品的开发性价比，用户的学习也可以愉快、高效。
【参考文献】
[1]魏书莉，杨雪，傅健．虚拟实验操作系统中的认知摩擦问题研究[J]．现代教育技术，2009，(9)：121-123．
[2][3]王公晓．皮亚杰主客体关系理论及其借鉴意义[D]．河南：郑州大学，2007．
[4]于洪涛．桌面虚拟实验在实验教学中的作用及其应用条件[D]．长春：吉林大学，2007．
[5]郭春梅，白旭光．系统论在高校统计信息资源整合中的应用[J]．系统科学学报，2008，(3)：95．
