虚拟实验的方法特点及其在教学上的应用

3．1．3　虚拟实验的方法特点及其在教学上的应用

1）虚拟实验是一种新的科学研究方法

（1）潜科学（potential science）简介^{[30]、[31]、[32]}

“潜科学”一词，译成英文为potential science，潜科学这一概念是20世纪70年代末由中国学者提出来的。1980年，以“潜科学”命名的杂志，使“潜科学”这一名词第一次被载入史册。近30年来，人们围绕这一概念及其研究的问题，展开了广泛的讨论。

所谓潜科学，就是潜在形态的科学，它是相对于显科学而言的。科学作为一个系统整体，它既是一个由低级到高级的动态进化过程，又是一个由“潜”到“显”的逐步转变结果。马克思曾指出，一切科学的历史进程，“在到达它们的真正出发点之前，总要经过许多弯路”。整个人类科学认识的发展，也是一个系统进化的过程^[33]。任何一个科学理论和学说的产生，都必然经过一段酝酿、孕育和发展的过程。如果将那些由已得到确证和世人公认的概念、定律、学说和理论所构成的常规科学称为“显科学”，那么，其前身，即那些处在孕育状态和不确定阶段，尚未得到严格证实和学界公认的科学思想，就可称为“潜科学”。

潜科学是从各门具体学科中抽象出来的，表征着每一种科学发现的共性过程，它扬弃了自身赖以生存的物理学、化学、生物学等学科特殊性，从而具有跨学科性质。同时，因为潜科学具备了多门学科的共性，因此，当分析其中的某一个领域的问题时，应该看作是有关潜科学的个例分析和专题研究。

在潜科学理论中，人们依据科学发现由“潜”到“显”的过程，将科学研究方法分为三个场相，即：第一场相：特定集约化主体的主观精神场相，这一场相发生在科学认识过程中的潜科学阶段；第二场相：充分社会化主体的理性实践场相，这一场相发生在科学认识过程中由“潜”向“显”转化的中介阶段；第三场相：客观知识场相，这一场相发生在科学认识过程中的显科学阶段。

（2）引入“三场相说”理论^[34]、[35]

依据潜科学理论，“三场相说”指的是：一个相对独立的科学研究过程，首先要经过个体科学家在头脑中的孕育过程。这个过程不是孤立的，而是要把当时有关的知识、信息、方法集约化，加以创造，所以科学研究的主体是集约化主体，其基本形态是“主观精神场相”。然后，创造性思维提出的科学假说要经过社会实践的检验与修正，成为学术界公认的科学成果。这时的科学发现活动主体是社会化主体，其基本形态是“理性实践场相”。最后，科学成果要整合到理论体系中去，成为客观知识的一部分。这时的基本形态就是“客观知识场相”。科学研究的过程就是将科学知识由“潜”到“显”进行转化的过程，也是三个场相相互关系、逐步演进的过程。如图3-9所示是在科学研究过程中，科学研究方法三个场相的演进关系图。从图中所示的演进关系出发，分别对三个场相进行阐述。

图3-9　科学研究方法三个场相演进关系图

①主观精神场相

在关系图中，处在第一场相的是主观精神场相，这一场相发生在第一阶段——潜科学阶段。这一场相的建立基础是，在任何一个科学发现活动或科学研究过程中，科学知识的认识和掌握首先要经过科学研究主体头脑中的孕育过程。当然，这一过程并不是完全孤立的，而是将已有的相关科学知识及在其他阶段已经获得的信息、方法、理论重新进行糅合、提炼、加工和发展的过程。在这个过程中，作为认识主体的人，不是一般的生物人和社会人，而是处在一定认识关系中的实践着的人。作为科学研究主体的科学家、发明家，决不是具有一般感性认识能力的人，而是科学世界中的成员，是生产精神产品的劳动者。大凡被称誉为科学家、发明家的人，他必然是一个信息化了的人，或者说，他是信息选择论者和科学世界建构论者。就一般意义上说，所谓认识的主体性，是指认识过程中的主体通过实践所发挥的能动性以及凝结于认识结果中的主体属性。而在潜科学理论中所谈及的科学研究主体，不仅是通过实践所发挥的能动性来进行科学研究活动，同时是将已有的知识、信息等能动地加以集约化，进行创造性的思维和实践，使得信息集约和科学实践成为互相关联、能动促进的两个部分。因此，在科学研究过程中，科学研究主体发挥着信息集约化的作用，是特定的集约化主体，在科学研究的潜科学阶段，体现了主观精神场相的能动作用。

②理性实践场相

理性实践场相在科学研究方法三个场相演进关系图中处于中间位置，发生在科学发现活动中，科学知识由“潜”到“显”的中介阶段。作为科学认识过程之起始的潜科学阶段，还必须经过一个复杂的中介阶段，才能向显科学阶段过渡和跃迁。与之相适应，科学认识主体的思维也必然要由集约化主体的主观精神场相，经过复杂的充分社会化主体之理性实践场相，才能够转化为客观知识场相。在这一阶段中，科学研究主体所处的理性实践场相要求科学研究者将第一阶段中所形成的猜想、假设、构思等在理性的实践活动中加以检验和证实。通常来说，一个猜想、假设、构思在完全被证实是可行和正确的之前，是不能够直接投入到实际的生产实践活动中去的。因此，科学研究主体在充分考虑到环境因素、社会因素、条件因素等情况下，构建实践活动来检验和证实其猜想、假设、构思的正确性、可行性和合理性，这种由科学研究工作者自行构建的实践活动在科学研究方法中被称作“实验”。在这个阶段，科学知识经历的是一个充分社会化、由“潜”到“显”的过程，在这个过程中，科学研究者担任着充分社会化主体的角色。简而言之，科学认识由“潜”向“显”转化的中介过程，实质上是充分社会化主体的理性实践活动对于潜科学阶段内集约化主体创造的科学假说的检验和选择，这是一个极其复杂的科学认识阶段。

③客观知识场相

在科学研究方法三个场相中，处于最高场相的是客观知识场相。客观知识场相被认为是在前两个场相——主观精神场相和理性实践场相中的集约化主体和充分社会化主体的相互作用下，使得科学知识经过孕育、假设和实践检验，最终被人类和社会接受的过程，在潜科学理论中，被公认的科学知识就称之为显科学。显科学泛指科学概念、科学定律和科学理论等各种知识形态。客观知识场相的活动过程就是科学研究过程中的显科学阶段，特定专指科学理论由科学概念、科学定律的归并过程以及某一理论归并到现有理论中的序化活动。显科学阶段处于科学研究过程中的最高阶段，但是，科学研究者在显科学阶段通过序化和归并形成的显相的科学知识将能动地成为下一次科学研究过程中科学研究者脑海中已有的科学体系部分。因此，纵观科学研究过程中的三个阶段，潜科学阶段和由“潜”到“显”的中介阶段相互作用，潜科学阶段和显科学阶段互为基础，三个阶段是一个能动的内展和外延的整体过程。

从以上分析可以看出，这种科学研究方法在科学研究过程中的分场相、分阶段的演进模式，合理地解释了在科学研究过程中，科学家个体与社会化主体的关系、科学理论自身发展与社会因素作用的关系、科学创造中主观成分与客观成分的关系、潜科学与显科学的关系、理论与实践的关系等一系列重要的相互关系、互为支撑的两个方面。

潜科学的“三场相说”理论表征了各门学科在进行科学研究过程中方法上的共性，每一种独立的科学研究方法都具备了潜科学存在的特质。对某一领域的科学研究活动进行独立分析与相关考察，因其与其他领域的科学研究过程在方法上具备潜科学理论上的共性，这种分析与考察可以看作潜科学理论在某一特定科学研究中的个例分析和专题研究。在后续章节中，将运用潜科学的“三场相说”理论来分析和考察虚拟实验这一科学研究活动在方法上分场相、分阶段的演进模式。

（3）虚拟实验的三场相分析^{[36]、[37]、[38]}

①虚拟实验的三场相演进关系

图3-10所示是虚拟实验三个场相的演进关系图。依据前文所释的潜科学理论，对虚拟实验这一科学研究活动进行分阶段、分场相分析。在潜科学阶段，实验研究人员和设计人员是主观精神场相中的集约化主体。作为集约化主体，实验研究人员和设计人员在虚拟实验过程的第一个阶段将与某一实验内容有关的信息、方法、理论，即已知的实验规律、相关理论等进行综合研究和加工，形成实验假设，即实验项目内容和实验设计方案。在由“潜”到“显”的中介阶段，实验研究人员和设计人员是理性实践场相中的充分社会化主体，作为充分社会化主体，实验研究人员和设计人员将在第一阶段中形成的实验假设，即实验项目内容和实验设计方案进行实践验证，也就是进行相应的实验准备、平台构建、操作以及对实验数据和现象进行分析和处理。在显科学阶段的客观知识场相，实验研究人员和设计人员进行实验总结与创新，将上一阶段中对实验数据和现象进行分析和处理的结果进行综合和归并，形成新的实验规律和理论。同时这些新的实验规律和理论将被系统地存储到实验研究人员和设计人员的实验知识和经验体系中，能动地为下一次的虚拟实验研究活动的集约化过程做准备。

图3-10　虚拟实验三个场相演进关系图

②虚拟实验的三场相分析

图3-11所示是虚拟实验科学研究方法三个场相分析示意图。对照着图中由潜科学所定义的科学研究方法的三个场相，将虚拟实验这一科学研究活动分为三个阶段进行研究，分析每一个阶段所涵盖的实际内容和运作方式，以确定其是否相应地属于潜科学所定义的科学研究方法的三个场相。虚拟实验可以分为实验内容设计、实验过程操作、实验结果分析三个阶段，现分述如下：

图3-11　虚拟实验科学研究方法的三个场相分析示意图

第一阶段：实验内容设计（潜科学阶段）：这一阶段分为实验项目确定、实验方案设计、实验平台构建三个分步骤。

a．实验项目确定

实验项目确定是实验研究人员根据进行本次实验需要验证的内容来确定实验项目的名称和内容。

b．实验方案设计

实验方案设计是实验研究人员根据项目内容、已知实验规律、现有设备进行方案设计。实验方案的科学性、可行性和适用性是整个实验项目能否顺利进行的重要基础。在这一步骤中，实验研究人员需要根据自己的实践经验和相关知识，将已知的实验规律和理论进行糅合和加工，并结合相关的实验仪器和设备、环境条件等，给出科学合理的实验设计思路。

c．实验平台构建

实验研究人员根据上一步骤中得出的实验设计思路，调用实验仪器和设备，以及一些相关的辅助设施，进行实验平台构建。同时，实验研究人员可以根据在平台构建过程中出现的问题重新修改实验设计方案。

在传统实验系统中，实验设备的性能、结构、设置参数等都已经由实验仪器和设备生产厂家给定，一般不容易重组和重构，因此，实验研究人员很难根据自己的实验设计思路和方案来构建适合某一实验要求的实验平台。而在虚拟实验中，由于虚拟实验系统采用了计算机控制，软／硬件自由重组配置的方式，给了实验研究人员很大的自由度和创造空间，可以方便地根据自己的实验设计方案，构建符合实验要求的实验平台。因此，在虚拟实验这一科学研究过程中，实验研究人员有条件将头脑中根据已有知识进行孕育和加工而形成的实验假设和实验构思投入到实际的实验过程中去，实验研究人员是科学研究过程中主观精神场相的集约化主体，实验内容设计这一阶段成为科学研究过程中的完整的一部分。

第二阶段：实验过程操作（由“潜”到“显”的中介阶段）：实验过程操作这一阶段分为实验准备、实验操作、实验数据处理三个分步骤。

a．实验准备

实验准备主要是熟悉实验平台和实验步骤，通过网络等途径将实验设计方案、实验平台构思和实验详细步骤等共享给实验中的协作方和参与方。另外，对实验辅助设施、实验室环境等进行检查和调整。

b．实验操作

实验操作是虚拟实验过程中重要的实践部分。实验研究人员在第一阶段中形成的实验假设和构思的正确性、实验方案的科学性与可行性、实验平台的适用性等将在这一步骤得到验证，并得到相应的表征实验现象和实验结果的大量实验数据。在虚拟实验中，由于网络的使用和分布式合作的实验模式，协作方和参与方可以不受时间和空间限制，参与到实验操作中去。

c．实验数据处理

在上一步骤中经过实验操作过程得到的大量实验数据是虚拟实验这一科学研究活动的有效输出。对实验数据进行处理，其作用有两个方面：首先，实验数据表征着实验现象，暗藏着实验规律，对实验数据进行处理，可以总结出实验现象背后的实验规律，得出新的理论，从而检验实验假设的正确性，完成实验目标；其次，对实验数据进行分析和处理，无法总结出实验规律，或者总结出的实验规律和现有理论是矛盾的，在这种情况下，要么推翻实验假设重新设计实验，要么对现有理论的正确性进行考证，无论从哪个角度来说，实验数据处理的结果都是对科学研究活动有价值的。

在传统实验中，由于实验场所和实验范围的固定，实验研究人员无法和更多的人沟通和协作，无法共享更多的实验资源。同时，由于缺少计算机等先进技术的支持，实验数据的分析和处理相对落后。而在虚拟实验中，实验研究人员可以通过网络进行实验思路和设计方案的沟通、实验操作的协作和实验资源的共享，并且通过计算机的先进技术加强对实验数据的分析和处理，便于总结实验规律，形成新的实验理论。因此，在虚拟实验过程中的由“潜”到“显”的中介阶段，实验研究人员作为充分社会化主体，有条件将上一阶段中形成的实验假设和构思等集约化结果进行有效的理性实践和验证。

第三阶段：实验结果分析（显科学阶段）：实验结果分析这一阶段分为实验规律总结、实验报告撰写两个分步骤。

a．实验规律总结

实验规律总结是实验结果显化的重要步骤。在虚拟实验中，计算机技术可以有效地提高实验数据运算的精确度，加强数据描点的准确性，对于分析实验现象，发现实验现象背后隐藏的实验规律和新的实验理论是有很大帮助的。

b．实验报告撰写

实验报告撰写是科学实验过程完整性的重要部分。在传统实验中，实验报告的撰写一般指的是将实验原理、实验方案、实验数据以及分析处理结果等进行陈述和总结，是一个实验项目完成的结束步骤。在虚拟实验中，撰写实验报告同样具有总结性和系统化的作用。同时，计算机技术在虚拟实验系统中的大量使用，为实验报告中实验结果和新的理论以更加直观的清晰的曲线图、三维图、对比图等形式展现出来提供了很大的帮助。

在虚拟实验这一科学研究过程中，实验结果分析处于最高阶段——显科学阶段，意味着一次科学研究活动的完成和结束。同时，由于在潜科学理论中，这一阶段所处的客观知识场相又是第一场相——主观精神场相的反向基础，实验研究人员作为整个科学研究活动的主体，不仅仅将虚拟实验过程中所总结得到的实验规律和实验理论写在实验报告中，存在脑海中，而且，由于在虚拟实验中，实验研究人员能够投入到实验系统设计和构架的过程中去，他在每一次虚拟实验中得到的相关实验规律、实验理论和实践经验，都将成为下一次虚拟实验中集约化过程的有效信息和知识，使得科学研究活动更加具有经验延续性和知识基础性。

（4）虚拟实验是一种新的科学研究方法

综合上述内容，潜科学理论强调的是在科学研究过程中，科学研究人员在潜科学阶段，也就是将已知信息、理论和经验孕育加工阶段所发挥的重要的集约化作用。潜科学理论认为，一个完整的科学研究过程应该包括主观集约、理性实践和客观显化三个阶段，一个严谨的科学研究方法应该具备科学研究人员的主观精神场相、理性实践场相和客观知识场相三个场相相互作用、互为基础的基本特征。

在传统的实验中，由于实验仪器设计、实验平台构建等是由前期的仪器生产厂家提供，实验研究人员作为实验过程中的主体，没有参与到前期的实验准备工作中去，实验前期准备工作和实际的实验操作在实践主体上是分离的，实验研究人员脑海中已有的经验、知识，以及实验现场的环境信息、协作信息等，没有融合到实验思路和方案中去，这对于实验过程中实验设计的可行性、实验操作的科学性以及实验结果分析的正确性是不利的。

在虚拟实验中，由于虚拟实验系统所具备的一系列特点，例如易于重构、协作、创新等，使得实验研究人员有条件成为整个实验系统的设计者、操作者和理论创新者，虚拟实验的整个过程包括了实验内容设计、过程操作和结果分析，符合潜科学理论认为科学研究过程包括潜科学阶段、由“潜”到“显”的中介阶段和显科学阶段的说法。在虚拟实验中，实验研究人员成为整个实验研究过程的主体，满足了“三场相说”理论所提出的科学研究方法应该具备主观精神场相、理性实践场相和客观知识场相三个场相相互作用、互为基础的演进关系。因此，我们认为，虚拟实验是除理论、实验之外的第三种科学研究方法，它充分深化和体现了科学研究过程中，理论和实验之间的相互作用、互为基础的关系，是一种新的科学研究方法。

2）虚拟实验的方法特点

（1）开放创新型实验方法

虚拟实验系统的方法特点之一是使得虚拟实验项目具备了开放性和创新性。如果考虑到在虚拟实验项目中，实验过程的纵向分阶段性和实验结构的横向分模块性，那么，该系统的这一方法特点就具体地体现在虚拟实验过程的纵向开放和虚拟实验结构的横向创新。

①实验过程纵向开放

实验过程纵向开放的对象是参与实验的主体。图3-12所示为虚拟实验过程纵向开放示意图，在传统实验和虚拟实验中，实验纵向过程中各个阶段所参与的主体及其所承担的任务和所从事的工作是不一样的，分别就实验过程中的各个阶段详细讨论如下。

实验纵向过程一般可以分为实验仪器设置、实验内容设计、实验过程操作和实验结果分析四个阶段，虚拟实验过程纵向开放性分别体现在这四个阶段中。

第一阶段：实验仪器设置开放

图3-12　虚拟实验过程纵向开放示意图

在传统实验中，实验仪器设置阶段的参与主体是生产厂家，仪器生产厂家承担了全部实验仪器设备的设计、生产、设置等工作。

在虚拟实验中，实验仪器设置阶段的参与主体包括了生产厂家、教师和学生，仪器生产厂家主要生产一些有特殊技术或特别工艺要求的仪器设备，虚拟实验系统所具备的软／硬件结合、模块重组配置等特点，使得教师和学生能够直接参与到实验仪器设置工作中，根据实验项目需求自行定义实验仪器和设备的功能和特性等。实验仪器设置开放使得整个实验过程在开始阶段唯一由生产厂家作为参与主体变成了由包括生产厂家、教师、学生作为参与主体。

第二阶段：实验内容设计开放

在传统实验中，实验内容设计开放阶段的参与主体是教师，承担实验教学的授课教师根据实验教学大纲，对实验内容进行设计，包括实验原理描述、实验内容设计、实验步骤规划等工作。

在虚拟实验中，实验内容设计开放阶段的参与主体包括教师和学生。承担实验教学的授课教师根据实验教学大纲，对实验内容进行设计，包括实验原理描述、实验内容设计、实验步骤规划等工作。参加实验课程的学生凭借自己的兴趣爱好，根据自己已有的知识和经验，自行设计实验内容，实现所需的实验项目，解决疑问，获得相关知识。虚拟实验系统的模块化设计和层次化设计思想将实验内容设计同时给教师和学生开放，改变了传统实验中单独由教师承担实验设计的状况，学生有条件选择和实现适合自身情况和要求的实验项目内容，适合学生的学习兴趣培养和自身个性发展。

第三阶段：实验过程操作开放

在传统实验中，实验过程操作阶段的参与主体是教师和学生，承担实验教学的授课教师在实验课中需要讲解实验原理、介绍仪器功能和使用方法、演示实验操作步骤，在课堂上扮演了主要的角色。而学生只是机械地根据教师的讲解使用实验仪器和设备，按步骤进行实验操作，记录数据，完成实验项目。

在虚拟实验中，实验过程操作阶段的参与主体同样是教师和学生，但是与传统实验中不同的是，承担实验教学的授课教师在实验课中主要起引导学生拓展思路、解决实验疑问的主导作用，学生才是实验项目实践操作的主体。由于学生参与了实验过程中前期的实验仪器设置和实验内容设计两个阶段，对于实验项目的原理和相关理论，以及实验仪器设备的性能、设置和使用方法等已经有了充分的理解和认识，因此在实验的实际操作中，学生能够独立进行思考和操作，发现问题并解决问题，形成从事科学研究的正确的方法和严谨的态度。

第四阶段：实验结果分析开放

在传统实验中，实验结果分析阶段的参与主体是学生，参加了实验课程的学生在课后进行实验数据的分析和总结，并撰写实验报告，一般在实验报告中呈现的内容主要有实验原理陈述、实验数据记录、实验结果等内容。

在虚拟实验中，实验结果分析阶段的参与主体是教师和学生，实验结果分析可以在课堂的后半段也可以在课后进行。因为在虚拟实验系统中，具有强大运算能力和处理能力的计算机可以在实验过程中即时进行数据处理，反映实验结果，教师有条件对学生就一些重要结果和特别现象引导讨论，适当地给予启发解释。学生在课后进行实验结果分析时，根据教师的引导和启发，并且利用虚拟实验可以通过网络异地实时操作的特性，重复实验过程，处理实验数据，给出完整的实验报告，获得详尽的知识和理论。

③实验结构横向创新

实验结构横向创新的对象是实验项目结构中的各模块及其组成方式。如图3-13虚拟实验结构横向创新示意图所示，在传统实验中和在虚拟实验中，实验横向结构中各个模块及其组成方式是不一样的，分别就实验横向结构中的各个模块及其组成方式详细讨论如下：

在传统实验中，每一个实验项目所包含的仪器、设备及其组成形式等都已经固定，一般不容易拆卸和重组，每一个仪器或设备只能提供给某一个实验项目，例如图中所示的仪器A1、设备B1、辅助工具C1组成实验项目1，仪器A2、设备B2、辅助工具C2组成实验项目2，尽管在实验项目1和实验项目2中，可能存在仪器设备相同或者功能相同的情况，但是却无法在传统实验系统中交叉使用，因此，仪器设备的重复使用率低，实验项目一经确定就不容易修改和重构，难以开发和创新。

图3-13　虚拟实验结构横向创新示意图

在虚拟实验中，由系统中先进的接口技术、网络功能以及计算机控制作用，同样的仪器设备可以以不同的组合方式形成不同的实验项目，仪器设备的调用和设置都由计算机来统一控制和协调，实验系统易于重构，仪器设备可以交叉使用，重复使用率高。并且由于虚拟仪器、虚拟设备和软件程序的使用，不仅节省了实验资源，而且使得实验系统具备了更大的灵活性和创新性。例如，图中所示的仪器A、虚拟仪器B、设备C、虚拟设备D、辅助工具E和相应的各种软件程序模块等可以以不同的组合方式形成不同的实验项目，组合方式的选择和仪器设备的调用和协调都可以根据实际需要由人来参与设计和计算机进行控制。对于实验教学来说，教师可以根据实验课的进展和学生特点，开发和完善实验项目，帮助实验教学，学生不仅可以参与基本的实验课程，还可以根据自己的兴趣、已有知识以及平时学习中的疑问，独立开发实验项目，解决疑问，获取知识。实验结构横向创新对于因材施教，优生优培，兼顾学生的共性和个性，迎合社会对人才培养的需要，培养多层次复合型人才很有帮助。

（2）共享协作型实验模式

虚拟实验系统的方法特点之二是使得虚拟实验模式具备了共享性和协作性。虚拟实验以多层共享为前提，实现了跨越时间和空间的多方协作模式。

①多层共享模式

实验模式的协作性能是以共享为前提的。在虚拟实验系统中，计算机的控制和协调作用、强大的网络功能以及分布式的系统结构特点，使得虚拟实验能够在实验设计思路、实验设备资源、实验数据结果等多个层面实现更大范围内的共享，为虚拟实验实现最大限度的协作提供了保证。

a．实验设计思路共享

在虚拟实验中，实验仪器设置的开放和实验内容设计的开放使得教师和学生能够参与实验项目的整体构思，而虚拟实验系统的计算机控制和网络功能使得教师与教师之间、教师与学生之间、学生与学生之间能够突破时间和空间的限制，就实验设计思路和有关的想法进行沟通和讨论，取长补短，集思广益，有效地保证了实验设计方案的严密性、可行性和科学性。

b．实验设备资源共享

在虚拟实验中，实验设备资源共享包括了以下两个层面：

第一个层面是指通过网络连接和计算机控制协调功能将实验设备资源共享给不同的实验项目，供不同的实验项目选择和调用。

第二个层面是指通过网络和计算机控制协调功能将实验设备资源共享给不同网络终端的实验者，实验者根据实验设计的需要，选择合适的实验仪器和设备，开发不同的实验项目。

在实验教学中，实验设备资源共享在节约开支的前提下，将有限的实验资源提供给了更多的实验项目，将有限的实验条件开放给了更多的实验者。

c．实验数据结果共享

在虚拟实验中，实验数据结果共享指的是实验参与者对于实验数据进行分布式处理，增加对实验结果的研究和分析，充分挖掘实验数据和现象背后隐藏的实验规律和有关理论，并讨论和验证其正确性，发现错误的将其证伪，正确的、有用的实验规律和理论将被采纳和吸收，与实验者头脑中已有的知识和经验融合在一起，为下一次的实验项目设计和构思等提供基础性的保证。

②多方协作模式

虚拟实验系统的多层共享特性为虚拟实验实现多方协作模式提供了技术保证。虚拟实验系统所具备的计算机的控制和协调作用、强大的网络功能以及分布式的系统结构特点，使得虚拟实验的进行能够突破时间和空间的限制，实现同时异地、异地异时、同地异时等不同形式的多方协作模式。

图3-14表示了虚拟实验的多方协作模式，在图中，设定坐标系的横坐标表示时间，用字母t（time）标记，纵坐标表示空间，用字母s（space）标记。将多个协作方分别放置在坐标系的四个象限中，通过描述各协作方之间的时间和空间关系来分析虚拟实验中不同的协作模式，现分述如下：

图3-14　虚拟实验多方协作模式示意图

a．同时异地协作模式

如图中①——所标记，协作方1与协作方4之间、协作方2与协作方3之间的关系是同时异地协作模式。在虚拟实验系统中，网络功能为虚拟实验的同时异地协作模式提供了主要的技术支持作用，计算机技术提供了辅助的控制和协调作用。作为实验者的各个协作方可以跨越地域障碍，异地实现实验协作。

b．同地异时协作模式

如图中②－－－所标记，协作方1与协作方2之间、协作方3与协作方4之间的关系是同地异时协作模式。在虚拟实验系统中，计算机技术的应用为虚拟实验的同地异时协作模式提供了主要的技术支持作用，网络传输功能辅助将不同时间采集到的实验数据和结果传输到计算机并暂存在计算机存储设备中，随时提供给实验者访问和调用，从而实现虚拟实验的同地异时协作模式。

c．异地异时协作模式

如图中③……所标记，协作方1与协作方3之间、协作方2与协作方4之间的关系是异地异时协作模式。在虚拟实验系统中，网络功能和计算机技术的应用共同为虚拟实验的异地异时协作模式提供了技术支持作用。网络功能帮助了处在不同的实验地点的实验协作方参与实验操作，计算机的存储和调用功能帮助了实验协作方在不同的实验时间参与实验操作，因此，在虚拟实验中，可以依靠系统这两方面的功能和特点，实现异地异时协作模式。

3）虚拟实验的方法特点在教学中的应用

（1）开发创造性思维

人类通过自己的活动不断改变着自然界，推动着社会与自身的发展，这一切都不能离开思维。人类正是由于有了思维，才得以更深入地反映事物的本质与内在联系，不断发现客观存在的规律，更自觉地进行创造活动。1926年，英国心理学家瓦拉斯在《思维的艺术》一文中提到，创造过程存有四个相互重叠的阶段：准备、酝酿、洞明、检验。1945年，德国心理学家韦特海默出版了《创造性思维》一书。他通过对教学、日常生活及高斯、伽利略、爱因斯坦等科学家发现事例的分析，认为无论是发现还是创造性工作都有赖于创造性思维。杜威在《我们是怎样思维的？》一书中提出创新“五段模式”的学说。即：感到困难—认识问题—资料、分类、假设、验证—结论—评论。创造性思维的主要功能在于“探求结构的真相”，发现事物之间“结构的内在联系”。为了取得这样的成果，“必须先看到和发现问题”，“把握情境的具体结构特征”，然后根据问题的要求去进行诸如“拆散、组合、找出中心、在结构上互换位置”等运算。在这个过程中，“要不为旧习惯所束缚”，“不能像奴隶一般重复所学过的东西”，“要自由地、没有成见地观察全局”，去发现各种联系，提出各种假设，经过检验，放弃不符合结构实质的设想，达到对内在结构的“顿悟”或理解。

通过建设前沿的实验内容、通用的实验平台，凭借科学的实验方法和先进的技术手段，革新和完善传统教学模式和教学方法，开发学生的创造性思维、发挥自主决策能力、培养创新性人才是大学物理实验教学改革的重要内容。虚拟实验作为一种新的科学研究方法，以其完整性、科学性和严谨性，使得实验研究人员在实验研究过程中充分发挥了主观集约、理性实践和客观显化的主体作用。将虚拟实验这一科学研究方法引入大学物理实验教学中，与传统教学方法有效结合，革新教学模式和教学方法，培养学生的开发性思维，促进学生自主进行创造性决策^[39]。

思维是人脑概括地、间接地反映事物属性和内在联系的特殊功能，根据不同的属性参数，将思维进行分类。根据点面参数的不同，分为辐合思维和发散思维；根据方向参数的不同，分为常规思维和异向思维；根据基质参数的不同，分为理性思维和感性思维。

①辐合思维和发散思维相结合

辐合思维和发散思维在人类进行开发性研究过程中是难分难解的两种思维方式，即使在日常的思维中，它们也常常是交叉并存的。辐合思维的主要功能在于尊重前提的真理性，实事求是，严谨周密，步步为营，重视验证。发散思维的主要功能在于使人的认知不落窠臼，思考时能够不拘一格，多方设想，不一而足，不断求新。辐合思维与发散思维在创造活动中是反复交织、相辅相成、各司其职、不可缺一的两种思维类型或模式。要创新，就要同时或先后运用它们。要培养创造力，也要从这两个方面的训练或练习着手。

虚拟实验所具备的实验过程纵向开放的方法特点，使得学生有条件完整地参与整个实验过程，包括实验仪器设置、实验内容设计、实验过程操作、实验结果分析等。一方面，学生能够着眼于某一实验项目，按照已知实验原理和实验步骤，独立地完成教学大纲规定的实验教学内容，达到教学目的，这是对辐合思维的有效锻炼；另一方面，学生根据参与实验过程中各阶段所获得的经验，结合头脑中的已有知识，展开新的思考，设计新的实验方案，开发新的实验项目，这是发散思维的有效锻炼。辐合思维和发散思维共同得到发展，并且在学生进行实验的过程中相互结合，使得学生能够在深入细致地做好基础性实验的同时，去钻研、去联想，将书本知识和已做过的实验中的物理思想、研究方法和实验技巧以及课外阅读积累的知识联系起来，形成牢固的知识网络，使学生能将学过的书本知识、物理思想、研究方法和实验技巧、经验等融会贯通，举一反三，灵活应用。

②常规思维和异向思维相结合^[40]

常规思维和异向思维代表了思维方式的两个方向，两种思维模式看似方向相反，但都在创新过程中扮演了不可或缺的重要角色，常规思维和异向思维相结合保证了科学思维和科学研究方法的严密性和完整性。常规思维指的是根据人们惯有的思维方向和已有经验，按照通常的模式去思考问题、认识问题。异向思维的内核是：敏于生疑，敢于存疑，勇于质疑，针对某一问题的特质进行逆向思考，并由此产生特异性的、多元化的，具备发展性、创造性、突破性的新构思、新思想、新思维。常规思维有益于解决常态的、规律性的问题，是科学研究的重要方面。而异向思维的运用对于在科学研究过程中发现新特质，取得突破性成果具有重要作用。

爱因斯坦认为，“提出一个问题往往比解决一个问题更重要。因为解决一个问题也许仅仅是科学上的实验技能而已，而提出一个新的问题、新的可能性以及从新的角度看旧的问题，却需要创造性的想象力，而且标志着科学上的真正进步”。因而提出问题的能力，尤其是在常人难以发现问题之处发现问题，以及能够提出常人难以提出的问题，这是一个人具有创新能力的重要标志，科学发展的历史也雄辩地证明了这一点。

在虚拟实验中，学生作为参与主体，在整个实验过程中充分发挥了主观精神场相、理性实践场相和客观知识场相之间的相互作用，其主观精神场相的信息集约化和假设酝酿过程，使得实验设计这个创新阶段的“酝酿期”引发和产生更多的疑问和假设，进而激发和促进各种新的设计思路的产生。在理性实践场相中，学生作为实验操作的主体，不是单纯地按照步骤做实验，成为程序化的实验操作机器，而是参与了实验操作的整个过程，发挥了主观能动性，在实验故障、实验错误中发现问题，独立思考，刺激学生努力摆脱和突破常规的定势思维的束缚，充分调动主体的科学文化知识沉淀及社会实践经验积累，形成解决问题的科学方案。因此，将虚拟实验方法和传统的实验教学方式相结合，培养学生的常规思维和异向思维，对于形成知难而上的科学研究态度和严谨正确的科学思维方式是非常重要的。

③理性思维和感性思维相结合^[41]

理性思维指的是根据客观事物的具体表现形式，以及人们已知的客观规律，引发对事物本质规律性的认识。感性思维指的是根据客观事物的抽象表现形式，以及人们的感觉感知能力，引发对事物本质延展性的认识。有关客观事物本质的存在形式，有的是显露的、易表的，有的是隐藏的、变幻的，因此，在科学研究过程中，这两种思维模式的共同运用对于透过各种形式的外在表象，最终发现和认识事物本质是必要的。

实验的成功最终是以实验结论的获得、实验现象中所蕴藏着的内在规律被揭示为标志的。由于伴随着实验的过程，往往会产生一系列的实验数据，而能否从这些实验数据中发现隐含于其中的内在规律，往往也就成为决定实验能否真正取得成功的关键。

在虚拟实验中，学生关于实验结果的描述不仅仅是实验数据的罗列和实验报告的撰写，而头脑中已有的知识和经验，可以帮助学生形成对实验数据的正确分析方法；学生与学生之间、教师与学生之间的沟通和讨论，扩展了对实验结果进行分析的不同角度；虚拟实验系统中计算机技术的运用，如精确的计算能力和直观的图表等表现形式，使得实验结果的规律性和客观性更加显化。因此，在虚拟实验过程中，客观知识的显化阶段不仅要求学生根据已有知识和经验，通过运用数学方法和物理定律等进行运算和处理来得到实验现象和实验数据的规律性，培养理性思维，还要求学生根据精确的实验数据和直观的实验曲线和图表等，直接感知实验结果中隐藏的内在规律。因此，将虚拟实验方法引入传统的实验教学中，通过虚拟实验过程中的客观知识显化阶段，对于实验数据处理和实验结果分析进行理性思维和感性思维的双重要求，能够培养学生学会运用“知识量变”积累去引发“认识质变”，运用“直觉”感知去探寻科学“灵感”。

（2）培养互助合作精神

在21世纪对人才的素质要求中，具备互助合作精神是五项要求之一，具备互助合作精神不仅是个人成长成才的必要条件，而且对于促进社会平衡发展和良性循环有重要作用，这两方面又是紧密联系在一起的。教育是培养人的一种社会活动，为社会及人的发展提供了保证。因此，探寻教育改革的模式和方向，不仅要考虑个人成长成才的需要，还要考虑社会不断发展提出的新要求。

爱因斯坦曾经说过“科学技术发现的历史告诉我们，人类在进行独立思考和创造性思维方面的能力仍然是很弱的。当客观世界和科学需求长时期地等待一个新思想诞生时，通常需要在外部刺激下才能使它实际产生。”希望通过课堂，通过完善的教学方式，培养学生自觉从周围的个体寻找刺激信号，激发创新思维，这其中更多的是人与人的彼此沟通和交流、互相激励和启发。

虚拟实验以多层共享为前提，实现了跨越时间和空间的多方协作，虚拟实验模式具备了共享性和协作性。虚拟实验方法和传统实验教学方式结合在一起，以其强大的网络功能和计算机协调和控制作用，形成了一个较大的实验教学平台，在这个教学平台上，教师与学生之间、学生与学生之间以其多层共享和多方协作的方法特点，可以轻松地进行信息沟通和知识交流，有益于培养学生在科学研究中的协作能力和互助合作精神。根据在虚拟实验中，实验研究主体之间协作形式的不同，分别探讨在实验教学中，如何从四种不同的协作形式来帮助提高学生的协作能力，培养互助合作精神。这四种协作形式是“传导式”互助合作、“反射式”互助合作、“遥感式”互助合作、“对流式”互助合作，现分述如下：

①“传导式”互助合作

“传导式”互助合作指的是在虚拟实验中，学生将从实验中获得的有用信息，包括实验设计方案、实验操作经验、实验数据和结果以及相关思考结果等，经过适当整理和分类，放置在服务器端的计算机存储设备中，便于其他参加实验的学生或协作方选择使用。这种信息提供方有意识地将信息提供出来，信息接受方根据需要选择和使用信息的方式称作“传导式”互助合作。在“传导式”互助合作中，信息提供方和信息接受方的合作行为都是主动的，是互助合作的第一种有效形式。

②“反射式”互助合作

“反射式”互助合作指的是在虚拟实验过程中，学生为了解决实验难题，排除实验故障而进行的相关操作信息会被虚拟实验系统中处于服务器端的计算机自动保存在存储器中，这些因为遇到问题并解决问题而形成的发射信息，在今后的实验过程中具有经验性和指导性的作用。这种信息提供方无意识地将信息提供出来，信息接受方根据需要选择和使用信息的方式称作“反射式”互助合作。在“反射式”互助合作中，信息提供方的合作行为是被动的，信息接受方的合作行为是主动的，是互助合作的第二种有效形式。

③“遥感式”互助合作

“遥感式”互助合作指的是在虚拟实验过程中，承担实验教学的教师有意识地查看虚拟实验系统中服务器端的计算机存储设备中保存的各种信息，包括学生主动整理、分类和存储的信息，学生在进行实验操作、解决实验难题、处理仪器故障时由计算机捕获并保存的相关信息。这些信息帮助教师及时准确地了解学生的学习状况和个体差异，调整和修改教学内容和形式，完善教学模式。这种信息接受方有意识地对信息进行分析和总结，并将相应的调整措施作用于信息提供方的合作行为称为“遥感式”互助合作。在“遥感式”互助合作中，教师作为信息接受方进行主动的信息加工和总结，并反作用于作为信息提供方的学生，这是互助合作的第三种有效形式。

④“对流式”互助合作

“对流式”互助合作指的是在虚拟实验过程中，作为实验协作方的学生在进行实验操作过程中，通过虚拟实验系统的网络功能，就实验过程中出现相关信息进行及时的沟通和交流，网络的便捷性和及时性在这里得到了充分的体现。协作方之间既是信息的提供者，又是信息的接受者。这种即时的提供和反馈对于提高实验效果、增加对实验机理的了解、培养协作能力和互助合作精神是非常有效的。这种方式被称作“对流式”互助合作。