在我国大力推广研究性学习的背景下,开展大学物理研究性实验教学,推进学生自主学习、合作学习和研究性学习,是现代实验教学的需要,有利于培养学生的实践能力和创新能力。进行研究性实验需要丰富的实验设备和元器件支持,需要广泛学习他人的研究经验,需要研究方法的指导,需要研究精神的激励,需要迅速及时的答疑解惑,需要进行合作研究等等。然而当前各高校物理实验室的实验条件还不能很好地满足广大学生进行研究性实验的需要,因此,可以利用虚拟现实技术强大的虚拟功能建构一个虚拟研究性实验系统,通过虚拟研究性实验系统所营造的开放、交互、个性化的虚拟研究性实验环境来弥补基于实物仪器的研究性实验的种种不足,以更好地促进大学物理研究性实验教学目标的实现。本文主要对虚拟研究性实验系统的理论基础、系统设计思想和实现技术展开研究。传统认识观下,认识主体与认识客体之间界限鲜明,认识主体常以旁观者身份参与认识活动,虚拟现实技术改变了这种认知方式。作为认识工具的虚拟现实使认识主体“投身”于认识环境与对象中去,使认识主体、认识工具、认识客体融为一体,消解了自笛卡尔以来占据主导地位的主客两分的关系,主体与客体间的互进、互生取代了两者之间的对立与相互役使。其次,主体自身的具体多样性与虚拟现实技术的构想性、交互性、沉浸性等特点扩大了认识客体的范围,虚拟不仅使人变想象为现实,而且使创造变得多样化。依据建构主义理论这种认知方式将会极大地促进个体认知能力的发展。在建构主义学习理论看来,利用虚拟现实技术可以创设逼真的实验情景,情景中既包括实验仪器设备也包括协作伙伴和指导教师,学生通过与虚拟的实验情景的交互作用达到新的意义建构。从教学交互层次理论来看,学生可以通过虚拟研究性实验系统与教学媒体、学习资源环境以及自身新旧概念的交互来达到研究性实验教学的目的。在自主学习理论看来,虚拟研究性实验系统能够很好地支持学生的自主学习和协作学习,由于虚拟现实技术的应用,研究性实验内容可以进行更为全面系统的教学设计,使之更符合教育教学规律,更能满足学生的自主学习和协作学习需求,最大程度的促进学生的有效学习。在混合式学习理论看来,虚拟研究性实验系统可以与研究性实验教学方式实现理想的结合,共同实现虚拟现实技术的教育价值与研究性实验教学目标。虚拟研究性实验系统以基于虚拟元器件的思想进行设计开发。虚拟元器件主要运用面向对象技术和组件技术进行开发,以实现虚拟元器件的良好的独立性、重用性、移植性和可维护性。虚拟元器件库采用树状结构,以简化虚拟元器件的管理。系统的交互水平影响和制约着大学物理研究性实验的教学质量。良好的交互可以保证学生能够自主地控制实验过程,在实验过程中能够得到及时的提示、反馈和引导,有利于学生知识的迁移,有利于教学质量的监控。交互技术主要采用脚本编程接口交互和外部编程接口交互。其功能的设计可以分为三个层面:学生与媒体界面的操作交互,学生与教学要素的信息交互,学生原有的概念和新概念之间的概念交互。概念交互产生于学生头脑中,体现为学习者认知体系的改变,对于软件设计和开发者而言,是无法直接把握的,只能通过合理有效的操作交互原则和信息交互方法来促进学习者概念交互的产生,同时还可设计一定的反馈机制来获得学习者概念交互的效度,以便及时调整和改进操作交互和信息交互的策略。系统的虚拟教师功能可以归纳并向学生报告他或她对问题的兴趣取向,其知识结构的缺陷,性格特征、提问方式等。这实际上起到了部分替代教师功能的作用。虚拟教师功能的核心技术主要是知识发现与知识呈现技术。系统的分布协作实验功能构造的虚拟协作实验环境,为学生进行协作研究实验提供强有力的技术支持。学生在协作研究性实验中,可以互相交流,彼此争论,互教互学,共同提高,即学生通过“会话”的手段,在“协作”中完成研究性实验的教学目标,形成知识的“意义建构”。分布式虚拟协作子系统的实现分为五个部分:服务器、通信部件、多用户场景和替身描述、系统的协同感知、场景的一致性维护。总之,虚拟研究性实验系统为学生进行研究性实验所营造的实验环境,是传统的实验环境无法替代的,虚拟环境中的认知方式正暗合了参与者知识观,更符合学生进行研究性实验的需要和学生认知发展规律。因此,对于虚拟研究性实验系统的研究具有重要的理论价值和广阔的应用前景。