虛擬現(xiàn)實技術在大學物理研究性實驗教學中的應用研究.pdf

1、在我國大力推廣研究性學習的背景下，開展大學物理研究性實驗教學，推進學生自主學習、合作學習和研究性學習，是現(xiàn)代實驗教學的需要，有利于培養(yǎng)學生的實踐能力和創(chuàng)新能力。進行研究性實驗需要豐富的實驗設備和元器件支持，需要廣泛學習他人的研究經(jīng)驗，需要研究方法的指導，需要研究精神的激勵，需要迅速及時的答疑解惑，需要進行合作研究等等。然而當前各高校物理實驗室的實驗條件還不能很好地滿足廣大學生進行研究性實驗的需要，因此，可以利用虛擬現(xiàn)實技術強大的虛擬功能

2、建構一個虛擬研究性實驗系統(tǒng)，通過虛擬研究性實驗系統(tǒng)所營造的開放、交互、個性化的虛擬研究性實驗環(huán)境來彌補基于實物儀器的研究性實驗的種種不足，以更好地促進大學物理研究性實驗教學目標的實現(xiàn)。 本文主要對虛擬研究性實驗系統(tǒng)的理論基礎、系統(tǒng)設計思想和實現(xiàn)技術展開研究。 傳統(tǒng)認識觀下，認識主體與認識客體之間界限鮮明，認識主體常以旁觀者身份參與認識活動，虛擬現(xiàn)實技術改變了這種認知方式。作為認識工具的虛擬現(xiàn)實使認識主體“投身”于認識環(huán)境

3、與對象中去，使認識主體、認識工具、認識客體融為一體，消解了自笛卡爾以來占據(jù)主導地位的主客兩分的關系，主體與客體間的互進、互生取代了兩者之間的對立與相互役使。其次，主體自身的具體多樣性與虛擬現(xiàn)實技術的構想性、交互性、沉浸性等特點擴大了認識客體的范圍，虛擬不僅使人變想象為現(xiàn)實，而且使創(chuàng)造變得多樣化。依據(jù)建構主義理論這種認知方式將會極大地促進個體認知能力的發(fā)展。 在建構主義學習理論看來，利用虛擬現(xiàn)實技術可以創(chuàng)設逼真的實驗情景，情景中既

4、包括實驗儀器設備也包括協(xié)作伙伴和指導教師，學生通過與虛擬的實驗情景的交互作用達到新的意義建構。 從教學交互層次理論來看，學生可以通過虛擬研究性實驗系統(tǒng)與教學媒體、學習資源環(huán)境以及自身新舊概念的交互來達到研究性實驗教學的目的。 在自主學習理論看來，虛擬研究性實驗系統(tǒng)能夠很好地支持學生的自主學習和協(xié)作學習，由于虛擬現(xiàn)實技術的應用，研究性實驗內容可以進行更為全面系統(tǒng)的教學設計，使之更符合教育教學規(guī)律，更能滿足學生的自主學習和協(xié)

5、作學習需求，最大程度的促進學生的有效學習。 在混合式學習理論看來，虛擬研究性實驗系統(tǒng)可以與研究性實驗教學方式實現(xiàn)理想的結合，共同實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實技術的教育價值與研究性實驗教學目標。 虛擬研究性實驗系統(tǒng)以基于虛擬元器件的思想進行設計開發(fā)。虛擬元器件主要運用面向對象技術和組件技術進行開發(fā)，以實現(xiàn)虛擬元器件的良好的獨立性、重用性、移植性和可維護性。虛擬元器件庫采用樹狀結構，以簡化虛擬元器件的管理。 系統(tǒng)的交互水平影響和制約

6、著大學物理研究性實驗的教學質量。良好的交互可以保證學生能夠自主地控制實驗過程，在實驗過程中能夠得到及時的提示、反饋和引導，有利于學生知識的遷移，有利于教學質量的監(jiān)控。交互技術主要采用腳本編程接口交互和外部編程接口交互。其功能的設計可以分為三個層面：學生與媒體界面的操作交互，學生與教學要素的信息交互，學生原有的概念和新概念之間的概念交互。概念交互產(chǎn)生于學生頭腦中，體現(xiàn)為學習者認知體系的改變，對于軟件設計和開發(fā)者而言，是無法直接把握的，只能

7、通過合理有效的操作交互原則和信息交互方法來促進學習者概念交互的產(chǎn)生，同時還可設計一定的反饋機制來獲得學習者概念交互的效度，以便及時調整和改進操作交互和信息交互的策略。 系統(tǒng)的虛擬教師功能可以歸納并向學生報告他或她對問題的興趣取向，其知識結構的缺陷，性格特征、提問方式等。這實際上起到了部分替代教師功能的作用。虛擬教師功能的核心技術主要是知識發(fā)現(xiàn)與知識呈現(xiàn)技術。 系統(tǒng)的分布協(xié)作實驗功能構造的虛擬協(xié)作實驗環(huán)境，為學生進行協(xié)作研

8、究實驗提供強有力的技術支持。學生在協(xié)作研究性實驗中，可以互相交流，彼此爭論，互教互學，共同提高，即學生通過“會話”的手段，在“協(xié)作”中完成研究性實驗的教學目標，形成知識的“意義建構”。分布式虛擬協(xié)作子系統(tǒng)的實現(xiàn)分為五個部分：服務器、通信部件、多用戶場景和替身描述、系統(tǒng)的協(xié)同感知、場景的一致性維護。 總之，虛擬研究性實驗系統(tǒng)為學生進行研究性實驗所營造的實驗環(huán)境，是傳統(tǒng)的實驗環(huán)境無法替代的，虛擬環(huán)境中的認知方式正暗合了參與者知識觀，更