虛擬現(xiàn)實技術(shù)在大學(xué)物理研究性實驗教學(xué)中的應(yīng)用研究.pdf

1、在我國大力推廣研究性學(xué)習(xí)的背景下，開展大學(xué)物理研究性實驗教學(xué)，推進(jìn)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、合作學(xué)習(xí)和研究性學(xué)習(xí)，是現(xiàn)代實驗教學(xué)的需要，有利于培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新能力。進(jìn)行研究性實驗需要豐富的實驗設(shè)備和元器件支持，需要廣泛學(xué)習(xí)他人的研究經(jīng)驗，需要研究方法的指導(dǎo)，需要研究精神的激勵，需要迅速及時的答疑解惑，需要進(jìn)行合作研究等等。然而當(dāng)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(xué)生進(jìn)行研究性實驗的需要，因此，可以利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)強(qiáng)大的虛擬功能

2、建構(gòu)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(bǔ)基于實物儀器的研究性實驗的種種不足，以更好地促進(jìn)大學(xué)物理研究性實驗教學(xué)目標(biāo)的實現(xiàn)。 本文主要對虛擬研究性實驗系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)、系統(tǒng)設(shè)計思想和實現(xiàn)技術(shù)展開研究。 傳統(tǒng)認(rèn)識觀下，認(rèn)識主體與認(rèn)識客體之間界限鮮明，認(rèn)識主體常以旁觀者身份參與認(rèn)識活動，虛擬現(xiàn)實技術(shù)改變了這種認(rèn)知方式。作為認(rèn)識工具的虛擬現(xiàn)實使認(rèn)識主體“投身”于認(rèn)識環(huán)境

3、與對象中去，使認(rèn)識主體、認(rèn)識工具、認(rèn)識客體融為一體，消解了自笛卡爾以來占據(jù)主導(dǎo)地位的主客兩分的關(guān)系，主體與客體間的互進(jìn)、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(shù)的構(gòu)想性、交互性、沉浸性等特點擴(kuò)大了認(rèn)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(gòu)主義理論這種認(rèn)知方式將會極大地促進(jìn)個體認(rèn)知能力的發(fā)展。 在建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論看來，利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以創(chuàng)設(shè)逼真的實驗情景，情景中既

4、包括實驗儀器設(shè)備也包括協(xié)作伙伴和指導(dǎo)教師，學(xué)生通過與虛擬的實驗情景的交互作用達(dá)到新的意義建構(gòu)。 從教學(xué)交互層次理論來看，學(xué)生可以通過虛擬研究性實驗系統(tǒng)與教學(xué)媒體、學(xué)習(xí)資源環(huán)境以及自身新舊概念的交互來達(dá)到研究性實驗教學(xué)的目的。 在自主學(xué)習(xí)理論看來，虛擬研究性實驗系統(tǒng)能夠很好地支持學(xué)生的自主學(xué)習(xí)和協(xié)作學(xué)習(xí)，由于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用，研究性實驗內(nèi)容可以進(jìn)行更為全面系統(tǒng)的教學(xué)設(shè)計，使之更符合教育教學(xué)規(guī)律，更能滿足學(xué)生的自主學(xué)習(xí)和協(xié)

5、作學(xué)習(xí)需求，最大程度的促進(jìn)學(xué)生的有效學(xué)習(xí)。 在混合式學(xué)習(xí)理論看來，虛擬研究性實驗系統(tǒng)可以與研究性實驗教學(xué)方式實現(xiàn)理想的結(jié)合，共同實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實技術(shù)的教育價值與研究性實驗教學(xué)目標(biāo)。 虛擬研究性實驗系統(tǒng)以基于虛擬元器件的思想進(jìn)行設(shè)計開發(fā)。虛擬元器件主要運(yùn)用面向?qū)ο蠹夹g(shù)和組件技術(shù)進(jìn)行開發(fā)，以實現(xiàn)虛擬元器件的良好的獨(dú)立性、重用性、移植性和可維護(hù)性。虛擬元器件庫采用樹狀結(jié)構(gòu)，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(xué)物理研究性實驗的教學(xué)質(zhì)量。良好的交互可以保證學(xué)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(dǎo)，有利于學(xué)生知識的遷移，有利于教學(xué)質(zhì)量的監(jiān)控。交互技術(shù)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(shè)計可以分為三個層面：學(xué)生與媒體界面的操作交互，學(xué)生與教學(xué)要素的信息交互，學(xué)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(xué)生頭腦中，體現(xiàn)為學(xué)習(xí)者認(rèn)知體系的改變，對于軟件設(shè)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(jìn)學(xué)習(xí)者概念交互的產(chǎn)生，同時還可設(shè)計一定的反饋機(jī)制來獲得學(xué)習(xí)者概念交互的效度，以便及時調(diào)整和改進(jìn)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?qū)W生報告他或她對問題的興趣取向，其知識結(jié)構(gòu)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(shù)主要是知識發(fā)現(xiàn)與知識呈現(xiàn)技術(shù)。 系統(tǒng)的分布協(xié)作實驗功能構(gòu)造的虛擬協(xié)作實驗環(huán)境，為學(xué)生進(jìn)行協(xié)作研

8、究實驗提供強(qiáng)有力的技術(shù)支持。學(xué)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(xué)，共同提高，即學(xué)生通過“會話”的手段，在“協(xié)作”中完成研究性實驗的教學(xué)目標(biāo)，形成知識的“意義建構(gòu)”。分布式虛擬協(xié)作子系統(tǒng)的實現(xiàn)分為五個部分：服務(wù)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(hù)。 總之，虛擬研究性實驗系統(tǒng)為學(xué)生進(jìn)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(rèn)知方式正暗合了參與者知識觀，更