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体验式虚拟实验研究

郑颖立  
【摘要】: 科学实验是指人们利用科学仪器和设备,通过人为地控制或模拟自然现象来认识自然事物本质和规律的一种科学探究活动。虚拟实验是指在计算机系统中采用虚拟现实技术实现的各种虚拟实验环境,实验者可以像在真实的环境中一样完成各种预定的实验项目,所取得的学习或训练效果等价于甚至优于在真实环境中所取得的效果。虚拟实验的应用是对传统教学观念的革新,它的强大优势在于实验情景可视化,实验数据可视化,实验过程可控性以及实验学习的经济性、安全性等方面。在概念掌握、动作技能、知识迁移以及情感形成学习领域,虚拟实验都可表现出强大的教育功能。本研究具有明显的教育意义与现实意义。 虚拟实验是虚拟现实技术与科学实验课程整合的结果,而这种整合必须要在相关理论的指导下实现。体验学习理念将体验与学习等同起来,强调学习的目标是体验,学习的结果是体验,学习的过程是体验的过程,指出在体验中学习才是最基本和最自然的学习方式,是真正意义上的学习。虚拟现实技术可以为学习者创设一个三维真实感实验环境,使得学习者可以象在真实环境中一样从事虚拟实验学习,其过程同样是一个体验的过程。所以,虚拟实验研究需要体验学习理论的指导,创建体验式虚拟实验系统才是我们追求的目标。 探究学习有时被称为基于问题的学习。虚拟实验学习是一种探究活动,虚拟实验中虚拟现实的真实感与探究活动的实践性都是体验赖以存在的基础,我们要从虚拟现实与科学探究两个层面设计体验式教学环境、体验式教学模式与策略。在进行体验式教学环境设计时,为了实现真实感体验,要注重虚拟场景的真实性、实验内容的科学性、实验过程的现实性、学习迁移的有效性原则;为了实现科学实验的实践性体验,要以问题作为探究活动的开端,注重问题情境的沉浸性、问题情境的互动性、问题情境的多样性原则。相对应的,进行体验式教学模式设计时,虚拟情境体验模式设计要注重情境作用的全面性、全程性、发展性与可接受性原则,实验探究体验模式要以有利于知识建构为原则;同样地,进行体验式教学策略设计时,也要从以情感促体验和以认知促体验两个方面来考虑。 分布式协同虚拟实验以CSCW的理论与技术为基础,为学习者提供了一个通过网络进行协同实验的虚拟环境,使得体验不仅来自于虚拟环境中的亲历实践,还产生于与协作者的交流过程。系统开发采用了Delphi下的GLScene技术,其中关键技术包括对象实体建模、动态视景建模、智能虚拟仪器、系统交互与虚拟世界的绘制等。 虚拟实验系统的体验学习效果需要在应用中通过评价来加以验证。体验学习尤其关注情感领域的学习,关注学习者在学习中的心理感受和情绪状态.本研究对布卢姆的学习目标体系进行了改进,从情感产生与意义生成的角度设计出了虚拟实验学习应该达到的体验式目标体系,同时给出了进行体验式学习评价的方法和策略.在具体实施阶段,针对保定市涞源县兴源中学九年级102名学生在虚拟实验中的体验式学习效果,通过问卷调查与访谈的形式进行了评价研究.数据的分析结果显示,虚拟实验系统的应用有助于体验学习的进行,同时某些问题的存在也说明本系统在应用模式与功能上仍需改进。 本研究力求对体验式虚拟实验系统的相关理论、系统设计与应用评价进行深入的探讨,然而尚存在许多不足之处有待将来继续加强.


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