兩級(jí)式中學(xué)物理虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ降奶剿髋c實(shí)踐

【摘要】傳統(tǒng)的中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式存在多種不足，不利于學(xué)生能力素質(zhì)的培養(yǎng)。為改進(jìn)傳統(tǒng)中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，從信息技術(shù)與教育結(jié)合入手，以設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)真三維的物理虛擬實(shí)驗(yàn)為解決途徑。在綜合分析了中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)及其與虛擬技術(shù)的結(jié)合核心后，首先提出了針對(duì)中學(xué)物理虛擬實(shí)驗(yàn)的分類(lèi)方法，并在此方法的基礎(chǔ)上結(jié)合加涅的“學(xué)習(xí)條件理論”提出了“兩級(jí)式中學(xué)物理虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ剑═PVM）”并對(duì)此模式進(jìn)行了理論探討和技術(shù)實(shí)踐。

【關(guān)鍵詞】三維；中學(xué)物理；虛擬實(shí)驗(yàn)；模式

【中圖分類(lèi)號(hào)】G40-057 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】B 【論文編號(hào)】1009—8097 (2008) 12—0107—04

目前，多數(shù)中學(xué)采用以傳統(tǒng)教學(xué)論為基本教學(xué)模式的普通物理實(shí)驗(yàn)教材及教學(xué)活動(dòng)，其教學(xué)過(guò)程一般為：先由教師介紹實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?shí)驗(yàn)原理、儀器設(shè)備、注意事項(xiàng)等，學(xué)生再按教師或教材所講步驟重復(fù)實(shí)驗(yàn)，獲取數(shù)據(jù)，驗(yàn)證規(guī)律、定理或公式等。這種教學(xué)模式既不符合以學(xué)生為中心的教育原則，又不利于學(xué)生能力素質(zhì)的培養(yǎng)。另外實(shí)驗(yàn)教學(xué)地位重視不足，教學(xué)資源貧乏；教學(xué)方法不利于培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Γ粚?shí)驗(yàn)教學(xué)評(píng)價(jià)方法不科學(xué)及學(xué)生自主學(xué)習(xí)重視不足等也是普遍存在的問(wèn)題。尤其中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)作為基礎(chǔ)教學(xué)體系的一個(gè)重要組成部分，它不僅是培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立獲取知識(shí)、培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ幕顒?dòng)；是學(xué)生手與眼，知識(shí)與能力，獲得綜合基本訓(xùn)練的重要環(huán)節(jié)；是培養(yǎng)和鍛煉學(xué)生應(yīng)用知識(shí)獨(dú)立解決問(wèn)題的過(guò)程；也是培養(yǎng)和提高學(xué)生綜合素質(zhì)與創(chuàng)新能力的有效途徑。因此改進(jìn)傳統(tǒng)中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)勢(shì)在必行。本文從信息技術(shù)與教育結(jié)合入手，以設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)真三維的虛擬物理實(shí)驗(yàn)為解決途徑。在綜合分析了中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)及其與虛擬技術(shù)的結(jié)合核心后，首先提出了針對(duì)虛擬物理實(shí)驗(yàn)的分類(lèi)方法，并在此方法的基礎(chǔ)上結(jié)合加涅的“學(xué)習(xí)條件理論”提出了“兩級(jí)式中學(xué)物理虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ剑═PVM）”并對(duì)此模式進(jìn)行了理論探討和技術(shù)實(shí)踐。

一 中學(xué)物理虛擬實(shí)驗(yàn)的分類(lèi)方法

實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)起到導(dǎo)向、反饋和調(diào)節(jié)作用。它有利于實(shí)驗(yàn)教學(xué)目的明確化，實(shí)驗(yàn)?zāi)芰ε囵B(yǎng)的具體化。因此要提高中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量，首先需要明確其實(shí)驗(yàn)的教學(xué)目標(biāo)。

1 中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)

根據(jù)我國(guó)中學(xué)目前的實(shí)際情況，依據(jù)制定教學(xué)目標(biāo)的科學(xué)方法，本文將從認(rèn)知、操作、情感三大領(lǐng)域來(lái)分類(lèi)提出中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)目標(biāo)：

（1） 認(rèn)知領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)

知道──指的是能記住學(xué)習(xí)過(guò)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。它是對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)過(guò)程的回憶和識(shí)別。

理解──指的是能初步理解實(shí)驗(yàn)的原理、步驟、方法、操作規(guī)程、注意事項(xiàng)以及要點(diǎn)。

掌握──指的是能運(yùn)用學(xué)過(guò)的實(shí)驗(yàn)知識(shí)和方法，去解決新情況下的簡(jiǎn)單問(wèn)題。

評(píng)價(jià)──是指對(duì)有關(guān)的重要實(shí)驗(yàn)，掌握其設(shè)計(jì)思想，提出改進(jìn)的方法，并能設(shè)計(jì)一些新的實(shí)驗(yàn)。

（2） 操作領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)

模仿操作──是指能在教師講解或示范下進(jìn)行的動(dòng)作。這一層次的動(dòng)作機(jī)械，協(xié)調(diào)性差，意識(shí)參與程度不深。

意識(shí)操作──是指學(xué)生完全在獨(dú)立意識(shí)控制下進(jìn)行的操作。這一層次的操作，動(dòng)作不夠熟練，但能獨(dú)立地完成操作過(guò)程，并在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)。

定型操作──是指對(duì)重要的實(shí)驗(yàn)儀器和重要的實(shí)驗(yàn)經(jīng)過(guò)，通過(guò)多次練習(xí)，已經(jīng)達(dá)到比較熟練程度的操作。這一層次的操作，動(dòng)作比較熟練，且操作過(guò)程的時(shí)間短，質(zhì)量高。

創(chuàng)新──是指在提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)探索能力的基礎(chǔ)上，要求他們有創(chuàng)新的意識(shí)。

（3） 情感領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)

包括有關(guān)實(shí)驗(yàn)中的動(dòng)機(jī)、態(tài)度、習(xí)慣、興趣等。

前兩個(gè)領(lǐng)域的目標(biāo)要求水平是逐層提高的，從形象、表象到邏輯、抽象層次，因此在這樣結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)的指導(dǎo)下的中學(xué)虛擬物理實(shí)驗(yàn)的分類(lèi)也應(yīng)是層層遞進(jìn)結(jié)構(gòu)，同時(shí)也需注重情感領(lǐng)域?qū)嶒?yàn)教學(xué)目標(biāo)的影響。

2 虛擬現(xiàn)實(shí)與物理實(shí)驗(yàn)的結(jié)合

要在虛擬現(xiàn)實(shí)的環(huán)境中實(shí)現(xiàn)上文所述的實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)是虛擬現(xiàn)實(shí)與物理實(shí)驗(yàn)結(jié)合的核心問(wèn)題。隨著實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)的層層提高，虛擬現(xiàn)實(shí)中物理實(shí)驗(yàn)所要提供的交互友好性，系統(tǒng)智能化也需有的放矢，相應(yīng)提高。在基本的識(shí)別、記憶、理解階段，虛擬實(shí)驗(yàn)需要提供諸如三維展示、播放，簡(jiǎn)單交互等功能。若到了邏輯、抽象階段如需要學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證物理規(guī)律或根據(jù)現(xiàn)象抽象出規(guī)律等，則虛擬實(shí)驗(yàn)需要提供更復(fù)雜的交互，甚至人工智能等功能。

3 中學(xué)物理虛擬實(shí)驗(yàn)的分類(lèi)方法

目前基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)已有多種分類(lèi)方法。比如按科分類(lèi)：按照力學(xué)實(shí)驗(yàn)、熱學(xué)實(shí)驗(yàn)、電磁學(xué)實(shí)驗(yàn)和光學(xué)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分類(lèi)的。或者按照實(shí)驗(yàn)的側(cè)重面不同進(jìn)行分類(lèi)，如有的實(shí)驗(yàn)主要是測(cè)量物理量（測(cè)量性實(shí)驗(yàn)），有的是用實(shí)驗(yàn)方法來(lái)總結(jié)或者驗(yàn)證物理規(guī)律（驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)），還有的則較偏重于儀器的使用，專(zhuān)門(mén)學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)技術(shù)的實(shí)驗(yàn)等。但是對(duì)于結(jié)合了信息技術(shù)的虛擬物理實(shí)驗(yàn)，在這方面的研究還處于起步階段。

經(jīng)過(guò)以上的分析，本文將中學(xué)物理虛擬實(shí)驗(yàn)分為由低到高，從基礎(chǔ)到前沿，從傳授知識(shí)到培養(yǎng)綜合能力的四類(lèi)：

（1） 基本實(shí)驗(yàn)：這類(lèi)實(shí)驗(yàn)通過(guò)實(shí)驗(yàn)裝置及過(guò)程的演示，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象并能根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象得出結(jié)論。如單擺實(shí)驗(yàn)、氣體液體實(shí)驗(yàn)等。同時(shí)也包括基本儀器和工具使用的介紹如游標(biāo)卡尺、天平、量筒等。

（2） 科學(xué)小實(shí)驗(yàn)：這類(lèi)實(shí)驗(yàn)注重聯(lián)系實(shí)際，將知識(shí)點(diǎn)設(shè)計(jì)入一個(gè)趣味小實(shí)驗(yàn)中，幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)和理解物理知識(shí)，降低學(xué)習(xí)難度，能激發(fā)學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)興趣，擴(kuò)大知識(shí)視野。

（3） 驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)：這類(lèi)實(shí)驗(yàn)一般在學(xué)完某一物理知識(shí)后進(jìn)行，通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析來(lái)驗(yàn)證某一物理現(xiàn)象和規(guī)律，鞏固所學(xué)知識(shí)，進(jìn)一步掌握研究方法。

（4） 探究性實(shí)驗(yàn)：這類(lèi)實(shí)驗(yàn)主要靠學(xué)生自己分析觀察到的物理現(xiàn)象，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和圖像，從中發(fā)現(xiàn)基本特征，抽象出規(guī)律。這類(lèi)實(shí)驗(yàn)更注重學(xué)生總結(jié)探索物理規(guī)律的能力。

二 兩級(jí)式中學(xué)物理虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ降奶岢?/p>

以上這種遞進(jìn)的分法，不僅體現(xiàn)了中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)三大領(lǐng)域的需求，抓住了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與物理實(shí)驗(yàn)結(jié)合的核心要素。也與加涅的學(xué)習(xí)條件理論中關(guān)于不同學(xué)習(xí)結(jié)果學(xué)習(xí)順序的論述不謀而合。加涅在他的《學(xué)習(xí)的條件和教學(xué)論》中提出了一個(gè)關(guān)于知識(shí)與技能的描述性理論，認(rèn)為學(xué)校學(xué)習(xí)的知識(shí)與技能可以分為五種類(lèi)型：言語(yǔ)信息、智慧技能、認(rèn)知策略、動(dòng)作技能和態(tài)度。這在前文提出的中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)中得到了充分的體現(xiàn)。對(duì)應(yīng)此教學(xué)目標(biāo)層次提出的四類(lèi)實(shí)驗(yàn)，根據(jù)加涅教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)理論的基本觀點(diǎn)：不同的學(xué)習(xí)結(jié)果需要不同的學(xué)習(xí)條件即教學(xué)事件，因此在虛擬教學(xué)中也需要不同的虛擬教學(xué)事件。

加涅認(rèn)為，人類(lèi)的學(xué)習(xí)是復(fù)雜而多樣的，簡(jiǎn)單的低級(jí)學(xué)習(xí)是復(fù)雜高級(jí)學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)。他把學(xué)習(xí)分為八個(gè)層次（以An標(biāo)識(shí)），即：① 信號(hào)學(xué)習(xí)；A1 ② 刺激—反應(yīng)學(xué)習(xí)；A2 ③ 連鎖學(xué)習(xí)；A3 ④ 詞語(yǔ)聯(lián)想學(xué)習(xí)；A4 ⑤ 辨別學(xué)習(xí)；A5 ⑥ 概念學(xué)習(xí)；A6 ⑦ 原理的（規(guī)則的）學(xué)習(xí)；A7 ⑧ 解決問(wèn)題的學(xué)習(xí)； A8 。他指出每一類(lèi)學(xué)習(xí)中蘊(yùn)藏著前一類(lèi)的學(xué)習(xí)。同時(shí)加涅也提出構(gòu)成一個(gè)人學(xué)習(xí)行為的八個(gè)有機(jī)聯(lián)系系統(tǒng)（動(dòng)機(jī)→領(lǐng)會(huì)→習(xí)得→保持→回憶→概括→操作→反饋），并指出每一階段有其各自的內(nèi)部心理過(guò)程和影響它的外部事件。教學(xué)就是遵循學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)過(guò)程的這些特點(diǎn)，安排適當(dāng)?shù)耐獠繉W(xué)習(xí)條件。

在學(xué)習(xí)條件理論所論述的八個(gè)學(xué)習(xí)層次中，本文認(rèn)為都能歸類(lèi)對(duì)應(yīng)著相似學(xué)習(xí)層次的一種物理實(shí)驗(yàn)類(lèi)型（以Bn標(biāo)識(shí)）。①A1 A2 以感知地學(xué)為主，對(duì)應(yīng)基本實(shí)驗(yàn)類(lèi)型；B1 ②A3 A4 A5 以聯(lián)想、辨別地學(xué)為主，對(duì)應(yīng)科學(xué)小實(shí)驗(yàn)類(lèi)型；B2 ③A6 A7 以邏輯、直觀地學(xué)為主，對(duì)應(yīng)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)類(lèi)型；B3 ④A8 以抽象、研究地學(xué)為主，對(duì)應(yīng)探究性實(shí)驗(yàn)類(lèi)型；B4。一個(gè)階段到下一個(gè)階段，思維層次也在相應(yīng)地提高。

從思維的角度來(lái)觀察此種分類(lèi)方法，前兩類(lèi)實(shí)驗(yàn)更注重“形象”思維的訓(xùn)練，而后兩類(lèi)實(shí)驗(yàn)更注重“抽象”思維的訓(xùn)練；從認(rèn)知的角度來(lái)看，前兩類(lèi)實(shí)驗(yàn)更關(guān)注物理規(guī)律的“個(gè)性”，而后兩類(lèi)實(shí)驗(yàn)更關(guān)注物理規(guī)律的“共性”；從教學(xué)目標(biāo)來(lái)看，前兩類(lèi)實(shí)驗(yàn)更注重“知識(shí)”的接受，而后兩類(lèi)實(shí)驗(yàn)更注重“能力”的培養(yǎng)。因此將前兩類(lèi)實(shí)驗(yàn)和后兩類(lèi)實(shí)驗(yàn)分別合并，即提出了兩級(jí)式中學(xué)物理虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ剑═PVM）。所謂兩級(jí)（以Cn標(biāo)識(shí)），即：從思維、認(rèn)知、教學(xué)目標(biāo)等方面觀察、分析，抓住幾類(lèi)重要評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，總結(jié)出需要分別對(duì)待的實(shí)驗(yàn)類(lèi)型，并將它們合并歸為兩類(lèi)，為后面分類(lèi)研究對(duì)應(yīng)的虛擬實(shí)驗(yàn)理論和開(kāi)發(fā)方法提供模式支持。在理論分析和定性建模方法的層層推演下兩級(jí)式中學(xué)物理虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ剑═PVM）的邏輯結(jié)構(gòu)如圖：

三 兩級(jí)式中學(xué)物理虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?TPVM)的理論探討

兩級(jí)式中學(xué)物理虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ剑═PVM）的提出，著重在認(rèn)知理論的指導(dǎo)下為有效地設(shè)計(jì)中學(xué)物理虛擬實(shí)驗(yàn)提供了一種科學(xué)的方法。以它作為中介能更好地促進(jìn)虛擬技術(shù)和教學(xué)實(shí)踐的結(jié)合，從而開(kāi)發(fā)出優(yōu)秀的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

1 兩級(jí)式中學(xué)物理虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ剑═PVM）的優(yōu)勢(shì)

在進(jìn)行了大量理論實(shí)踐的分析推理后構(gòu)建的TPVM模式具有多維度的優(yōu)勢(shì)。

（1） 技術(shù)角度看，一級(jí)實(shí)驗(yàn)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)多以演示和簡(jiǎn)單交互為主，而二級(jí)實(shí)驗(yàn)由于需以學(xué)習(xí)者為中心，進(jìn)行研究性學(xué)習(xí)，因此涉及到較復(fù)雜的交互及算法設(shè)計(jì)。上文所提出的分類(lèi)方法和模式使虛擬實(shí)驗(yàn)的技術(shù)框架可以從腳本的構(gòu)造上采用不同的方式，形成不同的兩個(gè)技術(shù)平臺(tái)，方便以后更多虛擬實(shí)驗(yàn)資源的分類(lèi)加入。

（2） 思維角度看，一級(jí)實(shí)驗(yàn)多以訓(xùn)練形象思維為主，依靠虛擬實(shí)驗(yàn)中具體物體如實(shí)驗(yàn)儀器、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象等的信息加工來(lái)對(duì)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行記憶和理解。這種思維具有形象性、非邏輯性、粗略性、想象性等特點(diǎn)。而二級(jí)實(shí)驗(yàn)多以抽象思維為主，在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，學(xué)習(xí)者多運(yùn)用概念、判斷、推理的思維形式對(duì)事物的屬性進(jìn)行分析、綜合、比較的基礎(chǔ)上，抽取物理實(shí)驗(yàn)的規(guī)律和本質(zhì)。這種思維具有抽象性、邏輯性等特點(diǎn)。在虛擬物理教學(xué)中可以有針對(duì)性地訓(xùn)練學(xué)習(xí)者在物理實(shí)驗(yàn)中的兩種思維，發(fā)展學(xué)生認(rèn)知能力和提高物理學(xué)習(xí)效率。

（3） 趣味性角度看，一級(jí)實(shí)驗(yàn)的基本實(shí)驗(yàn)和科學(xué)小實(shí)驗(yàn)較之二級(jí)實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)和探究性實(shí)驗(yàn)更貼近生活，更能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的新思維；能讓一些枯燥的物理規(guī)律和知識(shí)點(diǎn)以更生動(dòng)的形式表現(xiàn)出來(lái)。兩級(jí)實(shí)驗(yàn)綜合交替使用，能使虛擬物理教學(xué)變化多樣，內(nèi)容豐富充實(shí)。學(xué)生既能在一級(jí)實(shí)驗(yàn)中培養(yǎng)興趣和掌握基本知識(shí)，又能在二級(jí)實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用實(shí)踐，發(fā)展創(chuàng)新，使學(xué)生真正成為學(xué)習(xí)的主體。

2 兩級(jí)式中學(xué)物理虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ剑═PVM）的應(yīng)用原則

在TPVM模式的邏輯框架下，充分發(fā)揮其多維度的優(yōu)勢(shì)達(dá)到最優(yōu)的教學(xué)效果，既是應(yīng)用TPVM模式的重要目標(biāo)，也是教育開(kāi)發(fā)的實(shí)際要求。因此提煉目前先進(jìn)的教育理論如建構(gòu)主義、分布式認(rèn)知理論等科學(xué)觀點(diǎn)提出的以下幾點(diǎn)原則，將為此提供有效保障。

（1） 情境真實(shí)性原則 根據(jù)建構(gòu)主義理論，學(xué)習(xí)是一種真實(shí)情境的體驗(yàn)，只有在真實(shí)世界的情境中才能使學(xué)習(xí)變得更為有效。現(xiàn)代教育中學(xué)習(xí)的目的，不僅僅是懂得某些知識(shí)，而且還要能真正運(yùn)用所學(xué)知識(shí)去解決現(xiàn)實(shí)中的問(wèn)題。在一些真實(shí)的情境中，學(xué)習(xí)者能否運(yùn)用自身的知識(shí)結(jié)構(gòu)解決實(shí)際問(wèn)題才是衡量學(xué)習(xí)是否成功的關(guān)鍵。因此虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境的設(shè)計(jì)一定要貼近真實(shí)環(huán)境，即應(yīng)采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建真三維的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。

（2） 分別對(duì)待原則 在TPVM模式中，由于一、二級(jí)實(shí)驗(yàn)針對(duì)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)思維訓(xùn)練和能力培養(yǎng)等都不相同，因此對(duì)一、二級(jí)虛擬實(shí)驗(yàn)的功能設(shè)計(jì)，技術(shù)實(shí)現(xiàn)，情感因素等都需要分別對(duì)待，才能有效保證教學(xué)質(zhì)量。在功能設(shè)計(jì)上，對(duì)注重形象、表象思維的一級(jí)實(shí)驗(yàn)應(yīng)將設(shè)計(jì)重點(diǎn)傾斜于演示，簡(jiǎn)單交互幫助記憶和理解。而對(duì)注重抽象、邏輯思維的二級(jí)實(shí)驗(yàn)應(yīng)將設(shè)計(jì)重點(diǎn)傾斜于引導(dǎo)學(xué)生親自動(dòng)手，自主思維的小組實(shí)驗(yàn)，智能化交互幫助和研究性學(xué)習(xí)。在技術(shù)實(shí)現(xiàn)上，一級(jí)實(shí)驗(yàn)可以更注重視覺(jué)設(shè)計(jì)和強(qiáng)化印象等方面的技術(shù)實(shí)現(xiàn)。而二級(jí)實(shí)驗(yàn)需要更復(fù)雜的技術(shù)深入開(kāi)發(fā)智能化的交互，繁雜的數(shù)據(jù)處理，人性化的導(dǎo)航，出錯(cuò)監(jiān)控和糾錯(cuò)機(jī)制等方面。在情感因素上，興趣是一級(jí)實(shí)驗(yàn)的中心線索。而二級(jí)實(shí)驗(yàn)更傾向于培養(yǎng)學(xué)生堅(jiān)忍不拔，一絲不茍的科學(xué)態(tài)度。

（3） 網(wǎng)絡(luò)共享性原則 分布式認(rèn)知理論指出，認(rèn)知是分布于個(gè)體內(nèi)和個(gè)體間的，或者說(shuō)分布于媒介、方法、社會(huì)和時(shí)間等環(huán)境中的。信息技術(shù)在分布式認(rèn)知中的作用是十分明顯的。網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)一步強(qiáng)化了分布式認(rèn)知的可能性。因此虛擬實(shí)驗(yàn)結(jié)合網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)共享功能，可以使教師、學(xué)生和學(xué)習(xí)內(nèi)容處于不同的非集中性的地方，從而使學(xué)習(xí)不受時(shí)間與地點(diǎn)的限制，既可作為傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有益補(bǔ)充，又可作為遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的主要手段。

四 兩級(jí)式中學(xué)物理虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ剑═PVM）的具體實(shí)踐

在兩級(jí)式中學(xué)物理虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ剑═PVM）及其應(yīng)用原則的指導(dǎo)下實(shí)際開(kāi)發(fā)了一個(gè)TPVM的實(shí)例。本實(shí)例為真三維的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。一級(jí)實(shí)驗(yàn)為一個(gè)熱學(xué)趣味實(shí)驗(yàn)——固體導(dǎo)熱性。二級(jí)實(shí)驗(yàn)選用了一個(gè)中學(xué)的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)——伏安法測(cè)電阻。

1 實(shí)例的設(shè)計(jì)思想

作為一級(jí)實(shí)驗(yàn)的趣味實(shí)驗(yàn)主要學(xué)習(xí)了固體導(dǎo)熱性和不同金屬導(dǎo)熱能力不同這兩個(gè)知識(shí)點(diǎn)。從教學(xué)目標(biāo)的角度來(lái)分析，在認(rèn)知領(lǐng)域這兩個(gè)知識(shí)點(diǎn)屬于知道和理解的層次。在操作領(lǐng)域，屬于觀察演示和簡(jiǎn)單的模擬操作層次。而情感領(lǐng)域正如原則中分析的，更偏重于激發(fā)學(xué)生興趣這個(gè)因素。因此整個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)上注重了視覺(jué)吸引和強(qiáng)化印象如設(shè)計(jì)了顏色搶眼的火柴作為實(shí)驗(yàn)器材之一。交互功能上設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)單。主要是有學(xué)生任意選擇兩個(gè)知識(shí)點(diǎn)學(xué)習(xí)的切換如添加一根或多根火柴，金屬材質(zhì)的任意選擇，以及觀察出現(xiàn)的不同實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象等。由于這個(gè)實(shí)驗(yàn)取材貼進(jìn)生活，構(gòu)思新奇，能將枯燥的知識(shí)點(diǎn)生動(dòng)地表現(xiàn)出來(lái)。相信通過(guò)這些操作和觀察，這兩個(gè)知識(shí)點(diǎn)將被學(xué)習(xí)者理解和掌握。

作為經(jīng)典實(shí)驗(yàn)的二級(jí)實(shí)驗(yàn)——伏安法測(cè)電阻，在對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作能力和思維培養(yǎng)上都具有較高的要求。從教學(xué)目標(biāo)角度來(lái)分析，在認(rèn)知領(lǐng)域，不僅需要對(duì)基本實(shí)驗(yàn)器材能識(shí)別和選用，會(huì)讀取安培表和伏特表的讀數(shù)等知道、理解層次的知識(shí)點(diǎn)，更重要的是能掌握此實(shí)驗(yàn)?zāi)軠y(cè)出電阻的設(shè)計(jì)思想和規(guī)律，會(huì)通過(guò)現(xiàn)象判斷實(shí)驗(yàn)過(guò)程是否正確，會(huì)自主糾正錯(cuò)誤，會(huì)采用實(shí)驗(yàn)收集的數(shù)據(jù)計(jì)算出電阻阻值，掌握多種不同的電路接法，甚至還能提出改進(jìn)方法等屬于掌握評(píng)價(jià)層次的認(rèn)識(shí)目標(biāo)。在操作領(lǐng)域除了能動(dòng)手使用導(dǎo)線連接電路等基本操作，還要會(huì)判斷電流的流向，排除實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的故障，探索操作的意義和目的，改進(jìn)方法等完成定型、創(chuàng)新層次的任務(wù)。在情感領(lǐng)域更偏重于一絲不茍的科學(xué)態(tài)度和積極探索的精神。因此整個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)上注重實(shí)驗(yàn)邏輯推理思維的培養(yǎng)，交互功能的設(shè)計(jì)更加人性化和智能化。如設(shè)有實(shí)時(shí)糾錯(cuò)提示，移動(dòng)、縮放、旋轉(zhuǎn)等工具按鈕，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)象的真實(shí)對(duì)應(yīng)，不同的連線方式將對(duì)應(yīng)不同的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象如滑動(dòng)變阻器、伏特表在電路中有多種連法，對(duì)應(yīng)燈泡亮度和兩表指針讀數(shù)都有所不同等。

2 實(shí)例的技術(shù)實(shí)現(xiàn)

本實(shí)例在技術(shù)實(shí)現(xiàn)上采取了一種新方法，即用3DMAX構(gòu)建三維場(chǎng)景，用VIRTOOLS進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和交互控制。3DMAX是大家所熟悉的三維建模和動(dòng)畫(huà)軟件。方法中的VIRTOOLS是由法國(guó)全球交互三維開(kāi)發(fā)解決方案公司VIRTOOLS所開(kāi)發(fā)一套具備豐富互動(dòng)行為模組的即時(shí)3D環(huán)境虛擬實(shí)境與多媒體互動(dòng)編輯軟件。它可以將現(xiàn)有的3D模型、2D圖形或影音等檔案格式整合在一起。VIRTOOLS制作優(yōu)勢(shì)在于可以利用拖放的方式，將Building Blocks（行為交互模塊，簡(jiǎn)稱(chēng)BB）賦予在適當(dāng)?shù)腛bject（對(duì)象）或是Character（虛擬角色）上，以流程圖的方式?jīng)Q定BB行為交互模塊的前后處理順序，從而實(shí)現(xiàn)了可視化的交互腳本設(shè)計(jì)，逐漸編輯成完整的交互式虛擬世界。還可以通過(guò)自帶的一個(gè)軟件開(kāi)發(fā)工具包（SDK）或編寫(xiě)VC++代碼來(lái)制作新的模組BBs，以滿足擴(kuò)展設(shè)計(jì)的需要。3DMAX與VIRTOOLS結(jié)合開(kāi)發(fā)虛擬實(shí)驗(yàn)室，既能使程序部分的開(kāi)發(fā)象使用應(yīng)用軟件一樣直觀、易實(shí)現(xiàn)，又能實(shí)現(xiàn)全三維場(chǎng)景，開(kāi)發(fā)出交互功能強(qiáng)大，界面友好的作品。

用此方法開(kāi)發(fā)的流程主要有三個(gè)步驟，分別是模型的構(gòu)建—>模型的控制—>虛擬實(shí)驗(yàn)的發(fā)布。技術(shù)實(shí)現(xiàn)即使用3DMAX建構(gòu)虛擬實(shí)驗(yàn)的場(chǎng)景和實(shí)驗(yàn)器材，利用MaxExporter插件將其導(dǎo)出為NMO文件格式，并導(dǎo)入VIRTOOLS，再用VIRTOOLS內(nèi)置行為模塊實(shí)現(xiàn)交互控制和數(shù)據(jù)處理，完成后將作品發(fā)布成基于WEB的網(wǎng)頁(yè)形式或用一個(gè)制作EXE文件的安裝包，將其制作成單機(jī)版運(yùn)行的EXE文件。

結(jié)語(yǔ)

兩級(jí)式中學(xué)物理虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ剑═PVM）是先進(jìn)教育理論與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物，是現(xiàn)代教育技術(shù)的前沿成果。將它應(yīng)用于教育實(shí)踐，不僅是對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)手段的改革，也是對(duì)一種全新教學(xué)模式的探索。TPVM模式符合中學(xué)學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，在它指導(dǎo)下設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)虛擬實(shí)驗(yàn)以其優(yōu)良的教學(xué)性，高度的沉浸性和交互性，能廣泛地應(yīng)用于各種課堂、遠(yuǎn)程教育，甚至各類(lèi)培訓(xùn)，應(yīng)用前景十分巨大。本文針對(duì)它的技術(shù)實(shí)現(xiàn)采用的3D/VIRTOOLS新方法，使虛擬實(shí)驗(yàn)的開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單方便，技術(shù)難度小，容易掌握，還能夠?qū)崿F(xiàn)良好的全三維動(dòng)態(tài)交互。TPVM模式的應(yīng)用推廣，必將引起教學(xué)手段、教學(xué)效果、教學(xué)質(zhì)量的巨大變化。

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