（教育技术学专业论文）基于virtools的中学计算机硬件虚拟实验的研究与设计.pdf

基于v i r t o o l s 的中学计算机硬件虚拟实验的研究与 设计 教育技术学专业 研究生阮丽娜指导教师黄堂红 摘要近年来，计算机技术和虚拟现实技术迅猛发展，使得虚拟实验技术 也日渐趋于成熟和完善。虚拟实验是一种新的实验模式，具体是指在计算机系 统中采用虚拟现实技术实现各种虚拟实验环境，由实验所依赖的模拟程序、实 验单元、工具和参考资料组成，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。随着基础教育课程改革的不断深化，对实验教学如何更好地培 养学生的动手实践能力以及科学探究能力等提出了更高的要求，基础教育实验 教学的改革与完善迫在眉睫。因此，虚拟实验在教学中的应用研究要持续不断 地深入，使其切实成为实验教学最有益的辅助手段。 本文首先探讨了中学计算机硬件虚拟实验的研究背景与研究意义，对虚拟 实验的国内外研究现状及应用领域进行了介绍，并对我国目前中学计算机硬件 虚拟实验研究及应用现状进行了分析。深入探讨了开发和应用虚拟实验的理论 基础；详细阐述了虚拟实验系统的相关概念及特点等，并分析、比对了虚拟实 验的实现技术；提出了利用v i r t o o l s 和3 d sm a x 软件设计开发中学计算机硬件 虚拟实验系统的方案，详细地介绍了系统的功能模块、关键技术等，并对虚拟 实验系统的试用评价情况进行了简单介绍。最后，结合在系统设计开发中的体 会和测试评价所反映出的不足之处，对该虚拟实验的设计开发进行了探讨和总 结，并对以后需要进一步深入研究的工作做了简单的展望。 关键词：虚拟现实，虚拟实验，v i r t o o l s ，中学计算机硬件实验 r e s e a r c ha n dd e s i g no f c o m p u t e r h a r d w a r ev i r t u a l e x p e r i m e n t b a s e do nv i r t o o l sf o rh i g hs c h o o l m a j o r ：e d u c a t i o n a lt e c h n o l o g y g r a d u a t es t u d e n t ：r u a nl in a s u p e r v i s o r ：h u a n gt a n g h o n g a b s t r a c ti nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fc o m p u t e ra n dv i r t u a l r e a l i t yt e c h n o l o g y , v i r t u a le x p e r i m e n t a lt e c h n i q u eh a sb e c o m em o r em a t u r ea n d p e r f e c t v i r t u a le x p e r i m e n ti s an e we x p e r i m e n t a lm o d e l ，e s p e c i a l l yr e f e r st o e m p l o y v i r t u a lr e a l i t y t e c h n o l o g y t oa c h i e v ev a r i o u sv i r t u a l e x p e r i m e n t e n v i r o n m e n tw h i c hi sc o m p o s e dw i t hs i m u l a t i o np r o g r a m sa n dt h ee x p e r i m e n t a l u n i t s ，t o o l sa n dr e f e r e n c em a t e r i a l sal a b o r a t o r yr e l yo n ，e x p e r i m e n t e r sc a nf i n i s h v a r i o u ss c h e d u l e de x p e r i m e n tp r o j e c t su n d e rav i r t u a le n v i r o n m e n tw h i c hi sm u c h l i k et h er e a le x p e r i m e n t a l w i t ht h eb a s i ce d u c a t i o nc u r r i c u l u mr e f o r me x p e r i e n c e s f r o mt h ev e r yb e g i n n i n gt of u l li m p l e m e n t a t i o n ，t h i ss i t u a t i o np u tf o r w a r dah i g h e r d e m a n do fh o wt ob e a e rt r a i ns t u d e n t s p r a c t i c a la b i l i t ya n ds c i e n t i f i ci n q u i r y e x p e r i m e n t a lt e a c h i n go fb a s i ce d u c a t i o n sr e f o r ma n di m p r o v e m e n ti su r g e n c y t h e r e f o r e ，t h ev i r t u a le x p e r i m e n t sa p p l i c a t i o na n dr e s e a r c hi nt e a c h i n gs h o u l db e c o n t i n u e di n - d e p t h ，m a k i n gt h ev i r t u a le x p e r i m e n te x p e r i m e n t a lt e a c h i n gb e c o m e t h em o s te f f e c t i v e l ya n du s e f u la i dm e t h o d t h i sp a p e rd i s c u s s e st h eb a c k g r o u n da n dr e s e a r c hs i g n i f i c a n c eo fh i g hs c h o o l c o m p u t e rh a r d w a r ev i r t u a le x p e r i m e n t ，a n da n a l y z e sc u r r e n ts i t u a t i o no fv i r t u a l e x p e r i m e n tr e s e a r c ha n da p p l i c a t i o n sa tc h i n e s eh i g hs c h o o l s t h e o r e t i c a lb a s i so f v i r t u a l e x p e r i m e n ta p p l i c a t i o n i sd i s c u s s e dd e e p l y r e l a t e d c o n c e p t i o n ，a n d c h a r a c t e r i s t i c so fv i r t u a le x p e r i m e n ts y s t e ma r ea l s od e t a i l e dd i s c u s s e di nt h i sp a p e r t h er e a l i z a t i o nt e c h n o l o g yo fv i r t u a le x p e r i m e n th a sb e e nd i s c u s s e da n da n a l y z e d a f t e rt h a t ，u s i n gv i r t o o l sa n d3 d sm a xs o f t w a r et od e s i g na n dd e v e l o p m e n th i g h i v s c h o o l s h a r d w a r ev i r t u a le x p e r i m e n ts y s t e mh a sb e e np r e s e n t e da n dt h es y s t e m s f u n c t i o n a lm o d u l e s ，k e yt e c h n o l o g i e s ，e v e nt h es y s t e m su s i n ge v a l u a t i o nr e p o r t s h a sb e e no f f e r e d f i n a l l y , d i s c u s sa n ds u m m a r i z et h ev i r t u a le x p e r i m e n t sd e s i g n a n dd e v e l o p m e n t ，c o m b i n e dw i t ht h ed i s a d v a n t a g e sr e f l e c t e di nt e s te v a l u a t i o n r e s u l t s ，t h e ns h o w st h ef u t u r ew o r ka n ds t u d y i nt h i sf i e l d k e y w o r d $ ：v i r t u a lr e a l i t y , v i r t u a le x p e r i m e n t ，v i r t o o l s ，h i g h s c h o o l c o m p u t e rh a r d w a r ee x p e r i m e n t v 四川师范大学学位论文独创性及 使用授权声明 本人声明：所呈交学位论文，是本人在导师黄堂丝割丝撞指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任 何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品或成果。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。 本人承诺：已提交的学位论文电子版与论文纸本的内容一致。如因不符而 引起的学术声誉上的损失由本人自负。 本人同意所撰写学位论文的使用授权遵照学校的管理规定： 学校作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者须授权所在大学拥 有学位论文的部分使用权，即：1 ) 已获学位的研究生必须按学校规定提交印 刷版和电子版学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库供 检索；2 ) 为教学、科研和学术交流目的，学校可以将公开的学位论文或解密 后的学位论文作为资料在图书馆、资料室等场所或在有关网络上供阅读、浏览。 本人授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文 全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 黧焉拿燃签字日期：2 0 f o 年6 月弓白 导师签名：旎。 签字日期：动年月多日 第1 章绪论 1 1 课题研究背景和意义 2 0 0 1 年6 月，教育部颁布基础教育课程改革纲要( 试行) ，明确规定综 合实践活动( 包括信息技术) 是中学生在校期间的一门必修课程。近几年来，信 息技术作为培养学生信息文化素养和实践能力的基础性课程，在推动基础教育 信息化发展进程中起着重要作用。 信息技术是实践性很强的学科，实验是中学信息技术教学的重要辅助手 段，是学生真正理解理论知识，并将其运用于实践的重要保证。根据中学信 息技术课程指导纲要的要求，中学信息技术课程中的实验课程不应少于总学 时的7 0 ，由此可见，实验课程在中学信息技术课程中占据了绝对重要的位置。 随着基础教育改革的不断深入，中学信息技术课程也随之做了很多的改 革。改革中很重要的一点就是更加注重学生动手实践能力的培养和自主探究学 习方式的引导。教育部制定的中学信息技术课程标准，在中学信息技术教 育的内容及目标要求中明确提出：“要让学生能识别计算机的外观和常用输入 设备( 如鼠标、键盘) 、输出设备( 如监视器、打印机) 及其他常用外接设备 ( 如音箱、耳机、话筒等) ；能通过动手组装或观看组装示范，探究计算机的 基本构成，认识不同部件的基本功能( 通过活动学习获得直接经验；通过观察 学习获得间接经验) 川。 就目前的现状来看，中学信息技术课程教学改革取得了一定的进展，大多 数中学都能将实验课程有序地开展起来，特别是“校校通”工程实施以来，信 息技术实验室的软硬件条件都有了很大的改观。但是仍然存在着一些问题，特 别是与计算机硬件有关的实验课程，在开展的同时还是受到了很大的限制。最 大的限制在于实验设备的问题，学校由于考虑到实验经费等因素，对于计算机 硬件这类对实验设备要求较高、损耗较大的实验，大多都是提供一些已淘汰或 者无法正常使用的计算机设备来做实验，这样的结果便是造成学生在理论学习 与实践应用上的严重脱节，跟不上计算机的发展形势。另外，计算机硬件这类 实验自身的实验要求也造成了一定的实施限制，专门用于组装以及设置故障进 行维护的计算机设备费用都很高，而多次拆装加上人为的设置故障又容易对计 算机部件造成损坏，减少了实验设备的使用时间，长此以往学校的实验经费便 难以承担。加之，在计算机的组装过程中由于涉及到通电这一环节，学生在实 验时的安全性考虑也成为实验得不到很好的实施原因之一。针对这些问题，一 些学校正逐步在信息技术实验教学环节中引入虚拟实验。因此，基于中学信息 技术课程的虚拟实验的研究就显得很有必要性了。 虚拟实验是基于虚拟现实技术而产生和发展的一种新的实验模式，它通过 建立三维模型和三维场景来模拟真实的实验情境，再通过建立系统的交互性来 完成实验操作，能模拟真实的实验操作和实验场景，达到实际操作的预期效果。 虚拟实验的出现降低了传统实验教学对实验设备、实验条件等客观物质的依 赖，不仅提高了实验效率，降低了实验成本，对增强学生学习的积极性和主动 性也起到了促进作用。加之虚拟实验更新速度快，能够实现教育资源共享等特 点，随着虚拟现实技术和计算机技术的发展和成熟，构建基于虚拟现实技术的 虚拟实验，已成为虚拟现实技术应用于教育教学领域的重要方面之一，是实验 教学的一个新的发展方向。 综上所述，本研究开发设计的中学计算机硬件虚拟实验，用软件代替硬件， 用编程模拟实验的全过程，不仅有效地解决了实验实施过程中的实验设备不 足、损耗较大、安全性顾虑等问题，还丰富了信息技术课程教学资源，促进了 传统实验教学的改革。 1 。2 相关概念阐释 虚拟现实( v i r t u a lr e a l i t y ，简称v r ) 技术又称为“灵境技术，指用计算 机生成一个逼真的三维感觉世界，使人和计算机很好地“融为一体，给人以 “身临其境 的感觉阳，。v r 是涉及计算机技术、人机交互技术等多领域的一项 综合集成技术，利用计算机技术生成逼真的三维虚拟世界，参与者使用特定地 装置，便可以自然地对虚拟世界进行体验和交互。虚拟现实技术具有3 i 特性， 即交互( i n t e r a c t i o n ) 特性、沉浸( i m m e r s i o n ) 特性和想象( i m a g i n a t i o n ) 特性。 交互特性是指参与者通过专用设备可以实现与虚拟环境进行交互操作；沉浸特 性是指三维虚拟环境能使参与者产生沉浸感，全身心地投入于该环境中的体 验；想象特性是指参与者处于虚拟环境中时，能发挥自己的想象力解决问题。 交互性和沉浸性是虚拟现实的实质特征，而想象性则是虚拟现实的最终目的。 2 3 i 特性能真正实现参与者沉浸于三维虚拟环境中并与之进行互动和交流，这 样的沉浸和互动再加之人本身的认知能力，可以帮助启发参与者的思维。 虚拟实验( v l r t u a le x p e r i m e n t ) 是指借助于图形图像、仿真和虚拟现实等技 术在计算机上所营造的，可辅助、部分替代甚至全部替代传统实验各操作环节 的相关软硬件操作环境，。虚拟实验是相对真实实验来讲的，在虚拟实验中， 实验场景与实验设备都是通过三维建模技术模拟利用计算机技术呈现的，实验 过程主要是对实验器件的模型的操作。虚拟实验过程可以由实验者完全控制或 者部分控制，实验过程可以不断的重复进行。虚拟实验可以在进行真实实验前 供学习者预习实验内容，也可以在真实实验过程后对实验内容进行巩固和复 习，对于一些由于实验设备缺乏等原因导致真实实验无法进行的实验，虚拟实 验还可以直接用于实验课程中，代替真实实验让学生感知整个实验过程。 由于虚拟现实技术的交互性和沉浸性，使得基于虚拟现实技术的虚拟实验 也具有了形象性、直观性、逼真性的特点。目前使用得最多的是桌面虚拟实验 系统。所谓桌面式虚拟实验系统，主要是利用计算机及虚拟现实技术通过计算 机显示器营造与真实世界类似的环境，以计算机屏幕作为参与者观察虚拟空间 的窗口，用户通过鼠标、键盘等外部设备和虚拟空间进行交互的一种简化的虚 拟实验系统。该系统由于成本较低，在各领域应用较为广泛。目前，在教育领 域中使用的主要就是这种系统。本研究所设计实现的虚拟实验也是属于桌面虚 拟实验系统。 1 3 国内外研究现状和应用分析 虚拟实验概念的提出至今仅有十几年的时间，但因其广阔的应用前景，国 内外有很多科研机构都已经展开了虚拟实验的研究和开发工作，特别是在国内 外一些著名的大学，已有很多设计好并投入使用的虚拟实验实例，涵盖了计算 机网络、人工智能、生命科学、化学、物理、生物工程、通讯、图形图像、农 业科学等教学、科研领域。 1 3 1 国外的研究现状 上个世纪9 0 年代，国际上开始了虚拟实验的研究，时至今日，虚拟实验 3 的研究在发达国家已经十分普及了。而这当中又以美国为代表，美国已将虚拟 实验列入其科研发展的战略规划中。早在9 0 年代初期，美国就已经投入大量 资金研发了海洋学、天体物理学和分子生物学三个领域的虚拟实验，随后将其 作为示范工程，开展了一系列探索性研究并取得了实质性进展。目前，越来越 多的专家学者都积极投身于虚拟实验的研究工作中。 国外虚拟实验研究的代表性成果主要有： 1 麻省理工学院的w e b l a b 虚拟实验系统，该系统应用于微电子学科 ( s i n g a p o r e m i t a l l i a n c e ) 的学生，学生在新加坡通过网络访问和使用w e b l a b ， 而指导老师却在麻省理工学院，在实验中学生表现出了极大地兴趣，并普遍称 赞虚拟实验的训练很好，他们可以把真实的数据与模拟的数据进行比较拍1 。 2 印地安那州立大学的化学虚拟实验系统，该系统用于化学实验课中，利 用计算机来做辅助，完成采集与分析实验数据、展示虚拟实验等功能，并在网 上发布相关的实验指导材料，包括各种格式的多媒体资料，供学生下载学习，。 3 芝加哥伊利诺伊大学的数字化有机化学实验系统，该系统在网上发布后 提供了一系列的虚拟实验以及相关实验资料，包括在线实验教材、实验测评方 法、实验测评形式、相关教学资源的链接等旧，。 4 美国i l l i n o i s 大学的n m r s c o p e 系统，该系统实现研究人员通过网络在任 何地方都能使用i l l i n o i s 大学的仪器。比如n m r i ( 核磁共振仪) 的使用，只要 向该大学递交一个样品，经过授权的研究人员就可以与服务器联机，服务器将 显示出一张表示仪器设置的表格和功能清单，通过点击屏幕上的按钮就可以进 行实验，生成的图像将被传回到研究人员的计算机屏幕上h 3 。 5 美国德克萨斯州立大学的远程倒立摆实验系统，该系统主要提供给校内 学生进行远程实验。倒立摆由一台专门的服务器使用m a t l a bs i m u l i n k 作为其 控制器，学生通过n e t m e e t i n g 连接到控制服务器，可以对相应的控制器进行 修改，以获得需要的控制器结构，控制信号经由串口控制倒立摆的运动，实验 结果由音视频装置传递回客户端l 。，。 1 3 2 国内的研究状况 与国外相比，国内虚拟实验的开展起步较晚，但目前虚拟实验的研究也得 4 到了应有的重视。特别是在国内的部分高校，如清华大学、华中理工大学、四 川大学、复旦大学、上海交通大学等，都已经展开虚拟实验的研究并取得了一 定的研究成果。 国内具有代表性的虚拟实验研究成果主要有：北京大学的基于w w w 的网上 虚拟实验系统，该系统实现了用户可通过界面选择实验种类，并将实验设计通 过网络传送到服务器端，而服务器端接到响应后完成客户端要求的实验内容， 并把实验结果传回给客户端。用户收到实验结果后，可对自己的实验设计进行 评价，从而对自己的能力进行判断阳，。中国农业大学的网上虚拟土壤作物系统 实验，该实验模拟植物在三维空间中的生长发育状况，探讨虚拟植物模型在农 业领域应用的关键问题怕，。华中理工大学的工程测试虚拟实验系统，学生可以 通过互联网计算机终端来进行仿真实验，此外，图像处理研究室还设计了数字 图像处理虚拟实验系统n 们n “。中国科技大学的几何光学实验设计平台，该平台 完成了光学虚拟实验的设计，通过实验所提供的一系列光学仪器，学生可以基 本上完成所有的单透镜实验和组合透镜实验，并且提供了完整的文档和习题系 统u ”。同济大学的普通物理网上仿真实验系统，该系统对每一个实验都列出了 实验原理、实验仪器、实验内容、数据处理、思考题和相关知识等内容，对仪 器的常见操作实现了仿真，学生通过点击仿真设备的各控制按钮，调节控制实 验设备，完成实验操作n ，。 基于计算机硬件虚拟实验的研究和应用方面，国内在高等教育中进行得比 较多，而基础教育受到很多条件的限制，这方面的研究开发还比较少。已有的 研究成果大多都基于大学本科或者专科阶段的课程研究，大学阶段对于计算机 组装和配置的实验要求更高更精细，这部分研究更加注重计算机硬件的数字电 路设计等方面的知识，在实现上大多都采用j a v a3 d 、v r m l 等语言开发；基于 中小学的虚拟实验研究也大多都集中于物理、化学、生物学科的实验研究上， 针对于信息技术学科的研究比较少。现阶段在中学信息技术实验教学环节中使 用的虚拟实验主要是二维单机版的，一般用于课堂教学的辅助演示，在这类虚 拟实验系统中学生在实验时操作的实验仪器就是一些图案和符号，非常抽象， 不利于学生的理解和掌握。虽然近几年也有一些三维的虚拟实验设计，比较好 的对实验器件进行了模拟，但大多交互功能都不强，多用于课堂教学演示，没 5 有对学生的操作技能进行锻炼，不利于学生进行探究性学习。 1 3 3 研究现状总结 从国内外的应用状况可以看出，虚拟实验的研究已经取得了相当大的成 绩，已经从开始的探索进入实际应用阶段。虚拟实验应用于教学也日趋发展起 来，就作者通过文献调研的结果来看，我国虚拟实验的研究与应用在高等教育 中进行得比较多，而基础教育受到很多条件的限制，这方面的研究开发还比较 少。另外，目前实验教学中使用的虚拟实验大多是企业开发的，不能很好的体 现出实验教学设计的思想。 对现有的关于中学计算机硬件虚拟实验的研究成果进行分析研究，发现还 存在着一些不足，比如，虚拟实验的交互性设计还有待提高；有的虚拟实验忽 视了实验场景的构建，这对于许多没有接触过真实实验的学生是不够的；随着 信息技术实验教学的不断推进和发展，一线教师的教学需求不断更新变化，原 有的虚拟实验在实际教学中就会出现知识陈旧、教法老套等问题，这就要求计 算机硬件的虚拟实验设计在完整性和教学实用性上也要与时俱进，不断更新进 步。由此可见，本课题提出的基于v i r t o o l s 的中学信息技术课程的计算机硬件 虚拟实验的研究是很必要的。 1 4 本文的研究目标和研究内容 1 4 1 研究目标 通过该课题的研究，设计一个基于v i r t o o l s 的中学计算机硬件虚拟实验， 丰富中学信息技术课程教学的教学资源，有效地改善中学信息技术实验教学中 存在的问题，为中学信息技术课程教学的改革做一些铺垫和探索。 1 4 2 研究内容 本文在探讨虚拟现实技术在中学信息技术课程教学中的应用同时，分析目 前中学信息技术实验教学存在的问题，设计出提高中学信息技术实验教学质量 的辅助教学资源；运用3 d sm a x 和v i r t o o l s 等技术设计开发出一个具有三维交 互虚拟场景的中学计算机硬件虚拟实验，建构并验证基于虚拟现实技术的中学 信息技术课程教学方法。具体的研究内容如下： 6 1 研究虚拟现实技术以及虚拟实验的相关内容，定好本研究的设计开发方 向： 2 通过对相关学习理论和教学理论的研究，找到本研究的理论指导和理论 支持； 3 通过对虚拟实验实现技术的分析和比对，找到本研究的实现方法； 4 设计并实现中学计算机硬件虚拟实验，总结运用虚拟现实技术设计开发 虚拟实验的有效方法和架构； 5 通过开发实例的试用与评价，探究如何将虚拟实验有效地应用于中学信 息技术实验中，验证基于虚拟实验的中学信息技术课程教学方法。 1 5 研究方法 本研究在执行过程中，采用了实地研究法、问卷调查法、文献研究法和评 价研究法等。 1 文献研究法。笔者通过对国内外的关于虚拟现实技术、虚拟实验、计算 机硬件虚拟实验的相关文献的阅读、分析、归纳、总结等研究，了解国内外关 于虚拟实验的研究和应用现状，注重对已有成果的分析和总结，把握虚拟实验 的发展趋势，确定本研究的研究方向。 2 实地研究与内容分析法。笔者通过深入各个中学进行实地观察、参与、 交流等一系列实地研究，获取中学信息技术课程教学的相关信息，了解一线教 师和学习者对信息化教学资源的需求，并通过对中学信息技术课程的内容研究 和分析，确定本研究的主要研究内容和框架。在实地研究中，考虑到调研对象 本身的差异性导致需求的差别性，为了使调研结果更具普遍性，笔者选择了几 所不同地区不同层次的学校进行实地访问，并采用集体观察与参与、个别交流 等多种方式尽可能全面的了解相关信息。 3 问卷调查与学习反应信息分析法。笔者通过问卷调查的研究方法获得定 量的资料，共制定调查问卷三份，一份在调研前期针对中学生计算机硬件知识 现状进行，一份在后期针对本虚拟实验的试用情况进行，一份在最后针对本研 究的应用效果进行，调查通过问卷收集各种学习反应信息并作出分析，获得本 研究的应用反馈，确定本研究的下一步工作重点。 7 4 评价研究法。评价研究法运用于整个研究过程中，前期的诊断性评价有 助于研究策略的制定具有指导作用，通过文献调研把握研究方向、前期问卷调 查了解实际需求、实地交流与分析确定研究内容等；中期的形成性评价检查研 究进度和阶段成果并发现问题以修改研究进度；后期的总结性评价了解研究的 整体效果并形成经验，通过实地应用、问卷反馈、学习反应信息分析获得评价 结果。 1 6 论文的结构 第一章，引言。主要介绍了本课题研究的背景和意义，阐释了本研究的相 关概念，对国内外的研究现状和应用情况进行了分析和总结，阐明了本文的研 究目标、研究内容以及研究方法，指出了虚拟实验研究对推进基础教育改革的 积极作用。 第二章，虚拟实验开发与应用的基础。主要介绍了支撑本研究的四个理论 基础和实现虚拟实验的两大技术基础，对几种主流技术进行了分析比对，确定 出本研究的主要实现技术，并对虚拟实验的开发设计原则进行了探讨。 第三章，中学计算机硬件虚拟实验的设计。主要对本研究的前期开发准备、 设计目标和设计内容进行了阐述，对实验的功能体系结构、各个功能模块以及 其他各要素等进行了详细设计，详细介绍了实现本设计的两大关键技术 3 d sm a x 建模技术和v i r t o o l s 交互技术，并探讨了两种技术相互之间的关联和 支持，以及怎样有效地结合使用两种技术来共同实现本研究的开发。 第四章，中学计算机硬件虚拟实验的开发实现。主要对虚拟实验场景的建 立、三维模型的建立和虚拟实验各模块交互功能的实现进行了详细的阐述，介 绍了该实验系统优化和发布的方法，并对系统的测试情况进行了说明。 第五章，系统的试用与评价。主要对虚拟实验系统的试用前期准备以及试 用过程进行了介绍，并分析和统计了试用评价的数据。 第六章，总结与展望。主要对本研究所做的工作进行了简要的总结，分析 和总结了本研究的优点与不足之处，并对下一步的研究工作进行了展望。 8 第2 章虚拟实验开发与应用的基础 2 1 理论基础 虚拟实验的开发与应用需要一定的学习理论和教学理论作为指导和支撑。 近年来，学习理论的不断发展，教学理论内容的不断丰富，对教学改革产生了 重大影响，也推动了虚拟实验教学的发展。 2 1 1 基于建构主义的探究学习理论 1 探究学习理论的内涵 所谓“探究学习”，简单地说就是以探究为主的学习。具体地说，“探究学 习就是从学科领域或现实社会生活中选择和确定研究主题，在教学中创设一种 类似于学术( 或科学) 研究的情境，通过学生自主独立地发现问题、实验、操 作、调查、搜集与处理信息、表达与交流等探索活动，获得知识、技能、情感 与态度的发展，特别是探索精神和创新能力的发展的学习方式和学习过程1 。 综上所述，探究学习的目的在于培养学生的探索精神和创新能力。 2 探究学习的特点 要正确理解探究学习的模式，必须准备把握其特点，探究学习的特点有： 开放性。开放性是指探究学习在内容上是开放的，包含两层含义：探究 学习的学习内容不受限制，只要学习者能想到而且力所能及的，都可以成为探 究的内容；在探究学习中，知识的来源是多方面、多渠道的。 主体性。主体性是指在探究学习中，学习者才是学习的主体，教师只是 组织者和引导者，让学习者自主地进行探究，才能够充分发挥学生的个人主观 能动性。 过程性。过程性是指在探究学习中，学习者的探究过程比学习结果更重 要，学习者可以在探究中学会思考、与同伴进行交流和合作，在探究中得到提 升和发展。 实践性。实践性是指探究学习应以实践活动为主，让学生能够切身体验 探究过程、经历并感受探究过程，并不断在实践中得到锻炼。 反思性。反思性是指在探究学习中，学生应该定期和不定期的进行自我 反思和自我评价，从而在后面的探究中继续发挥优点，改善不足之处，渐渐适 9 应探究学习。 3 探究学习理论对虚拟实验教学的支持 探究学习理论告诉我们学习知识应该具有主体性，自主地进行探究学习有 利于知识的掌握，甚至实现知识的重构。多来年，教育工作者们一直在致力于 如何有效的将探究学习引入进课堂中，许多教育工作者也进行了各种各样的尝 试，并取得了一定的成果，把虚拟实验应用于教学就是研究成果之一。虚拟实 验都是从学科领域或现实生活中选择确定主题，营造出逼真的三维实验情境， 引起学习者的注意，极大的激发学习者的学习兴趣。通过学生独立自主地在虚 拟实验情境中进行实验操作、体验、发现问题、解决问题等探索活动，获得知 识、技能的发展，培养探索精神和创新能力。 虚拟实验较强的交互功能使学习者对于实验原理、实验操作、实验结果等 的探究成为了可能，并且在虚拟实验中探究学习的几大特征都能得到体现：学 生的主体性得到体现，学生是虚拟实验进行的主体，教师只是指导者，学生在 逼真的实验情境中体验，个人主观能动性得到很好的发挥；探究的开放性得到 体现，学习者可以毫无顾虑的进行自己设计的探究学习，而不用担心真实实验 中容易发生的实验仪器损坏、实验素材不足等客观物质条件对实验进行的限 制，而虚拟实验对时空的开放性也使得学生可以在任何时间任何地点进行探究 学习，不受时空限制；探究的过程性得到体现，虚拟实验对整个实验过程情境 的模拟以及障碍的设置等让学生的探究具有过程性，在探究过程中学会思考、 发现、解决问题；探究的实践性得到体现，虚拟实验的出现对实践探究起到了 很好的支持作用，利用虚拟实验，可以最大限度的满足学生对于实验的亲自操 作和探究过程感知；探究的反思性得到体现，在虚拟实验中学生自主的体验和 操作，发现问题，思考并解决问题以达到实验结果，在这之中反思性得到体现， 学生通过自我反思和评价及时纠正不足，成功体验实验过程。 此外，虚拟实验对于实验器材等客观物质条件的无依赖性使得学生可以通 过反复操作虚拟实验进行问题探究，更容易理解和掌握相关知识，甚至是对知 识进行重构。 1 0 2 1 2 媒体教学理论戴尔的“经验之塔”理论 1 戴尔的“经验之塔”理论的内涵 19 4 6 年，美国教育家爱德加戴尔( e d g a rd a l e ) 在其所著的视昕教学法 一书中提出了著名的“经验之塔”理论。戴尔的“经验之塔 把人们获得的知 识与能力的各种经验按抽象程度的不同分为三大类十个层次，形成金字塔的结 构，如图2 1 戴尔的“经验之塔 所示n “。 图2 1 戴尔的“经验之塔” 金字塔的底部“做的经验 所包含的三个层次的经验都是活动的参与 者在亲自实践的过程中得到的经验；金字塔的中部“观察的经验 所包含 的五个层次的经验是通过学习者的听觉、视觉来获得的，其中层次被视为 教育技术教学手段；金字塔的顶部“抽象的经验”所包含的两个层次都只 是一些抽象的代表符号，不再具有事物的形状或声音特征等。 从戴尔“经验之塔 可以看出，经验之塔最底层的经验最具体，越往上升， 则越趋于抽象应用于教育中即为教育应从具体经验入手，逐步过渡到抽象。 有效的教学方法是既能给学生提供丰富的具体经验，又能向抽象化发展形成概 念的教学方法。在学校中，应用各种教育教学媒体可以使得教学更具体、直观， 从而获得更好的抽象。位于经验之塔中部的教育技术教学手段( 层次) ， 这两个层次更能为学生提供比较具体和容易理解的经验，又能突破时间空间的 限制，弥补学生直接经验的不足。 2 教学媒体的选择 ( 1 ) 选择教学媒体的理论基础：戴尔的“经验之塔”理论 戴尔的“经验之塔 理论指导我们，在选择教学媒体时应从以下三个层面 来进行分析： 具体到抽象。戴尔认为学习应该按照从具体到抽象的过程循序展开，教 学一定要从具体经验入手。 效率和效果。选择教学媒体时，要考虑教学媒体的传递效率和学习者的 认知效果。 促进知识的迁移。学习者通过学习将所学知识用于指导生活实践，完成 从书面知识到实践运用的迁移，如何更好的促进知识的迁移也是影响媒体选择 的重要因素。 ( 2 ) 选择教学媒体的依据 通常情况下，选择教学媒体的依据有四方面： 以教学条件为主选择教学媒体。选择教学媒体时首先应该考虑现有的教 学条件允许选择哪些教学媒体用于教学，教师自身对媒体设备的操纵能力等， 在教学条件允许的范围内选择一种或两种最有教学效果的教学媒体应用于教 学。 以教学目标为主选择教学媒体。选择教学媒体要有明确的目的性，利用 不同教学媒体的不同特点和作用，可以达到最为理想的教学效果。 以教学内容为主选择教学媒体。不同的学科，同一学科的不同内容都各 1 2 有差异，在选择教学媒体时要对不同的教学内容加以区别，选择适用的教学媒 体。 以教学活动、教学对象为主选择教学媒体。不同的教学活动，不同的参 与对象对教学媒体的选择都有一定的影响，在选用教学媒体时必须考虑到具体 教学活动的开展设计需要以及活动参与对象的特点来选择。 此外，还要考虑媒体的特性、使用成本、可获得性、便利性以及学生的偏 爱等因素。总之，教学媒体的选择是一个决策过程。 ( 3 ) 选择教学媒体的方法 在实际操作中，常见的媒体选择方法有流程图法和评价量规两种。 流程图法。教师可以依据下列流程图为你的教学设计方案选择合适的教 学媒体： 确定要表现 明确可供选择确定最 确定不同教学环节不同 + 的教学媒体 +啼 内容所使用的不同媒体 的教学内容 佳媒体 选择量规 为了以比较、判断某一教学媒体是否适用于特定的教学情境，研究者们积 累了一系列的选择量规，所谓量规就是从与评价目标相关的多个方面详细规定 的评级指标。媒体选择量规从媒体的表现力以及是否符合学习者特点等方面帮 助教师选择合适的教学媒体，有效地降低了教学媒体选择的主观性。 3 媒体教学理论对虚拟实验教学的支持 媒体教学理论揭示了恰到好处地使用教学媒体对人们获取知识的重要性。 基于v r 的虚拟实验正是在这种思想指导下，对现实实验环境进行三维模拟， 将先进的教学理念、教学设计和完整的教学内容融入进虚拟环境中，充分发挥 了虚拟实验系统的媒体作用，促进了学生对教学内容的掌握，具有很强的真实 感。 “戴尔经验之塔 理论指导我们，做的经验和观察的经验获得的重要性， 在学校教育中，应用各种教育教学媒体可以使得教学更具体、直观，从而获得 更好的抽象。位于经验之塔中部的教育技术教学手段能为学生提供比较具体和 容易理解的经验，又能突破时间空间的限制，弥补学生直接经验的不足。虚拟 实验正是使用了这两个层次的教育技术手段，将图像、声音、视频、动画等元 素集成在一起，形成逼真的虚拟场景，突破时空的限制，为学生提供亲身经历 的机会和观察的机会，使学生获得直接经验。并且逼真的实验场景的模拟，可 以有效的促进学生知识的迁移，更好的将所学知识用于生活实践。 基于桌面的虚拟实验只通过鼠标、键盘、显示器就可以轻松实现场景体验 和交互，现有的教学条件可以实现虚拟实验的使用，教师和学生自身对虚拟实 验的操纵能力也都不具障碍，而将虚拟实验进行发布以后，学生通过网络即可 随时参与到三维的虚拟实验环境当中，可以观察实验器件，可以进行操作性、 设计性的实验，更有利于获得观察的经验和直接经历的经验。这样的体验经历， 能使学生获得大量有意义的知识和认知。此外，虚拟实验还可以轻松地解决由 于真实实验中一些客观条件的限制而使某些经验无法获得的问题，比如经验的 获得过程费用代价太高、安全性因素的考虑等等。 2 1 3 情境认知与情境学习理论 1 情境认知与情境学习理论的内涵 情境认知侧重知识非独立存在，它必须在社会文化的活动和情境当中才能 够得到发展；而情境学习则强调，学习与社会文化情境间的密切关系，主张通 过实际情境进行学习才能够获取实用知识n ”。归纳起来，情境认知与情境学习 理论主要主张：在学习方面，强调情境对于学习的重要性、强调学习活动的真 实性；在学习内容方面，主张学习资源与途径的多元性、主张知识即工具；在 学习方法方面，重视“对某种文化适应 的学习过程、主张个体在情境中必须 要有引导性的参与、重视学习的主动性。 2 情境认知与情境学习理论的特点 情境下的学习。情境下的学习是指学习者通过直接接触环境并与环境互 动来决定自身的行为，它是动态的。在这种基于情境的学习中，人的潜在行为 模式和处理事情的潜在能力会在与情境的互动中发挥作用。此外，基于情境的 学习中实践者还经常对情境进行反思。 1 4 合法的边缘参与( l e g i t i m a t ep e r i p h e r a lp a r t i c i p a t i o n ) 。合法的边缘参与 是情境学习与情境认知理论的中心概念和基本特征。合法是指基于情境的学习 者的一切学习活动都应该在共同体工作的情境中进行，每一个学习者都是共同 体中的“合法 参与者。“边缘的 参与者是指，对于新加入的学习者由于对 共同体活动还不了解没有办法完全参与，因此他们只是部分参与共同体的活 动。 实践共同体的建构。“实践共同体 是由莱夫和温格( l a v e & w e n g e r ) 于 1 9 9 1 年在其著作情境学习：合法的边缘性参与中提出的，该书说明了在 个体与共同体的关系中活动的重要性，以及共同体之间合法的个体实践的重要 性。学习者正是在这样一种实践共同体之中获得该共同体具体体现的信念和行 为，由共同体的“边缘慢慢向“中心 转移，从而更多地接触到共同体的文 化行为也变得更为积极“。 3 情境认知与情境学习理论对虚拟实验教学的支持 情境认知与情境学习理论告诉我们在教学中创设情境的重要性。基于虚拟 现实技术的虚拟实验，一个最主要的特点即是在实验过程中为学习者创设了逼 真的实验环境和实验情境，学习者在一个完整真实的问题情境中，凭借自己的 主动学习，以及和学习成员之间的交流合作，亲身体验并完成从识别目标到提 出目标再到达到目标的全过程，在情境体验中允许学习者对实验内容进行探 索，探索过程都围绕一个实验目标进行。并且利用虚拟实验创设的情境更为直 观、生动、逼真，加之虚拟实验提供的丰富的交互功能，让学习者沉浸于实验 情境中，更加深了体验感，激起学生的学习兴趣。而在这种基于情境的学习中， 学习者的潜在行为模式和处理事情的潜在能力会在与情境的互动中发挥作用， 学习者还经常对情境进行反思。虚拟实验基于结构化的设计方式，让学生可以 随机的从不同模块对同一实验内容进行自主体验，学习者多次学习以后，对同 一学习内容可以有多角度的理解。在实验过程中，学习者通过对教师的指导活 动和自主情境学习的双重关注来获得扎实的技能，而不只是理论层面的知识学 习。这些都体现了情境认知与情境学习理论的典型教学模式。此外，虚拟情境 还可以解决实验设备紧张、实验操作有危险性等这些客观物质条件对实验开展 的限制，从而更好地利用实验操作培养学生的实际动手能力，继而提高实验教 学质量。 2 1 4 多元智能理论 1 多元智能理论的内涵 1 9 8 3 年，哈佛大学心理学家加德纳( h o w a r dg a r d n e r ) 在智能的结构一 书中提出了“多元智能理论 。加德纳指出：“智能是一种处理信息的生物性心 理潜能，这种潜能在某种文化情境中，可能被激发来解决问题或创作该文化所 重视的产品乜”。”多元智能理论目前提出8 种智能，包括：语言智能、数理逻 辑智能、空间智能、肢体运动智能、音乐智能、人际关系智能、内省智能、自 然观察智能， 2 多元智能理论的特点 根据加德纳的观点，人的智能具有以下一些特征： 普遍性，智能的普遍性是指智能是普遍存在的，每个人都拥有多种智能， 只是每个人智能的发达程度和智能组合的情况是不同的； 发展性，智能的发展性是指智能并不是由先天绝对决定的，后天的学习 可以开发和加强智能； 差异性，智能的差异性包含两个层面，一个是指不同