计算机虚拟技术与DIS实验技术的整合探索.doc

计算机虚拟技术与DIS实验技术的整合探索浅谈虚实一体仿真教学课件的研发摘要：随着计算机虚拟技术与DIS实验技术的崛起，它们为现代教学技术注入了新的内涵。为更好地整合两者的技术资源，开拓现代教育技术的新领域，通过研究，我们尝试研发了集计算机虚拟技术与DIS实验技术为一体的、具有虚实一体化特征的仿真教学课件。本文在对计算机虚拟技术与DIS实验技术的主要教学特征进行概述的基础上，就如何实现两种技术的有机整合以及由此构建的新型仿真教学课件的教育功能等问题进行了理论和实践两个层面的探索。关键字：计算机虚拟技术、DIS实验技术、整合、虚实一体仿真教学课件。一、计算机虚拟技术与DIS实验技术的教学特征及其教学功能 现代科学技术的迅猛发展，有效地支撑了现代教学技术的发展。其中，计算机虚拟技术以及DIS实验技术的崛起为现代教学技术注入了新的活力，极大地丰富了现代教学技术的内涵。1、计算机虚拟技术的教学特征及其教学功能所谓计算机虚拟技术主要指的是，利用计算机的智能及强大的数据与图形处理功能，将人类对客观事物的认识，通过现代计算机技术予以仿真再现，并且借助虚拟的交互方式可以实现对仿真现实的介入。不难看出，将基于一定认识基础上的事物或现象予以较强真实体验感的仿真再现是计算机虚拟技术应用于教学的价值所在。具体来说，如果被仿真的对象是人们已经认知的物理原理或规律，那么这就意味着，利用这种技术能为物理教学营造出具有一定真实体验感的虚拟物理教学环境。教学实践表明，这种基于“物理模型”构建而成的虚拟物理教学环境蕴涵有鲜明的教学探究特征，因而有利于培养学生的自主学习和自主研究问题的能力。图一图一是我们自主开发的虚拟电路教学课件。该课件主要依据物理学中的基尔霍夫定律构建而成，利用它可以方便地自主构建出中学物理电学教学所涉及的全部电路。该课件最大的特点是，可实现对电学中电路实验的自主操作以及对电路实验现象的仿真再现。教学实践表明，科学、合理地运用好这种“实验现象清晰、实验操作简便”的虚拟实验操作平台，能有效地拓展我们的教学视野，从而使具有不同认知水平与认知风格的学习者能根据自己的认知方式来完成自主学习或自主研究。2、DIS实验技术的教学特征及其教学功能图二二传感器数据采集器DIS（Digital Information System）实验技术，又称数字信息化实验技术，它主要由硬件和软件两大部分组成，如图二所示。其中，硬件部分主要包括：各种类型的传感器、多通道的数据采集器以及计算机等。软件部分主要由可自主操控数据采集方式和具有较强数据和图像处理功能的系统软件构成。DIS实验技术的价值主要表现在：利用它可以方便、迅速地采集各类物理信息，并通过计算机接口技术，将其采集到的物理信息传输给计算机进行多元化的分析处理，从而有利于我们对研究对象进行定性和定量两个层面的探究。不难看出，多类型的信息传感器、多通道的数据采集器、多样化的自主操控平台、强大的函数图像处理等是DIS实验技术具有的主要技术特征。借助这样的技术支撑，可以使我们对物理现象进行多角度的感知和多视角的深入分析与探究。图三三力传感器位移传感器数据采集器图三是我们利用DIS实验技术进行的“探究弹簧振子运动规律”的实验装置图。由于在该物理现象中的位移与弹力等物理量具有连续动态变化的特征。因此，为能充分感知和认识弹簧振子的运动现象及其运动规律，在实验中我们分别利用DIS实验系统的位移传感器和力传感器来动态检测弹簧振子的位移和弹簧振子力的变化情况，再通过数据采集器的两个采集接口将采集到的实验数据同时输入到计算机，最后通过DIS实验系统的数据与图像处理软件对实验现象进行多视角的再现。教学实践表明，利用DIS实验技术构建的实验工作平台能为研究性教学提供多元化的探究手段和途径。二、基于计算机虚拟技术与DIS实验技术的仿真教学课件的构建1、构建虚实一体仿真教学课件的设想图四由以上论述可知，基于理想物理模型基础上的虚拟仿真教学课件能为现代教育提供具有开放性特征的虚拟实践平台，然而，由于它的过于理想性又在一定程度上制约了它的教学功能。同样，DIS实验技术虽能为现代教育提供具有真实体验感的开放性实践平台，但是，由于它对真实情景的过分依赖性也在一定程度上制约了它的教学效能。如何创设能集两者优点为一体的教学环境，使之学生在既具有真实体验感同时又具有虚拟教学特征的教学环境中完成自主学习或自主探究，构建虚实一体仿真教学课件是一个有创意的构想。、虚实整合技术与虚实一体仿真教学课件所谓虚实整合技术，又可称为虚实一体仿真技术，主要指的是：以DIS实验技术的数据采集功能为依据，将基于真实实验基础上的实验数据，通过DIS实验技术和计算机数据传输系统的整合，使之成为可运用计算机虚拟技术去实现仿真再现具有真实体验感的实验情景和能进行多元化数据处理的虚实整合技术。图五其中，将基于真实实验基础上的实验数据予以仿真还原以及提供基于真实实验数据的多元化数据处理平台是构建虚实一体仿真技术的基本要素。图四是我们以“研究弹簧振子运动规律”的DIS实验为案例构建的虚实一体仿真教学课件。虚实一体仿真教学课件的基本模块由图四可知，虚实一体仿真教学课件主要由以下几个基本模块构建而成：实验数据载入模块即利用计算机的数据传输与数据存储技术将来自于DIS实验的实验数据载入到能够构建仿真情景的虚拟教学平台中。如图四所示，通过点击画面左上方的数据载入按钮即可以将来自于DIS实验的数据载入到Flash平台中。由于虚实一体仿真教学课件所载入的数据全部来自于DIS实验，而非是利用理想物理模型生成的数据。这就为运用虚实一体仿真教学课件来实现教学中的“虚”与“实”的结合奠定了基础。图六实验现象仿真再现模块利用虚实整合技术来实现对实验现象的仿真还原，主要是通过将来自于DIS实验基础上的真实实验数据，以一定方式予以重新读取，并以这些实验数据来控制虚拟实验的现象变化，从而实现对真实实验现象的仿真还原。如图五所示，对该虚实一体的仿真课件来说，通过点击同步显示或起振按钮即可在图中右侧区域中的弹簧振子模型上再现出弹簧振子的仿真运动，即该弹簧振子运动状态的变化完全是以左侧从DIS实验载入的实验数据为依据的。由于被载入的DIS实验数据可以被重复使用，这样就突破了DIS实验技术在教学探究中的“时空瓶颈”，从而拓展了虚实一体仿真教学课件的应用“空间”。实验数据图像处理处理模块图七虚实整合技术还充分利用计算机所具有的数据处理功能，使之将已经被载入的实验数据能以函数图像的方式予以多角度的再现。如图六所示，在它的左下方区域显示的是基于原始实验数据的函数图像。图中在横坐标上方描绘的是函数图像，在横坐标下方描绘的是函数图像。图七显示的是函数图像。上述函数图像的显示方式可根据学习者的要求自主进行选择。实验数据拟合模块对实验数据进行数据拟合的分析与处理也是物理实验研究的重要手段。为此，虚实整合技术能方便地运用计算机强大的数据处理功能为实验探究提供数据拟合分析的平台。也就是说，通过两次点击课件左上方区域的相应实验数据栏即可自主完成对所需要进行数据拟合分析的实验数据的选择，在此基础上，再通过对数据拟合方式的选择，系统即能对所选定的实验数据进行数据拟合分析。三、虚实整合技术的教学特征与教学功能1、虚实整合技术的教学特征由以上论述不难看出，基于DIS实验数据的真实性，使得虚实一体仿真技术突破了虚拟教学课件“虚而不实”的问题。同样，由于虚拟技术所具有的智能仿真特性，也使之虚实一体仿真技术能摆脱DIS实验技术对探究环境的依赖性，从而使得由虚实一体仿真技术构建的教学平台，不再让人感到是“虚构的，理想化的”，而能把它看作是一次真实实验的延伸与拓展。也就是说，基于虚实整合技术的仿真教学课件具有即源于真实又超脱真实的教学特征，从而使之由此营造的探究环境具有集“虚实技术各自优势”的显著特点。2、虚实整合技术的教学功能对物理实验现象多角度的再现有利于拓展学生的思维空间我们知道，利用虚实整合技术不仅可以为物理教学活动构建出具有真实实验背景的仿真实验现象，与此同时，虚实整合技术还能通过对从DIS实验中载入的实验数据进行函数图像处理，使之以函数图像的方式来展示实验现象的内在联系。比如，以上述教学课件为例，可生成的图像有以及等函数图像。这种对实验现象多角度的展示，有效地拓展了学生对物理现象进行感知的渠道。此举，对于开阔学生的视野、促进学生的积极思维具有举足轻重的影响。多功能的数据处理平台有助于学生在探究性学习中实现自主意义建构对基于真实实验数据的函数图像进行感知，这对于加深学生对所研究物理现象的直观认识具有不言而喻的作用。然而，虚实整合技术同时也为函数图像多视角的展示提供操作平台。也就是说，学生可以通过多功能数据处理平台去获取不同组合的函数图像（仍以上述教学课件为例，可组合的函数图像还有等）。在此基础上，即可对函数图像进行多角度的比对分析，进而去深入地感知现象背后所蕴涵的内在联系。此外，由虚实整合技术提供的对实验数据进行函数拟合的平台，也为学生的自主意义建构提供了更为有效的认知工具。即学生可以通过对实验数据进行多角度的函数拟合去更深刻地认识事物或现象的本质。 现代教学技术的整合运用能使教学更突显出时代特征集传感