兩級式中學物理虛擬實驗模式的探索與實踐

2008-12-31 00:00:00胡珊楊春

現代教育技術 2008年12期

【摘要】傳統的中學物理實驗教學模式存在多種不足，不利于學生能力素質的培養。為改進傳統中學物理實驗教學模式，從信息技術與教育結合入手，以設計和開發真三維的物理虛擬實驗為解決途徑。在綜合分析了中學物理實驗教學目標及其與虛擬技術的結合核心后，首先提出了針對中學物理虛擬實驗的分類方法，并在此方法的基礎上結合加涅的“學習條件理論”提出了“兩級式中學物理虛擬實驗模式（TPVM）”并對此模式進行了理論探討和技術實踐。

【關鍵詞】三維；中學物理；虛擬實驗；模式

【中圖分類號】G40-057 【文獻標識碼】B 【論文編號】1009—8097 (2008) 12—0107—04

目前，多數中學采用以傳統教學論為基本教學模式的普通物理實驗教材及教學活動，其教學過程一般為：先由教師介紹實驗目的、實驗原理、儀器設備、注意事項等，學生再按教師或教材所講步驟重復實驗，獲取數據，驗證規律、定理或公式等。這種教學模式既不符合以學生為中心的教育原則，又不利于學生能力素質的培養。另外實驗教學地位重視不足，教學資源貧乏；教學方法不利于培養學生的實驗能力；實驗教學評價方法不科學及學生自主學習重視不足等也是普遍存在的問題。尤其中學物理實驗作為基礎教學體系的一個重要組成部分，它不僅是培養學生獨立獲取知識、培養實驗能力的活動；是學生手與眼，知識與能力，獲得綜合基本訓練的重要環節；是培養和鍛煉學生應用知識獨立解決問題的過程；也是培養和提高學生綜合素質與創新能力的有效途徑。因此改進傳統中學物理實驗教學勢在必行。本文從信息技術與教育結合入手，以設計和開發真三維的虛擬物理實驗為解決途徑。在綜合分析了中學物理實驗教學目標及其與虛擬技術的結合核心后，首先提出了針對虛擬物理實驗的分類方法，并在此方法的基礎上結合加涅的“學習條件理論”提出了“兩級式中學物理虛擬實驗模式（TPVM）”并對此模式進行了理論探討和技術實踐。

一中學物理虛擬實驗的分類方法

實驗教學目標對實驗教學起到導向、反饋和調節作用。它有利于實驗教學目的明確化，實驗能力培養的具體化。因此要提高中學物理實驗教學的質量，首先需要明確其實驗的教學目標。

1 中學物理實驗教學目標

根據我國中學目前的實際情況，依據制定教學目標的科學方法，本文將從認知、操作、情感三大領域來分類提出中學物理實驗的教學目標：

（1）認知領域的實驗教學目標

知道──指的是能記住學習過的實驗內容。它是對實驗內容、實驗過程的回憶和識別。

理解──指的是能初步理解實驗的原理、步驟、方法、操作規程、注意事項以及要點。

掌握──指的是能運用學過的實驗知識和方法，去解決新情況下的簡單問題。

評價──是指對有關的重要實驗，掌握其設計思想，提出改進的方法，并能設計一些新的實驗。

（2）操作領域的實驗教學目標

模仿操作──是指能在教師講解或示范下進行的動作。這一層次的動作機械，協調性差，意識參與程度不深。

意識操作──是指學生完全在獨立意識控制下進行的操作。這一層次的操作，動作不夠熟練，但能獨立地完成操作過程，并在規定時間內完成實驗任務。

定型操作──是指對重要的實驗儀器和重要的實驗經過，通過多次練習，已經達到比較熟練程度的操作。這一層次的操作，動作比較熟練，且操作過程的時間短，質量高。

創新──是指在提高學生實驗探索能力的基礎上，要求他們有創新的意識。

（3）情感領域的實驗教學目標

包括有關實驗中的動機、態度、習慣、興趣等。

前兩個領域的目標要求水平是逐層提高的，從形象、表象到邏輯、抽象層次，因此在這樣結構的實驗教學目標的指導下的中學虛擬物理實驗的分類也應是層層遞進結構，同時也需注重情感領域實驗教學目標的影響。

2 虛擬現實與物理實驗的結合

要在虛擬現實的環境中實現上文所述的實驗教學目標是虛擬現實與物理實驗結合的核心問題。隨著實驗教學目標的層層提高，虛擬現實中物理實驗所要提供的交互友好性，系統智能化也需有的放矢，相應提高。在基本的識別、記憶、理解階段，虛擬實驗需要提供諸如三維展示、播放，簡單交互等功能。若到了邏輯、抽象階段如需要學生通過實驗驗證物理規律或根據現象抽象出規律等，則虛擬實驗需要提供更復雜的交互，甚至人工智能等功能。

3 中學物理虛擬實驗的分類方法

目前基礎物理實驗已有多種分類方法。比如按科分類：按照力學實驗、熱學實驗、電磁學實驗和光學實驗進行分類的。或者按照實驗的側重面不同進行分類，如有的實驗主要是測量物理量（測量性實驗），有的是用實驗方法來總結或者驗證物理規律（驗證性實驗），還有的則較偏重于儀器的使用，專門學習實驗技術的實驗等。但是對于結合了信息技術的虛擬物理實驗，在這方面的研究還處于起步階段。

經過以上的分析，本文將中學物理虛擬實驗分為由低到高，從基礎到前沿，從傳授知識到培養綜合能力的四類：

（1）基本實驗：這類實驗通過實驗裝置及過程的演示，觀察實驗現象并能根據實驗現象得出結論。如單擺實驗、氣體液體實驗等。同時也包括基本儀器和工具使用的介紹如游標卡尺、天平、量筒等。

（2）科學小實驗：這類實驗注重聯系實際，將知識點設計入一個趣味小實驗中，幫助學生認識和理解物理知識，降低學習難度，能激發學習者學習興趣，擴大知識視野。

（3）驗證性實驗：這類實驗一般在學完某一物理知識后進行，通過對實驗現象的觀察，對實驗數據的分析來驗證某一物理現象和規律，鞏固所學知識，進一步掌握研究方法。

（4）探究性實驗：這類實驗主要靠學生自己分析觀察到的物理現象，實驗數據和圖像，從中發現基本特征，抽象出規律。這類實驗更注重學生總結探索物理規律的能力。

二兩級式中學物理虛擬實驗模式的提出

以上這種遞進的分法，不僅體現了中學物理實驗教學目標三大領域的需求，抓住了虛擬現實技術與物理實驗結合的核心要素。也與加涅的學習條件理論中關于不同學習結果學習順序的論述不謀而合。加涅在他的《學習的條件和教學論》中提出了一個關于知識與技能的描述性理論，認為學校學習的知識與技能可以分為五種類型：言語信息、智慧技能、認知策略、動作技能和態度。這在前文提出的中學物理實驗教學目標中得到了充分的體現。對應此教學目標層次提出的四類實驗，根據加涅教學系統設計理論的基本觀點：不同的學習結果需要不同的學習條件即教學事件，因此在虛擬教學中也需要不同的虛擬教學事件。

加涅認為，人類的學習是復雜而多樣的，簡單的低級學習是復雜高級學習的基礎。他把學習分為八個層次（以An標識），即：① 信號學習；A1 ② 刺激—反應學習；A2 ③ 連鎖學習；A3 ④ 詞語聯想學習；A4 ⑤ 辨別學習；A5 ⑥ 概念學習；A6 ⑦ 原理的（規則的）學習；A7 ⑧ 解決問題的學習； A8 。他指出每一類學習中蘊藏著前一類的學習。同時加涅也提出構成一個人學習行為的八個有機聯系系統（動機→領會→習得→保持→回憶→概括→操作→反饋），并指出每一階段有其各自的內部心理過程和影響它的外部事件。教學就是遵循學習者學習過程的這些特點，安排適當的外部學習條件。

在學習條件理論所論述的八個學習層次中，本文認為都能歸類對應著相似學習層次的一種物理實驗類型（以Bn標識）。①A1 A2 以感知地學為主，對應基本實驗類型；B1 ②A3 A4 A5 以聯想、辨別地學為主，對應科學小實驗類型；B2 ③A6 A7 以邏輯、直觀地學為主，對應驗證性實驗類型；B3 ④A8 以抽象、研究地學為主，對應探究性實驗類型；B4。一個階段到下一個階段，思維層次也在相應地提高。

從思維的角度來觀察此種分類方法，前兩類實驗更注重“形象”思維的訓練，而后兩類實驗更注重“抽象”思維的訓練；從認知的角度來看，前兩類實驗更關注物理規律的“個性”，而后兩類實驗更關注物理規律的“共性”；從教學目標來看，前兩類實驗更注重“知識”的接受，而后兩類實驗更注重“能力”的培養。因此將前兩類實驗和后兩類實驗分別合并，即提出了兩級式中學物理虛擬實驗模式（TPVM）。所謂兩級（以Cn標識），即：從思維、認知、教學目標等方面觀察、分析，抓住幾類重要評價標準，總結出需要分別對待的實驗類型，并將它們合并歸為兩類，為后面分類研究對應的虛擬實驗理論和開發方法提供模式支持。在理論分析和定性建模方法的層層推演下兩級式中學物理虛擬實驗模式（TPVM）的邏輯結構如圖：

三兩級式中學物理虛擬實驗模式(TPVM)的理論探討

兩級式中學物理虛擬實驗模式（TPVM）的提出，著重在認知理論的指導下為有效地設計中學物理虛擬實驗提供了一種科學的方法。以它作為中介能更好地促進虛擬技術和教學實踐的結合，從而開發出優秀的虛擬實驗系統。

1 兩級式中學物理虛擬實驗模式（TPVM）的優勢

在進行了大量理論實踐的分析推理后構建的TPVM模式具有多維度的優勢。

（1）技術角度看，一級實驗的技術實現多以演示和簡單交互為主，而二級實驗由于需以學習者為中心，進行研究性學習，因此涉及到較復雜的交互及算法設計。上文所提出的分類方法和模式使虛擬實驗的技術框架可以從腳本的構造上采用不同的方式，形成不同的兩個技術平臺，方便以后更多虛擬實驗資源的分類加入。

（2）思維角度看，一級實驗多以訓練形象思維為主，依靠虛擬實驗中具體物體如實驗儀器、實驗現象等的信息加工來對知識點進行記憶和理解。這種思維具有形象性、非邏輯性、粗略性、想象性等特點。而二級實驗多以抽象思維為主，在整個實驗過程中，學習者多運用概念、判斷、推理的思維形式對事物的屬性進行分析、綜合、比較的基礎上，抽取物理實驗的規律和本質。這種思維具有抽象性、邏輯性等特點。在虛擬物理教學中可以有針對性地訓練學習者在物理實驗中的兩種思維，發展學生認知能力和提高物理學習效率。

（3）趣味性角度看，一級實驗的基本實驗和科學小實驗較之二級實驗的驗證性實驗和探究性實驗更貼近生活，更能激發學生的學習興趣，培養學生的新思維；能讓一些枯燥的物理規律和知識點以更生動的形式表現出來。兩級實驗綜合交替使用，能使虛擬物理教學變化多樣，內容豐富充實。學生既能在一級實驗中培養興趣和掌握基本知識，又能在二級實驗中應用實踐，發展創新，使學生真正成為學習的主體。

2 兩級式中學物理虛擬實驗模式（TPVM）的應用原則

在TPVM模式的邏輯框架下，充分發揮其多維度的優勢達到最優的教學效果，既是應用TPVM模式的重要目標，也是教育開發的實際要求。因此提煉目前先進的教育理論如建構主義、分布式認知理論等科學觀點提出的以下幾點原則，將為此提供有效保障。

（1）情境真實性原則根據建構主義理論，學習是一種真實情境的體驗，只有在真實世界的情境中才能使學習變得更為有效。現代教育中學習的目的，不僅僅是懂得某些知識，而且還要能真正運用所學知識去解決現實中的問題。在一些真實的情境中，學習者能否運用自身的知識結構解決實際問題才是衡量學習是否成功的關鍵。因此虛擬實驗環境的設計一定要貼近真實環境，即應采用虛擬現實技術構建真三維的實驗環境。

（2）分別對待原則在TPVM模式中，由于一、二級實驗針對的實驗教學目標思維訓練和能力培養等都不相同，因此對一、二級虛擬實驗的功能設計，技術實現，情感因素等都需要分別對待，才能有效保證教學質量。在功能設計上，對注重形象、表象思維的一級實驗應將設計重點傾斜于演示，簡單交互幫助記憶和理解。而對注重抽象、邏輯思維的二級實驗應將設計重點傾斜于引導學生親自動手，自主思維的小組實驗，智能化交互幫助和研究性學習。在技術實現上，一級實驗可以更注重視覺設計和強化印象等方面的技術實現。而二級實驗需要更復雜的技術深入開發智能化的交互，繁雜的數據處理，人性化的導航，出錯監控和糾錯機制等方面。在情感因素上，興趣是一級實驗的中心線索。而二級實驗更傾向于培養學生堅忍不拔，一絲不茍的科學態度。

（3）網絡共享性原則分布式認知理論指出，認知是分布于個體內和個體間的，或者說分布于媒介、方法、社會和時間等環境中的。信息技術在分布式認知中的作用是十分明顯的。網絡技術的發展進一步強化了分布式認知的可能性。因此虛擬實驗結合網絡實現共享功能，可以使教師、學生和學習內容處于不同的非集中性的地方，從而使學習不受時間與地點的限制，既可作為傳統實驗教學的有益補充，又可作為遠程實驗教學的主要手段。

四兩級式中學物理虛擬實驗模式（TPVM）的具體實踐

在兩級式中學物理虛擬實驗模式（TPVM）及其應用原則的指導下實際開發了一個TPVM的實例。本實例為真三維的實驗環境。一級實驗為一個熱學趣味實驗——固體導熱性。二級實驗選用了一個中學的經典實驗——伏安法測電阻。

1 實例的設計思想

作為一級實驗的趣味實驗主要學習了固體導熱性和不同金屬導熱能力不同這兩個知識點。從教學目標的角度來分析，在認知領域這兩個知識點屬于知道和理解的層次。在操作領域，屬于觀察演示和簡單的模擬操作層次。而情感領域正如原則中分析的，更偏重于激發學生興趣這個因素。因此整個實驗設計上注重了視覺吸引和強化印象如設計了顏色搶眼的火柴作為實驗器材之一。交互功能上設計較為簡單。主要是有學生任意選擇兩個知識點學習的切換如添加一根或多根火柴，金屬材質的任意選擇，以及觀察出現的不同實驗現象等。由于這個實驗取材貼進生活，構思新奇，能將枯燥的知識點生動地表現出來。相信通過這些操作和觀察，這兩個知識點將被學習者理解和掌握。

作為經典實驗的二級實驗——伏安法測電阻，在對學生實驗操作能力和思維培養上都具有較高的要求。從教學目標角度來分析，在認知領域，不僅需要對基本實驗器材能識別和選用，會讀取安培表和伏特表的讀數等知道、理解層次的知識點，更重要的是能掌握此實驗能測出電阻的設計思想和規律，會通過現象判斷實驗過程是否正確，會自主糾正錯誤，會采用實驗收集的數據計算出電阻阻值，掌握多種不同的電路接法，甚至還能提出改進方法等屬于掌握評價層次的認識目標。在操作領域除了能動手使用導線連接電路等基本操作，還要會判斷電流的流向，排除實驗過程中的故障，探索操作的意義和目的，改進方法等完成定型、創新層次的任務。在情感領域更偏重于一絲不茍的科學態度和積極探索的精神。因此整個實驗設計上注重實驗邏輯推理思維的培養，交互功能的設計更加人性化和智能化。如設有實時糾錯提示，移動、縮放、旋轉等工具按鈕，實現現象的真實對應，不同的連線方式將對應不同的實驗現象如滑動變阻器、伏特表在電路中有多種連法，對應燈泡亮度和兩表指針讀數都有所不同等。

2 實例的技術實現

本實例在技術實現上采取了一種新方法，即用3DMAX構建三維場景，用VIRTOOLS進行數據處理和交互控制。3DMAX是大家所熟悉的三維建模和動畫軟件。方法中的VIRTOOLS是由法國全球交互三維開發解決方案公司VIRTOOLS所開發一套具備豐富互動行為模組的即時3D環境虛擬實境與多媒體互動編輯軟件。它可以將現有的3D模型、2D圖形或影音等檔案格式整合在一起。VIRTOOLS制作優勢在于可以利用拖放的方式，將Building Blocks（行為交互模塊，簡稱BB）賦予在適當的Object（對象）或是Character（虛擬角色）上，以流程圖的方式決定BB行為交互模塊的前后處理順序，從而實現了可視化的交互腳本設計，逐漸編輯成完整的交互式虛擬世界。還可以通過自帶的一個軟件開發工具包（SDK）或編寫VC++代碼來制作新的模組BBs，以滿足擴展設計的需要。3DMAX與VIRTOOLS結合開發虛擬實驗室，既能使程序部分的開發象使用應用軟件一樣直觀、易實現，又能實現全三維場景，開發出交互功能強大，界面友好的作品。

用此方法開發的流程主要有三個步驟，分別是模型的構建—>模型的控制—>虛擬實驗的發布。技術實現即使用3DMAX建構虛擬實驗的場景和實驗器材，利用MaxExporter插件將其導出為NMO文件格式，并導入VIRTOOLS，再用VIRTOOLS內置行為模塊實現交互控制和數據處理，完成后將作品發布成基于WEB的網頁形式或用一個制作EXE文件的安裝包，將其制作成單機版運行的EXE文件。

結語

兩級式中學物理虛擬實驗模式（TPVM）是先進教育理論與虛擬現實技術結合的產物，是現代教育技術的前沿成果。將它應用于教育實踐，不僅是對傳統教學手段的改革，也是對一種全新教學模式的探索。TPVM模式符合中學學生的認知規律，在它指導下設計開發虛擬實驗以其優良的教學性，高度的沉浸性和交互性，能廣泛地應用于各種課堂、遠程教育，甚至各類培訓，應用前景十分巨大。本文針對它的技術實現采用的3D/VIRTOOLS新方法，使虛擬實驗的開發簡單方便，技術難度小，容易掌握，還能夠實現良好的全三維動態交互。TPVM模式的應用推廣，必將引起教學手段、教學效果、教學質量的巨大變化。

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