大學物理網絡虛擬實驗的設計模式探究

田亞芳／鄭州鐵路職業技術學院，河南 鄭州 450000

大學物理網絡虛擬實驗的設計模式探究

田亞芳／鄭州鐵路職業技術學院，河南 鄭州 450000

文章主要研究了大學物理網絡虛擬實驗設計的相關內容。本文首先采集文獻資料，從資料內容出發對大學物理虛擬實驗的設計原則進行闡述。其次，在該基礎上對大學物理網絡虛擬實驗的設計流程進行分析，研究了其設計流程中的相關內容。最后，對大學物理網絡虛擬實驗的設計模式進行探究，結合具體案例對上述模式的運用效果進行觀察。文章對大學物理實驗體系的發展具有一定的貢獻性作用。

大學物理；網絡虛擬實驗；設計；模式

網絡虛擬實驗可以通過Web平臺實現計算機網絡的虛擬分析，是當前大學物理實驗教學的一種新方法。在該教學過程中教師可以通過計算機網絡技術、數據庫技術、虛擬實現技術完成大學物理實驗儀器及實驗場景的模擬，拓展傳統實驗室教學環境，對大學物理實驗教學的發展具有至關重要的意義。如何構建高質量、高效益的大學物理網絡虛擬實驗體系已經成為人們關注的焦點。

1 大學物理網絡虛擬實驗的設計原則

大學物理網絡虛擬實驗設計的過程中要把握好實驗設計的可行性原則、開放性原則、直觀性原則、交互性原則及藝術性原則，要依照上述原則理念規范設計內容，為網絡虛擬實驗的開展奠定堅實的基礎。

1.1 可行性原則。大學物理網絡虛擬實驗設計方案要科學、合理且順利實施，即設計方案要與實際大學物理實驗要求相符合，能夠在有限空間和資源內付諸實踐。

1.2 開放性原則。大學物理網絡虛擬實驗設計方案要能夠滿足學生學習需求，為學生提供自由、開放的環境和空間，確保學生能夠隨時隨地參與到教學實驗過程中。

1.3 直觀性原則。大學物理網絡虛擬實驗設計方案要直觀、全面地展現教學內容，通過調整參數、環境、結構等形成“真實”的實驗教學體系，讓學生體驗與實驗室相同的學習效果。

1.4 交互性原則。大學物理網絡虛擬實驗設計方案要能夠將學生與教師緊密結合在一起，形成學生、教師實時交互的教學體系，通過聊天室、論壇等完成信息的雙向交互。

1.5 藝術性原則。大學物理網絡虛擬實驗設計方案要賞心悅目，給學生視覺上美的享受，讓學生充分感知實驗設計中的藝術元素，提升實驗的真實效果，激發學生學習興趣。

2 大學物理網絡虛擬實驗的設計流程

大學物理網絡虛擬實驗設計的過程中要把握好任務分析、框架構建、細節完善三方面內容，依照教學需求及學生需求形成對應設計流程，將學習理念及以人為本教學理念滲透到設計過程中，改善學生學習效率，其具體設計流程見圖1。

圖1 大學物理網絡虛擬實驗的設計流程圖

2.1 需求分析。明確網絡虛擬實驗系統中的教師需求信息、學生需求信息、功能需求信息、性能需求信息、運行需求信息，依照系統外部環境需求及內部環境需求制訂系統框架并形成框架說明。適當情況下還要對系統發展需求信息進行采集，對教學環境轉變中可能出現的需求進行探究，形成對應措施，提升系統應用效益。

2.2 設計策略。依照大學物理虛擬網絡實驗內容合理構建實驗層次及實驗體系，運用導航頁面對教學核心內容進行展現，提升學生對大學物理網絡虛擬實驗知識體系的認知；通過視頻、圖片等資源，降低知識理解難度；運用聊天室、BBS、視頻會議、電子白板等形成活動體系，開展實驗活動，交流實驗問題等。

2.3 界面場景設計。把握好設計素材，對設計背景、設計布局、設計色彩等合理分析，形成與大學物理網絡虛擬實驗內容相協調的體系，使設計內容與真實實驗室操作狀況一致。

2.4 交互設計。人機交互設計時需對問答式對話、菜單操作、命令語言、填表技術等進行合理設置，形成簡單化、圖形化的操作系統。人際交互時需對在線討論板塊、共享白班、網絡視頻等進行合理設置，形成實時化、高效化的交流系統。

2.5 評估及修改。選取部分學生及教師對該系統進行運用評價，觀察大學物理網絡虛擬實驗設計內容是否滿足學生及教師需求，對教學反饋信息進行分析，實施設計方案修改和優化。

3 大學物理網絡虛擬實驗的設計模式及運用

3.1 設計模式。大學物理網絡虛擬實驗的設計模式與實驗目標與學生需求息息相關，是在該基礎上形成的不同內容體系。當前大學物理網絡虛擬實驗的設計模式主要包括動手操作型、演示觀察型及實驗探究型三大類。

3.1.1 動手操作型模式。該模式主要運用于理論知識較為復雜，知識教學理解難度較大的實驗，可以將復雜的知識內容融合到動手操作中，讓學生通過動手操作掌握具體實驗知識，獲取實踐經驗，提升實驗認知。大學物理網絡虛擬實驗動手操作模式設計過程中要首先明確設計需求，對設計中需要展現的教學內容進行完善。其次，要確定實驗內容的操作順序及操作方式，有針對性構建模擬設備及模擬環境，形成初步虛擬框架。再次，要設計學生操控或間接操控虛擬儀器的交互方式，對系統操作信息進行明確，形成關聯體系，給予對應的實驗提示及實驗現象。最后，引導學生依照實驗提示及實驗信息繼續實驗，依照模擬系統實驗流程完成儀器或實驗的各項操作。

3.1.2 演示觀察型模式。該模式主要運用于操作過程較為簡單，操作體系較為單一的實驗，可以有效改善實驗內容，讓學生在觀察過程中了解實驗體系和實驗知識，形成深刻的實驗結果認知。大學物理網絡虛擬實驗演示觀察型模式的設計主要采用線性過程原理，具體設計過程中相關人員首先對實驗需求及學生需求進行明確，對實驗設計中的展示內容進行完善和拓展。其次，對設計實驗呈現方式、順序進行設置，構建對應的虛擬設備、儀器的運動和變化。再次，對實驗操作進行演示，將操作內容及操作效果依照關系、系統形成對應連接，呈現出操作后實驗的各項變化。最后，引導學生依照上述實驗提示及實驗信息對實驗內容進行分析，總結實驗現象，對實驗中存在的問題進行交流。

3.1.3 實驗探索型模式。該模式主要運用于知識內容較為新穎、知識體系超出學生認識范圍的實驗，可以形成系統化的知識體系，對各項知識內容進行挖掘，是提升學生動手操作能力、自主探索能力的關鍵。大學物理網絡虛擬實驗實驗探索型模式中要首先把握好設計需求，對需要展現的設計內容進行明確。其次，要對實驗過程中的各項內容進行完善，設計虛擬實驗環境，形成對應設備及儀器的運動及變化。再次，設計對應操作儀器、操作設備等的交互方式，依照操作給予對應提示信息及實驗現象。最后，引導學生針對上述實驗內容及實驗操作進行實驗探究，對實驗過程中的知識體系、實驗操作、實驗現象等進行明確，形成完善探究結果。

3.2 運用分析。本次運用過程中主要以《金屬絲楊氏模量的測定》實驗為基礎，借鑒相關實驗設計方案形成對應動手操作型網絡虛擬實驗體系并對其評估，現模式內容如下：

3.2.1 需求分析。本實驗主要是對金屬絲楊氏模量測定中相關內容的分析，要保證學生能夠了解金屬絲楊氏模量的測定操作，順利實現測定操作。系統需求中要能夠順利實現測定的承接及現象的提示，形成系統化、科學化操作體系。

3.2.2 設計策略。本次實驗中主要通過多媒體、超文本組織對操作知識及操作內容進行展現，設置了對應導航頁面輔助學生進行實驗學習。

3.2.3 界面場景設計。本次實驗界面場景主要以層次化體系進行構建，模擬設計過程中實驗儀器主要包括光杠桿、楊氏模量儀、標尺、望遠鏡等，虛擬環境內容對上述設備進行了個性化模擬設計。系統主要通過3ds Max軟件制作虛擬實驗場景。

3.2.4 交互設計。交互設計與虛擬設計方式一致并適當融合Flash軟件，通過Cult3D及Flash完成實驗操作的控制及實驗現象的展示。

3.2.5 設計評估。本次評估過程中從教師和學生兩方面進行運用效果評估，其中53%認為系統運用效果非常滿意，32%認為效果較為滿意，11.25%認為效果一般，3.75%認為系統不好。反饋信息中表明系統界面美化、提示不足是造成評估不滿意的關鍵因素，需要繼續修正和完善。

4 總結

大學物理網絡虛擬實驗作為大學物理教學的重要內容，其設計效果及設計質量直接影響著學生的知識水平和能力水平，是學生發展的關鍵。在對大學物理網絡虛擬實驗設計模式進行運用的過程中教師要把握好模式內容，要依照模式特征對實驗設計模式進行合理選取，形成細化結構體系，從本質上改善實驗運用效果，加速大學物理實驗教學發展進程。

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