虛擬實驗與真實實驗相比,有其獨特的優(yōu)勢,伴隨著教育信息化的飛速發(fā)展,各種各樣的虛擬實驗不斷地被設(shè)計、開發(fā)并應(yīng)用于教育教學(xué)中。然而,前期調(diào)研分析發(fā)現(xiàn),目前被廣泛使用的虛擬實驗仍存在仿真度不高、趣味性差、交互方式單一以及技術(shù)開發(fā)方向與教育應(yīng)用需求不匹配等問題。另一方面,從各國官方發(fā)布的科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)和指導(dǎo)框架等報告中可以發(fā)現(xiàn),讓學(xué)生開展探究式學(xué)習(xí)已成為世界各國科學(xué)教育的主旋律。為了更好地發(fā)揮虛擬實驗在科學(xué)教育中的優(yōu)勢,本研究從交互設(shè)計的視角出發(fā),將探究式學(xué)習(xí)理念和Web3D技術(shù)融入虛擬實驗的設(shè)計與開發(fā),以改善用戶體驗并提升其教學(xué)應(yīng)用效果。在整理和分析已有的相關(guān)文獻(xiàn)和理論基礎(chǔ)的基礎(chǔ)上,本研究首先提出面向探究式學(xué)習(xí)的Web3D虛擬實驗交互設(shè)計框架,然后以我國初中科學(xué)教材中“鹽的溶解”實驗為例進(jìn)行交互設(shè)計和技術(shù)開發(fā)實踐,最后設(shè)計并實施了教學(xué)應(yīng)用和探究性學(xué)習(xí)活動,并對參與對象發(fā)放用戶體驗問卷來驗證面向探究式學(xué)習(xí)的Web3D虛擬實驗交互設(shè)計的應(yīng)用效果。在交互設(shè)計框架建立階段,首先提出了虛擬實驗交互設(shè)計的四大原則:緊貼中學(xué)課程內(nèi)容、面向探究式學(xué)習(xí)、良好的用戶體驗以及量體裁衣式的反饋機制。其次定義了規(guī)范化... 

【文章來源】：杭州師范大學(xué)浙江省

【文章頁數(shù)】：95 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

探究式學(xué)習(xí)的五個特征及其關(guān)系

杭州師范大學(xué)碩士學(xué)位論文相關(guān)概念及理論基礎(chǔ)11本研究的進(jìn)行的交互設(shè)計基于WIMP交互范式，這是因為虛擬實驗的主要應(yīng)用場景為學(xué)校，非WIMP技術(shù)由于需要購買昂貴的設(shè)備，學(xué)校往往難以負(fù)擔(dān)，因此在學(xué)校已有的WIMP設(shè)備中進(jìn)行交互設(shè)計更有利于產(chǎn)品的普及。以下筆者列出了國內(nèi)和國外使用范圍最廣、訪問量最大的兩個虛擬實驗平臺——PhET和NOBOOK，通過對兩個平臺下虛擬實驗的比較分析，筆者發(fā)現(xiàn)不同虛擬實驗平臺下的虛擬實驗往往具有統(tǒng)一的設(shè)計風(fēng)格和偏好，對這些風(fēng)格和偏好也進(jìn)行了歸納和總結(jié)。1.PhETPhET是由科羅拉多大學(xué)的團(tuán)隊專項運營的免費數(shù)學(xué)和科學(xué)虛擬實驗平臺。創(chuàng)立于2003年，這一平臺基于廣泛的教育研究，旨在激勵學(xué)生在直觀的、游戲化的環(huán)境中進(jìn)行探索和發(fā)現(xiàn)。該平臺中的一部分實驗基于HTML5開發(fā)，可跨平臺運行；少部分實驗使用Java開發(fā)，只能在桌面終端運行。該平臺中的虛擬實驗的呈現(xiàn)形式為二維圖形，設(shè)計往往更注重用戶對于事物原理的理解，而不注重精準(zhǔn)模擬現(xiàn)實中的實驗室環(huán)境。以其中的物理虛擬實驗“質(zhì)量與彈簧”為例，如圖2-2所示，設(shè)計人員僅使用米色背景來代替實驗室的環(huán)境，防止虛擬實驗室的圖形界面分散學(xué)生的視覺注意；而對于彈簧彈性系數(shù)的控制，設(shè)計人員使用滑動組件來進(jìn)行調(diào)節(jié)，而不是讓用戶更換彈簧，這種設(shè)計充分發(fā)揮了虛擬實驗的一個優(yōu)勢，即簡化那些與實驗要給用戶呈現(xiàn)的知識點關(guān)系不大的信息，從而減輕認(rèn)知負(fù)荷①。圖2-2PhET物理虛擬實驗“質(zhì)量與彈簧”界面截圖①李慧迎,祁玉娟.體驗式虛擬實驗的設(shè)計及實效性分析[J].中國教育信息化，2013(18)：80-83.

杭州師范大學(xué)碩士學(xué)位論文相關(guān)概念及理論基礎(chǔ)13圖2-3NOBOOK虛擬實驗“氫氣在空氣中燃燒”界面截圖NOBOOK實驗采用了二維的呈現(xiàn)方式，其所有虛擬實驗基于網(wǎng)頁開發(fā)，可以跨平臺運行（包括電子白板、桌面電腦等終端，以及windows、iOS、Android等操作系統(tǒng)）。與PhET截然不同的地方在于，NOBOOK高度仿真地模擬、還原了實驗中所有涉及到的儀器和環(huán)節(jié)，例如，“氫氣在空氣中燃燒”預(yù)置實驗中（如圖2-3所示），用戶需要自己將提供的儀器擺放至合適的位置和朝向，使用鼠標(biāo)控制火柴點燃，然后點燃?xì)錃�。NOBOOK中的預(yù)置實驗都有視頻演示，然后用戶照著視頻進(jìn)行實驗儀器的調(diào)整。在直觀感受上，筆者認(rèn)為相比PhET，NOBOOK更像是提供一個工具，幫助老師和學(xué)生在沒有做真實實驗的條件下對真實實驗進(jìn)行更純粹的仿真�？偟膩碚f，PhET平臺有更好的虛擬實驗交互設(shè)計理念，但NOBOOK平臺具有更美觀的界面（依然為二維界面），專門根據(jù)中國中學(xué)科學(xué)的課程標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計的內(nèi)容，更快速的網(wǎng)站響應(yīng)速度。因此，在進(jìn)行本研究交互設(shè)計時，要充分吸收二者的優(yōu)勢，以為學(xué)習(xí)者提供更好的學(xué)習(xí)體驗。三、、基于Web3D技技術(shù)的虛擬實驗研究現(xiàn)狀Web3D技術(shù)即運行于瀏覽器的3D圖形環(huán)境，在本章的第四節(jié)將對該技術(shù)進(jìn)行較為詳細(xì)的介紹，總體而言，相比傳統(tǒng)3D環(huán)境，Web3D具有無需安裝、兼容性高的特點。隨著WebGL（WebGraphicsLibrary）協(xié)議的不斷完善，在網(wǎng)頁中渲染3D圖形變得簡單而快捷(鄭華等,2015)，因此，針對研究背景部分所述的技術(shù)發(fā)展與教育應(yīng)用存在的不匹配現(xiàn)象，Web3D是一個潛在的較好解決方案。早在2007年，已有學(xué)者指出Web3D技術(shù)可用于正式與非正式學(xué)習(xí)、遠(yuǎn)程與電化學(xué)習(xí)、職業(yè)


本文編號：3412745