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基于数字化学习的虚拟实验平台设计与研究

发布时间:2021-08-03 人气:

  摘 要 本文论述了数字化学习对于中学物理实验学习的影响、中学虚拟物理实验平台的构建方法,以高中物理虚拟实验平台为例探讨了虚拟实验平台的需求分析与设计过程。
  关键词 数字化学习;虚拟实验;高中物理;设计原则
  中图分类号:G632 文献标识码:A 文章编号:1002-7661(2020)32-0179-02
  信息技术的发展迅速改变了传统的学习方式。推进现代信息技术与学科课程的整合,建立现代的数字化学习平台是当代教育发展的新方向。构建数字化学习的虚拟物理实验平台可以促进学生物理实验学习的效果,成为实际实验的重要补充。
  一、数字化学习对于中学物理实验学习的影响
  (一)数字化学习的概念
  数字化学习是指学习者在数字化的学习环境中利用数字化信息资源,以数字化方式进行学习的过程。它包括三个基本要素,即,数字化学习环境、数字化学习资源和数字化学习方式。随着信息技术的发展,将物理实验数字化,在技术上已经没有难度,而数字化学习的观念还远未普及。
  (二)物理实验学习的重要性
  物理学科的发展是伴随着实验的发展而来,根据物理实验提出的各种理论解释,再通过实验验证理论的正确与否。据统计,在现代物理学中大约有84%的知识与实验有直接关系。物理实验一方面是物理学的发展动力,同时另一方面在物理学习中也同样重要,大多数物理知识的提出都与某个物理实验相联系。而利用物理知识解决实际问题更要掌握物理实验的一些基本原则和方法,并在实验学習中培养学生发现和解决问题的能力。
  (三)建立虚拟实验平台的必要性
  实验如此重要,但是我国现在实验教学现状堪忧。我国物理教学中实验教学以教师讲述演示、学生模仿完成方式为主。对江苏省普遍使用的人教版普通高中物理教科书(2014年12月版)进行统计可以发现,从高一到高二年级仅完成约12个学生实验,而两年高中物理课程大约180课时,学生在实验室的时间不超过总学时的7%。而虚拟实验平台可以让学生提前了解实验仪器并模拟实验。通过虚拟实验平台的学习可培养学生在观察中思考探究的能力,有利于学生掌握利用现代化信息技术学习、拓展知识的能力;有助于提高学生的数学图形分析能力、对复杂物理问题的分析判断能力;有助于对学生自主探究的创新和钻研能力的培养。
  二、中学虚拟物理实验平台的构建方法
  (一)虚拟实验平台的建立原则
  (1)科学性
  科学性是虚拟实验平台的必然要求。虚拟实验平台是实际实验所包含物理知识的展现者。在构建虚拟实验平台时,对于无关的因素可以适当简化或者去除,但是对于其主要展现的包含物理规律的现象应该表现准确。相关人员在设计虚拟实验平台时,必须考虑到文字表述的严谨、图像绘制的准确、动画或反馈效果的合理。
  (2)交互性
  虚拟实验平台对于人机工学提出了较高的要求。不恰当的设计、缺乏提示、流程固化等等这类问题容易在虚拟实验平台设计中出现。较好的设计应该包含以学习者为中心、界面清晰、有明确的说明和提示、系统开放自由度高等。
  (3)简约性
  实验平台中单个实验的设计内容要尽量独立、模块化,这样在实验平台的设计上才可以尽量简洁地表现,学生容易在学习过程中掌握实验中的要点。
  (4)趣味性
  虚拟实验平台的使用情景是学生独立学习过程,独立学习中容易产生学习的疲劳感,因此在设计中必须考虑到如何保持学习兴趣。增加虚拟实验的趣味性是卓有成效的一种方式。如在Universty of Colorado Boulder 制作PhET Interactive Simulation系列课件中的斜抛运动中,不但可以发射常见高尔夫球之类的物体,还可以发射钢琴、轿车等物体,让学生在虚拟实验中保持学习的劲头。设计合适的竞争环节也是有效的手段之一,比如在平抛运动实验中,将积分制和模拟飞行引入实验平台,飞机投弹命中目标就加一分,通过这样激励性的措施增强学习的主动性。
  (5)可参与性
  学习的最佳方式是在运用中学习,在虚拟实验平台设计中,也可以让学生参与虚拟实验平台的制作。学生可以利用一些自己可以掌握的软件开发一些物理虚拟实验,通过开发进一步掌握物理规律,以及理解物理规律如何运用数学方法表述。在虚拟实验平台建立过程中就需要考虑到学生的参与性,从而让虚拟实验平台获得更多的活力。
  (二)虚拟物理实验平台的分析与设计过程
  (1)需求分析
  需求分析决定了整个虚拟实验的设计方向,所以做好需求分析才能让后期的实验平台建立的具体制作过程有明确的导向。
  (2)总体规划和设计
  根据前述的需求分析进行总体规划,明确后期虚拟实验平台开发的具体方面,划分开发模块,确定虚拟实验平台的具体原则,并形成具体的开发计划文稿。一般可以分为实验内容设计、软件设计和界面设计。其中,实验内容设计为核心,界面设计是人机交互的窗口,软件设计是实现前述两个设计的基础。
  虚拟平台的实验内容设计并不同于普通课程的教学设计,在此实验内容设计主要明确实验需要达到的目标、如何创设实验的情境以保持学生的学习兴趣、如何规划收集素材资源以支持学生的实验学习过程等。
  界面设计也是重要的环节,因为学生学习过程主要就是通过界面交互。相关人员在设计时要选择合适的颜色,对于展现的各个要素要分布合理,设计协调。设计逻辑要符合学生的学习习惯,同时也要便于软件后续实现。
  软件设计中需要将各种需求合理地表现,同时还需要满足数字化学习环境的建立,因此选择合适的集成软件至关重要,比较主流的有Adobe Flash、Java等跨平台软件,而充分利用Html5也可以方便建立交互性强的虚拟实验平台。
  (3)虚拟物理实验平台模块组成
  虚拟物理实验平台指的是在课程标准与探究实验的基础上,针对重点实验对象,按照科学原理展开的建模行为。以此来实现仪器仿真,并通过科学的原理和内部的潜在规律形成自动化的画面。同时,利用实验仪器开展三维建模,并确保相关数据、参数的仿真可控操作。对此,也可将虚拟物理实验平台大致分为六个模块,即文件模块、编辑模块、同步实验模块、仿真工具模块、辅助工具模块以及系统配置模块。这里以同步实验模块为例。该模块的工作原理主要体现在课程标准的同步实验上,根据课程的标准来进行演示活动与探究实验活动,并给予学生能够在虚拟环境下开展课程的有效条件。那么,从演示实验的组成来看,,主要囊括了介绍仪器、速度与流程标准、虚拟实验操作以及模型实验操作演示等内容。过程中,学生会既可以亲自进行实验,也可以对实验过程进行观看,更便于实验相关行为的展开。而探究实验主要是由虚拟软件支持、方案设计、有效指导以及软件说明等内容组成。不同于此前部分,在该阶段学生的自主性要更好。
  三、结语
  虚拟物理实验平台的建立有利于突出“以学习者为中心”,落实学生的主体地位。作为实际实验的补充,它有利于培养学生现代的科学素养,有利于培养学生敏锐的信息素养,有利于培养学生主动的探究意识和能力,有利于提高学生实验学习水平。
  参考文献:
  [1]贾根五.高校数字化学习平台构建与应用研究——以宁夏大学为例[D].宁夏大学,2010:46
  [2]曹霞娥.中学物理实验教学改革的研究[D].湖南师范大学,2006:45
  [3]王良,刘东峰.三维虚拟物理实验仿真平台的界面设计与实现[J].计算机技术与发展,2014,24(09):238-240.

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