（課程與教學論專業(yè)論文）基于桌面vr技術的初中《科學》web課件設計研究.pdf

基于桌面v i i 技術的初中科學w e b 課件設計研究 學科專業(yè)：課程與教學論 指導教師：范蔚教授 研究方向：課程論 研究生：陳艷蓮( 2 0 0 1 0 8 7 ) 中文摘要 2 1 世紀以來，一場科學課程的改革在我國基礎教育領域展開，它的核心理念就是 要全面提高學生的科學素養(yǎng)。信息時代，新技術為個人全面發(fā)展提供了物質基礎，我國 的科學課程也應該在對教育軟件的研究和相應的新的學習模式的研究上加強對世界前 沿的跟蹤研究。怎樣利用現(xiàn)代技術加強學生科學知識和科學精神的教育，是我們在構建 整合型的科學課程中要著力解決的問題。v r 技術作為一種新的媒體形式，應用于教學 中，具有其它媒體形式無可比擬的優(yōu)勢，在中小學科學課程中具有廣闊的應用前景，目 前的運用主要是采用桌面v r 技術設計w e b 課件。而國內對v r 技術在教學中運用的定 性研究還比較粗淺，缺乏系統(tǒng)性的研究。另一方面，已有文獻多從制作技術入手進行探 討和總結，缺乏教育思想的指導。 本研究就是針對這一現(xiàn)實矛盾和需要進行的研究。分布式認知、建構主義學習理論 和人本主義學習理論為課件設計提供了充分的理論支持。本研究的目標是，在構建整合 型的信息化科學課程基本理念的指導下，分析用于初中科學課程的基于v r 技術的w e b 課件設計的整體思路，包括v r 技術的教學條件、教學設計、課件基本構成、情境創(chuàng)設、 導航策略及交互方式的設計等方面。本研究采用理論與實踐相結合的方法，在理論探討 的基礎上設計了一個課件實例。 在研究中，發(fā)現(xiàn)還有如下兩個方面需要做進一步的探討。1 、構建信息化的科學課 程是新技術對相對成熟的傳統(tǒng)教學模式的挑戰(zhàn)，實現(xiàn)難度尤其大。課件設計只是從一個 維度將教學過程中的多種要素以及它們之間的復雜關系融于整體之中，映射出構建信息 化的科學課程理念。課件設計的內涵也是極其豐富的，還包括本文尚未觸及的診斷評價 等。2 、對于基于桌面v r 技術的w e b 課件在科學課程中的有效利用，還需要更多的人 結合教學實際來深入研究。通過應用基于桌面v r 技術的w e b 課件在初中階段進行教 學實驗，從實際教學效果來了解學生、教師應如何合理應用基于桌面v r 技術的w e b 課 件，以及如何合理地評價課件等問題都是值得深入研究的。 關鍵詞：v r 技術初中科學課程w e b 課件 s t u d y o n d e s k t o p - - v r - - b a s e d w e bc o u r s e w a r ed e s i g n f o r j u n i o rs c i e n c ec u r r i c u l u m m a j o r ：c u r r i c u l u m p e d a g o g y s p e c i a l t y ：c u r r i c u l u mt h e o r y m e n t o r ：f a nw e il p r o f ) p o s t g r a d u a t e ：c h e n y a h l i a n a b s t r a c t s i n c et h eb e g i n n i n go ft h e2 1 s tc e n t u r y , ar e f o r mo fs c i e n c ec u r r i c u l u mh a sb e e n o v e r w h e l m i n gi n c h i n a sb a s i ce d u c a t i o ns y s t e m t h ec o r eo ft h i sr e f o r mi st oi m p r o v e c o m p r e h e n s i v e l ys t u d e n t s s c i e n c el i t e r a c y i nt h ei n f o r m a t i o ne r a ，n e wt e c h n o l o g i e sh a v e p r o v i d e d m a t e r i a l s u p p o r t s f o ri n d i v i d u a l s a l l r o u n dd e v e l o p m e n t ，t h e r e f o r et h es c i e n c e c u r r i c u l u mi nc h i n as h o u l df o l l o wc l o s e l yt h ef r o n t i e ro fw o r l d w i d er e s e a r c ho ne d u c a t i o n a l s o f t w a r e d e v e l o p m e n t a n d c o r r e s p o n d i n g l y i i c w l e a r n i n g m o d e s t h e k e y i s s u ei n c o n s t r u c t i n gi n t e g r a t i v es c i e n c ec u r r i c u l u mi sh o w t os t r e n 【g t h e nt h ee d u c a t i o no fs c i e n t i f i c k n o w l e d g ea n ds c i e n t i f i cs p i r i t w i t ht h eh e l po fm o d e r nt e c h n o l o g i e s a san e wf o r mo f m e d i u m ，v rh a so v e r w h e l m i n ga d v a n t a g e so v e ro t h e rm e d i au s e di ni n s t r u c t i o n i th a sa b r i g h tf u t u r e i ns c i e n c ec u r r i c u l u mf o r p r i m a r ya n ds e c o n d a r ye d u c a t i o n d e s k t o pv r i s p r e s e n t l ya p p l i e di nd e s i g n i n gw e bc o u r s e w a r e h o w e v e r , q u a l i t a t i v er e s e a r c ho nv ri n i n s t r u c t i o ni sr a t h e rs u p e r f i c i a la n du n s y s t e m a t i c o nt h eo t h e rh a n d ，m o s to ft h el i t e r a c ya t h a n dd i s c u s sa n ds u m m a r i z ef r o mt h e p e r s p e c t i v e o fs k i l l s ，l a c k i n gi nt h eg u i d a n c eo f p e d a g o g i c a lt h e o r i e s t h i ss t u d yp i n p o i n t sa tt h i sr e a l i t ya n dn e e d d i s t r i b u t i v ec o g n i t i o n ，c o n s t r u c t i v el e a r n i n g t h e o r ya n dh u m a n i t a r i a nl e a r n i n gt h e o r ya r et h e o r e t i c a ls u p p o r t st oc o u r s e w a r ed e s i g n t h e a i mo ft h i s s t u d y i sa sf o l l o w s ：u n d e rt h e g u i d a n c eo fc o n s t r u c t i n ga ni n t e g r a t i v ea n d w e l l i n f o r m e ds c i e n c ec u r r i c u l u m ，a n a l y z i n gt h ew h o l e p r o c e s so fd e s i g n i n gv r b a s e dw e b c o u r s e w a r ei n j u n i o rs e c o n d a r y s c i e n c e c u r r i c u l u m ，i n c l u d i n gn e c e s s i t i e s f o rv r - b a s e d i n s t r u c t i o n ，t e a c h i n gp l a n s ，c o m p o s i t i o n s o f c o u r s e w a r e ，c r e a t i o n o f c o n t e x t s ，g u i d i n g s t r a t e g i e sa n di n t e r a c t i v ed e s i g n s c o m b i n i n gt h e o r yw i t hp r a c t i c e ，t h i s s t u d yd e s i g n e d a c o u r s e w a r ea f t e rt h e o r e t i c a ld i s c u s s i o n s t h er e s u l t sf r o mt h i ss t u d ys u g g e s tt h a tt h e r ea r es t i l lt w oo t h e r si s s u e st ob ed i s c u s s e d a n ds t u d i e d f i r s t ，i ti sab i td i f f i c u l tt oc o n s t r u c taw e l l i n f o r m e ds c i e n c ec u r r i c u l u mf o ri t i sa c h a l l e n g et o t h et r a d i t i o n a l l ym a t u r ep e d a g o g i c a lm o d e s c o u r s e w a r ed e s i g ni m m e r s e st h e c o m p l i c a t e dr e l a t i o n s h i p sa m o n g e l e m e n t si ni n s t r u c t i o na n dr e f l e c t st h ei d e a l o fa w e l l i n f o r m e ds c i e n c ec u r r i c u l u m i t sc o n n o t a t i o ni sv e r yr i c h ，i n c l u d i n gt h o s eu n c o v e r e di n t h i s s t u d y s e c o n d ，t h e r e i ss t i l la l o n gw a yt og o t o a p p l y v r b a s e dw e bc o u r s e w a r e e f f e c t i v e l yi ns c i e n c ec u r r i c u l u m ，d e m a n d i n g m o r ep e r s o n n e la n dm o r e p e d a g o g i c a lp r a c t i c e h o wt oc o n d u c tt e a c h i n ge x p e r i m e n t si nj u n i o rs c h o o l sw i t hv r b a s e dw e bc o u r s e w a r e ? h o ws h o u l dt e a c h e r sa n ds t u d e n t su t i l i z er e a s o n a b l yv r b a s e dw e bc o u r s e w a r e ，f r o mt h e p o i n to f f i n a lr e s u l t so fi n s t r u c t i o n ? a n dh o wt oe v a l u a t ec o u r s e w a r er e a s o n a b l y ? a l lt h e s e i s s u e sd e s e r v ef u r t h e rs t u d y k e y w o r d s ：v r t e c h n i q u e ；s c i e n c ec u r r i c u l u mi nj u n i o rs c h o o l s ；w e bc o u r s e w a r e 一、導言 ( 一) 問題的提出 1 、中小學科學課程要充分利用新技術，建構整合型的信息化課程 知識經(jīng)濟的時代，一個人的科學素養(yǎng)就決定著他的發(fā)展空間和機會。所以，“關于 科學技術發(fā)展、科學與技術的相互關系以及科學技術與社會文化關系的整體性和連貫 性”。的，旨在提高全民科學素養(yǎng)的科學教育，尤其是中小學科學教育，就越發(fā)重要。 科學教育必將成為2 1 世紀教育領域的一個新亮點。 信息時代，新技術為個人全面發(fā)展提供了物質基礎，我國的科學教育應該在高科技 和教育改革的結合部( 主要體現(xiàn)在對教育軟件的研究和對新的學習模式的研究上) 加強 對世界前沿的跟蹤研究。陳至立部長就明確指出，教育信息化的目標就是要實現(xiàn)課程的 有機“整合”。但我們不能機械地將西方科學教育的理念和技術引入我們的教育實踐中， 而應該將我們自己民族文化中的智慧和創(chuàng)造性融入其中，使其在我們自己的民族文化語 境中得以重構。由教育部設計的新的科學課程標準科學課程標準( 7 9 年級) 已指出科學課程的核心理念就是全面提高每個學生的科學素養(yǎng)，強調科學探究的地位 和作用。我們要通過信息技術與課程的互動性雙向整合，建構整合型的信息化科學課程 形態(tài)，進而使信息文化與學生的學習生活整合而成為有機的連續(xù)體和統(tǒng)一體。只有這樣， 我們的科學教育才可能在與西方科學教育的“對話”過程中獲得真正的發(fā)展和進步。由 于教育是極具差異性的，所以怎樣利用現(xiàn)代技術加強學生科學知識和科學精神的教育， 是我們在構建整合型的科學課程中要著力解決的問題。 2 、虛擬現(xiàn)實技術在中小學科學課程中具有廣闊的應用前景 v r 技術作為一種新的媒體形式，應用于教學中，具有其它媒體形式無可比擬的優(yōu) 勢。從虛擬現(xiàn)實的技術特征i m m e r s i o n ( 沉浸1 一i n t e r a c t i o n ( 交互) 一h i l a g i n a t i o n ( 構想) 來看，將其應用于中小學科學課程的意義在于： ( 1 ) 情景模型：促進形象思維和邏輯思維的結合“右腦革命” t r 布萊克斯利曾在右腦與創(chuàng)造一書中寫道：“計算機革命，從根本上說，它 乃是左腦革命的進一步延伸。計算機實際上是擴展了我們進行抽象的邏輯思維的能力”。 而“對于右腦所進行的那種類型的思維，不能對計算機抱有不恰當?shù)纳萃??！彼粲酰?當今社會的教育急需進行一次“右腦革命”o 。 但是v r 技術的出現(xiàn)，卻超越了布萊克斯利的預言。利用v r 技術不僅可以仿真地模 擬客觀世界，還可v g 倉, l 造出許多的虛幻情景，比如現(xiàn)實生活中無法觀察到的，或無法再 現(xiàn)的事件或過程。由此，學習者在虛擬世界中體驗的，可能是真實世界的仿真，也可能 是一個抽象概念的形象化。學習者不僅僅可以通過邏輯的方式進行學習，更主要是通過 。陳至立努力提高小學科學與數(shù)學教育的水卜 j 人民教育2 0 0 1 ，( 1 ) 。托馬斯r 布萊克斯利右腦與刨遺【mj 傅世俠，夏佩丑譯北京：北京大學出版社，1 9 9 2 ：9 0 1 形象化方式進行學習，突出了形象思維和邏輯思維的結合。所以，計算機信息技術不僅 僅把“左腦革命”向前推進了，也使“右腦革命”的實現(xiàn)變得更現(xiàn)實了。早有學者指出： 左右腦兩半球的結合使用，是在科學或藝術上創(chuàng)造性過程的共同特征。錢學森也認為： “形象化思維比抽象化( 邏輯) 思維更廣泛，邏輯思維只是解決科學問題，形象思維是 把還沒有形成科學的前科學知識都利用起來”。同時，利用v r 技術創(chuàng)設的虛擬情景， 給學習者主觀的創(chuàng)造帶來充分開闊的想象時空，必將對學習者的學習方式和思維發(fā)展產(chǎn) 生重要影響，促進其思維能力的全面發(fā)展，推動其更好地從事創(chuàng)造性活動。 ( 2 ) 交互性：促進學習者主體性的發(fā)揮 交互性是虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)最顯著的特征，它打破了物質實體條件下只能依賴單一途徑 選擇發(fā)展可能的舊模式，使現(xiàn)實性的發(fā)展兼容了多種可能性。也正由此，決定了它在技 能訓練和虛擬實驗等方面的特殊優(yōu)勢。學習者不再是一個被動的觀察者，而是可以在虛 擬情景中隨自己的意志自由移動，自由地選擇觀察的角度和側面，可以遠觀，也可以近 析，也可以與虛擬環(huán)境中的人物、事物發(fā)生交互關系，進行尋求探索。這里的人機交互 是一種近乎自然的交互。 早在2 0 世紀9 0 年代初，國外就有一些人，如f e r r i n g t o n ( 1 9 9 ，l e w i s ( 1 9 9 4 ) ， p a n t e l i d i s ( 1 9 9 3 ) 等指出，跟模擬場景的交互有助于學生的學習，因為它們能吸引學生的 注意力。美國的c h r i s t i n ey o u r i g b l u t 也指出，虛擬現(xiàn)實所具有的交互性給學生提供種 “做中學( 1 e a r n i n gb yd o i n g ) ”的情形，會極大地調動學生的積極性和主動性，增強主 體意識，促進學生在建構知識時，能更好地掌握、記住和歸納新知識。澳大剝亞詹姆 士庫克大學( j a m e sc o o ku n i v e r s i t y ) 教育學院的d a v i da i n g e 博士通過實驗發(fā)現(xiàn)v r 對 回憶空間細節(jié)的影響明顯大于照片的影響。 ( 3 ) 多感知性：促進認知，以及實現(xiàn)功能替代 傳統(tǒng)上，人們用計算機處理信息時，人們已往的經(jīng)驗、知識是以數(shù)字化形式存儲在 數(shù)據(jù)庫內，學習者對數(shù)字化單位信息進行認知，從以定量為主的結果中得到啟發(fā)，而加 深對事物認識a 而在v r 系統(tǒng)中，學習者可以調動多種感官，參與到計算機信息處理環(huán) 境中，實時地、全方位地獲取信息。學習者是基于過去已有的經(jīng)驗、現(xiàn)時體驗和v r 系 統(tǒng)的現(xiàn)時輸出，在定性與定量綜合集成的環(huán)境中，得到感性和理性認識，從而加深對概 念的理解，萌發(fā)新意，提高自身認識能力。所以，有人稱道v r 技術是第一個推動人們 以身體活動獲取知識的智能技術。 也正是由于v r 技術能提供多種感知信息，v r 技術除了為正常人的學習提供了更 多方便，也使殘疾人的特殊教育成為可能。身患殘疾的學習者可以利用多種感知來彌補 其在某一方面的不足。1 9 9 3 年，第一屆“國際虛擬現(xiàn)實與殘疾人會議”召開。國外的實 驗結果表明基于桌面v r 的虛擬環(huán)境( v e ) 能有效地教會有嚴重學習障礙的人掌握重要 。錢學森主編關于思維科學上海：卜海人民i | ；版社，1 9 8 6 ：1 5 7 2 的生活技能，并能提高他們的自我定向活動能力( s e l f - d i r e c t e da c t i v i t y ) 。 ( = ) 研究現(xiàn)狀 1 、國外研究概況 美國和歐洲一些國家在虛擬現(xiàn)實的教育應用方面已做了許多實質性的研究和開發(fā) 工作。美國也是最早將虛擬現(xiàn)實引入課堂的國家之一。 1 9 9 2 年，美國的東卡羅琳那大學( e a s tc a r o l i n au n i v e r s i t y ) 成立了v r 技術與教育 實驗室( v r e l ) ，并于1 9 9 5 年創(chuàng)刊( v ri nt h es c h o o l s ) ) 。該實驗室的一個小組搜尋北 卡羅琳那州從幼兒園到中學的以能力為基礎的課程的所有目標( 包括科學教育) ，以便 找出哪些目標適宜使用v r 技術( v e r o n i c as p a n t e l i d i s ，1 9 9 6 ) 。同期，還有許多歐美 學者也對虛擬現(xiàn)實在教育中的潛在價值作了研究( b y m e f u r n e s s ，1 9 9 4 ；d e d e ，1 9 9 5 ； p a n t d i d e s ，1 9 9 3 ：w i n n ，1 9 9 7 ) 。還有人提出虛擬現(xiàn)實給教育帶來的挑戰(zhàn)( g o n z a l o v e l e z j a h n ，1 9 9 5 ) 。1 9 9 5 年，美國國家計算機科學聯(lián)盟( n c s a ) 與i l l i n o i s 大學合作，還包括 來自于六個州的若干教師參加，進行了一項歷經(jīng)五年的研究，試圖回答“虛擬現(xiàn)實對 教育是否有幫助? ( b a r b a r a a a n d e r s e n ，c a r o le n g e l m a n n e 1 a i n ew e s t b r o o k ，1 9 9 6 ) 。 還有人研究利用v r 創(chuàng)造情境是否可以幫助兒童學習漢語( t o md ep a e p e ，l m a ， a h e i r m a n ，b d e s s e i n ，d v e r v e n n e ，ev a n d a m m e c w i l l e m e n ，1 9 9 8 ) ，也 有人( l y n n ec o x ，1 9 9 6 ) 通過研究發(fā)現(xiàn)可以利用v r 提高兒童對音樂器械的學習。由 美國國家科學基金會支持，g e o r g e m a s o n 大學和n ，( v i r t u a l e n v i r o n m e n t t e c h n o l o g y l a b o r a t o r y ) 合作開發(fā)了s c i e n c e s p a c e ( 科學空間) ，提供三種虛擬情境( 在牛頓世界中 學生可以體驗牛頓三大定律；在麥克斯韋世界中，通過檢測電磁場的自然屬性來驗證高 斯定律；在p a u l i n g 世界中集中研究分子) 以驗證學生通過直接交互式的體驗，能否更 好地理解科學概念。美國i n t e r f a c et e c h n o l o g i e sc o r p o r a t i o n 開發(fā)了虛擬環(huán)境科學實驗室 ( v e s l ) ，教學運用后的后測結果表明其有利于學生對關鍵概念的掌握( n e m i r e ，1 9 9 5 ) 。 1 9 9 7 年，美國成立“虛擬現(xiàn)實教育協(xié)會( t e a ) ”。 還有學者作了一些實證研究，如通過后測結果比較在物理教學中，運用沉浸式v r 與傳統(tǒng)的講授法教同一教學內容的差異( b r e l s f o r d ，1 9 9 3 ) ；比較在生物教學中，運用 桌面v r 與沉浸式v r 或錄像后學生成績的差異( g a y 。1 9 9 4 ) ，實驗結果表明運用v r 后的效果明顯好于使用錄像，但沒有發(fā)現(xiàn)沉浸式v r 比桌面v r 占有優(yōu)勢；比較研究利 用虛擬電腦硬件、真實的硬件和講解三種方法教學生學習電腦硬件( w i l l i a mt r a v i s ， 1 9 9 7 ) ，其實驗結果表明前兩種方式的效果明顯好于第三種；比較研究運用虛擬放射性 實驗室教學與傳統(tǒng)的課堂講授輔以錄像的方法教物理中的放射性( j o a n n a k c r o s i e r ， s u e v g c o b b j o h n r w i l s o n ，2 0 0 0 ) ，從實驗結果得出了這樣的結論：在設計學校中 使用的v r 作品時，要充分考慮到學生如何使用它，并且有些教學應在使用v r 之前進 行，以使學生意識到要學習的課題，以及它的概念和術語，以便從v r 環(huán)境中獲得相應 3 的信息。 另一方面，歐美建立了各種用于科學教育的虛擬實驗室和虛擬圖書館。 美國已爾的摩約翰鶴普金斯( j o h n sh o p k i n s ) 大學化學工程系的m i c h a e l k a r w e i t 教授在web 上建立了一個虛擬實驗室，為剛丌始學習科學和工程學的學生進行實驗介 紹、問題解答、數(shù)據(jù)采集和科學解釋。休斯敦大學建立了“虛擬物理實驗室”，能使學 生做包括萬有引力定律在內的各種實驗，可以控制、觀察由于改變重力的大小、方向所 產(chǎn)生的種種現(xiàn)象，以及對加速度的影響。使學生對物理概念和定律有了更深的理解。北 卡羅琳那大學研制了一種可以讓學生用手操縱分子運動的化學虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，學生戴上 頭盔并通過數(shù)據(jù)手套進行反饋控制，可以使分子按某種方式結合在一起。除此以外，還 有麻省理工學院的w e b l a b 、卡耐基梅隆大學的虛擬實驗室等在線實驗室。在英國， 擬開發(fā)生命科學實驗教學虛擬系統(tǒng)，學生在虛擬環(huán)境下，漫游植物世界，了解植物的生 長特征，并親自解剖動物器官，模擬人體器官及生理機能，動態(tài)演示人們看不到、摸不 著的神經(jīng)系統(tǒng)，生動地再現(xiàn)人體的消化系統(tǒng)、呼吸系統(tǒng)等。以使學生對生命科學有一全 面的了解，并激發(fā)學生學習生命科學的興趣。 荷蘭特溫特大學建立了一個虛擬圖書館系統(tǒng)，教師和學生使用該系統(tǒng)尤如置身于真 實的圖書館，任意、快速、方便地查閱各種所需的資料和書籍。 另外，站點w e b m o l e c u l e s 以v r m l 文件提供了將近2 0 0 0 種分子模型，網(wǎng)站 w w w v r m l w o r k s c r i s p e n o r g 提供了物理、化學、生物等科學教育的虛擬實驗室及其它虛 擬現(xiàn)實作品，網(wǎng)址w w w w e b 3 d o r g v r m l e d a p h t m 、w w w v r l u m i c h e d u n e w m i d f i e l d i n d e x h t m l 等都有不少科學教育的虛擬現(xiàn)實作品。美國等國家也制定了許多用于創(chuàng)建虛 擬場景的語言，僅v i r t u se n t e r t a i n m e n tc o r p o r a t i o n 開發(fā)的就有v i r t u sw a l k t h r o u 疊i lp r o 、 v i r t u s3 - dw e b s i t eb u i l d e r 、v i r t u sc o n e e p t c a d 、v i r t u s4 0 、v i r t u sp l a y e r 、v i r t u sg a l l e r i e s a n dm a t e r i a l sp a k s 。 2 、國內研究概況 2 0 0 0 年6 月1 0 日，中國科學院院長路甬祥院士在北京中國科技會堂作了題為關于 新世紀科學教育的幾點思考的綜合性學術報告。在報告中他指出，現(xiàn)代化、網(wǎng)絡化的 科學教育設施有待進一步建設和完善，科學教育社會公共資源有待進一步合理布局、共 享和充分利用。他還呼吁不斷吸收國際科學教育的先進經(jīng)驗和成果，加速建設教育網(wǎng)絡、 教育數(shù)據(jù)庫，發(fā)展遠程科學教育，大力發(fā)展支持終身學習的科學教育體系。 2 0 0 1 年7 月1 6 日1 8 日，“科學素養(yǎng)與科學教育國際會議首屆研討會”在北京師 范大學英東學術會堂召開。本次大會的議題之一便是社會發(fā)展和科學課程發(fā)展，包括二 者的相互作用以及現(xiàn)代信息技術在科學教育中的應用等等。 北京師范大學科學傳播與教育研究中心在研究國內外科普實踐及創(chuàng)新經(jīng)驗的基礎 上利用網(wǎng)絡技術建設科學教育網(wǎng)站，以此來刀：拓科學教育的新領域，擴展科技傳播的 網(wǎng)絡途徑。 4 為推進“信息技術在科學課程中的應用”的理論研究和實踐工作的開展，“信息技 術在科學課程中的應用”國際研討會于2 0 0 2 年1 2 月在北京舉行。國內、國際的專家學 者分別以利用技術促進學生的反思：對科學教育的啟示、信息技術整合于科學教學 理論、模式與實踐為題從不同角度對研討會主題進行了研討。 可見，我國科學界和教育界非常重視教育新技術在科學教育中的應用，并付諸實踐， 加強校企合作，構建軟硬件平臺，開發(fā)優(yōu)質的教育信息資源庫。 雖然虛擬現(xiàn)實在我國軍事教育、醫(yī)學實習、娛樂、體育運動i l 練等領域已得到廣泛 應用，v r 秀網(wǎng)站也相繼出現(xiàn)，如w w w 8 6 v r c o m ( 虛擬無忌) 、w w w c n v r m l o r g 、 m 1 7 d e s i g n m y e t a n g c o m x 3 d 等，w w w i t u r l s c o m t e c h h o t s p o t t h _ s a a s p ( i t 之源) 也鏈 接了國內外許多虛擬現(xiàn)實網(wǎng)站。但目前我國幾乎還沒有將虛擬現(xiàn)實引入基礎教育的課堂 以及遠程教育中，教師也知之不多。當然也不乏這方面的研究，主要包括兩個方面： 第一，技術層面的開發(fā)研究和應用。如制作開發(fā)基于虛擬現(xiàn)實的w e b 課件( 劉文 艷，2 0 0 0 ) , 基于桌面虛擬現(xiàn)實的遠程協(xié)作學習系統(tǒng)( 劉振波，2 0 0 2 ) 、遠程教育中的虛 擬實驗室( 肖俊，2 0 0 2 ) 以及討論其發(fā)展方向( 單美賢，2 0 0 2 ) 。一些簡單的注重人機 交互機制設計的物理、化學等課件( 王笑君，2 0 0 1 ；惲如偉，2 0 0 3 ) 已經(jīng)出現(xiàn)，如金剛 石的晶體結構、d n a 模型及曲軸轉動模型等。香港教育學院( h k i e d ) 科學系的超媒 體自學中心( h a sc 戡心) 在網(wǎng)上展示了密立根油滴實驗輔助教學課件( 采用物體的 3 6 0 度旋轉技術) 和食鹽固態(tài)晶格結構的模擬( 采用v r m l 編寫) 。上?？萍季W(wǎng)和華東 師范大學多媒體技術研究室合作開發(fā)了虛擬現(xiàn)實博物館，即“科技創(chuàng)新博物館”，分為 古代館、工業(yè)館、現(xiàn)代館三個部分。我國也開發(fā)了虛擬實驗室，但主要是針對高校教學 的，如北師大現(xiàn)代教育技術研究所與北京3 0 1 醫(yī)院合作利用q u i c k t i m ev r 技術開發(fā)了 一個內消化道的病變診斷教學系統(tǒng)。網(wǎng)址w w w w j h l z x e d u c n s t u d y l 2 3 p h y p h y _07 p h y0 7 0 3 ，v r m l h t m 提供了由v r m l 編寫的屬純文本格式的虛擬物理實驗室，包括天文 學、電磁學電矢量、分子結構模型相關的虛擬小實驗。與國外相比，我國開發(fā)用于教育 中的基于虛擬現(xiàn)實的成果還不多，實際運用就更不充分了。 第二，在引進和介紹國外研究成果的基礎上進行定性研究。對于虛擬現(xiàn)實運用于教 育的必要性和可能性，已有很多人( 張筱蘭，1 9 9 7 ；周孟然，2 0 0 0 ；陸俊，2 0 0 0 ；裘偉 廷，2 0 0 0 ；趙士濱，2 0 0 1 ：單美賢，2 0 0 1 ) 作了探討和展望。北京師范大學出版的教 育技術學( 何克抗、李文關，2 0 0 2 ) 和信息技術與教育( 黃榮懷，2 0 0 2 ) 這兩本書 中都對虛擬現(xiàn)實在教學中應用的可行性做了一定的分析，并以國內外的應用實例說明。 在化學教育展望( 高劍南、王祖浩，2 0 0 1 ) 一書中也指出了化學c a i 課件的虛擬現(xiàn) 實化趨勢。 總的看來，目前國內的定性研究還比較粗淺，缺乏多角度、綜合性、系統(tǒng)性的研究， 沒有充分地把計算機技術與課程整合的思想融入到課件設計中去，所以結論設想難免有 流于空泛之嫌。另一方面，已有文獻多從制作技術入手進行探討和總結，缺乏新的教育 理念的指導。而且完整的、有實用價值的基于v r 的w e b 課件較少，大多數(shù)課件的虛 擬現(xiàn)實部分一般比較簡單，不能充分體現(xiàn)v r 技術較其它媒體形式的優(yōu)越性和獨特性。 更沒有微觀層面、深層次的個案研究或實證研究，導致其結果缺乏信、效度與針對性， 適切性也有待考慮。 ( 三) 概念和定義 虛擬現(xiàn)實，譯自英文“v i s u a l r e a l i t y ”。簡稱v r 。發(fā)展到今天，不同的人對其理解 相差甚遠，主要有7 種觀點：模擬( s i m u l a t i o n ) 、交互( i n t e r a c t i o n ) 、人造物( a r t i f i c i a l i t y ) 、 沉浸( i m m e r s i o n ) 、遙現(xiàn)( t e l e p r e s e n c e ) 、身體完全沉浸( f u l lb o d y i m m e r s i o n ) 、網(wǎng)絡 傳播( n e t w o r k e dc o m m u n i c a t i o n s ) 。 在國外，出現(xiàn)了多種對“v i s u a l r e a l i t y ”的定義，這些定義中的關鍵詞包括“知覺 ( p e r c e p t i o n ) ”、“在場( p r e s e n c e ) ”、“沉浸( i m m e r s i o n ) ”、“感性的( p e r c e p t u a l ) ”和“實 時交互( r e a lt i m ei n t e r a c t i o n ) ”等。這些定義描繪出了一個正在蓬勃發(fā)展的研究領域。 同樣，在中文譯文中也有譯作“實境技術”、“人工現(xiàn)實”、“模擬現(xiàn)實”、“虛擬實境”、 “虛擬實在”的。錢學森則建議把它譯作“靈境”。不過較為通用的譯法為“虛擬現(xiàn)實”， 本文也采用這種譯法。 從歷史的角度看，計算機始終是v r 研究或發(fā)展中的核心元素，虛擬現(xiàn)實是用計算 機對環(huán)境的模擬，并且用戶能夠與虛擬環(huán)境進行交互。這種環(huán)境可以是真實的，也可以 是構想的，并且可以以文本或圖形表現(xiàn)出來。狹義上的虛擬現(xiàn)實，是一種實在的計算機 技術，是人工智能、計算機圖形學、人機接i 口技術、多媒體技術、網(wǎng)絡技術、并行計算 技術等多種技術的集成。計算機能產(chǎn)生一個三維立體空間，用戶可以和這個空間中的對 象交互，除觀看外，還可以操作其中的部分對象，并可在空間中隨用戶的意志自由移動， 進而產(chǎn)生融入感和參與感。本研究所指的v r 技術，即是指計算機專業(yè)領域的虛擬現(xiàn)實 技術。 今天的虛擬現(xiàn)實技術，可以看作一種特殊的多媒體技術，通過視、聽、觸覺等作用 于用戶，進一步使人“進入”多媒體世界中，實現(xiàn)人機互動、互相交流的操作環(huán)境及身 臨其境的感受，使人產(chǎn)生強烈的參與感、操作感，成為“景中人”，實現(xiàn)人境一體化。 所以，b u r d e a 公司的v i r t u a l r e a l i t y t e c h n o l o g y 根據(jù)虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的技術特征，給出了3 個i 的定義，即沉浸度( i m m e r s i o n ) 、交互性( i n t e r a c t i o n ) 、想象力( i m a g i n a t i o n ) ， 也叫做虛擬技術三角形。 在國內，一般將虛擬現(xiàn)實技術分為三大類：一是沉浸式v r ，采用頭盔式顯示器等 將用戶的一切感知功能進行封閉，使其產(chǎn)生一種身在虛擬環(huán)境中的錯覺效應；二是桌面 式v r ，虛擬境界通過一般顯示器顯示，沉浸度不高。三是分布式v r ，提供一個虛擬空 間給分布在不同地點的用戶，他們共享這個虛擬空間，還能進行聯(lián)結，達到一種更高的 虛擬境界。而國外，大多數(shù)人將v r 分為基于文本的( t e x t b a s e d ) v r 和基于圖形的 ( g r a p h i c s b a s e d ) 的v r 。 從技術層面看，“虛擬”是對現(xiàn)實世界的反映。；從哲學的層面來看，“虛擬”即編 碼化( 符號化) ，也即是說對信息的編碼，它在信息傳遞的過程中承擔中介的作用。實 質上，v r 技術就是一種人們用以創(chuàng)建虛擬的信息環(huán)境的工具。德國新康德主義哲學家 卡西爾，在人論中指出，“符號化的思維和符號化的行為是人類社會中最富有代表 性的特征，并且人類文化全部發(fā)展都依賴于這些條件”。人類通過“虛擬”使信息離 開信源，得以記載、存儲和傳播。從字面上看，虛擬現(xiàn)實似乎把兩種矛盾的想象組合在 一起。韋伯字典表明，虛擬( v i r t u a l ) 就是“在本質上或實際上沒有被正式認可和承認 的”；現(xiàn)實( r e a l i t y ) 是“一種真實的事件、實體或事物狀態(tài)”。我們可以這樣理解：虛擬 現(xiàn)實就是一種事件或實體，它在影響上是真實的，但在事實上是不真實的。 二、課件設計研究 ( 一) 基于v r 的w e b 課件簡介及設計課件的理論基礎 1 、基于v r 的w e b 課件簡介 基于v r 的w e b 課件就是將虛擬現(xiàn)實技術作為一種新的媒體表現(xiàn)形式引入w e b 課 件中，設計并開發(fā)“多媒體+ v r + i n t e r n e t ”的新一代課件。 沉浸式虛擬現(xiàn)實要依賴于成本較高的頭盔式顯示器、艙型模擬器、投影v r 設備等 硬件設備來實現(xiàn)，況且w e b 課件是在網(wǎng)上發(fā)布，主要服務于遠程教學，它的學習對象 是遠程存在的、分散的、數(shù)量較多的學習者，就目前而言，不可能每個學習者都有能力 配備專用的沉浸式虛擬現(xiàn)實輸入輸出設備。并且，這些設備對人體健康和安全是否有影 響，還是一個尚待回答的問題。所以，w e b 謀件中的v r 部分常用桌面式v r 形式。利 用虛擬現(xiàn)實軟件建模、編程，輔之以簡單便宜的輸入輸出設備，便可以產(chǎn)生各種虛擬境 界。雖然這種境界不如沉浸式虛擬現(xiàn)實那樣有完全沉浸的感覺，但也可以呈現(xiàn)給學習者 一系列的仿真境界，并且可以通過編程控制使境界對學習者的操作產(chǎn)生交互的反應。將 其應用于課程中，能實現(xiàn)其它媒體形式所無法實現(xiàn)的最佳教學效果。目前常用的一些桌 面虛擬現(xiàn)實技術有： ( 1 ) 3 6 0 0 全景攝影技術。 ( 2 ) 用v r m l ( 虛擬現(xiàn)實建模語言) 建模。 ( 3 ) 桌面c a d 系統(tǒng)，即o p e n g l 、d i r e c t d r a w 等桌面三維圖形繪制技術。 相比較而言，v r m l 更具有實用性。目前，w e b3 d 協(xié)會下設數(shù)十個研究小組，分 別從不同方面致力于v r m l 的發(fā)展研究與完善工作。v r m l 文件是一種簡單的a s c i i 文本文件，其編輯工具可以是任意種文本編輯器。并且不需要任何編譯，直接由瀏覽 器插件解釋執(zhí)行。隨著用于創(chuàng)建v r m l 模型的工具軟件的出現(xiàn)，除了交互性行為需編 。張?zhí)锟笨茖W的沼澤【m 】北京：民主與建設出版社，1 9 9 8 ：4 8 。恩斯特- 卡西爾入論i m 】甘陽譯上海r 上海譯文出版社，1 9 8 5 ：3 5 7 程控制，創(chuàng)建比較大的和精細的三維模型可以避免文本編輯器編寫語句時繁重的工作 量。 除了具有一般虛擬現(xiàn)實建模語言的特性( 如創(chuàng)建的場景具有沉浸性、交互性和多感 知性) 外，v r m l 還具有易傳輸性、實時性、組合性、可伸縮性等強大的網(wǎng)絡功能。 從遠程教學的角度講，基于v r 技術的w e b 課件具有以下的特點和優(yōu)勢： ( 1 ) 實效性設計制作好的基于桌面v r 技術的w e b 課件一旦發(fā)布到學校嗣站或教 師個人主頁上，就可以實時地被所有學生所接收，這種時效性是不受時間和空間的限制 的。除了加速新知識的傳播，網(wǎng)絡的實效性也增加了教學課件發(fā)布的靈活性。課件可邊 制作邊發(fā)布，邊發(fā)布邊修改，并可以進行動態(tài)的更新。 ( 2 ) 全球性與共享性任何學生不管身在何處，只需通過i n t e r n e t 便可以瀏覽w e b 課件，并可瀏覽到來自不同國家的科學教育w e b 課件或其它相關作品?？蓪崿F(xiàn)虛擬圖書 館、虛擬實驗室、虛擬課堂等，為學生提供多層次、全方位的學習資源。 ( 3 ) 交互性基于v r 的w e b 課件除了其自身技術特點( v r 技術和超媒體等) 所具 有的交互性外，如果再輔以e - r e a l l 、b b s 、f t p 等方式，則為師生在網(wǎng)上進行信息交互 提供了各種可能，而師生之間的這種近乎實時的交互作用是達到良好的教學效果所必不 可少的。 ( 4 ) 個別化因為網(wǎng)絡可以實現(xiàn)學習資源的最大配置，基于w e b 的個別化學習比 通常計算機輔助學習具有更大的靈活性和可選擇性。 2 、v r 技術環(huán)境下設計課件的理論基礎 ( 1 ) 分布式認知( d i s t r i b u t e dc o g n i l i o n ) 及其對課件設計的啟示 隨著電視、電話、計算機、網(wǎng)絡等電子科技的迅猛發(fā)展，人類的許多認知活動( 如 計算機支持的協(xié)同工作、遠程教育等) 越來越依賴于這些認知工具，依賴臨場和情境。 認知分布的思想，也逐漸被人們所認識和重視。2 0 世紀8 0 年代中期，h u t c h i n s 等人明 確提出了分布式認知的概念，認為它是重新思考所有領域的認知想象的一種新的基本范 式。 分布式認知是指“認知分布于個體內、個體間、媒介、環(huán)境、文化、社會和時間等 之中”。作為一種認知活動，它也“是對內部和外部表征的信息加工過程” 。 從系統(tǒng)理論的視角看，分布式認知具有以下特征： 認知分布于人和設置( d e v i c e s ) 之中的學習環(huán)境作為個系統(tǒng)，其復雜性主要不 是源于系統(tǒng)所擁有的要素的數(shù)量，而是源于這些因素互動的潛力。因為生產(chǎn)性的動態(tài)系 統(tǒng)是自組織的，所以，系統(tǒng)變化數(shù)量，或者不確定性，會隨著時間的推移逐漸減少，直 。c o l em ，e n g e s t r o myac u l t u r a l - h i s t o r