虚拟现实技术对中学化学教学的影响及应用
开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇虚拟现实技术对中学化学教学的影响及应用范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！
摘要:虚拟现实技术为计算机辅助教育带来了生气和活力,促进了教学观念、教学内容、教学手段的改变,对化学教学产生了深刻的影响。应用分为四种类型:概念学习、技能训练、协作学习和科学探究。
关键词:虚拟现实技术?摇刺激-反应联结
虚拟现实技术(Virtual Reality,简称VR)是指利用计算机生成一种模拟环境,并通过多种专用设备使用户“投入”到该环境中,实现用户与该环境直接进行自然交互的技术;VR技术可以让用户使用人的自然技能对虚拟世界中的物体进行考察或操作,同时提供视、听、摸等多种直观而又自然的实时感知 [1]。虚拟现实技术能将三维空间的意念清楚的表示出来,并产生各种感观的刺激信息;同时,它使学习者能直接、自然地与虚拟环境中的各种对象进行交互作用,以多种形式参与到事件的发展变化过程中去,从而获得最大的控制和操作整个环境的自由度。这种呈现多维度信息的虚拟学习环境,将为参与者以最直观、最有效的方式掌握新知识、新技能提供前所未有的新途径。
使用虚拟现实技术可以让信息的表现形式丰富多彩,实现了用可视、可听的信息来代替只能阅读的信息,用简洁形象的三维信息来代替抽象冗长的文字信息,用生动的动画形式来表现难以理解的文字叙述,为计算机辅助教育带来了生气和活力,促进了教学观念、教学内容、教学手段的改变 [2]。
1.教学观念的变化
传统的教学观念主要是“传道、授业、解惑”,教师是教学的中心,教师决定教学内容、结构、教学方法及教学进度,这种教学方法是以教为主,学生始终处于被动的学习环境中。现代化的教学方法要求改变传统的课堂讲授式为启发引导式,追求教与学的合作化,以讲授引导思维,以教导激发感情,并赋予学生学习的主动性。虚拟现实教学有利于创造这样的环境,以教师为中心的授课形式将会被改变,以学生为中心的个别化教学、合作化教学和环境中自我探究得以真正实现。虚拟现实正是在现代教育思想指导下,使用新技术改进教学方法的尝试。虚拟现实技术引入教学,从多媒体虚拟现实系统的组织形式看,虚拟现实是非线性的网络结构,逼真的虚拟环境可提供良好的人机交互功能,在这个基础上教学将特别强调由学生主动参与来构建知识结构,变学生的“被动听讲”为“主动学习”,由“要我学”转变为“我要学”,这将极大地促进教学观念发生变化。
2.教学内容的变化
教学内容是教学过程中传递的教学信息,是学生获取知识、掌握技术、发展能力的主要源泉。虚拟现实技术的引入使教学内容无论是外在形式还是内在结构都产生了很大的变化。
随着教育技术的发展,教学内容的外在形式从原来的录音、录像转变为使用具有人机交互的计算机。对于抽象的、概括的概念、原理,除了用文字和语音协同描述外,还可以用三维实景虚拟现实过程;对于看不见的变化、无法触摸的物体或有危险的场所,甚至自然界或现实生活中不可能存在的事件,也可以通过虚拟现实技术去展现。借助于计算机技术的强大功能,教学内容可以用最有效的方式来表现 [3]。
教学内容的内在结构就是学科知识结构设计,知识结构是学科知识间的逻辑关系,是学科内含智力因素的信息源。传统的化学教材及实验指导材料都是以线性结构来组织知识结构的,知识内容的结构及顺序都是以教为主,教学顺序性很强,学生只能在教师的讲授下获得正确的概念、原理及逻辑关系。这种形式的学习,学生对教师的依赖性很大,教材也只是一种教授材料,学生利用它学习的自由度不大,灵活性不强,难以促使学生从已建立的知识结构向新知识结构迁移。
使用虚拟现实技术后,多种媒体的信息结合为一体,就可以接近人类认知特点的方式去组织和展示教学内容、构建知识结构,这种网状的信息组织方式是一种非线性结构,虚拟现实技术是多媒体信息处理的高度集成,可以将信息的组织形式与信息内容呈现的多样性、复杂性有效结合起来,为学生提供了一种动态、开放的结构化认知形式。既包括了学科的基本内容,又包括了学科内容之间的逻辑关系,既注重知识的形成过程,又注重知识的结构,凭借视觉、听觉、触觉信息的协调作用使教学内容的统一与灵活性得到了完善的结合,更有利于学生进行扩散思维,联想原有的知识,获得新知识。
3.教学手段的变化
教学手段是教学过程重要的组成部分之一,它是实现教学目的和教学任务的有效保证。虚拟现实技术可以促使教学手段向科学化、高效益方向发展。
虚拟现实技术能提供直观的、形象的多重感官刺激的视听觉材料,以一种直接的信息传递方式,通过身临其境的、自主控制的人机交互,由视觉、听觉、触觉获取“外界”的反应,提供生动活泼的直观形象思维材料、展现学生不能直接观察到的事物,从而形成新的知识点[ 4]。与传统媒体相比,虚拟现实技术更有利于训练学生的分析总结能力,构建多学科交叉的知识网络,有利于学生知识的获取和增长,培养有创新意识的综合型人才。
二、虚拟现实技术在化学教学中的具体应用分类
虚拟现实技术在化学教学中可以让学生进入问题存在的环境,有针对性地建构虚拟情境,引导学生进行探究。虚拟现实以一种接近人类认知特点的网络化结构形式,用各种媒体信息包含知识点,由各知识点之间的逻辑链接关系构成了教学内容的知识结构,提供发现式的学习思维轨迹。虚拟现实可以让学生通过分析、综合、比较、归纳、推理等高级思维技能围绕假设进行论证,接近或掌握真理,形成发现式的学习风格和策略,培养高层次的思维技能,这也是素质教育的重要内容之一。
虚拟现实学习系统主要包括五个要素:专家、真实世界、认知模型、虚拟世界和学习者 [5]。根据这五个要素的相互关系可以将虚拟现实在化学教学中的具体应用分为四种类型:概念学习、技能训练、协作学习和科学探究。
1.概念学习
专家在真实世界对化学概念进行研究,通过科学的方法建立相应的认知模型,通过计算机技术建立各种感知模型来创设虚拟环境,把教学中的抽象概念、原理以形象生动的方式表现出来,通过虚拟环境的反馈来调整自己的认知模型,并重新调整虚拟环境,直到与真实世界相符。学生在虚拟世界建立刺激-反应联结,获得感知,建立关于抽象化学概念的智力模型。
2.实验技能训练
专家首先创设和真实实验相符的虚拟环境。学生在虚拟化学实验室里反复观看演示实验或进行模拟操作,获得的操作经验和操作技能正向迁移到真实实验。2005年8月,清华附中网校推出了网上虚拟实验室,包含了教材中部分典型实验内容,其学习步骤分为“实验演示”、“动手实验”、“实验探索”三部分。学生在网页中选择实验课程后,就可以进入虚拟实验室学习。
3.协作学习
和概念学习类似,专家首先创设和真实环境相符的虚拟环境。学生一方面可以单独操作虚拟环境来进行知识学习,另一方面还可以通过虚拟环境与其他的介入者进行交流或协作,并从真实世界获得知识,共同完成知识的建构。
在传统的化学教学中,交流只限于师生之间,学生与学生之间缺乏协作,而虚拟现实教学不受空间位置和相互距离的限制,可让远距离的师生或位置分散的学生共同“存在”于一个虚拟空间中,通过共同参与,且必须具备协同操作能力才能完成某些项目的设计或训练。这种教学手段与传统的课堂教学中师生之间的交流仅局限于固定时间、固定空间的结构中有很大的差别,不但师生之间可有效交流,而且学生之间能实现协作,有利于培养学生的协作能力。
4.科学探究
专家首先创设和真实环境相符的虚拟环境。学习者可以单独或者和其他介入者进行合作来操作虚拟环境中的对象,进行探索研究,以专家设计的认知模型系统为基础探索建构个体的认知模型,再通过虚拟环境和真实世界进行检验和调整。
任何一种新技术、新媒体的出现,都会引起教育上的革命。虚拟现实技术促进了教学观念、教学内容、教学手段的改变,对优化教学过程、培养具有创新意识和创新能力的人才产生深远的影响。在化学教学中合理应用虚拟现实技术,一定会产生质和量的飞跃。
参考文献
[1]申蔚,夏立文.虚拟现实技术.北京:希望电子出版社,2002.
[2]赵士滨.虚拟现实技术进入高校教学的研究与实现.电化教育研究,2001(2).
[3]单美贤,李艺.虚拟实验原理与教学应用.北京:教育科学出版社,2004.
[4]宋达.虚拟现实技术在教育领域中的应用与设计.东北师范大学,2005.
[5]王凡.虚拟现实在计算机辅助教学领域的应用研究.哈尔滨工程大学,2001.
作者单位:
江苏运河高等师范学校