面向探究式学习的Web3D虚拟实验交互设计研究
发布时间：2021-09-28 23:31
虚拟实验与真实实验相比,有其独特的优势,伴随着教育信息化的飞速发展,各种各样的虚拟实验不断地被设计、开发并应用于教育教学中。然而,前期调研分析发现,目前被广泛使用的虚拟实验仍存在仿真度不高、趣味性差、交互方式单一以及技术开发方向与教育应用需求不匹配等问题。另一方面,从各国官方发布的科学教育标准和指导框架等报告中可以发现,让学生开展探究式学习已成为世界各国科学教育的主旋律。为了更好地发挥虚拟实验在科学教育中的优势,本研究从交互设计的视角出发,将探究式学习理念和Web3D技术融入虚拟实验的设计与开发,以改善用户体验并提升其教学应用效果。在整理和分析已有的相关文献和理论基础的基础上,本研究首先提出面向探究式学习的Web3D虚拟实验交互设计框架,然后以我国初中科学教材中“盐的溶解”实验为例进行交互设计和技术开发实践,最后设计并实施了教学应用和探究性学习活动,并对参与对象发放用户体验问卷来验证面向探究式学习的Web3D虚拟实验交互设计的应用效果。在交互设计框架建立阶段,首先提出了虚拟实验交互设计的四大原则:紧贴中学课程内容、面向探究式学习、良好的用户体验以及量体裁衣式的反馈机制。其次定义了规范化...
【文章来源】：杭州师范大学浙江省
【文章页数】：95 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
探究式学习的五个特征及其关系
杭州师范大学硕士学位论文相关概念及理论基础11本研究的进行的交互设计基于WIMP交互范式，这是因为虚拟实验的主要应用场景为学校，非WIMP技术由于需要购买昂贵的设备，学校往往难以负担，因此在学校已有的WIMP设备中进行交互设计更有利于产品的普及。以下笔者列出了国内和国外使用范围最广、访问量最大的两个虚拟实验平台——PhET和NOBOOK，通过对两个平台下虚拟实验的比较分析，笔者发现不同虚拟实验平台下的虚拟实验往往具有统一的设计风格和偏好，对这些风格和偏好也进行了归纳和总结。1.PhETPhET是由科罗拉多大学的团队专项运营的免费数学和科学虚拟实验平台。创立于2003年，这一平台基于广泛的教育研究，旨在激励学生在直观的、游戏化的环境中进行探索和发现。该平台中的一部分实验基于HTML5开发，可跨平台运行；少部分实验使用Java开发，只能在桌面终端运行。该平台中的虚拟实验的呈现形式为二维图形，设计往往更注重用户对于事物原理的理解，而不注重精准模拟现实中的实验室环境。以其中的物理虚拟实验“质量与弹簧”为例，如图2-2所示，设计人员仅使用米色背景来代替实验室的环境，防止虚拟实验室的图形界面分散学生的视觉注意；而对于弹簧弹性系数的控制，设计人员使用滑动组件来进行调节，而不是让用户更换弹簧，这种设计充分发挥了虚拟实验的一个优势，即简化那些与实验要给用户呈现的知识点关系不大的信息，从而减轻认知负荷①。图2-2PhET物理虚拟实验“质量与弹簧”界面截图①李慧迎,祁玉娟.体验式虚拟实验的设计及实效性分析[J].中国教育信息化，2013(18)：80-83.
杭州师范大学硕士学位论文相关概念及理论基础13图2-3NOBOOK虚拟实验“氢气在空气中燃烧”界面截图NOBOOK实验采用了二维的呈现方式，其所有虚拟实验基于网页开发，可以跨平台运行（包括电子白板、桌面电脑等终端，以及windows、iOS、Android等操作系统）。与PhET截然不同的地方在于，NOBOOK高度仿真地模拟、还原了实验中所有涉及到的仪器和环节，例如，“氢气在空气中燃烧”预置实验中（如图2-3所示），用户需要自己将提供的仪器摆放至合适的位置和朝向，使用鼠标控制火柴点燃，然后点燃氢气。NOBOOK中的预置实验都有视频演示，然后用户照着视频进行实验仪器的调整。在直观感受上，笔者认为相比PhET，NOBOOK更像是提供一个工具，帮助老师和学生在没有做真实实验的条件下对真实实验进行更纯粹的仿真。总的来说，PhET平台有更好的虚拟实验交互设计理念，但NOBOOK平台具有更美观的界面（依然为二维界面），专门根据中国中学科学的课程标准设计的内容，更快速的网站响应速度。因此，在进行本研究交互设计时，要充分吸收二者的优势，以为学习者提供更好的学习体验。三、、基于Web3D技技术的虚拟实验研究现状Web3D技术即运行于浏览器的3D图形环境，在本章的第四节将对该技术进行较为详细的介绍，总体而言，相比传统3D环境，Web3D具有无需安装、兼容性高的特点。随着WebGL（WebGraphicsLibrary）协议的不断完善，在网页中渲染3D图形变得简单而快捷(郑华等,2015)，因此，针对研究背景部分所述的技术发展与教育应用存在的不匹配现象，Web3D是一个潜在的较好解决方案。早在2007年，已有学者指出Web3D技术可用于正式与非正式学习、远程与电化学习、职业
本文编号：3412745
【文章来源】：杭州师范大学浙江省
【文章页数】：95 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
探究式学习的五个特征及其关系
杭州师范大学硕士学位论文相关概念及理论基础11本研究的进行的交互设计基于WIMP交互范式，这是因为虚拟实验的主要应用场景为学校，非WIMP技术由于需要购买昂贵的设备，学校往往难以负担，因此在学校已有的WIMP设备中进行交互设计更有利于产品的普及。以下笔者列出了国内和国外使用范围最广、访问量最大的两个虚拟实验平台——PhET和NOBOOK，通过对两个平台下虚拟实验的比较分析，笔者发现不同虚拟实验平台下的虚拟实验往往具有统一的设计风格和偏好，对这些风格和偏好也进行了归纳和总结。1.PhETPhET是由科罗拉多大学的团队专项运营的免费数学和科学虚拟实验平台。创立于2003年，这一平台基于广泛的教育研究，旨在激励学生在直观的、游戏化的环境中进行探索和发现。该平台中的一部分实验基于HTML5开发，可跨平台运行；少部分实验使用Java开发，只能在桌面终端运行。该平台中的虚拟实验的呈现形式为二维图形，设计往往更注重用户对于事物原理的理解，而不注重精准模拟现实中的实验室环境。以其中的物理虚拟实验“质量与弹簧”为例，如图2-2所示，设计人员仅使用米色背景来代替实验室的环境，防止虚拟实验室的图形界面分散学生的视觉注意；而对于弹簧弹性系数的控制，设计人员使用滑动组件来进行调节，而不是让用户更换弹簧，这种设计充分发挥了虚拟实验的一个优势，即简化那些与实验要给用户呈现的知识点关系不大的信息，从而减轻认知负荷①。图2-2PhET物理虚拟实验“质量与弹簧”界面截图①李慧迎,祁玉娟.体验式虚拟实验的设计及实效性分析[J].中国教育信息化，2013(18)：80-83.
杭州师范大学硕士学位论文相关概念及理论基础13图2-3NOBOOK虚拟实验“氢气在空气中燃烧”界面截图NOBOOK实验采用了二维的呈现方式，其所有虚拟实验基于网页开发，可以跨平台运行（包括电子白板、桌面电脑等终端，以及windows、iOS、Android等操作系统）。与PhET截然不同的地方在于，NOBOOK高度仿真地模拟、还原了实验中所有涉及到的仪器和环节，例如，“氢气在空气中燃烧”预置实验中（如图2-3所示），用户需要自己将提供的仪器摆放至合适的位置和朝向，使用鼠标控制火柴点燃，然后点燃氢气。NOBOOK中的预置实验都有视频演示，然后用户照着视频进行实验仪器的调整。在直观感受上，笔者认为相比PhET，NOBOOK更像是提供一个工具，帮助老师和学生在没有做真实实验的条件下对真实实验进行更纯粹的仿真。总的来说，PhET平台有更好的虚拟实验交互设计理念，但NOBOOK平台具有更美观的界面（依然为二维界面），专门根据中国中学科学的课程标准设计的内容，更快速的网站响应速度。因此，在进行本研究交互设计时，要充分吸收二者的优势，以为学习者提供更好的学习体验。三、、基于Web3D技技术的虚拟实验研究现状Web3D技术即运行于浏览器的3D图形环境，在本章的第四节将对该技术进行较为详细的介绍，总体而言，相比传统3D环境，Web3D具有无需安装、兼容性高的特点。随着WebGL（WebGraphicsLibrary）协议的不断完善，在网页中渲染3D图形变得简单而快捷(郑华等,2015)，因此，针对研究背景部分所述的技术发展与教育应用存在的不匹配现象，Web3D是一个潜在的较好解决方案。早在2007年，已有学者指出Web3D技术可用于正式与非正式学习、远程与电化学习、职业
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