科学教育虚拟实验环境设计外文翻译资料

本科毕业设计（论文）

外文翻译

科学教育虚拟实验环境设计

作者：Young-Suk Shin

国籍：韩国

出处：International Journal of Distance Education Technologies

摘要：据报道，虚拟现实技术将虚拟现实（VR）用作教育工具，可以鼓励学生通过探索以及与虚拟环境中的信息进行互动来学习，从而提高学生的兴趣、理解和创造性学习。本文介绍了使用虚拟现实模拟进行科学教育的虚拟实验（VE）环境。我们通过对学习内容的等级分析，在Web上开发了与学习者等级兼容的VE环境。学生可以根据对学习主题的理解或兴趣程度，在学习周期模型的探索步骤中选择学习水平：常规、高级和补习课程。VE环境支持学生学习科学现象和概念，重点是中学科学领域中的地震波、地壳平衡、辐射平衡、海洋运动、太阳系和中学科学领域望远镜的控制。对VE环境的学习反应表明，VE环境可以作为中学生科学教育的一种有用方法。

1. 导言

在整个21世纪，科学教育将从强调通过讲课提供内容转变为让学生“以某种方式参与科学探究，而不仅仅是动手实践。”在科学教育中，探究一直很困难，比如学生显然无法参观太阳，因为这种现象是遥不可及的。然而，现代计算机在桌面虚拟现实和计算的能力建模方面为学习^[1][2]和教授^[3]天文学创造了一个新的机会。

虚拟现实被定义为高度互动的、基于计算机的多媒体环境，在这个环境中，用户成为计算机生成世界的参与者。虚拟现实的一个关键特点是实时交互，计算机能够检测用户输入，并根据用户交互即时修改虚拟世界。

虚拟现实意味着一个由计算机创建的完全沉浸式世界，但它可以扩展到半沉浸式和非沉浸式（桌面）虚拟现实。尽管非沉浸式VR系统具有缺点，但迄今为止，非沉浸式VR系统是目前最常见的，因为它不仅具有成本效益，而且可以在网络环境中使用。此外，它们还带来了额外的好处，原本既不容易理解也不容易在常规实验中测量的地球科学领域可以在虚拟实验环境中呈现，并且可以在虚拟世界中以许多不同的角度进行观察。本文介绍了基于网络的中学地球科学教育网络学习的VE环境，并讨论了在VE环境中学习的反应。

1. 通过互联网将VE环境引入科学教育

如今，越来越多的教育工作者放弃了以教学为主，以讲座为基础的教学模式，而转向以学习者为中心的模式，使学生参与到解决问题和探究中^[4]。最近，技术的进步使新型的学习体验成为可能，从以教科书、电影或广播等技术功能的传播模式转变为演播室或实验室等具有技术功能的环境，使学生们沉浸在挑战和扩展他们理解^[3][5]的互动环境中。文献^[6][7][8][9]中已经讨论过许多这类技术。

虚拟现实是一种在丰富的环境中十分具有学习潜力的有趣技术^{[1][9][10][11][12]}。

虚拟现实技术可能会在科学教育中带来巨大的好处。 它使学生能够做在物质世界中做不到的事情（例如，飞到不存在的地方。）这些技术使学生可以将基本的科学概念（例如地壳平衡，地震波等）制定为动态3D比例模型。

近年来，由于计算机系统的快速发展和互联网连接的广泛普及，远程学习近年来得到了推广。 理工科远程教育的主要限制之一是实验活动的难度。 解决这些困难的一种方法是使用在Web浏览器上运行的VE环境，而不需要动手实验。尤其是地球科学领域的许多物理现象，在通常的实验中既不容易感知也不容易测量，但它们可以在VE环境中呈现，并且可以在虚拟世界中以许多不同的视角进行观察。另外，在远程学习者的VE环境中可以实现危险、高成本和复杂的实验。因此，VE环境可用于克服物理、安全和成本方面的限制，这些限制了学校可以为实践学习的环境类型。

3. VE环境的设计

教学设计者应对学习者应具备的知识和功能有清晰的认识。 图1显示了描述VE环境设计的模型。

诊断测试

教学设计

探索

学习内容分析

概念介绍

概念应用

发展中

图1 VE环境的设计过程

首先，我们进行了诊断测试，以掌握学习者已经知道的知识水平。在选择题中给出了地球科学领域的学习主题后，学生们对问题进行了回答。在传统的教科书和课堂中，选择题测试是常用的，不需要详尽的解释。

其次，提供了一种向学生介绍新知识的教学设计。本研究中基本采用的教学模式与学习周期模式相似^[13]。学习周期模型是为了促进科学的基本概念和发展思想功能而引入的SCIS（科学课程改进研究）计划中的模型，它由相互关联的三个阶段——探索、概念引入和概念应用组成。

探索阶段是学习者采取行动并解决自己一直好奇的问题的阶段。 在此阶段，学习者可以在进行3D VE实验中准备实验设备和进行实验的交互的过程中获得实验数据。学习者在这个阶段一定程度上解决了他们的好奇心和知识冲突。 概念引入阶段是教师安排概念，包括学习者尚未解决的问题的阶段，是解决智力冲突的阶段。 概念应用阶段是确定已学知识的阶段，也是将其应用于自然或现实生活的不同情况的阶段。

第三，根据学习的难易程度将学习内容分为三个层次，并设计成层次结构。

通过教育部^[14]提供的中学科学探究级^[15]和概念级的分析方法，设计了以学习者为中心的学习结构中的学习内容。学习的主体还应置于层次结构中，以识别哪些概念优先于其他概念，并且可以构建概念金字塔。我们遵循了教育部的官方公告结果来分析层次结构。

在分析了对学习内容的查询水平和概念水平之后，可以将学习内容的水平构建为常规课程（RGL-C），高级课程（ADV-C）和补习课程（RMD-C）。特别地，考虑到使用虚拟现实的教育内容的选择，主要考虑了布鲁纳^[16]和实验属性的学习类型（主动表示，图标表示和符号表示）中的主动表示。 表1展示了一个学习内容的示例，并结合查询水平和概念水平下进行了分析。

表1 地球结构水平分析（高：H,平均：A,低：L）

最终，我们开发了 VE环境，在我们的主页上开放，包括中学生在内的任何人都可以在网上自由访问。

本研究使用VRT的Superscape 3D Wed主软件开发虚拟实验环境，这是一个多功能工具，可以创建、操纵、纹理化和动画化形状、分组和取消分组的对象，创建各种视角，从中可以查看VR世界和其它功能。 该软件是虚拟现实建模语言（VRML）编辑工具。VRML是VR的WWW标准，并且是一种类似于HTML的语言，它建立一个通用的标准，使VR易于在网上分发。 使用此软件创建的世界可以作为完全交互的环境显示在网络上上，也可以嵌入PC的2D HTML页面中。 由于文件小，它还具有能够使通信负载最小化的优点。现在简要介绍开发的VE环境。

图2 地震波的VE环境

地震波的VE环境

图2显示了地球内部的地震波（P波，Swave）的虚拟实验环境。学习者选择了波和速度值，然后他们可以在3D中探索选择的每个波浪的特征。 学习者可以了解横波、纵波的特征，并直观地进行模拟实验。

图3 地球地壳平衡的VE环境

地壳平衡的VE环境

图3是地壳平衡的虚拟实验环境。 这个VE环境旨在探索漂浮在地幔上的地壳。 学习者可以通过使用鼠标按钮拖动水箱中的选块来下降，并根据3D上块的规模和密度来观察水箱中块的长度。 这个VE环境设计了一个视觉符号，以漂浮在水箱中的木块作为浮在地幔上的地壳结构的具体比喻。

图4 VE环境的辐射平衡

辐射平衡的VE环境

图4是一个虚拟实验，它测量了远离光源的每个杯子的内部温度和平衡温度的变化。 当学习者使用鼠标将装有温度计的杯子移至特定位置并打开开关时，每个杯子的温度都会升高。当然，温度的升高会随着距离的变化而变化，分别将三个杯子的颜色变成不同的颜色，如果学习者将杯子放置相同的距离并以相同的能量加热它们，学习者也可以根据升温最大的那个杯子的颜色来查看辐射能量的吸收程度。

图5 海洋运动的VE环境 剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

本科毕业设计（论文）

外文翻译原文

Virtual Experiment Environments Design for Science Education

Young Suk Shin

Division of Electronics and information Communication Engineering, Chosun University

ysshin@mail.chosun.ac.kr

Abstract

Virtual reality technology is reported that the use of virtual reality (VR) as an educational tool can increase student interests, understanding and creative learning because of encouraging students to learn by exploring and interacting with the information on virtual environments. This paper presents the virtual experiment (VE) environments. for science education using virtual reality simulation. We developed the VE environments on the Web designed compatible to the learner levels through level analysis in the learning contents. The students can select the learning level in the exploring step of learning cycle model: regular, advanced and remedial courses according to the degree of their understanding or interest about the learning topic. The VE environments support students to learn scientific phenomena and concepts focusing on: the seismic wave, the earths crust balance, radiation balance, the movement of ocean, solar system and the control of telescope in the science field of middle school. The responses of learning on VE environments have demonstrated that the VE environments can be used as a useful methodology in science education for middle school students.

1. Introduction

Throughout the 21th century, the science education is to make a transition from an emphasis on delivering content through lectures to getting students “involved in some way in scientific inquiry, not just a hands-on experience.' In the science education, inquiry has always been difficult because the phenomena are so far out of reach - students obviously cannot visit the Sun. However, the power of the modern day computer to do desktop virtual reality and computational modeling has created a new opportunity for inquiry approaching to learning [1][2] and teaching astronomy [3].

VR is defined as a highly interactive, computer-based multimedia environment in which the user becomes the participant in a computer- generated world. A key feature of VR is real-time interactivity where the computer is able to detect user inputs and instantaneously modify the virtual world in; accordance with user interactions.

VR means an fully immersive worlds created by computers but it can be extended to semi-immersive and non-immersive(desktop) VR. In spite of the disadvantage of non-immersive VR system, the non-immersive VR systems are by far the most common in the present because it is not only cost effective but also can be used in the network environments. Furthermore, they give an additional benefit. The earth science field which is neither easy to perceive nor to measure in usual experiments can be presented on virtual experiment environments and can be viewed in many different perspectives in a virtual world. This paper presents the VE environments for the internet-based learning of earth science education in middle school and discusses the response of learning in the VE environments.

2. Bring VE environments into science education via the internet

Today there is an increasing number of educators abandoning predominantly didactic, lecture-based modes of instruction and moving towards more learner-centered models in which students are engaged in problem solving and inquiry [4]. Recently, technological advances make possible new types of learning experiences, moving from transmission models where technology functions like textbooks, films, or broadcasts to environments in which the technology functions like studios and laboratories in which students immerse themselves within interactive contexts that challenge and extend their understanding [3][5]. Many such technologies have been discussed in the literature [6][7][8][9].

One interesting technology that has much potential in which to ground learning in rich environments is virtual reality [1][9][10][11][12].

Virtual reality technology may offer strong benefits in science education. It enables students to do things that they cannot do in the physical world (ex. Fly and go to places that do not exist.) These technologies allow students to enact basic scientific concepts (e.g.，earths crust balance, seismic wave etc.) into dynamic, 3-D scale models.

Distance learning has been popularized in recent years because of the fast development of computer systems and the spreading Internet connectivity. One of the major restrictions for distance learning in science and engineering education is the difficulty of experiment activities. One way to overcome these difficulties is to use the VE environments running on a Web browser instead of requiring hands-on experiments. Especially many physical phenomena in the earth science field which are neither easy to perceive nor to measure in usual experiments can be presented in the VE environments and can be viewed in many different perspectives in the virtual world. In addition, dangerous, high cost, and complicated experiments can be realized in a VE environment for distance learners. The VE environments therefore can be used to overcome the physical, safety, and cost constraints that limit schools in the types of environments they can provide for learning-by-doing.

3. VE environments s design

The teaching designers should have the clear idea on the knowledge and function that learners should have. Fig. 1 shows a

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