关键词:
虚拟现实技术
牛顿环
3D虚拟仿真实验环境
学习动机
实验能力
交互体验
摘要:
虚拟现实(Virtual Reality,简称VR)是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统,它利用计算机生成一种模拟环境,使用户沉浸到该环境中,是当下最受关注的技术之一。目前在物理学领域,教育研究者发现在物理教学中,普遍出现学生难以掌握抽象概念、实验受时间空间限制、实验仪器昂贵等问题,而VR作为人机交互的第三代产物,具有高仿真性和高沉浸感等优势,这与解决物理教学中的难点需求不谋而合,随着人工智能技术的发展,研究人员将注意力转向利用虚拟现实技术搭建智能虚拟物理实验室,以此来帮助学生更好地掌握物理知识和物理实验操作。
本研究聚焦大学物理实验课程问题现状,从搭建3D虚拟仿真实验环境的角度出发,以牛顿环实验为例,通过文献综述和对学生的问卷分析,在整理归纳大学物理牛顿环实验存在的普遍问题的基础上,设计并搭建相应的3D虚拟牛顿环仿真实验环境,并进行该环境对学生学习动机有较为显著影响效果的影响因素研究。针对这一核心问题,本研究采用实证研究法,先总结出3D虚拟仿真环境的优点和不足,归纳总结出可能会对学生学习动机产生影响的影响因素,然后根据3I理论,聚焦交互体验的影响效果,设计相应的问卷量表,以便进行数据分析,从而验证交互体验中的哪些因素会对学生的学习动机产生较为显著的影响效果。为研究具体的影响因素,本研究采用准实验研究法,采用线下教学模式,实验环境为兰州交通大学的牛顿环实验室,参与者为兰州交通大学应用物理学的100位大一学生。在实验前期我们对学生的牛顿环知识基础和对VR的态度进行测评,以保证所有学生的知识基础和对VR的态度基本一致,然后将学生随机分为两组,实验组在3D虚拟仿真实验环境中进行教学,对照组则在传统实验环境中进行教学。然后利用问卷调查法对两组学生的人机交互体验、学习动机和实验能力进行测试,通过描述性分析、独立样本t检验以及多元线性回归模型进行数据分析,以明确3D虚拟仿真实验环境在人机交互影响因素对学生学习动机有什么显著的影响效果。最后通过访谈调查得到学生对3D虚拟仿真实验环境的评价和建议。
最终研究结果表明,首先,本研究搭建的3D虚拟仿真实验环境的人机交互体验与学生的学习动机呈正相关,人机交互体验的得分越高,学生的学习动机越强。同时,通过对人机交互体验的得分分析,可以看出,影响效果较为显著的两个因素分别是学生能否在一个环境中进行多项实验操作和是否需要学习额外学习知识。其中,学生能否在一个环境中进行多项实验操作是积极影响因素,二者呈正相关,而学生使用实验环境是否需要学习额外学习知识则是消极影响因素,二者呈负相关,这说明学生在使用实验环境时,能在其中实现的实验操作越多、要学习的额外知识越少,学生的实验能力越高,学习动机也越强。