具身认知视域下虚拟仿真实验的设计与开发

摘要

基于“互联网+教育”信息化时代的发展，虚拟仿真实验已成为一种有效的教学手段，被广泛应用到教育教学领域。为了更好地满足社会对教育教学的要求，设计和开发更适合学生的虚拟仿真实验，国内外学者将一些相关理论应用到虚拟仿真实验的设计中。具身认知理论强调人的认知来源于身体，认为人的认知是以环境中具体的身体构造和身体活动为基础的，是身体、环境和活动共同作用的结果。基于此，具身认知和虚拟仿真实验的深度融合能够有效调动学习者的积极主动性，增强学习者的沉浸感和学习动机，提高学习者的学习效果，进而推进教育教学的发展变革。 本研究期望在具身认知理论的指导下，依托虚拟仿真技术设计开发一款可视化、可操作、可理解、可交互的开放性虚拟仿真实验。该虚拟仿真实验能够通过多元化的学习内容、真实化的虚拟空间以及人性化的自然交互等为学生提供更好的学习资源和指导，大大提高学生的学习动机和意图；并能够利用多模态反馈帮助学生及时修改错误，调整实验步骤和过程，促进学生在自主探索学习过程中对相关知识的深度理解和掌握。 本研究主要采用文献分析法、系统科学法、设计研究法、问卷调查法等具体研究方法，在具身认知理论的指导下，利用Unity3D、3Dmax、VRTK等开发工具，进行具身认知视域下虚拟仿真实验的设计与开发。下面从三方面重点论述研究工作的展开和获得的研究成果。 （1）基本理论研究。本研究通过查阅分析国内外相关具身认知领域和虚拟仿真实验领域的文献资料，对具身认知理论的概念、涵义、应用等进行了深入分析，并对相似学理论、探究性学习理论进行了系统阐述，为具身认知视域下虚拟仿真实验的设计与开发提供了理论基础。 （2）具身认知视域下虚拟仿真实验的模型构建研究。本研究通过梳理以往研究中的具身认知教学模型和经典虚拟实验模型，借鉴其模型的设计思想和构建原则，从研究目标出发，构建出具身认知视域下虚拟仿真实验的教学模型和功能结构模型，并详细分析了模型中各结构要素的实现方法及其相互联系。 （3）具身认知视域下虚拟仿真实验实例设计与开发研究。本研究选择初中物理欧姆定律的知识作为虚拟仿真实验的学习内容，并依据相关知识点设计理论学习和实验探索等模块，深度融合相关理论知识和实践技能，以帮助学生更好地学习。为实现虚拟仿真实验的整体效果，本研究基于所构建的功能结构模型进行虚拟仿真实验实例的详细开发，以Unity3D为开发环境，以虚拟仿真技术为依托，结合SteamVR、VRTK、3Dmax等工具，完成具体的虚拟仿真实验实例开发；并对虚拟仿真实验的应用效果进行实验验证，实现了本研究最初的设想。 本研究创造性地将具身认知和虚拟仿真实验进行融合，在虚拟仿真实验中实现了学生身临其境地感知和体验，大大增强了学生的学习动机和意图，提高了学生的学习效果。但由于研究时间和技术能力的限制，使得研究仍存在许多不足，未来的研究工作将继续深入探讨具身认知和虚拟仿真实验的契合点，构建更为详细和全面的设计模型，以设计开发更为优秀的虚拟仿真实验。

目录

声明

第一章 绪论

1.1研究背景

1.2国内外相关研究现状及问题的提出

1.3 研究目标和内容

1.4研究思路和方法

1.5研究意义

第二章 相关概念及理论基础

2.1 概念界定

2.2 理论基础

第三章 具身认知视域下虚拟仿真实验的功能结构模型构建

3.1具身认知视域下虚拟仿真实验设计的必要性和可行性分析

3.2具身认知视域下虚拟仿真实验的教学模型设计

3.3具身认知视域下虚拟仿真实验的功能结构模型设计

3.4虚拟仿真实验功能结构模型的核心要素实现技术选择

第四章 具身认知视域下虚拟仿真实验的实例设计

4.1具身认知视域下虚拟仿真实验的功能性需求分析

4.2具身认知视域下初中物理欧姆定律虚拟仿真实验的教学设计

4.3具身认知视域下虚拟仿真实验的核心要素设计

4.4具身认知视域下虚拟仿真实验过程设计

第五章 具身认知视域下虚拟仿真实验的实例开发

5.1具身认知视域下虚拟仿真实验的开发工具选择

5.2具身认知视域下虚拟仿真实验的整体实现

5.3具身认知视域下虚拟仿真实验实例的应用效果研究

第六章 总结与展望

6.1研究总结

6.2研究不足

6.3研究展望

注释

参考文献

附录1 实验数据库

附录2 具身认知视域下虚拟仿真实验的调查问卷

攻读硕士期间发表的学术论文

致谢