论文题目：基于IVR的可视化表征促进初中物理概念建构的实证研究 ——以浮力为例
摘要：沉浸式虚拟现实技术（Immersive Virtual Reality,IVR）可将大量抽象的、不可见的物理量,以可视化表征的模式直观地呈现在受众的视野中,给学习者带来直接的感觉和丰富的体验。初中物理浮力概念因其抽象特征,一直以来都是科学教学中的难点。浮力概念的相关知识点具有较强的内在逻辑关联,具有抽象性和逻辑性;学生则因受到前概念的影响,在潜意识中对浮力和物体大小、轻重、所处深度位置等内在关系的认知存在偏差,加之缺乏运用科学实验引导,导致学生无法直观地理解浮力概念的本质内涵。鉴此,本研究基于概念建构学习、概念转变等理论,利用IVR技术设计开发了沉浸式浮力虚拟实验系统并应用于教学实践,验证沉浸式浮力虚拟实验系统是否能够有效促进学生对浮力概念的理解。首先,笔者在大量阅读国内外相关参考文献的基础上,探讨了IVR在教育领域应用和物理概念建构的研究现状,研究表明IVR技术对于促进抽象概念的建构有一定优势,但实证研究相对较少;其次,通过浮力前概念测试问卷确定当前存在的浮力错误前概念,以浮力概念的建构过程为基础,结合VR技术的可视化表征优势,完成沉浸式浮力虚拟实验系统的设计和开发;最后,以诸暨市某初中学生作为研究对象,应用准实验研究法,对学生进行学习成绩问卷和心流体验问卷测试,实验结束后对任课教师和实验班学生进行访谈,旨在探究采用IVR虚拟实验系统的教学干预对初中物理概念建构的影响。数据整理和分析的结果表明:IVR的可视化表征可促进浮力概念的正确建构,改善教学效果,并向高阶思维迁移;可提升学习者的心流体验;可提高教与学的效率。本研究的结论,可为未来“VR+教育”的应用提供新的实践路径和思维启迪,亦可为沉浸式虚拟现实技术与课堂教学的深度融合,提供一种先导性的实践样例。
关键词：沉浸式VR;可视化表征;浮力概念;建构主义
学科专业：教育技术学
浙江师范大学硕士学位论文答辩委员会决议书
摘要
ABSTRACT
1 绪论
1.1 研究背景
1.1.1 教育信息化推动产生新型教学方法
1.1.2 虚拟现实技术赋予教育新动能
1.2 研究意义
1.2.1 理论意义
1.2.2 实践意义
1.3 研究问题
1.4 相关概念界定
1.4.1 沉浸式VR
1.4.2 可视化表征
1.4.3 概念建构
1.4.4 浮力
1.5 研究内容和方法
1.5.1 研究内容
1.5.2 研究方法
1.5.3 研究思路
2 研究综述与理论基础
2.1 沉浸式VR在教育领域应用的研究现状
2.2 物理概念建构的研究现状
2.3 IVR技术在抽象物理概念教学中应用的可行性分析
2.3.1 IVR更有利于认知情境的创设
2.3.2 IVR的沉浸性更有利于提高专注度
2.3.3 IVR对知识的新型表征更有利于概念建构
2.4 理论基础
2.4.1 建构主义学习理论
2.4.2 概念转变理论
2.4.3 具身认知理论
3 浮力虚拟实验系统的开发与实现
3.1 需求分析
3.2 三维实验场景的建模
3.2.1 建模工具的选择
3.2.2 对象建模与场景设计
3.3 交互设定和实现效果
3.3.1 开发平台的选择
3.3.2 交互设定主要关键技术
3.3.3 实现效果
3.4 系统测试
4 实验研究设计
4.1 实验目的与实验假设
4.2 实验对象和实验环境
4.3 研究工具
4.3.1 浮力前概念测试问卷
4.3.2 浮力虚拟实验系统
4.3.3 学习成绩测验问卷
4.3.4 心流体验量表
4.3.5 教师访谈提纲
4.3.6 学生访谈提纲
4.4 实验方案设计
4.5 实验流程设计
4.5.1 实验实施过程
4.5.2 浮力概念的建构过程
5 数据收集与分析处理
5.1 数据收集
5.2 学习成绩问卷调查结果与分析
5.2.1 学习成绩的前测问卷分析
5.2.2 学习成绩后测问卷分析
5.2.3 总结与讨论
5.3 心流体验分析
5.4 教师对VR技术运用于课堂教学的感受
5.4.1 访谈记录的分类和整理
5.4.2 每道问题访谈内容的编码
5.4.3 访谈内容编码分析
5.5 学生对VR技术辅助课堂学习的接受度
6 结论与展望
6.1 研究结论
6.2 研究创新点与不足
6.3 前景展望
参考文献
附录1 浮力的概念(前测)
附录2 浮力的概念(后测)
附录3 心流体验问卷
附录4 虚拟实验系统操作指导语
致谢