元宇宙視域下參數化動態網頁課件對學生情景興趣的影響

閆銀娟,游明琳

(貴州師范大學 機械與電氣工程學院,貴陽 550001)

元宇宙(Metaverse)一詞最早來自1992年出版的科幻小說《雪崩》,該書描繪了一個超現實主義的數字空間,現實世界中的所有事物都可以數字化復制到這個空間中,作者尼爾·斯蒂芬森稱這個空間為元宇宙[1-2]。2021年,元宇宙的概念風靡全球,5G/6G、3D技術、人工智能(Artificial Intelligence,AI)、虛擬現實技術(Virtual Reality,VR)、增強現實技術(Augmented Reality,AR) 、擴展現實技術(Extended Reality, XR)的不斷突破,催化了元宇宙的火爆發展,使其經過多年沉寂后再次成為人們關注的焦點[3]。元宇宙技術為學習者提供一個智能化、虛擬化的在線學習環境,破除傳統在線教育教學時空分離的阻礙,再現教與學的時空融合,產生超越時空的新型“虛實共在”模式[4]。

隨著元宇宙虛擬融合技術的發展,元宇宙的應用范圍正在以各種方式擴大,包括教育、文化、營銷、娛樂、醫療和生產制造等[5-7]。特別是在教育行業,基于元宇宙的虛擬空間技術、增強現實技術可增強情景感和真實感,常被用來擴展情境化學習、提升學習沉浸感[8]。隨著元宇宙概念的深入,我國產業升級和經濟結構調整正在加速,知識和技能的更新速度在加快,學生獲取信息的能力也越來越強,傳統的課堂教學亟待改變,將元宇宙應用到課堂教學中亦是未來課堂發展的趨勢。Chen[9]將元宇宙和在線教育相結合,分析元宇宙在線教育教學面臨的問題與挑戰,并提出解決問題的方法與建議。Zhou[10]探索元宇宙視角下智慧教育生態圈,通過AHP驗證該模式的應用效果,為未來教育的新應用提供理論依據和借鑒。郭亞軍等[11]探索元宇宙視域下虛擬社區用戶信息的需求,并對元宇宙虛擬社區的建設與發展提出對策。Lee等[12]將VR制作和元宇宙技術相結合,實現教育的可持續性,增強學生學習的適應性,使得教師和學生相互受益。Beck等[13]以元宇宙賦能、多場景融合的混合教學模式為課堂教學改革提供新的視角。

在元宇宙的視角下,參數化動態網頁課件可以通過使用虛擬現實技術、交互式動畫和虛擬實驗等方式,為師生提供一個具有豐富視覺效果和互動性的學習環境,增強學生的學習興趣,讓學習者能夠更加生動直觀地理解學習內容。同時,參數化動態網頁課件可以根據學習者的需求和反饋,自動調整學習內容和學習難度,以達到最佳的學習效果。

1 元宇宙視域下凸輪網頁課件的教學設計

元宇宙視域下,機械凸輪課程參數化動態網頁課件的教學設計需要充分利用元宇宙的特點和優勢,創新授課方式和教學模式,努力提高學生的學習興趣。

1.1 虛擬場景的設計

虛擬場景的設計可以更好地幫助學生對凸輪機構進行學習。例如,在虛擬場景中,可以模擬不同凸輪的形狀、大小和轉速等,讓學生更加直觀地了解凸輪的工作原理和運動軌跡。

1.2 參數化設計

采用參數化設計的方式,通過定義不同凸輪的參數,例如凸輪的半徑、曲率和轉速等,方便修改和更新課件的內容。同時,教師可以根據不同的教學需求和學生的反饋進行相應的調整和改進。

1.3 交互式教學

凸輪機構交互式教學采用VR技術實現。該技術可以為學生提供逼真的學習體驗,讓他們在虛擬環境中進行實踐操作和交互學習。在這個虛擬環境中,學生可以觀察和操作凸輪機構,了解其原理和功能,并進行模擬實驗來加深理解。

1.4 數據可視化

利用元宇宙技術提供的數據可視化工具,展示凸輪在不同參數下的運動軌跡,讓學生更加直觀地了解凸輪的工作原理和性能特點。

1.5 社交化教學

利用元宇宙提供的社交化教學環境,讓學生通過交流和協作的方式來共同學習。將凸輪機構與社交化教學相結合,在教學中使用凸輪機構的實例進行教學,鼓勵學生在社交媒體和網絡社區上分享他們的學習和實踐經驗。這種教學方法可以提高學生的興趣和參與度,促進知識的傳授和理解,并鼓勵學生進行創新和實踐。

2 元宇宙視域下凸輪網頁課件的設計與實現

元宇宙技術能夠提供更加逼真的虛擬現實和增強現實體驗,利用三維建模和動畫制作技術,讓學生能夠在虛擬場景中進行學習。這種技術能夠創造更加豐富的互動體驗,提高學生的參與度。在網頁課件中,可以使用元宇宙技術實現虛擬的互動體驗[14]。

凸輪機構教學的重點在于要求學生能根據凸輪形狀、從動件形狀、從動件運動形式和凸輪與從動件的高副接觸區分不同類型的凸輪機構,掌握它們的特點和功能,并且能辨別不同類型凸輪機構從動件的運動規律以及推程停歇、回程停歇的運動線圖。

2.1 認識凸輪機構

凸輪機構是一種具有曲線輪廓或溝槽的機械結構,通過利用凸輪上的輪廓曲線或溝槽與從動件的高副聯系,在運動中實現對從動件達到預期運動的一類高副機構。凸輪通常是安裝在轉軸上的圓形或橢圓形凸出形狀的零件,具有特定的輪廓曲線形狀和尺寸。當凸輪旋轉時,其輪廓曲線與其他部件接觸,從而引起其他部件的運動[15]。

2.2 參數化網頁設計

由于凸輪機構的抽象性,當教師僅憑口頭講述時,學生難以直觀地感受和理解其工作過程,因此,采用網頁課件的方式來教授凸輪機構可以提升學生的課堂興趣,降低他們的認知負荷[16]。參數化設計是一種基于參數化建模技術的設計方法,通過定義參數和變量來控制產品的設計和制造過程。在網頁參數化設計中,由于其可視化特性,使用者可以將參數和變量設定為可調節的,從而根據不同需求進行修改和調整。這種設計方法能夠提高產品設計的靈活性、可重復性和自動化程度,同時減少設計時間和成本,提高設計效率和質量。

2.3 繪制凸輪輪廓線

以對心滾子移動從動件盤形凸輪機構為例,闡述與表示如何利用參數化設計來實現其凸輪機構的優化設計[17]。凸輪機構設計需要滿足以下條件:

1)為了保證機構既無剛性沖突又無柔性沖突,選擇使用擺線運動規律;

2)設定推程運動角Φ=180°,回程運動角Φ′=90°,停歇角Φs=90°;

3)考慮滾子的結構與強度等因素,選擇滾子半徑rr=8 mm,預選基圓半徑rb=25 mm;

4)為保證良好的受力狀況和防止機械運動失真等問題,需要選擇合適的推程許用壓力角、回程許用壓力角和凸輪輪廓線許用曲率半徑。

擺線運動(正弦加速度運動)規律:

推程(0≤φ≤Φ):

(1)

(2)

(3)

(4)

回程(0≤φ≤Φ′):

(5)

(6)

(7)

(8)

表1 參數化表單

當0≤φ≤Φ時(Φ=180°),屬于推程過程;當Φ≤φ≤Φ+Φs時(Φ+Φs=270°),屬于停歇過程;當Φ+Φs≤φ≤π時(π=360°),屬于回程過程。根據推程運動公式,計算出對應的行程、推程速度、推程加速度、加速度變化率以及理論廓線。

如圖1(a)所示為尖端移動從動件盤型凸輪機構,其中以凸輪輪廓線的最小向徑rb為半徑作的圓稱為凸輪的基圓,rb稱為基圓半徑、rr為滾子半徑。橫坐標代表凸輪的轉角Φ,縱坐標代表從動件的行程s。所謂從動件的運動規律就是指從動件位移s、速度v、加速度a及加速度的變化率j隨時間t或凸輪轉角φ變化的規律。從B0到B為停歇,從B到D為推程且推程轉動角為Φ,從D到D0為停歇,從D0到B0為回程且回程轉動角為Φ′。圖1(b)是對應凸輪轉動一周從動件的行程圖。

圖1 尖端移動從動件盤型凸輪機構

根據凸輪在不同角度下的數值變化,可以繪制凸輪的輪廓線、基圓和從動件,并通過這些繪制得到一個完整的實例。根據上述思路和有關計算公式,可以設計一個計算機輔助設計程序的流程圖來實現這一過程,如圖2所示。

圖2 程序流程

2.4 凸輪網頁課件的界面設計與實現

網頁采用下拉菜單欄和左側導航欄的方式,以方便學生進行預習、操作演示和舉一反三等學習活動。學生首先打開網頁課件,點擊“凸輪機構”章節,以了解和預習相關內容,獲取該章節的理論知識。然后按照順序點擊“實驗基本介紹”和“實驗測試”,進行該章節實例的學習。通過網頁的參數化設計,使實驗過程更加清晰直觀。

凸輪機構實例界面如圖3所示。學生進入凸輪機構參數化設計界面,在該界面中輸入行程距離、預選基圓半徑、滾子半徑、推程許用壓力角、回程許用壓力角、角速度、推程運動角、回程運動角、遠停歇角和近停歇角等相應的參數值,運行系統程序后,即可得到完整的實例。

圖3 網頁主界面

完成程序整體編寫后,實現設計參數信息與機構動畫之間的關聯化效果,當參數值發生變化時,實例也相應地發生變化。學生可以根據自身的學習興趣和知識接受程度,實時調整學習內容和難度,以提供更符合學生需求的學習體驗,這樣的設計使學生能夠更好地理解凸輪機構的原理和工作方式,并通過實驗進行實踐操作,提升他們的學習效果。參數化變換效果如圖4所示。

在元宇宙視域下,網頁課件的參數化設計能更直觀地展示參數變化對凸輪機構的影響,學生可以更輕松地掌握知識,對凸輪機構的理解也更加直觀。這種學習方式可以增加學生的成就感和自信心,從而提升他們的學習興趣和積極性。同時,它還有助于學生建立更為深入和廣泛的知識結構,提升他們的學科素養和綜合實踐能力。

3 元宇宙視域下網頁課件的教學效果

傳統教育中的評價方式通常僅基于學生的成績和標準化測試,而這種方式往往會限制學生的學習興趣和創造力。在元宇宙中,評價可以更加多元化和個性化,可以根據學生的興趣、能力和表現來進行評價。

3.1 課前預習環節的效果評價

元宇宙技術能夠為學生提供更深入的沉浸式學習體驗,使學生能夠更好地融入學習場景,提高學習興趣。評價學習體驗的好壞可以通過學生的反饋來進行。通過對學生在元宇宙中的學習數據進行分析,如學習行為、學習進度等,可以評價課前預習環節的學習效果。教師使用數據分析技術不僅可以對學生的學習行為進行跟蹤和分析,幫助教師更好地評估學生的學習效果,還可以對學生的課前預習情況進行評估,從多個方面來考量學生的學習效果,如學生的表現、參與度和課前反饋等。這些評估結果可以為教師提供有針對性地反饋和指導,幫助他們動態調整課程進度和教學策略,以促進學生的學習效果。

3.2 課中教學環節的效果評價

教師可以利用元宇宙技術與學生進行實時互動,例如通過虛擬白板進行實時講解和答疑等。這種實時互動可以幫助教師了解學生的學習情況,掌握教學進度,評估教學效果。此外,教師還可以通過在線課堂測試來評估學生的學習成效和掌握程度。元宇宙的可視化技術可以幫助教師對測試結果進行可視化分析,并針對學生的答題情況進行重點講解和答疑。這種課堂跟蹤和評估教學效果的方式使教師能夠實時了解學生的學習進展,及時進行調整和輔導。

3.3 課后教學質量的效果評價

首先,通過問卷調查方式了解學生對教學內容、教學方法、教學資源和教師教學能力等方面的評價。其次,通過學生提交的作業和實習實踐成果,可以了解學生對教學內容的理解、掌握程度,以及學生在實踐中的應用能力和創新能力等方面的表現。另外,學生的考試成績和評估結果也是評價學習成效的重要指標。通過考試成績和評估結果,可以了解學生對教學內容的掌握程度和學習效果。此外,在元宇宙視域下的網頁課件學習中,學生可以更加自主地選擇學習的內容、時間和方式,這也意味著學生可以更加靈活地安排學習時間和進度。因此,學生的自主學習情況也可以作為評價學習成效的指標之一。綜合考慮學生在各個方面的表現和自主學習情況,可以更全面地評估學習成效和教學效果。

4 結束語

元宇宙視域下參數化網頁課件對學生情景興趣有著積極的影響,它為學生提供沉浸式的學習體驗、提供多樣化的學習資源和互動方式、增強學生的學習效果。

文中以凸輪機構的參數化設計實驗項目為例,介紹了元宇宙視域下參數化網頁課件的積極影響。通過虛擬現實技術,參數化網頁課件能夠將學生帶入一個全新的、互動的學習環境,讓他們更加身臨其境地感受和探索學科知識。這種沉浸式的學習體驗有助于激發學生的好奇心和興趣。同時,學生還可以通過與其他學生合作、競爭等方式,增強自己的學科素養和綜合能力,以提高學習效果。

目前,元宇宙技術在網頁課件中的應用還面臨一些挑戰,例如技術不夠成熟、設備成本高昂等問題。因此,在將元宇宙技術應用于網頁課件中時,需要充分考慮這些問題,并根據實際情況進行選擇和調整。