元宇宙视域下参数化动态网页课件对学生情景兴趣的影响

闫银娟,游明琳

(贵州师范大学 机械与电气工程学院,贵阳 550001)

元宇宙(Metaverse)一词最早来自1992年出版的科幻小说《雪崩》,该书描绘了一个超现实主义的数字空间,现实世界中的所有事物都可以数字化复制到这个空间中,作者尼尔·斯蒂芬森称这个空间为元宇宙[1-2]。2021年,元宇宙的概念风靡全球,5G/6G、3D技术、人工智能(Artificial Intelligence,AI)、虚拟现实技术(Virtual Reality,VR)、增强现实技术(Augmented Reality,AR) 、扩展现实技术(Extended Reality, XR)的不断突破,催化了元宇宙的火爆发展,使其经过多年沉寂后再次成为人们关注的焦点[3]。元宇宙技术为学习者提供一个智能化、虚拟化的在线学习环境,破除传统在线教育教学时空分离的阻碍,再现教与学的时空融合,产生超越时空的新型“虚实共在”模式[4]。

随着元宇宙虚拟融合技术的发展,元宇宙的应用范围正在以各种方式扩大,包括教育、文化、营销、娱乐、医疗和生产制造等[5-7]。特别是在教育行业,基于元宇宙的虚拟空间技术、增强现实技术可增强情景感和真实感,常被用来扩展情境化学习、提升学习沉浸感[8]。随着元宇宙概念的深入,我国产业升级和经济结构调整正在加速,知识和技能的更新速度在加快,学生获取信息的能力也越来越强,传统的课堂教学亟待改变,将元宇宙应用到课堂教学中亦是未来课堂发展的趋势。Chen[9]将元宇宙和在线教育相结合,分析元宇宙在线教育教学面临的问题与挑战,并提出解决问题的方法与建议。Zhou[10]探索元宇宙视角下智慧教育生态圈,通过AHP验证该模式的应用效果,为未来教育的新应用提供理论依据和借鉴。郭亚军等[11]探索元宇宙视域下虚拟社区用户信息的需求,并对元宇宙虚拟社区的建设与发展提出对策。Lee等[12]将VR制作和元宇宙技术相结合,实现教育的可持续性,增强学生学习的适应性,使得教师和学生相互受益。Beck等[13]以元宇宙赋能、多场景融合的混合教学模式为课堂教学改革提供新的视角。

在元宇宙的视角下,参数化动态网页课件可以通过使用虚拟现实技术、交互式动画和虚拟实验等方式,为师生提供一个具有丰富视觉效果和互动性的学习环境,增强学生的学习兴趣,让学习者能够更加生动直观地理解学习内容。同时,参数化动态网页课件可以根据学习者的需求和反馈,自动调整学习内容和学习难度,以达到最佳的学习效果。

1 元宇宙视域下凸轮网页课件的教学设计

元宇宙视域下,机械凸轮课程参数化动态网页课件的教学设计需要充分利用元宇宙的特点和优势,创新授课方式和教学模式,努力提高学生的学习兴趣。

1.1 虚拟场景的设计

虚拟场景的设计可以更好地帮助学生对凸轮机构进行学习。例如,在虚拟场景中,可以模拟不同凸轮的形状、大小和转速等,让学生更加直观地了解凸轮的工作原理和运动轨迹。

1.2 参数化设计

采用参数化设计的方式,通过定义不同凸轮的参数,例如凸轮的半径、曲率和转速等,方便修改和更新课件的内容。同时,教师可以根据不同的教学需求和学生的反馈进行相应的调整和改进。

1.3 交互式教学

凸轮机构交互式教学采用VR技术实现。该技术可以为学生提供逼真的学习体验,让他们在虚拟环境中进行实践操作和交互学习。在这个虚拟环境中,学生可以观察和操作凸轮机构,了解其原理和功能,并进行模拟实验来加深理解。

1.4 数据可视化

利用元宇宙技术提供的数据可视化工具,展示凸轮在不同参数下的运动轨迹,让学生更加直观地了解凸轮的工作原理和性能特点。

1.5 社交化教学

利用元宇宙提供的社交化教学环境,让学生通过交流和协作的方式来共同学习。将凸轮机构与社交化教学相结合,在教学中使用凸轮机构的实例进行教学,鼓励学生在社交媒体和网络社区上分享他们的学习和实践经验。这种教学方法可以提高学生的兴趣和参与度,促进知识的传授和理解,并鼓励学生进行创新和实践。

2 元宇宙视域下凸轮网页课件的设计与实现

元宇宙技术能够提供更加逼真的虚拟现实和增强现实体验,利用三维建模和动画制作技术,让学生能够在虚拟场景中进行学习。这种技术能够创造更加丰富的互动体验,提高学生的参与度。在网页课件中,可以使用元宇宙技术实现虚拟的互动体验[14]。

凸轮机构教学的重点在于要求学生能根据凸轮形状、从动件形状、从动件运动形式和凸轮与从动件的高副接触区分不同类型的凸轮机构,掌握它们的特点和功能,并且能辨别不同类型凸轮机构从动件的运动规律以及推程停歇、回程停歇的运动线图。

2.1 认识凸轮机构

凸轮机构是一种具有曲线轮廓或沟槽的机械结构,通过利用凸轮上的轮廓曲线或沟槽与从动件的高副联系,在运动中实现对从动件达到预期运动的一类高副机构。凸轮通常是安装在转轴上的圆形或椭圆形凸出形状的零件,具有特定的轮廓曲线形状和尺寸。当凸轮旋转时,其轮廓曲线与其他部件接触,从而引起其他部件的运动[15]。

2.2 参数化网页设计

由于凸轮机构的抽象性,当教师仅凭口头讲述时,学生难以直观地感受和理解其工作过程,因此,采用网页课件的方式来教授凸轮机构可以提升学生的课堂兴趣,降低他们的认知负荷[16]。参数化设计是一种基于参数化建模技术的设计方法,通过定义参数和变量来控制产品的设计和制造过程。在网页参数化设计中,由于其可视化特性,使用者可以将参数和变量设定为可调节的,从而根据不同需求进行修改和调整。这种设计方法能够提高产品设计的灵活性、可重复性和自动化程度,同时减少设计时间和成本,提高设计效率和质量。

2.3 绘制凸轮轮廓线

以对心滚子移动从动件盘形凸轮机构为例,阐述与表示如何利用参数化设计来实现其凸轮机构的优化设计[17]。凸轮机构设计需要满足以下条件:

1)为了保证机构既无刚性冲突又无柔性冲突,选择使用摆线运动规律;

2)设定推程运动角Φ=180°,回程运动角Φ′=90°,停歇角Φs=90°;

3)考虑滚子的结构与强度等因素,选择滚子半径rr=8 mm,预选基圆半径rb=25 mm;

4)为保证良好的受力状况和防止机械运动失真等问题,需要选择合适的推程许用压力角、回程许用压力角和凸轮轮廓线许用曲率半径。

摆线运动(正弦加速度运动)规律:

推程(0≤φ≤Φ):

(1)

(2)

(3)

(4)

回程(0≤φ≤Φ′):

(5)

(6)

(7)

(8)

表1 参数化表单

当0≤φ≤Φ时(Φ=180°),属于推程过程;当Φ≤φ≤Φ+Φs时(Φ+Φs=270°),属于停歇过程;当Φ+Φs≤φ≤π时(π=360°),属于回程过程。根据推程运动公式,计算出对应的行程、推程速度、推程加速度、加速度变化率以及理论廓线。

如图1(a)所示为尖端移动从动件盘型凸轮机构,其中以凸轮轮廓线的最小向径rb为半径作的圆称为凸轮的基圆,rb称为基圆半径、rr为滚子半径。横坐标代表凸轮的转角Φ,纵坐标代表从动件的行程s。所谓从动件的运动规律就是指从动件位移s、速度v、加速度a及加速度的变化率j随时间t或凸轮转角φ变化的规律。从B0到B为停歇,从B到D为推程且推程转动角为Φ,从D到D0为停歇,从D0到B0为回程且回程转动角为Φ′。图1(b)是对应凸轮转动一周从动件的行程图。

图1 尖端移动从动件盘型凸轮机构

根据凸轮在不同角度下的数值变化,可以绘制凸轮的轮廓线、基圆和从动件,并通过这些绘制得到一个完整的实例。根据上述思路和有关计算公式,可以设计一个计算机辅助设计程序的流程图来实现这一过程,如图2所示。

图2 程序流程

2.4 凸轮网页课件的界面设计与实现

网页采用下拉菜单栏和左侧导航栏的方式,以方便学生进行预习、操作演示和举一反三等学习活动。学生首先打开网页课件,点击“凸轮机构”章节,以了解和预习相关内容,获取该章节的理论知识。然后按照顺序点击“实验基本介绍”和“实验测试”,进行该章节实例的学习。通过网页的参数化设计,使实验过程更加清晰直观。

凸轮机构实例界面如图3所示。学生进入凸轮机构参数化设计界面,在该界面中输入行程距离、预选基圆半径、滚子半径、推程许用压力角、回程许用压力角、角速度、推程运动角、回程运动角、远停歇角和近停歇角等相应的参数值,运行系统程序后,即可得到完整的实例。

图3 网页主界面

完成程序整体编写后,实现设计参数信息与机构动画之间的关联化效果,当参数值发生变化时,实例也相应地发生变化。学生可以根据自身的学习兴趣和知识接受程度,实时调整学习内容和难度,以提供更符合学生需求的学习体验,这样的设计使学生能够更好地理解凸轮机构的原理和工作方式,并通过实验进行实践操作,提升他们的学习效果。参数化变换效果如图4所示。

在元宇宙视域下,网页课件的参数化设计能更直观地展示参数变化对凸轮机构的影响,学生可以更轻松地掌握知识,对凸轮机构的理解也更加直观。这种学习方式可以增加学生的成就感和自信心,从而提升他们的学习兴趣和积极性。同时,它还有助于学生建立更为深入和广泛的知识结构,提升他们的学科素养和综合实践能力。

3 元宇宙视域下网页课件的教学效果

传统教育中的评价方式通常仅基于学生的成绩和标准化测试,而这种方式往往会限制学生的学习兴趣和创造力。在元宇宙中,评价可以更加多元化和个性化,可以根据学生的兴趣、能力和表现来进行评价。

3.1 课前预习环节的效果评价

元宇宙技术能够为学生提供更深入的沉浸式学习体验,使学生能够更好地融入学习场景,提高学习兴趣。评价学习体验的好坏可以通过学生的反馈来进行。通过对学生在元宇宙中的学习数据进行分析,如学习行为、学习进度等,可以评价课前预习环节的学习效果。教师使用数据分析技术不仅可以对学生的学习行为进行跟踪和分析,帮助教师更好地评估学生的学习效果,还可以对学生的课前预习情况进行评估,从多个方面来考量学生的学习效果,如学生的表现、参与度和课前反馈等。这些评估结果可以为教师提供有针对性地反馈和指导,帮助他们动态调整课程进度和教学策略,以促进学生的学习效果。

3.2 课中教学环节的效果评价

教师可以利用元宇宙技术与学生进行实时互动,例如通过虚拟白板进行实时讲解和答疑等。这种实时互动可以帮助教师了解学生的学习情况,掌握教学进度,评估教学效果。此外,教师还可以通过在线课堂测试来评估学生的学习成效和掌握程度。元宇宙的可视化技术可以帮助教师对测试结果进行可视化分析,并针对学生的答题情况进行重点讲解和答疑。这种课堂跟踪和评估教学效果的方式使教师能够实时了解学生的学习进展,及时进行调整和辅导。

3.3 课后教学质量的效果评价

首先,通过问卷调查方式了解学生对教学内容、教学方法、教学资源和教师教学能力等方面的评价。其次,通过学生提交的作业和实习实践成果,可以了解学生对教学内容的理解、掌握程度,以及学生在实践中的应用能力和创新能力等方面的表现。另外,学生的考试成绩和评估结果也是评价学习成效的重要指标。通过考试成绩和评估结果,可以了解学生对教学内容的掌握程度和学习效果。此外,在元宇宙视域下的网页课件学习中,学生可以更加自主地选择学习的内容、时间和方式,这也意味着学生可以更加灵活地安排学习时间和进度。因此,学生的自主学习情况也可以作为评价学习成效的指标之一。综合考虑学生在各个方面的表现和自主学习情况,可以更全面地评估学习成效和教学效果。

4 结束语

元宇宙视域下参数化网页课件对学生情景兴趣有着积极的影响,它为学生提供沉浸式的学习体验、提供多样化的学习资源和互动方式、增强学生的学习效果。

文中以凸轮机构的参数化设计实验项目为例,介绍了元宇宙视域下参数化网页课件的积极影响。通过虚拟现实技术,参数化网页课件能够将学生带入一个全新的、互动的学习环境,让他们更加身临其境地感受和探索学科知识。这种沉浸式的学习体验有助于激发学生的好奇心和兴趣。同时,学生还可以通过与其他学生合作、竞争等方式,增强自己的学科素养和综合能力,以提高学习效果。

目前,元宇宙技术在网页课件中的应用还面临一些挑战,例如技术不够成熟、设备成本高昂等问题。因此,在将元宇宙技术应用于网页课件中时,需要充分考虑这些问题,并根据实际情况进行选择和调整。