基于科學(xué)計算可視化技術(shù)的現(xiàn)代教育方法研究

【摘 要】近幾十年來，伴隨著信息技術(shù)革命，以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)的科學(xué)計算可視化技術(shù)取得了長足的進步，可視化技術(shù)的應(yīng)用范圍和深度得到了快速發(fā)展。在互連網(wǎng)爆炸性增長的過程中，科學(xué)計算和工程技術(shù)領(lǐng)域得到廣泛的運用，可視化技術(shù)已經(jīng)成為現(xiàn)代教育的基本工具。

【關(guān)鍵詞】計算機；可視化技術(shù)；現(xiàn)代教育方法

常言說“百聞不如一見”，視覺是人類獲取信息的最重要的途徑。人類80%以上的信息是通過視覺系統(tǒng)獲得的。經(jīng)過漫長的進化，人類視覺信息處理具有高速、大容量、并行工作的特點。這些特點早已為祖先們所認識和應(yīng)用，古長城上的烽火臺，可以將重要的信息迅速大范圍傳播，“河圖洛書”的傳說也顯示出“圖”在我們文明的發(fā)端及以后的發(fā)展中所起的作用。

1.科學(xué)計算可視化技術(shù)研究背景

科學(xué)計算可視化作為一個研究領(lǐng)域開始于1987年，它首先是為了高效地處理科學(xué)數(shù)據(jù)和解釋科學(xué)數(shù)據(jù)而提出并形成的。它將大量枯燥的數(shù)據(jù)以圖形圖像這種直觀的方式顯示出來，使觀察者可以準確地發(fā)現(xiàn)隱藏在大量數(shù)據(jù)背后的規(guī)律，從而幫助人們更好地理解和分析這些數(shù)據(jù)。

VISC的研究包括兩方面：一是VISC工具的研究.即如何把科學(xué)數(shù)據(jù)、數(shù)值圖像轉(zhuǎn)化成可視圖形與可理解信息的算法和工具；二是VISC應(yīng)用研究，即把可視化工具應(yīng)用于科學(xué)和工程的各個學(xué)科的方式和方法。它涉及計算機圖形學(xué)、圖像處理、計算機視覺、計算機輔助設(shè)計及圖形用戶界面等多個研究領(lǐng)域?？茖W(xué)計算可視化技術(shù)的意義重大，它大大加快了數(shù)據(jù)的處理速度，使每日每時都在產(chǎn)生的龐大數(shù)據(jù)得到有效的利用；實現(xiàn)人與人、人與機器之間的圖像通訊，增強了人們觀察事物規(guī)律的能力；使科學(xué)家在得到計算結(jié)果的同時，知道在計算過程中發(fā)生了什么現(xiàn)象，并可以改變參數(shù)，觀察其影響，對計算過程實現(xiàn)引導(dǎo)和控制。

2.科學(xué)計算可視化技術(shù)在現(xiàn)代教育方法中的應(yīng)用

信息時代，學(xué)習是一種社會活動，個人不能脫離社會環(huán)境孤立地學(xué)習，抽象、多維信息的處理能力顯得日益重要，如果把科學(xué)計算可視化與教育有機地結(jié)合，教育與社會需求之間的差距將得以縮小，因為科學(xué)計算可視化本身是對客觀對象的模擬，所構(gòu)建的學(xué)習環(huán)境與實際生活情境相關(guān)?？茖W(xué)計算可視化的沉浸性和交互性為學(xué)習者提供了可以直接交互的三維立體空間，并將學(xué)習者置于主動學(xué)習的中心地位，有利于學(xué)習者知識的建構(gòu)。

2.1虛擬現(xiàn)實技術(shù)制造“真實”感受

虛擬現(xiàn)實可以徹底打破時間的限制，對學(xué)生學(xué)習過程中所提出的各種假設(shè)模型進行虛擬，通過虛擬系統(tǒng)便可直觀地觀察到這一假設(shè)所產(chǎn)生的結(jié)果或效果。例如，利用虛擬實驗系統(tǒng)，學(xué)生可以進行溫室效應(yīng)、電路設(shè)計、建筑設(shè)計等方面的探索學(xué)習，從而研究出二氧化碳對全球氣候的影響規(guī)律，或設(shè)計出新的電路、新的建筑物。虛擬現(xiàn)實的沉浸性和交互性，使得設(shè)備與環(huán)境塑造更接近于真實，有利于學(xué)生的技能訓(xùn)練，如軍事作戰(zhàn)技能、外科手術(shù)技能、汽車駕駛技能、果樹栽培技能、電器維修技能等。

美國巴爾的摩Johns Hopkins大學(xué)的化學(xué)工程系教授卡爾威在計算機網(wǎng)絡(luò)上建立了一個虛擬實驗室，模擬各種實驗，讓工程系的學(xué)生通過計算機網(wǎng)絡(luò)來做實驗，嘗試解決工程上遇到的各種問題。例如，通過一個虛擬的鉆油實驗，學(xué)生可以知道某個位置的油井的深度，從而估計油層的形狀及所需費用。

2.2計算機動畫展現(xiàn)“實物”效果

計算機動畫在教育方面有著廣闊的應(yīng)用前景。有些基本概念、原理和方法需要給學(xué)生以感性上的認識，在實際教學(xué)中有可能無法用實物來演示。這時借助計算機動畫把各種表面現(xiàn)象和實際內(nèi)容進行直觀演示和形象教學(xué)，大到宇宙形成，小到基因結(jié)構(gòu)，無論是化學(xué)反應(yīng)還是物理定律，使用計算機動畫都可以淋漓盡致地表示出來。

另外計算機動畫在網(wǎng)絡(luò)游戲、文化娛樂等方面也有著廣闊的應(yīng)用前景?；赑C的三維游戲正在不斷增加，其制作也離不開三維動畫技術(shù)。開展三維數(shù)據(jù)場可視化技術(shù)研究，探索提高體繪制質(zhì)量、速度的理論和關(guān)鍵技術(shù)，對于完善可視化理論、拓展體繪制的應(yīng)用領(lǐng)域等都具有重要的理論和實踐意義。

3.科學(xué)計算可視化技術(shù)對于現(xiàn)代教育方法的價值及意義

從教育的發(fā)展過程看，任何一種新技術(shù)、新媒體的出現(xiàn)，都會引起教育上的革命。例如，紙和印刷術(shù)的出現(xiàn)，廣播和電視技術(shù)的發(fā)展，計算機和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，都曾引起了教育在質(zhì)的飛躍。毫無疑問，科學(xué)計算可視化與教育相結(jié)合，也一定會在教育領(lǐng)域中產(chǎn)生質(zhì)和量的飛躍。因此，探討科學(xué)計算可視化與教育相結(jié)合的理論依據(jù)，無論是對教育的發(fā)展，還是對科學(xué)計算可視化技術(shù)自身的發(fā)展都是必要的，也是現(xiàn)實可行的。利用計算機動畫技術(shù)，可將科學(xué)計算過程以及計算結(jié)果轉(zhuǎn)換為幾何圖形或圖像信息并在屏幕上顯示出來，以便于觀察分析和交互處理。計算機動畫已成為發(fā)現(xiàn)和理解科學(xué)計算過程中各種現(xiàn)象的有力工具，即“科學(xué)計算可視化”。

實現(xiàn)科學(xué)計算的可視化具有多方面的重要意義。它可以大大加快數(shù)據(jù)的處理速度，使龐大數(shù)據(jù)得到有效利用；可以在人與數(shù)據(jù)、人與人之間實現(xiàn)圖像通信，從而使人們能夠觀察到在傳統(tǒng)的科學(xué)計算中發(fā)生的現(xiàn)象，成為發(fā)現(xiàn)和理解科學(xué)計算過程中各種現(xiàn)象的有力工具；同時，還可以實現(xiàn)對計算過程的引導(dǎo)和控制，通過交互手段改變計算所依據(jù)的條件，并觀察其影響。總之，科學(xué)計算的可視化將極大地提高科學(xué)計算的速度和質(zhì)量，實現(xiàn)科學(xué)計算工具和環(huán)境的進一步現(xiàn)代化，從而使科學(xué)研究工作的面貌發(fā)生根本性的變化。

4.結(jié)語

如何促使科學(xué)計算可視化技術(shù)更好地在教育中應(yīng)用，筆者認為應(yīng)側(cè)重于以下幾個方面：學(xué)習過程中的信息處理和認知能力培養(yǎng)、學(xué)習者性格年齡特征的分析、空間感和運動能力的增進、交互機制的改進等等，以此來克服虛擬現(xiàn)實技術(shù)自身的局限性。同時，教育部門必須意識到，任何一種技術(shù)應(yīng)用于教育都有利有弊，應(yīng)盡可能地揚長避短，從而保證虛擬現(xiàn)實技術(shù)更好地為教育服務(wù)。

【參考文獻】

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