基于科学计算可视化技术的现代教育方法研究

　　常言说“百闻不如一见”，视觉是人类获取信息的最重要的途径。人类80%以上的信息是通过视觉系统获得的。经过漫长的进化，人类视觉信息处理具有高速、大容量、并行工作的特点。这些特点早已为祖先们所认识和应用，古长城上的烽火台，可以将重要的信息迅速大范围传播，“河图洛书”的传说也显示出“图”在我们文明的发端及以后的发展中所起的作用。

　　1.科学计算可视化技术研究背景

　　科学计算可视化作为一个研究领域开始于1987年，它首先是为了高效地处理科学数据和解释科学数据而提出并形成的。它将大量枯燥的数据以图形图像这种直观的方式显示出来，使观察者可以准确地发现隐藏在大量数据背后的规律，从而帮助人们更好地理解和分析这些数据。

　　VISC的研究包括两方面：一是VISC工具的研究.即如何把科学数据、数值图像转化成可视图形与可理解信息的算法和工具；二是VISC应用研究，即把可视化工具应用于科学和工程的各个学科的方式和方法。它涉及计算机图形学、图像处理、计算机视觉、计算机辅助设计及图形用户界面等多个研究领域。科学计算可视化技术的意义重大，它大大加快了数据的处理速度，使每日每时都在产生的庞大数据得到有效的利用；实现人与人、人与机器之间的图像通讯，增强了人们观察事物规律的能力；使科学家在得到计算结果的同时，知道在计算过程中发生了什么现象，并可以改变参数，观察其影响，对计算过程实现引导和控制。

　　2.科学计算可视化技术在现代教育方法中的应用

　　信息时代，学习是一种社会活动，个人不能脱离社会环境孤立地学习，抽象、多维信息的处理能力显得日益重要，如果把科学计算可视化与教育有机地结合，教育与社会需求之间的差距将得以缩小，因为科学计算可视化本身是对客观对象的模拟，所构建的学习环境与实际生活情境相关。科学计算可视化的沉浸性和交互性为学习者提供了可以直接交互的三维立体空间，并将学习者置于主动学习的中心地位，有利于学习者知识的建构。

　　2.1虚拟现实技术制造“真实”感受

　　虚拟现实可以彻底打破时间的限制，对学生学习过程中所提出的各种假设模型进行虚拟，通过虚拟系统便可直观地观察到这一假设所产生的结果或效果。例如，利用虚拟实验系统，学生可以进行温室效应、电路设计、建筑设计等方面的探索学习，从而研究出二氧化碳对全球气候的影响规律，或设计出新的电路、新的建筑物。虚拟现实的沉浸性和交互性，使得设备与环境塑造更接近于真实，有利于学生的技能训练，如军事作战技能、外科手术技能、汽车驾驶技能、果树栽培技能、电器维修技能等。

　　美国巴尔的摩Johns Hopkins大学的化学工程系教授卡尔威在计算机网络上建立了一个虚拟实验室，模拟各种实验，让工程系的学生通过计算机网络来做实验，尝试解决工程上遇到的各种问题。例如，通过一个虚拟的钻油实验，学生可以知道某个位置的油井的深度，从而估计油层的形状及所需费用。

　　2.2计算机动画展现“实物”效果

　　计算机动画在教育方面有着广阔的应用前景。有些基本概念、原理和方法需要给学生以感性上的认识，在实际教学中有可能无法用实物来演示。这时借助计算机动画把各种表面现象和实际内容进行直观演示和形象教学，大到宇宙形成，小到基因结构，无论是化学反应还是物理定律，使用计算机动画都可以淋漓尽致地表示出来。

　　另外计算机动画在网络游戏、文化娱乐等方面也有着广阔的应用前景。基于PC的三维游戏正在不断增加，其制作也离不开三维动画技术。开展三维数据场可视化技术研究，探索提高体绘制质量、速度的理论和关键技术，对于完善可视化理论、拓展体绘制的应用领域等都具有重要的理论和实践意义。

　　3.科学计算可视化技术对于现代教育方法的价值及意义

　　从教育的发展过程看，任何一种新技术、新媒体的出现，都会引起教育上的革命。例如，纸和印刷术的出现，广播和电视技术的发展，计算机和网络技术的发展，都曾引起了教育在质的飞跃。毫无疑问，科学计算可视化与教育相结合，也一定会在教育领域中产生质和量的飞跃。因此，探讨科学计算可视化与教育相结合的理论依据，无论是对教育的发展，还是对科学计算可视化技术自身的发展都是必要的，也是现实可行的。利用计算机动画技术，可将科学计算过程以及计算结果转换为几何图形或图像信息并在屏幕上显示出来，以便于观察分析和交互处理。计算机动画已成为发现和理解科学计算过程中各种现象的有力工具，即“科学计算可视化”。

　　实现科学计算的可视化具有多方面的重要意义。它可以大大加快数据的处理速度，使庞大数据得到有效利用；可以在人与数据、人与人之间实现图像通信，从而使人们能够观察到在传统的科学计算中发生的现象，成为发现和理解科学计算过程中各种现象的有力工具；同时，还可以实现对计算过程的引导和控制，通过交互手段改变计算所依据的条件，并观察其影响。总之，科学计算的可视化将极大地提高科学计算的速度和质量，实现科学计算工具和环境的进一步现代化，从而使科学研究工作的面貌发生根本性的变化。

　　4.结语

　　如何促使科学计算可视化技术更好地在教育中应用，笔者认为应侧重于以下几个方面：学习过程中的信息处理和认知能力培养、学习者性格年龄特征的分析、空间感和运动能力的增进、交互机制的改进等等，以此来克服虚拟现实技术自身的局限性。同时，教育部门必须意识到，任何一种技术应用于教育都有利有弊，应尽可能地扬长避短，从而保证虚拟现实技术更好地为教育服务。

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