盡管使用此方法以及其他動手實踐活動向未來的基礎教育者傳授密度原理，但艾倫·巴斯(Alan Buss)經(jīng)常發(fā)現(xiàn)，他的學生們在努力解釋這一概念上很費力。但是，獲得了懷俄明大學Shell 3-D可視化中心的訪問權，中心實習生Kyle Summerfield的專家協(xié)助和研究休假后，Buss創(chuàng)造了一種新穎的，身臨其境的體驗，將未來的學生置于他們正在研究的概念的中間。

“ CAVE(洞穴自動虛擬環(huán)境)的一項功能是，它使我們不僅可以在視覺上，而且可以在物理上沉浸于學生，”小學和幼兒教育副教授巴斯說。“那才是真正的力量所在。這是一種動覺體驗。”

這種經(jīng)驗使學生處于鋼瓶分配中所使用的兩種物質(zhì)的中間。

“這樣做的目的是將用戶縮小到分子大小，以便他們可以看到分子的密度，分子的排列方式和緊密程度以及分子本身的重量，” Buss說。“正是這些因素的結合。”

學生能夠在三種情況下見證并操縱這種相互作用：僅水分子，僅植物油分子以及兩者的相互作用。

“希望這是一種經(jīng)驗，不僅可以幫助他們更好地理解密度，而且可以成為他們記憶中的基石，”巴斯談到了他對所有年齡段學生的目標。

該項目的種子是在1990年代后期播種的，當時巴斯參觀了密歇根大學的虛擬現(xiàn)實洞穴。威斯康星大學Shell 3-D可視化中心開放后不久，便引起了人們對探索在教師教育中使用沉浸式技術的潛力的新興趣。

“幾年前，我參觀了該工廠，但花了一些時間才使我真正想出自己想做什么的想法，”巴斯說。

由于概念最終為跨越2015年夏季和秋季的探索提供了重點，看著西澳大學的“小學物理科學”課程的學生繼續(xù)努力解釋密度和浮力。

軟件挑戰(zhàn)

一個明顯的早期挑戰(zhàn)是一項技術挑戰(zhàn)：使用游戲軟件創(chuàng)建設想的環(huán)境。他很快得知該過程比最初預期的要復雜得多。精通使用該軟件需要遵循針對初學者的交互式視頻的練習，并且在事情未按計劃進行時必須重新訪問那些基本教程。

“談到我的學生，這確實使我產(chǎn)生了同情心，尤其是當我要求他們在本學期學習新軟件時，”他談到在“初學者”水平學習和創(chuàng)造過程中出現(xiàn)的意想不到的挑戰(zhàn)。

巴斯還發(fā)現(xiàn)，即使具有扎實的化學背景也不足以使他分解和復制實際上看似基本概念的構成和動作，例如水分子。

他說：“對我來說，這很簡單。” “那是我真正開始思考建模過程以及真正的學習內(nèi)容的時候。學習真的是在完善我們的思維模式。”

該過程的一部分涉及對目標，對自己在開發(fā)環(huán)境中以及對將要經(jīng)歷環(huán)境的學習者提出基本問題。

“我還問自己，'我希望我的模型在這種體驗中能達到多精確?””巴斯回憶道。“我是否希望它們(分子)只是斑點，還是我希望它們以某種方式代表水分子的其他觀點?

“我能走多深?然后，對于這些原子中的每個原子，我是否都有質(zhì)子，中子和電子在旋轉-還是僅使它們靜止?我很快意識到在計算上……我不得不簡化。”

獲得Summerfield作為該項目的技術合作伙伴，幫助Buss實現(xiàn)了他的愿景的實用版本。薩默菲爾德(Summerfield)具備從可用的計算資源中引入一些更具挑戰(zhàn)性的概念的技能，從而增強了體驗的交互性并克服了最終限制。

例如，Buss最初設想用戶在耳朵/耳朵的高度“涉水”到一個水分子池中，但計算機卻陷入癱瘓，房間里只有300個虛擬分子。薩默菲爾德(Summerfield)幫助該系統(tǒng)進行了調(diào)整，以接受大約600個分子，從而使未來的用戶可以與在膝蓋和腳踝之間某處上升的水池進行交互。

新的機會

盡管必須適應系統(tǒng)限制并做出與個人能力有關的艱難選擇，但最終的結果是一個環(huán)境可以成功演示兩種物質(zhì)的分子如何發(fā)揮作用，并使人們以全新的方式體驗密度的概念。

盡管技術本身令人著迷，但未來的大學和K-12學生的轉化潛力更為重要。這也為Buss提供了一個了解學生如何測試，體驗和修改其概念模型的新機會。

他說：“這可能是由此產(chǎn)生的最令人振奮的事情之一，因為它改變了課程設置，改變了我想做的研究。” “這不僅僅是他們(學生)對密度的理解，而是他們對密度的建模。”

長期以來，Buss對學習中的技術增強型建模很感興趣，它為測試和探索它可能會影響學習者修改和擴展這些模型的方式提供了一條新途徑。

“他們?nèi)绾谓?他們?nèi)绾未硭?通過經(jīng)歷這一系列經(jīng)歷，這種表示方式將如何改變?”這些是巴斯希望在未來的研究中探索的一些問題。

雖然支持本科教育專業(yè)的學習是該項目的主要推動力，但其他重要機會正在涌現(xiàn)。一種潛力是探索如何使用虛擬現(xiàn)實耳機或移動CAVE，將K-12學生和無法訪問UW的其他人帶入這種學習體驗。另一個是與西澳大學和其他地方的科學家和科學教育工作者合作的機會。