教育技術專業交互式虛擬實驗系統的研發

【摘要】根據教育技術實驗教學現狀及現有虛擬實驗系統存在的問題，引出開發教育技術虛擬實驗系統的必要性。以實現“強交互性”與“高仿真度”為重點目標，以典型虛擬硬件案例“多媒體教室操作平臺”及“數碼相機”虛擬實驗、“windows系統重裝”虛擬軟件系統為例，探討了教育技術虛擬實驗系統的功能與實現的關鍵技術，并通過實驗教學實踐總結其效果與意義。

【關鍵詞】虛擬實驗，教育技術，多媒體教室操作平臺，數碼相機，windows系統重裝

【中圖分類號】G40-057 【文獻標識碼】B 【論文編號】1009—8097(2010)03—0128—04

引言

教育技術實驗操作性、實踐性強，而傳統的實驗存在模式單一陳舊，設備投入有限且儀器落后等諸多問題，已不適應現代化教學改革的需要[1]。教學改革的不斷深化對實驗教學在培養學生的科研能力和綜合素質提出更高的要求，虛擬實驗為實驗教學改革提供了最佳的解決方案。虛擬實驗[2] [3]是將計算機技術、網絡技術與傳統實驗儀器結合起來，改變實驗系統的構建模式，提升實驗儀器的整體性能。虛擬實驗是傳統實驗方法的變革和有效的補充，也是加強實踐教學、提高教學質量的重要手段。虛擬實驗在當今教育技術領域的研究，不僅代表著理論研究的新思潮與熱點，而且是新媒體技術發展的方向。

一 問題的提出

1 教育技術實驗教學現狀

(1) 學科實驗特點

教育技術實驗內容覆蓋面廣，涵蓋計算機、物理、電子技術與自動化技術等專業的實驗，其內容龐雜且實驗原理抽象、操作性、實踐性強。多媒體教學設備和系統的操作與維護是實驗教學的重點，也是教育技術專業學生必須掌握的專業技能，正確而熟煉地掌握多媒體教學設備需要不斷地實踐與強化。

(2) 實驗教學模式陳舊

教育技術傳統的實驗模式以教師為主體，學生再根據老師的演示和講解進行簡單的模仿，學生的動手能力和創新思維能力沒有得到有效的訓練和培養。由于受實驗的時間和空間所限制，實驗教學模式比較單一和固定。

(3) 實驗設備投入有限

傳統的實驗教學由于教學資金投入有限，且教育技術實驗器材昂貴易損，實驗教學儀器相對落后等問題，導致了實驗內容陳舊，無法和現代科學技術的發展程度相聯系，由于實驗系統的構建模式不夠完善，實驗項目的開發受到影響，限制了學生參與實驗的開發和獨立操作。

2 現有虛擬實驗系統存在的問題

目前大部分高級的虛擬實驗系統應用的范圍局限于科學研究或專業實驗室領域，有些只能局限于網絡環境，或配置高檔的硬件與軟件支持，因而對于普通課堂實驗的普及開展缺乏通用性;而在國內外相關的虛擬教學網，高校虛擬實驗室中，普及應用于實驗教學的大部分虛擬產品功能較簡單，只能實現模擬功能而達不到接近于現實的虛擬仿真效果，更重要的是交互性不強，特別是缺乏有效的評價機制，因而在教學中的應用得不到推廣[3]。

二 教育技術虛擬實驗系統的設計目標

虛擬實驗系統的開發著眼于教學應用，面向對象是教師和學生，以虛擬實驗系統的靈活性和開放性來保證教師和學生在實驗過程中的簡便適用，以虛擬實驗系統的先進性和精確性來保證實驗教學內容的科學性和前沿性。需求分析應達到全面、典型、系統化與專業化。系統的實現重點突出交互性與仿真性的功能，并具備智能化、模塊化、網絡化及人性化等特點。

1 強交互性

交互與反饋是虛擬實驗的重要特點，虛擬實驗的交互性功能為師生互動與人機互動創設了情境，符合建構主義“以學生為主體”的學習觀點。交互的程度要求達到智能化、雙向性即具有自動反饋與評價的功能。根據行為主義者關于學習的“刺激-反應”聯結學說，必要的反饋信息能強化學生正確的操作，弱化錯誤的操作。

2 高仿真度

仿真性具有沉浸性、構想性等特點，使人們能沉浸其中，超越其上，形成具有交互效能多維化的信息環境。仿真性是虛擬實驗具有強吸引力的重要特征，高仿真度的虛擬系統能為學習者創設虛擬現實的學習環境，符合建構主義關于“教學情境必須是有利于學習者進行意義建構學習的環境”的觀點。

三 教育技術虛擬實驗開發案例

1 虛擬實驗開發的技術

虛擬實驗的實現技術有3D MAX，VRML，JAVA，QuickTime VR，Cult3D，Viewpoint與Flash等。其中，以Flash最為普及應用且容易實現。Flash[3]是基于矢量圖形，流式播放技術的動畫。以其容量小，顯示質量好，播放速度快，簡單易學等特點，成為眾多虛擬實驗開發者的首選工具。ActionScript[4]是一種面向對象的程序設計語言，其語法簡單功能強大，可實現交互與自動化功能。本課題主要應用Flash+ActionScript 所開發而成，滿足了系統開發的簡易性及系統應用的普遍性。

2 硬件設備虛擬實驗

(1) 多媒體教室操作平臺虛擬實驗

#61599;功能簡介 多媒體教室操作平臺是計算機、投影機，展示臺與音響設備、中控設備的綜合與互聯，在操作使用的過程中要嚴格遵循規范的操作次序，才對系統起到保護的作用。一般初學者在對平臺操作不熟煉情況下，很容易造成誤操作，特別是違反常規的操作次序。多媒體教室平臺虛擬實驗如圖1所示，本系統虛擬了控制面版與投影機，投影屏幕的功能;通過虛擬控制面版，可控制系統電源，投影機，幕簾上升與下降，可播放電腦視頻，并進行電腦屏幕與展示臺投影之間的切換。

#61599;關鍵技術 系統的關鍵技術在于控制設備操作的先后次序功能。即在打開電源之前，讓除了電源按鈕之外的所有控制按鈕不可用，打開電源之后，讓可操作的一部分功能按鈕可用，再通過逐步的提示與操作引導學習者嚴格按照規范的操作次序完成。按鈕的可用性與非可用性可用按鈕的enabled屬性加以控制，當enabled=0時，按鈕不可用，enabled=1時，按鈕可用。其控制過程關鍵代碼如代碼1所示。

代碼1:多媒體教室平臺控制操作次序代碼

onClipEvent (enterFrame) {//以幀頻觸發該動作

openframe=_root.open_mc._currentframe; //獲取當前幀

_root.main.enabled=0; //電源開關不可用

_root.computer.enabled=0;//計算機按鈕不可用

_root.control.enabled=0;//投影機按鈕不可用

if (openframe==1){ 當系統準備就緒時

_root.main.enabled=1; // 電源開關可用

_root.main.warn_txt.text=\"請打開電源開關\"; }

if (openframe==2){ //當電源開關打開時

_root.computer.enabled=1; //計算機按鈕可用

_root.main.warn_txt.text=\"請打開計算機\";}

if (openframe==3){ //當計算機按鈕打開時

_root.control.enabled=1; //投影機按鈕可用

_root.main.warn_txt.text=\"請打開投影機\";}

(2) 數碼相機虛擬實驗

#61599;功能簡介 數碼相機虛擬實驗針對現有虛擬相機功能簡單、交互性不強等缺點開發而成。以專業數碼相機富士FinePix S5100 / FinePix S5500主要功能為開發依據，虛擬了相機的結構原理、安裝及拍攝/回放等功能。重點以AUTO模式/A模式/S模式/M模式/P 模式/回放模式虛擬了不同模式的拍攝效果。其交互性強大、仿真度高并對曝光度/對焦/景深具有自動化處理功能是系統的特點，特別是評價模塊對操作結果的實時、自動化統計與評價功能，是對系統的優化與擴充。

代碼2:數碼相機虛擬實驗自動評價關鍵代碼

if (af==3){//如果對焦模式所在幀為3即手動對焦

_parent.cj_mc.cjaf++; //對焦模式正確變量加1

}else{ _parent.cj_mc.cjaf2++;}//否則對焦模式錯誤變量加1

if (bb<4){//如果曝光層所在幀小于4即曝光過度

_parent.cj_mc.cjbggd++;//曝光過度變量加1

}else if (bb>6){ //如果曝光層所在幀小于4即曝光不足

_parent.cj_mc.cjbgbz++;//曝光不足變量加1

} else {_parent.cj_mc.cjbgzc++;}//否則曝光正常變量加1

if (dd>90){//對焦清晰層當前透明度大于90

_parent.cj_mc.cjdj++;//對焦正確變量加1

}else{_parent.cj_mc.cjdj2++; }//對焦錯誤變量加1

#61599;關鍵技術 系統的關鍵技術在于評價模塊的實現，即在操作過程，學生可隨時查看拍攝成績，如圖3所示，系統會自動統計出每個步驟即模式設置/AF對焦模式/對焦結果正確與錯誤操作的次數，對曝光度還能計算出曝光正常/過度/不足三種情況的操作次數。評價模塊的關鍵代碼如代碼2所示。

3 軟件系統虛擬實驗

(1) windows系統重裝虛擬實驗

#61599;功能簡介 操作系統的管理與維護是計算機初學者實驗的薄弱環節。對于課堂講解，由于系統重裝過程不支持屏幕廣播，而現有的系統重裝教程大部分為視頻格式，缺乏交互功能，無法讓學習者真正體驗實踐操作。本系統虛擬了常用操作系統windows xp的重裝過程如圖4所示。主要功能有:CMOS設置，硬盤的分區與格式化，系統安裝全過程，包括序列號的輸入與合法性檢測，區域與語言的設置，系統時鐘的設置以及用戶名的創建等。

#61599;關鍵技術 windows系統重裝虛擬實驗主要利用Flash actionScript 的Key類事件響應鍵盤按建，利用動態文本檢測虛擬序列號輸入，利用事件處理函數或事件偵聽器進行事件的檢測，如重裝之前按Delete進入CMOS設置代碼如代碼3所示。

代碼3: 鍵盤響應Key類事件

keyListener= new Object(); // 新建事件偵聽器

keyListener.onKeyDown = function() { // 利用偵聽器檢測鍵盤按鍵是否按下

on (release， keyPress \"Delete\") { //如果點擊鼠標或按下鍵盤Delete按鍵

CMOS_mc.play(); //播放相應的影片剪輯

}Key.addListener(keyListener); //將偵聽器方法賦予Key類

四 虛擬實驗的教學應用效果

1 直接教學效果

實踐證明，通過對硬件實驗的虛擬，學生快速地掌握了教育技術基本硬件的使用、管理和維護，提高了動手能力，養成規范、科學的實驗步驟與方法;虛擬數碼相機不僅有助于理解相機的構造原理，而且讓學生快速地掌握相機基本操作及專業化功能，體驗交互式的拍攝實踐。通過對操作系統及軟件系統虛擬，使學生化恐懼心理為學習樂趣，激勵學生以積極的態度主動參與實踐，增強學生學習的信心。教育技術虛擬實驗的開發與應用，其網絡性與共享性使得學生可以不受時間與空間所限制，實現一人一設備的虛擬實驗環境。虛擬設備不僅節約購進大量儀器的成本，避免學生因操作失誤對設備的損壞，而且激發了學生的學習興趣，提高實驗教學效率。

2 延伸的效果與意義

#61599;改變教學模式 虛擬實驗應用于教學變傳統的“以教促學”教學模式為“以學生為中心”的“自主學習”模式，體現建構主義強調“以學生為中心”的教學模式的觀點;符合“混合學習理論” [4]所強調的以現代化的先進技術與傳統的實驗教學手段相結合的觀點。

#61599;豐富教學內容 虛擬實驗能把抽象枯燥的實驗原理以生動形象，接近于現實的形式表現，能幫助學生理解實驗原理，激發學生的學習興趣與求知欲。并針對不同學員的個性化學習調整教學內容，有針對性地因材施教。

#61599;促進教學雙向互動 虛擬實驗的“交互功能”實現教師與學生之間的全方位的、能動性的實時交互，得到及時的反饋或請求幫助，示范等。

#61599;節省教育投資 虛擬實驗徹底打破時空限制，節省教育投資，避免真實實驗或操作所帶來的各種危險，彌補傳統實驗條件的不足;虛擬資源得到廣泛的共享，形成跨城市、跨地區的分布式教育資源網。可解決跨區域師資優化組合的問題，實現名師優課共享。

五 結束語

教育技術交互式虛擬實驗的開發，解決了虛擬實驗在教學中應用的通用性，結合教育技術學科特點，實現了強交互性與高仿真度的功能。本文研究探討的只是幾個典型案例，但教育技術專業的虛擬實驗還有很多需要我們繼續研究與開發，如虛擬攝像機、虛擬音響工程、虛擬算法、虛擬模擬電路與數字電路技術等。虛擬實驗應用于教育技術實驗教學，有利于加強師范生及教育技術專業實踐技能的培養。虛擬實驗的發展也是教育技術學科不斷完善與發展的需要。

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Research and Develop Interactive Virtual Experiments of Instructional Technology Specialty

SU Yang-na

(Department of Education，HanShan Normal University，Chaozhou，Guangdong，521041，China)

Abstract: Based on the situation of instructional technology experiment and the problems exist in virtual experiment at present， advance the importance of developing instructional technology experiment system. For the goal of realizing strong interaction and high emulation， with the classical cases of virtual hardware of multimedia classroom operated platform and the virtual digital cameral， and the virtual software of windows system setup， discuss the functions and key technologies of realizing the instructional technology virtual experiment system， finally summarize the educational effect and significance by experiment instructional practice.

Keywords: Virtual Experiment; Instructional Technology; Multimedia Classroom Operated Platform; Digital Cameral Windows System Setup

編輯:陳墨