交互屏幕實驗——遠程物理實驗教育的新技術

交互屏幕實驗——遠程物理實驗教育的新技術*

黃海寧周少娜肖 化謝 春

(華南師范大學廣東 廣州510006)

*廣東省教育科研“十二五”規劃2013年度項目“基于人機交互學習系統的廣東省中學生認知失調和自我調適研究”，項目編號：2013KJ047；2013年度華南師范大學青年教師科研培育基金項目“基于人機交互學習系統的大學理科生認知失調和自我調適研究”的階段性研究成果，項目編號：13KJ18

指導教師：肖化(1958 -)，男，教授，博士生導師，主要從事物理實驗、科學教師專業發展、信息技術與物理課程整合研究．

摘 要：主要介紹了交互屏幕實驗的原理、制作方法、制作標準和在遠程教育中的發展前景，旨在為遠程物理實驗教育開拓新的視野.

關鍵詞：遠程實驗教育交互屏幕實驗人機交互

作者簡介：黃海寧(1991-)，男，在讀研究生，研究方向為信息技術在物理教育中的應用．

收稿日期：(2014-12-21)

交互屏幕實驗(簡稱ISE，即Interactive Screen Experiments)是英國開放大學物理學科教學創新研究中心(PICETL，即Physics Innovations Center for Excellence & Teaching in Learning)有關物理和天文學的電子學習材料和教學資源(E-Learning Materials and Teaching Resources Physics and Astronomy)一項重要的創新實驗技術.交互屏幕實驗是一項基于真實物理實驗的創新人機交互物理實驗技術，該項新技術為遠程物理實驗教育開拓了新的視野，具備當前很多遠程物理實驗教育所沒有的優勢.

1交互屏幕實驗的原理

交互屏幕實驗是一個高度互動的非線性實驗影像，其完全通過用戶對影像中實驗設備的旋鈕和按鈕進行拖動和單擊的控制來運行.交互屏幕實驗由數百個或數千個記錄了實驗設備每時刻狀態的圖像幀所組成.交互屏幕實驗可以在普通 web 瀏覽器中ShockWave或 Flash免費插件中使用，或將其下載到電腦中并作為一個exe文件來運行.學生使用交互屏幕實驗的效果與利用遠程控制和運行真正的實驗設備相似.但是，交互屏幕實驗跟真實實驗室或者遠程操控實驗室有著一個很重要的區別，就是前者對可能同時進行實驗的學生數沒有任何的限制，并且可以多次反復地對原本只能使用一次的真實設備進行操作和控制.這里需要注意到交互屏幕實驗并不是一種模擬或者虛擬的物理實驗.交互屏幕實驗中沒有根據相關的物理定律對其中的實驗現象進行相應的程序編碼，它所包含的實驗現象全部都是真實的，換一種角度來說，利用交互屏幕實驗，我們甚至可以發現新的科學原理.

為了能夠更好地理解交互屏幕實驗，下面將就交互屏幕實驗一個簡單的實例(觀察彈簧的伸長量和彈簧的張力之間關系的實驗，如圖1所示)，具體說明交互屏幕實驗的原理和運行方式.

圖1　交互屏幕實驗的實例截圖

在這個交互屏幕實驗的例子中，用戶通過使用電腦鼠標或其他操控設備來實現與交互式屏幕實驗的交互操作：在正常使用鼠標點擊力米表盤之后，拖動刻度盤使其轉動起來.刻度盤就會跟真實情況一樣轉動起來，伴隨著彈簧依據其旋轉方向進行伸長或者收縮.同時，在這個過程中的力(相當于彈簧的張力)將由力米表盤中的指針從刻度盤中指示出來.

對于一般的模擬或者虛擬實驗，程序員會對每個元素的行為進行編程.例如，程序員會直接運用一維線性胡克定律的情況來對彈簧的伸長量與其所受張力成正比的行為進行編碼.但是對于交互屏幕實驗，其在屏幕上所顯示的實驗圖像全部取自于真實的實驗，并且記錄下了真實實驗正在進行時的所有情形.而針對如何使得記錄了實驗現象的影像幀之間的切換轉化為用戶操作交互行為這一問題的編程和設計，成為交互屏幕實驗制作的核心問題，也是交互屏幕實驗高度交互性的源泉.總而言之，交互屏幕實驗顯示出了真實的物理現象，而不是一些理想化的現象，并且有效地打破了真實實驗室和遠程操控實驗室的諸多限制.

2交互屏幕實驗的制作

2.1交互屏幕實驗的制作軟件

交互屏幕實驗是通過美國Adobe公司開發的Director軟件來進行設計和制作的.Director軟件主要用于多媒體項目的集成開發，可以創建包含高品質圖像、數字視頻、音頻、動畫、三維模型、文本、超文本以及 Flash 文件的多媒體程序.筆者認為交互屏幕實驗使用Director軟件來進行制作有如下3個原因：

(1)Director可以從外部導入圖像、聲音、視頻、影片以及其他對象，并利用其所附帶的輔助工具進行編輯，用來創建交互的場景和影片等.

(2)Director是一個高度面向對象的工具，非常適合圖像和影像制作者使用，它所獨有的Lingo腳本可以對交互影像中各個部分進行精確的控制.

(3)Director能與Internet充分接軌，其生成的ShockWave影片在網絡中得到了很廣泛的應用.

而交互屏幕實驗的制作應遵循以下步驟：

(1)確定實驗的學習目標，根據學生所要學習的知識或者技能制定其可在交互屏幕實驗中的操作參數內容和數量.

(2)進行相應真實實驗，將整個真實實驗的過程拍攝下來，并且根據所制定的參數內容和數量，把真實實驗中各種情形下的實驗現象拍攝下來(圖像形式)，如圖2所示.

圖2交互屏幕實驗制作過程中的真實實驗現象拍攝場景[2]

(3)將拍攝到的真實實驗過程視頻和各種情形下的真實實驗現象圖像導入到Director軟件中，并且根據參數的內容對這些原始影像進行剪切和編輯.

(4)制定用戶具體操作的方式，針對參數的內容，應用Director軟件中的編程工具將記錄了實驗過程視頻和實驗現象圖像的幀之間的相互切換轉化為用戶的交互操作.

(5)多次檢驗制作出來的交互屏幕實驗的操作效果，修補出錯的漏洞，進行必要的美工處理，最后增加相應的交互屏幕實驗的操作指導、提示語和知識講解,制作成型的交互屏幕實驗如圖3所示.

圖3　制作成型的交互屏幕實驗截圖

2.2交互屏幕實驗的制作標準

我們可以對交互屏幕實驗的制作制定一些標準，以便可以給用戶提供更為便捷的使用體驗和更為有效的學習經歷.

第一個準則就是要有數量合適的可調節的參數.一個交互屏幕實驗跟真實實驗的操作越接近越好的這個理念只有在參數數量合理的情況下才是有效的.由于交互屏幕實驗是由一系列的影像組成的，所以每一個影像都是這個實驗中“參數空間”的一個點，并且通過軟件控制影像之間的交互作用.如圖1的彈簧實驗中，就只有一個變化參數，因此它的參數空間是一個簡單的一維影像的矩陣.在兩個參數的情況下，參數空間就是二維的(影像矩陣)并依此類推.顯然，當參數數量在增加時，這些影像的數量會增長得非常迅速，這樣就會嚴重影響到交互屏幕實驗的制作和傳送.解決這個問題的辦法可以是限制參數的數目或者讓參數表現出限定的實驗狀態，當然這些限定的狀態至少包含與將要進行的實驗相關的實驗情形和與用戶學習內容相關的實驗現象.

第二個準則就是確保交互屏幕實驗的平臺獨立性.交互屏幕實驗作為遠程教育的一項新技術，我們不能忽略這樣的一個問題：這些資源必須能夠在用戶們所擁有的或所在學習場所的所有電腦系統中使用.因此在這里就要求交互屏幕實驗必須要獨立于各種系統平臺.為了確保這個準則的實現，我們可以使用一些方便獲取和容易安裝的支持軟件，并且在必要時可以根據不同的系統平臺兼容情況來制作相應的版本.確保交互屏幕實驗的平臺獨立性是其質量監控和檢測的一個重要方面.

雖然已經確保了交互屏幕實驗的平臺獨立性，但是仍然需要將這些資源傳送出去.這里就涉及交互屏幕實驗的第三個準則——在考慮數據傳輸速率的基礎上，制定合適的文件容量.交互屏幕實驗傳送的主要限制因素是數據傳輸的速率和資源文件的大小.假設一個基于互聯網的傳遞方式，那么學生獲取資源所需的時間很大程度受限于網絡連接的速度.網絡傳輸速率在國家與國家之間，甚至在一個國家中，特別在城市和鄉村之間都會有很大的差異.而在資源文件容量的方面，一個規模大、具有眾多的參數、畫質高清的交互屏幕實驗不僅需要花費相當長的時間來獲取，而且也可能占用用戶計算機的不少可用資源.因此，一個優秀的交互屏幕實驗是可以便捷進行訪問，能夠以合理的時間傳送到用戶的計算機之中，并且不會過度占用學生計算機中的資源.

在交互屏幕實驗的設計和開發階段,上述的所有標準都需要去考慮和處理.因此，交互屏幕實驗的制作需要根據目標用戶的實際情況來考慮其需要達到的學習成效、最終資源的文件大小和相應的傳送方式.

3交互屏幕實驗的發展前景

上文討論的彈簧實例(圖1)是一個結果具有固定性質的物理實驗(即給定的一組參數值總會產生一個固定的實驗結果),但是并不是所有的實驗過程或實驗結果都會按照這樣的模式呈現.例如，觀察放射性元素衰變的實驗時，單位時間內的放射性計數率總是在圍繞一個平均值不停地擺動，這就是核衰變實驗中統計偏差的表現，而這樣均值的統計偏差也反映了核衰變的重要統計行為和特點.對于這樣的會出現隨機的、不確定的統計偏差結果的實驗似乎不可能在交互屏幕實驗中實現，恰恰相反，這是交互屏幕實驗極具發展潛力的優勢.

根據前面的闡述，我們知道一個交互式屏幕實驗是由一系列有行為關聯的影像所組成的，每個影像都是取自于真實實驗的一個確定狀態.同樣的，一個計時器或類似儀器的每一個讀數可被認為是這個實驗的一個獨立狀態.因此，當交互屏幕實驗中可由用戶操控的參數所產生的實驗結果是從一個擁有足夠多實驗數據的數據庫中隨機提取時，那么具有統計偏差性質的交互屏幕實驗就可以實現.比如在放射性元素衰變的實驗中，用戶在操控了交互屏幕實驗之后，實驗中放射性計數結果將通過網絡在一個擁有足夠多的相應實驗結果數據的數據庫中隨機提取，而這個隨機的計數結果將在交互屏幕實驗中的可視元素中展示出來.而功能強大的Adobe Director軟件為這種具有統計偏差性質的交互屏幕實驗提供了開發技術上的支持.在Adobe Director軟件中，開發者可以將交互界面、數據庫聯接和因特網聯接技術集成于一個多媒體交互作品當中.

當我們意識到交互屏幕實驗可以很好地應用在這類具有統計偏差性質的實驗的重要性時，交互屏

幕實驗廣泛使用到物理學甚至是科學以外領域的大門將被打開.當這些隨機的、不確定的現象可以很好地展現在交互屏幕實驗上時，交互屏幕實驗應用范圍將是無限寬廣的.然而，我們也需要看到交互屏幕實驗的實現與發展需要大量技術、教學實踐和想象力的投入，但我們相信隨著信息技術的快速發展和廣泛應用，交互屏幕實驗將會擁有更為廣闊的發展前景.

參 考 文 獻

1Hatherly P A, Jordan S E, Cayless A. Interactive screen experiments-innovative virtual laboratories for distance learners. European Journal of Physics, 2009, 30(4):751

2Sally Jordan, Diane Butler and Paul Hatherly. CETL impact: case studies from S104 Exploring Science. [DB/OL].Presentation from 3rd OpenCETL Conference, 24th September 2008

3李偉. 英國開放大學的電子評估及對我國遠程教育的啟示——電子評估在物理和天文學科的實踐探索. 中國遠程教育, 2012 (2)

4王海榮. 英國開放大學物理學課程學習支持服務的實踐研究及啟示——物理教與學卓越中心報告述評. 中國遠程教育, 2011 (12)

5Higher Education Academy Physics Higher Education Conference 2008 (Edinburgh)archive,http://www.heacademy.ac.uk/assets/ps/documents/events/phec_08/interactive_screen_experiments.zip(accessed 9thMarch 2009)