遠程教育物理虛擬實驗平臺的構建

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一、遠程教育的形式和層次

遠程教育環境是一個在遠距離情況下進行的教學交流環境。傳統的教育形式主要是面對面的教學。而遠程教育則利用通信手段，教師和學生可以分別在不同的地方，在相同的時間或不同的時間進行教學活動。廣義的遠程教育發展經歷了幾種不同的形式：函授、廣播電視教育、網絡教育等。這些不同形式的網絡教育又可以分成兩個層次：一是EOD（EducationonDemand）：學生通過計算機網絡，特別是Internet訪問預先制作的課件來進行教學。二是實時在線網絡教育：使用多媒體技術在計算機網絡上構造一個虛擬教育環境。當今世界遠程教育發展得如火如荼，在物理遠程教育中，由于教學機構與學生在空間上分離，學生無法到學校實驗室做具體的實驗，這已經成為了制約遠程教育質量的一個重要因素。近年來，由于虛擬儀器和網絡技術的飛速發展，通過網絡來構建虛擬物理實驗室已經成為可能，網上實驗已成為遠程教學研究的重要方向。

二、虛擬實驗平臺構建的理論基礎

在遠程教育物理虛擬實驗平臺的構建過程中，有兩條清晰的線索：一是計算機及網絡技術，二是起引導作用的學習理論、教學設計理論和計算機輔助教學理論。在諸多理論基礎中，教學設計理論和CAI理論指導了網絡技術如何在教育領域中應用，解決了怎么做的問題；而學習理論解釋了為什么這樣做的問題。根植于認知理論而發展起來的建構主義學習理論被越來越多研究者所接受，蓬勃發展的合作學習理論更是為虛擬平臺的構建提供了獨特的應用視角，下文重點講述學習理論對虛擬實驗平臺構建的基礎作用。遠程教育以建構主義學習理論作為其重要指導思想，而基于遠程教育的物理虛擬實驗平臺的建構也正是運用了此理論來指導。建構主義為以學為中心的教育和學習提供了理論基礎。在建構主義基本觀點的基礎上，許多心理學家進行了更為深入的研究，并根據各自所關注的學習和教學問題提出了各種觀點，從而形成了建構主義的各種流派。在這些流派中，認知靈活性理論為遠程教育物理虛擬實驗平臺的系統設計提供了最合適的理論模型，它的目的是促進復雜或非良構領域高級知識的獲取。認知靈活性理論使用超文本為知識的多維表征的多種互連交叉重新安排教學序列，這些特征與虛擬實驗平臺構建的性質非常相符。認知靈活性理論是美國心理學家斯皮羅提出的。所謂的認知靈活性，就是指學習者通過多種方式同時建構自己的知識，以便在情景發生根本變化的時候能夠做出適宜的反應。斯皮羅認為，建構的過程是雙向的。首先，對新信息的理解是通過運用已有的經驗，超越所提供的信息建構而成的；其次，從記憶系統中所提取的信息本身，也要按具體情況進行建構，而不單是提取。建構一方面是對新信息意義的建構，同時又包含對原有經驗的改造和重組。斯皮羅等人認為，由于非良構領域存在概念的復雜性和實例的多樣性，應用這種事先包裝好了的圖式是不合適或不恰當的，我們不只是提取記憶中原封不動的知識結構來幫助新意義的建構，而是在已有心理表征的組織結構中提取先前知識，針對當前具體情景進行新的組裝。因此，學習者是將各種知識源記在一起，加以適當的整合，以適應情景的理解和問題的解決。

三、虛擬現實技術的要求

（一）什么是虛擬現實技術（VirtualReality）。虛擬現實技術又稱靈境技術，它利用三維圖形生成技術、多傳感交互技術以及高分辨顯示技術，生成三維逼真的虛擬環境，使用者戴上特殊的頭盔、數據手套等傳感設備，或利用鍵盤、鼠標等輸入設備，便可以進入虛擬空間，成為虛擬環境的一員，進行實時交互，感知和操作虛擬世界中的各種對象，從而獲得身臨其境的感受和體會。有人給虛擬現實技術下了如下的定義：虛擬現實技術是利用計算機生成一種模擬環境（如一個現代化的粒子物理實驗室），通過多種傳感設備使用戶“投入”到該環境中，實現用戶與該環境直接進行自然交互的技術。（二）虛擬技術的特點。一是更自然的交互性。二是多感知性。即除了一般計算機所具有的視覺感知外，還有聽覺感知、觸覺感知、運動感知等。三是沉浸性。指用戶感到作為虛擬環境中的一員存在于虛擬環境之中。如當用戶移動頭部時，虛擬環境中的視景也實時地跟隨變化，拿起物體可使物體隨著手的移動而運動。四是自主性。是指虛擬環境中物體依據物理定律而動作。如當受到力的推動時，物體會向力的方向移動、或翻倒、或從桌面落到地面等。

四、虛擬物理實驗室的開發

網絡虛擬物理實驗就是在web中創建出一個可視化的三維環境，其中每一個可視化的三維物體代表一種實驗對象。通過鼠標的點擊以及拖曳操作，用戶可以進行虛擬的實驗。使用該系統，學生可以很容易地演示和控制力的大小、物體的形變與非形變碰撞、摩擦系數等物理現象。為了顯示物體的運動軌跡，可以對不同大小和質量的運動物體進行軌跡追蹤。還可以停止時間的推移，以便仔細觀察隨時間變化的現象。學生可以通過使用數據手套與系統進行各種交互。網絡虛擬物理實驗室實現的基礎是虛擬現實技術、網絡技術與儀器技術的結合。虛擬儀器技術與認知模擬方法的結合也賦予虛擬實驗室智能化特征，無論是學生還是教師，都可以自由地、無顧慮地隨時進入虛擬實驗室操作儀器，進行各種實驗。不但為實驗類課程的教學改革及遠程教育提供了條件和技術支持，還可以隨時為學生提供更多、更新、更好的儀器。通過網絡物理虛擬實驗室，能夠利用計算機在網絡中模擬一些實驗現象。它不僅僅能夠提高遠程教育的教學效果，更加重要的是一些缺乏實驗條件的學生，通過網絡同樣能夠“身臨其境”地觀察實驗現象，甚至和異地的學生合作進行實驗。

五、目前虛擬物理實驗室技術的應用

（一）使用JAVA進行開發。JAVA語言是最重要的一種網上通用語言，使用它開發的程序具有兩種層次上的可移植性能，即源代碼級可移植性和二進制級可移植性，JVM（JAVA虛擬機）的存在使得這種可移植性成為了可能。目前，Internet中最多的也是依此構建的虛擬物理實驗室系統。（二）使用ActiveX控件進行開發。ActiveX技術允許不同軟件開發的組件在網絡上互相進行操作。ActiveX使用了微軟的組件對象技術使得本地的組件可以和網絡上的組件進行通信，使用ActiveX進行開發的另一個好處在于它的代碼復用性，也就是說在虛擬實驗室的開發過程中，一個實驗儀器可以在多個實驗環境中重復使用，這一點對于持續開發過程尤為重要。目前國內利用ActiveX技術開發出來的系統有：大連理工大學的氣相色譜儀。（三）使用VRML技術進行三維虛擬實驗室的開發。VRML本質上是一種面向web，面向對象的三維造型語言，也是在Internet網上實現虛擬現實的關鍵性技術。它的基本原理是用文本信息描述三維場景，在Internet網上傳輸，在本地計算機上由VRML的瀏覽器解釋生成三維場景，解釋生成的標準規范即是VRML規范。正是這種思想使得在Internet上傳輸很少的數據，就可以在web上實現三維虛擬場景瀏覽。用VRML實現與Internet虛擬現實交互有幾個好處，即豐富了媒體表現形式、協同工作角色的可視化管理、改善了協同環境的用戶界面、增強了協同環境的交互性?？梢姡瑢RML融合到網上虛擬實驗室的開發過程，既可以增強表現力和用戶的接受度，又可以營造較好的協同工作虛擬化環境。（四）QuickTimeVR技術。這是一種實景建模的虛擬現實技術，和傳統的虛擬現實技術的不同之處在于其實現平臺只需PC機，而不需要圖形工作站或者數據手套等高額昂貴的硬件設備支持。和傳統影視媒體相比，傳統影視媒體只能按照錄制的順序播放，參與者不可改變其播放順序，缺乏交互性；而QuickTimeVR技術使參與者可以自己控制體驗的進程和順序，可以挑選自己感興趣的環節而略過其它部分。和傳統虛擬現實技術相比，QuickTimeVR不需要特殊的硬件和附屬設備，在普通的PC機或Macintosh機上即可實現虛擬現實的效果。QuickTimeVR可以應用照片、錄像或數字圖象來創建虛擬環境，這就不同于靜止的CAD或GIS制作，使它有著比傳統虛擬現實技術更高的真實感、更豐富的圖像和更鮮明的細節特征。

作者:徐玲 單位:南京鐵道車輛高級技工學校