基于網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室的預(yù)習(xí)考核系統(tǒng)

摘要：本文介紹了電工電子開放實驗教學(xué)中的一種新的應(yīng)用：基于網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室的預(yù)考核系統(tǒng)。闡述了該系統(tǒng)的硬件和軟件解決方案以及Flash軟件在該系統(tǒng)中的應(yīng)用，并用實例證明了該系統(tǒng)是提高開放實驗教學(xué)效果的比較好的方法。

關(guān)鍵詞：虛擬實驗；預(yù)考核；Flash；交互式課件

中圖分類號：G64 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1673-9795（2013）06（b）-0000-00

計算機(jī)多媒體技術(shù)的迅速發(fā)展為教學(xué)手段的改革與提高帶來了新的可能與新的方向。近年來，計算機(jī)輔助教學(xué)課件、計算機(jī)網(wǎng)上教學(xué)軟件、遠(yuǎn)程計算機(jī)教學(xué)蓬勃興起，展現(xiàn)了教學(xué)手段新一輪改革的發(fā)展方向與強(qiáng)勁勢頭，可以說，利用多媒體技術(shù)對教學(xué)手段進(jìn)行改革正方興未艾。下面介紹計算機(jī)多媒體技術(shù)的一種新的應(yīng)用：基于網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室的預(yù)習(xí)考核（后面簡稱預(yù)考核）系統(tǒng)。

1 實驗中心的現(xiàn)狀及網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗預(yù)考核的重要性

自從我校電工電子實驗教學(xué)中心開放實驗有序進(jìn)行后，學(xué)生可以在實驗中心網(wǎng)站上自行選定實驗時間和實驗內(nèi)容，實驗?zāi)Ｊ酵郧跋啾扔辛撕艽蟮淖兓?。開放實驗要求學(xué)生課前要通過預(yù)習(xí)對所做內(nèi)容進(jìn)行全盤掌握，否則會使實驗效果大打折扣，而網(wǎng)絡(luò)預(yù)考核系統(tǒng)的推出可以達(dá)到督促學(xué)生預(yù)習(xí)和檢驗預(yù)習(xí)效果的目的。圖1所示為網(wǎng)絡(luò)預(yù)考核在開放實驗中的應(yīng)用示意圖。學(xué)生遇到考核不會的情況，可以退出考核并學(xué)習(xí)實驗中心提供的課件，學(xué)會后重新開始考核。

圖1

以前的預(yù)考核系統(tǒng)采用出題的方法，這種出題的方法雖然起到了一定的作用，但是考核形式并不直觀，內(nèi)容和方式同具體實驗有很大的差別，學(xué)生對所用儀器還是很陌生，易產(chǎn)生誤操作。隨著計算機(jī)技術(shù)在實驗教學(xué)應(yīng)用中的普及，虛擬實驗的作用和優(yōu)勢日漸明顯。為了使考核方式更科學(xué)，我們采用虛擬實驗方式進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)預(yù)考核。同時這種虛擬實驗考核系統(tǒng)也是一種課件，在考核的同時完成了教學(xué)任務(wù)，可謂一舉兩得。

“虛擬實驗”就是運(yùn)用計算機(jī)相關(guān)技術(shù)模擬傳統(tǒng)現(xiàn)場實驗的環(huán)境，反映實驗的操作步驟和方法，完成有關(guān)的實驗任務(wù)，使學(xué)習(xí)者在接觸真實實驗環(huán)境和設(shè)備、器件時，已有一個初步的理解。虛擬實驗大大改變了傳統(tǒng)的教育手段，通過這一技術(shù)，人們可以在逼真的仿真環(huán)境中學(xué)習(xí)和探索現(xiàn)實生活中接觸不到的事物，研究其特點和規(guī)律。由于計算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的高速性、共享性、數(shù)據(jù)管理方便等功能特點，虛擬實驗?zāi)軌虬l(fā)揮重要的教學(xué)作用。

2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)解決方案

實驗考核系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示?？蛻羰紫仍L問位于系統(tǒng)服務(wù)器的主網(wǎng)站，選定內(nèi)容后從資源服務(wù)器調(diào)用所需的內(nèi)容，資源服務(wù)器內(nèi)容的傳輸采用流媒體技術(shù)，瀏覽者可以一邊下載一邊即時觀看、操作，而不需要等到整個互動多媒體文件下載完成。多媒體互動文件在教師機(jī)制作完成后上傳至服務(wù)器進(jìn)行補(bǔ)充或更新。

圖2

3 系統(tǒng)的軟件方案設(shè)計

3.1 開發(fā)軟件的選擇

對于虛擬實驗的開發(fā)，最理想的方法是采用VR（Virtual Reality的縮寫）技術(shù)，但VR技術(shù)對于一般計算機(jī)愛好者或操作者很難掌握，大面積推廣使用VR技術(shù)開發(fā)虛擬實驗不太現(xiàn)實。從形式上來說，網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗考核系統(tǒng)也可看作是一種課件，能制作多媒體課件的軟件很多，但最適合實現(xiàn)多媒體課件網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用的軟件非Flash莫屬。Flash是一種圖形編輯和動畫制作軟件，主要用于網(wǎng)頁的制作和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序的開發(fā)，其優(yōu)點在于：內(nèi)容豐富多彩、播放效果好；文件容量小、網(wǎng)上運(yùn)行快捷；交互性強(qiáng)；強(qiáng)大的兼容性。

3.2 課件的結(jié)構(gòu)設(shè)計

Flash是一種基于時間軸的開發(fā)工具，如果不進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計，而是將所有內(nèi)容都堆砌到時間軸的關(guān)鍵幀中，容易使內(nèi)容混亂，不利于章節(jié)內(nèi)容的組織，并且不利于開發(fā)管理，因此如何把內(nèi)容組織好是Flash制作課件的基本前提。制作前要認(rèn)真研究Flash的特點及實現(xiàn)方法，并根據(jù)其特點，合理、科學(xué)地構(gòu)建合理的整體結(jié)構(gòu)布局，使課件整體結(jié)構(gòu)邏輯性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)清晰、簡單易讀。用Flash制作的文件常見結(jié)構(gòu)類型有：動畫模擬演示型、單場景交互型、多場景導(dǎo)航型、程序腳本類、練習(xí)與測試類等。為了實現(xiàn)本系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用， 具體方法是根據(jù)化大為小的思路將課件分解為各個功能模塊，將每個模塊制作成獨立的Flash文件，利用LoadMovie命令實現(xiàn)各個模塊之間的相互調(diào)用。用這種思想設(shè)計出來的課件具備很強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)特征，有利于軟件的維護(hù)和可持續(xù)開發(fā)。例如圖3所示為電路實驗中的串聯(lián)諧振實驗預(yù)考核系統(tǒng)的框架示意圖，其中每個方框是一個場景。

圖3

利用Flash制作出來的文件既較好地實現(xiàn)了模塊化設(shè)計的思想，又使課件具備了很強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)特性。因為Flash文件在播放時，并不需要先把全部的模塊都裝載到計算機(jī)的內(nèi)存中，只需先裝載主控模塊，需要時，再在主控界面上單擊控制按鈕把其它的模塊裝載運(yùn)行。

3.3 進(jìn)行合理的界面設(shè)計

界面的設(shè)計不僅要向用戶提供一個交互性強(qiáng)的操作環(huán)境，而且還要從用戶的感觀享受等方面進(jìn)行全盤考慮。所以在界面設(shè)計時，應(yīng)該把握整體，統(tǒng)籌安排，恰當(dāng)布局，制作出和諧統(tǒng)一的課件，達(dá)到最佳的教學(xué)效果。其中要注意下面兩點：菜單力求簡明合理，層次清晰；突出重要信息。

3.4 交互功能的實現(xiàn)

Flash 提供了ActionScript 腳本編程語言，為交互式課件的制作提供了有力的開發(fā)工具。從課件交互的功能上來說，常用的人機(jī)交互方式有菜單導(dǎo)航式交互、基于鼠標(biāo)移動的交互、幀動作交互、影片剪輯動作交互、拖曳交互和基于問答題的計分式交互等。

菜單導(dǎo)航式交互主要是利用按鈕來控制內(nèi)容的跳轉(zhuǎn)，需要用到簡單的ActionScript代碼。

基于鼠標(biāo)移動的交互通常出現(xiàn)于對重點內(nèi)容或關(guān)鍵詞的一些注釋，當(dāng)鼠標(biāo)移動到文字或物品上時，鼠標(biāo)旁會給出相應(yīng)的信息，鼠標(biāo)移走后信息消失。

虛擬實驗最重要的技術(shù)之一就是如何實現(xiàn)情景化交互。情景化交互是指能在計算機(jī)中模擬現(xiàn)實生活，手動操作實驗設(shè)備的過程，包括選擇設(shè)備器材，拿起并移動設(shè)備器材，最后將設(shè)備器材在合適位置放下的整個過程。其它交互方式難以體現(xiàn)虛擬實驗的情景化交互，只有拖曳交互可以。所以，拖曳交互是虛擬實驗系統(tǒng)的關(guān)鍵交互技術(shù)，它能模擬學(xué)習(xí)者的實驗操作過程和操作方法，能在虛擬環(huán)境中獲得類似于模擬現(xiàn)場實驗的操作經(jīng)驗，如用手拿取實驗設(shè)備和實驗儀器的操作等，從而將傳統(tǒng)實驗中的操作過程和操作方法移植到虛擬實驗中，充分發(fā)揮虛擬實驗的臨場性和交互性。對拖曳動作應(yīng)設(shè)立判斷程序，如果拖曳動作不正確，要進(jìn)行相應(yīng)的提示，如果正確，使用者可繼續(xù)進(jìn)入下一操作步驟。為了能形象地表現(xiàn)拖曳過程，采用特殊的效果表現(xiàn)鼠標(biāo)的拖動過程。Flash中“拖曳動作”的實現(xiàn)主要使用HitTest（）、StartDrag（）、StopDrag（）以及自定義函數(shù)。遇到操作較為復(fù)雜的情況，例如在實驗箱上需要連接很多線的情況，答案通常不是唯一的，需要事先列出各種可能性，然后通過ActionScript編程實現(xiàn)正確或錯誤的判斷。

基于題目的交互設(shè)計主要包括評語和成績，如要統(tǒng)計考核成績，需要在開始定義全局變量，例如total=0；設(shè)置總分?jǐn)?shù)初始為0。后面每個反饋點觸發(fā)分?jǐn)?shù)的計算程序。對于正確操作和錯誤操作添加不同的代碼，通過變量的改變判斷考核通過與否。

3.5 將Flash文件集成到網(wǎng)頁中

利用Dreamweaver軟件我們可以直接在網(wǎng)頁文檔中插入Flash文件。Flash 文件可無縫集成到我們制作的網(wǎng)站中，無需彈出其他窗口，從而獲得簡潔的外觀。此外，F(xiàn)lash課件通過在“發(fā)布設(shè)置”中，選擇“HTML”選項，系統(tǒng)會自動生成一個同名的“HTML”的網(wǎng)頁文件。

3.6 需要教師具有多方面的能力

用Flash制作課件是一項綜合性的工程。編制課件的教師一方面應(yīng)具有一定傳統(tǒng)教學(xué)的經(jīng)驗，另一方面還要運(yùn)用現(xiàn)代教育理念和技術(shù)解決實際教學(xué)問題，尋求教學(xué)效果的最優(yōu)化。許多方面，例如課件素材的準(zhǔn)備，元件庫的組織以及課件色彩的搭配等等，都需要認(rèn)真考慮到。制作一個優(yōu)秀的Flash課件，界面設(shè)計要美觀大方，不落俗套，不僅需要教師教學(xué)經(jīng)驗和知識結(jié)構(gòu)的支持，還要求制作者具備策劃、設(shè)計美工、動畫制作、編程能力等，教師只有不斷加強(qiáng)自身的信息技術(shù)素養(yǎng)才能制作出好的Flash課件。

4 示例及其教學(xué)效果

實驗教學(xué)中心過去采用文字形式的預(yù)考核方式。例如電子學(xué)實驗中關(guān)于直流穩(wěn)壓電源接法的題目通常是這樣出的：

示例1：做本次數(shù)字電路實驗應(yīng)選三路穩(wěn)壓電源里的（ D ）

A：主路電源 B：從路電源 C：正負(fù)電源 D：固定5V電源

示例2：TTL數(shù)字電路實驗的Vcc是（ C ）

A：±12V B：±5 V C：+5 V D：-5 V

而在實驗過程中我們發(fā)現(xiàn)，很多同學(xué)雖然通過了考核，到了實驗室還是會接錯電源。特別是電子學(xué)集成運(yùn)算放大器實驗中±12V電源的接法，如果教師不對此特意講解，每次實驗都會有一批學(xué)生接錯或者手足無措。而采用虛擬實驗預(yù)考核方式很好地解決了此教學(xué)難點。

以下為實現(xiàn)交互功能的部分代碼（因篇幅所限，只列其中一小段）。

stop（）；

t6.d6.onRelease = function（） {

red.stopDrag（）；

red._visible=1；

delete red.onEnterFrame；

yin=\"單擊相應(yīng)的實驗箱接線端口\"；

t6.onEnterFrame = function（） {

_root.t6.createEmptyMovieClip（\"x1\"， 1）；

with （_root.t6.x1） {

lineStyle（5， 0xBA0101， 100）；

lineTo（_xmouse， _ymouse）；

}

}；

a1.onRelease = function（） {

gotoAndPlay（\"紅導(dǎo)線61\"，1）；

}；

5.結(jié)語

開放實驗的多媒體化建設(shè)和網(wǎng)絡(luò)化建設(shè)是一個前景廣闊的研究領(lǐng)域，有很多急待解決的實際問題。虛擬實驗考核雖是剛剛開始的項目，還有許多改進(jìn)之處，但可以認(rèn)為是解決開放實驗科學(xué)性的一種比較好的方案。它不但是一種管理方法，還可充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，讓學(xué)生多自學(xué)、多動腦，培養(yǎng)分析和解決問題的能力，真正起到素質(zhì)教育的作用。

參考文獻(xiàn)

[1] 曹振翀. 淺談以Flash制作多媒體課件. 廣東：廣東科技，2008（10），第25頁。

[2] 戴仁俊，陳興瑞. Flash在虛擬實驗開發(fā)中的實現(xiàn)技術(shù). 教育技術(shù)，2008（9）下半月，第15頁。