基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬實驗環(huán)境構(gòu)建

葛巖 陸熙鵬 孫子晟 孫艷 北華大學(xué) 計算機(jī)科學(xué)技術(shù)學(xué)院

引言

虛擬實驗作為真實實驗的必要補(bǔ)充，學(xué)生可以不受時間和空間的限制，隨時進(jìn)入虛擬實驗室操作儀器，進(jìn)行各種實驗，豐富學(xué)生對實驗設(shè)備的感性認(rèn)識，加深學(xué)生對教學(xué)內(nèi)容的理解。

1 網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗環(huán)境的設(shè)計概述

“環(huán)境意味著中心事物在特定活動展開的過程中賴以持續(xù)的情況和條件”。針對于虛擬實驗環(huán)境，即是虛擬實驗活動進(jìn)行過程中所依賴的條件，包括物質(zhì)條件和非物質(zhì)條件。其中物質(zhì)條件主要指實驗設(shè)備、實驗場地等；非物質(zhì)條件包括虛擬實驗教學(xué)開展過程中所實施的教學(xué)策略、教學(xué)思想等。精心設(shè)計虛擬實驗的非物質(zhì)條件和物質(zhì)條件，才能使虛擬實驗教學(xué)順利開展。

2 虛擬實驗環(huán)境的構(gòu)建

結(jié)合大學(xué)物理實驗中避雷針的開發(fā)實例，說明如何結(jié)合物質(zhì)條件和非物質(zhì)條件實現(xiàn)基于Web 虛擬實驗。《避雷針》是理工科大學(xué)本科學(xué)生必做的一項實驗，目的是通過此實驗觀察火花放電的發(fā)生過程及條件，鞏固課堂上所學(xué)的基本理論知識，加深對原理的理解，懂得現(xiàn)實生活中的相關(guān)自然現(xiàn)象，培養(yǎng)和提高學(xué)生的科學(xué)實驗?zāi)芰2]。實驗原理是放電現(xiàn)象在何處發(fā)生取決于尖端電極和球型電極與平板電極的距離。如果尖端電極和球型電極與平板電極的距離相等，尖端電極放電，而球型電極未放電。若尖端電極與平板電極之間的距離大于球型電極與平板電極之間的距離，放電在球型電極與平板電極之間發(fā)生。

按照系統(tǒng)的定義，虛擬實驗環(huán)境系統(tǒng)是由學(xué)習(xí)者、學(xué)習(xí)行為、學(xué)習(xí)情境和環(huán)境中融合的技術(shù)、以及最終構(gòu)建起來的環(huán)境五個基本要素組成的系統(tǒng)，是物質(zhì)條件和非物質(zhì)條件的統(tǒng)一體。其設(shè)計過程首先圍繞LACT 四個基本要素展開：

2.1 學(xué)習(xí)者分析

《避雷針》是理工科大學(xué)本科二年級學(xué)生的實驗課內(nèi)容，通過抽樣性的訪談，了解到本實驗的學(xué)習(xí)者計算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)利用水平較強(qiáng)，但潛意識中對實驗課的重視程度不夠，同時，在師生時空相對分離的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，需激發(fā)他們的學(xué)習(xí)動機(jī)，喚醒自主學(xué)習(xí)的意識，通過分析學(xué)習(xí)者現(xiàn)有的學(xué)習(xí)起點和認(rèn)知風(fēng)格，為學(xué)生提供生動、逼真的實驗環(huán)境，對學(xué)生的學(xué)習(xí)過程和結(jié)果進(jìn)行客觀評價，從而調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動機(jī)，促使學(xué)生持續(xù)學(xué)習(xí)下去，繼而保證整個網(wǎng)絡(luò)教育的質(zhì)量。

2.2 學(xué)習(xí)行為分析

利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)生成的三維場景是“活”的，通過鼠標(biāo)點擊、移動等，改變或影響虛擬環(huán)境，就如在現(xiàn)實中改變自己周圍的環(huán)境一樣，即能夠進(jìn)行實驗場景的漫游。學(xué)生在做過實驗之后，清晰地感知了實驗現(xiàn)象，但要想透徹的把握實驗原理，靈活地遷移和應(yīng)用學(xué)到的知識，還需學(xué)習(xí)者自己對特定問題的鉆研，與伙伴交流，因此，創(chuàng)建資源檢索模塊，同步異步討論模塊顯得更有意義。

對于用戶來說，場景信息是相對穩(wěn)定的，比如教學(xué)樓、教室、桌椅、實驗器材。具體分析真實實驗室設(shè)計格局、物品擺放、光線材質(zhì)等各個方面因素，利用3DS max 建模工具來建立了一個虛擬教室，使學(xué)習(xí)者進(jìn)入實驗室有種身臨其境之感，有利于保持學(xué)習(xí)者注意力并增強(qiáng)其對實驗探索的興趣。同時，學(xué)習(xí)者和虛擬教室之間不是孤立的，兩者有一個交互的過程。用戶通過操縱鼠標(biāo)，改變了視點的位置或視線方向，從而實現(xiàn)用戶在虛擬教室中的漫游。

在實驗的操作部分，先用三維動畫呈現(xiàn)如何將不同的裝置按次序安裝，同時配以文字性的解釋和說明，可以讓學(xué)習(xí)者明白操作的程序，加深對實驗步驟的理解。利用鼠標(biāo)操作實驗來找出其操作規(guī)律，如果把尖端電極和球形電極放上去，并且接通電源，根據(jù)尖端電極與平板電極、球型電極與平板電極的距離的距離情況，產(chǎn)生不同的實驗現(xiàn)象，學(xué)生了解到不同的放置方法會得到不同的反饋，從而在學(xué)習(xí)者腦海中建立起一套行動的規(guī)則，無意識的獲得了“知道怎樣”的知識。

學(xué)習(xí)者的自主學(xué)習(xí)還需有和實驗內(nèi)容相關(guān)的資源庫的支持，利用檢索工具可幫助學(xué)習(xí)者在最短的時間內(nèi)找到有價值的資源，緩解了學(xué)習(xí)者急迫的心理狀態(tài)。學(xué)習(xí)者在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下進(jìn)行實驗活動，相關(guān)的管理與幫助是必不可少的，起到一定的監(jiān)控作用。還要有認(rèn)知工具的支持，以促進(jìn)學(xué)習(xí)者之間、學(xué)習(xí)者和教師之間的相互交流，也可用它來表征自己的思想，進(jìn)行信息與資源的獲取、分析、處理等。

2.3 學(xué)習(xí)情境設(shè)計

建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論認(rèn)為學(xué)習(xí)是在特定情境中展開的[3]。本實驗將《避雷針》虛擬實驗原理與生活實際緊密結(jié)合，使學(xué)生意識到熟知《避雷針》實驗原理的重要性，引起學(xué)生回憶已學(xué)的舊知識，促進(jìn)學(xué)生新知識的意義建構(gòu)。

在實驗部分，利用Virtools 技術(shù)創(chuàng)設(shè)真實問題情境，將實驗原理和生活實踐結(jié)合起來，讓學(xué)生帶著問題來學(xué)習(xí)。例如，在學(xué)生學(xué)習(xí)這部分內(nèi)容時，為了讓學(xué)生更好地了解本實驗原理在自然界產(chǎn)生的現(xiàn)象，在做實驗之前，先讓他們觀看一段“雷電暴風(fēng)雨時，一個在空曠平坦的田野上行走的人，被雷擊了”的視頻，為學(xué)生創(chuàng)設(shè)了一個問題情境，促進(jìn)學(xué)生積極主動地、自由地(而非迫于外界壓力)想象、思考、探究，解決問題或發(fā)現(xiàn)規(guī)律，并伴隨著一種積極的情感體驗。這種情感體驗包括對知識的渴求、探索問題的欲望、問題解決后的激奮等等。

以上三部分構(gòu)成虛擬實驗非物質(zhì)條件的設(shè)計，創(chuàng)設(shè)能夠促進(jìn)學(xué)習(xí)者主動學(xué)習(xí)的網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)環(huán)境。為了讓學(xué)習(xí)者在操作中自主學(xué)習(xí)，有意識地創(chuàng)設(shè)類似真實實驗室的實驗場地，讓學(xué)習(xí)者動手操作，主動參與，借助操作啟動思維，使學(xué)習(xí)者從被動接受知識變?yōu)橹鲃荧@取知識。為了讓學(xué)習(xí)者在知識的遷移中自主學(xué)習(xí)，設(shè)計了與學(xué)習(xí)者個人的經(jīng)歷相關(guān)的問題情境，這樣才能對其學(xué)習(xí)新知識起促進(jìn)作用，使學(xué)習(xí)者的主體作用得到發(fā)揮。

2.4 技術(shù)分析與實現(xiàn)

從表1 中可知，基于2D 的網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗環(huán)境與基于3D 的網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗環(huán)境相比，真實感較差，因而提供的學(xué)習(xí)環(huán)境不及后者生動逼真?；?D 的網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗系統(tǒng)為學(xué)習(xí)者提供以三維動態(tài)形式呈現(xiàn)的學(xué)習(xí)內(nèi)容，可以靈活控制場景中的對象，使其在這一環(huán)境中具有較好的真實感和沉浸感。由于上述二種類型都有其優(yōu)缺點，有必要將JSP 和Virtools 技術(shù)融合在一起，優(yōu)勢互補(bǔ)，即能滿足當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)囊螅帜茉鰪?qiáng)了學(xué)生實驗的臨境感，真正的發(fā)揮教育教學(xué)的作用。

表1 二種常見虛擬實驗系統(tǒng)的對比

3 總結(jié)

本文融合2D 和3D 虛擬實驗技術(shù)開發(fā)的優(yōu)缺點，設(shè)計并開發(fā)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的虛擬實驗環(huán)境。網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗環(huán)境真實感強(qiáng)、資源豐富、交互性好，能進(jìn)一步促進(jìn)網(wǎng)絡(luò)實驗教學(xué)的可持續(xù)發(fā)展。