復(fù)雜場景下數(shù)字化教學(xué)視頻拍攝與評價虛擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計

劉永貴，申靈靈，張剛要，劉 峰

復(fù)雜場景下數(shù)字化教學(xué)視頻拍攝與評價虛擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計

劉永貴，申靈靈，張剛要，劉 峰

（南京郵電大學(xué) 教育科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 210023）

進(jìn)行復(fù)雜場景下數(shù)字化教學(xué)視頻的拍攝與基于眼動儀認(rèn)知效果評價數(shù)據(jù)的改進(jìn)，存在高風(fēng)險、高成本與倫理限制。該文提出虛擬野外青蛙生存場景拍攝實(shí)驗(yàn)、虛擬博物館實(shí)景授課場景拍攝實(shí)驗(yàn)、基于虛擬眼動儀的數(shù)字化教學(xué)視頻認(rèn)知效果評價實(shí)驗(yàn)的設(shè)計思路。學(xué)生按照“拍攝—效果評估—改進(jìn)”的過程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)和提高在復(fù)雜場景中綜合應(yīng)用教學(xué)媒體設(shè)計、視頻拍攝、學(xué)科知識可視化等多項(xiàng)知識與技能的能力。

數(shù)字化教學(xué)視頻；眼動儀；復(fù)雜場景；虛擬仿真

數(shù)字化教學(xué)視頻資源的開發(fā)是教育技術(shù)學(xué)專業(yè)學(xué)生的基本實(shí)踐能力之一。隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，社會與學(xué)校對數(shù)字化教學(xué)視頻的需求日趨旺盛。數(shù)字化教學(xué)視頻不僅有教師課堂講授視頻，還有拍攝于真實(shí)場景中的數(shù)字化視頻[1]。符合事物運(yùn)動變化規(guī)律的視頻教學(xué)資源是幫助學(xué)習(xí)者掌握事物內(nèi)在規(guī)律、發(fā)揮視頻學(xué)習(xí)價值非常有效的方式。農(nóng)業(yè)、林業(yè)、體育、地理等學(xué)科的教學(xué)均需要此類數(shù)字化教學(xué)視頻。因此，要求教育技術(shù)學(xué)專業(yè)的學(xué)生具有較好數(shù)字化教學(xué)視頻設(shè)計開發(fā)能力，學(xué)習(xí)和掌握真實(shí)場景下數(shù)字化教學(xué)視頻的拍攝技能[2]，學(xué)會使用眼動儀等高端實(shí)驗(yàn)設(shè)備對數(shù)字化教學(xué)視頻的效果進(jìn)行測試，并根據(jù)評價數(shù)據(jù)提升數(shù)字化教學(xué)視頻設(shè)計與開發(fā)水平[3-4]。

1 開發(fā)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的必要性分析

1.1 降低復(fù)雜實(shí)景拍攝的成本和風(fēng)險

真實(shí)場景復(fù)雜多變，很難在學(xué)校演播室、實(shí)驗(yàn)室完美復(fù)現(xiàn)；而森林、火山、田野、工廠等真實(shí)場景的拍攝成本高，并存在安全等問題，難以安排學(xué)生實(shí)地練習(xí)。這使得復(fù)雜場景下的數(shù)字化教學(xué)視頻拍攝實(shí)驗(yàn)難以開展。借助虛擬仿真技術(shù)創(chuàng)設(shè)高度仿真的復(fù)雜場景拍攝實(shí)驗(yàn)，有助于培養(yǎng)學(xué)生在復(fù)雜場景中以合理的機(jī)位布置、調(diào)度、布光，恰當(dāng)運(yùn)用景別、鏡頭，拍攝出契合事物特征以及適合學(xué)生認(rèn)知規(guī)律的數(shù)字化教學(xué)視頻。

1.2 規(guī)避教學(xué)視頻認(rèn)知效果評價實(shí)驗(yàn)的倫理限制

使用眼動儀、腦電儀分析學(xué)習(xí)者的視覺信息加工機(jī)制，分析視覺信息設(shè)計對人認(rèn)知活動的影響，以對視覺產(chǎn)品設(shè)計與開發(fā)做出評估，是當(dāng)前教育心理、媒體設(shè)計等領(lǐng)域的重要研究方式[5-7]。但因眼動儀、腦電儀等設(shè)備的昂貴，及人體實(shí)驗(yàn)受到倫理限制，無法成為數(shù)字化教學(xué)視頻對學(xué)習(xí)者認(rèn)知效果影響的評價手段；而創(chuàng)建虛擬仿真的眼動儀實(shí)驗(yàn)場景，能為學(xué)生提供可靠、安全、經(jīng)濟(jì)、符合倫理規(guī)范的數(shù)字化教學(xué)視頻效果評價實(shí)驗(yàn)條件。

2 實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)設(shè)計

本虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目是面向教育技術(shù)學(xué)專業(yè)學(xué)生的數(shù)字化教學(xué)視頻設(shè)計開發(fā)高階能力培養(yǎng)的綜合實(shí)驗(yàn)，是“教學(xué)技術(shù)與媒體”“數(shù)字視頻設(shè)計與開發(fā)”“數(shù)字化學(xué)習(xí)資源設(shè)計與開發(fā)”等課程實(shí)驗(yàn)的拓展與提升。數(shù)字化教學(xué)視頻設(shè)計開發(fā)能力實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系如圖1所示。

圖1 數(shù)字化教學(xué)視頻技能訓(xùn)練實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系

本虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目是以學(xué)生在上述課程教學(xué)中所掌握的基本知識、技能為基礎(chǔ)，重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生在復(fù)雜場景中綜合應(yīng)用拍攝、布光、學(xué)科知識可視化、教學(xué)視頻媒體信息設(shè)計等知識與技能，拍攝出能反映事物在復(fù)雜、真實(shí)環(huán)境的特征屬性，形象化呈現(xiàn)科學(xué)知識的數(shù)字化教學(xué)視頻。具體實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)為：

（1）掌握學(xué)習(xí)內(nèi)容及其對應(yīng)的復(fù)雜環(huán)境分析技能，能在數(shù)字化教學(xué)視頻設(shè)計原則指導(dǎo)下[8]，根據(jù)對復(fù)雜場景的分析，進(jìn)行機(jī)位布置、景別與鏡頭運(yùn)用、曝光設(shè)置、燈光布置[9]，拍攝出符合學(xué)習(xí)內(nèi)容特征與學(xué)生認(rèn)知的數(shù)字化教學(xué)視頻；

（2）學(xué)會眼動儀操作，掌握用眼動儀進(jìn)行數(shù)字化教學(xué)視頻認(rèn)知效果評價及其數(shù)據(jù)采集方法；

（3）提高教學(xué)媒體設(shè)計、視頻拍攝、學(xué)科知識可視化等知識與技能的綜合應(yīng)用能力，提高復(fù)雜場景下數(shù)字化教學(xué)視頻拍攝能力。

3 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計

本虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目需要學(xué)生學(xué)習(xí)4方面的技能：

技能1：數(shù)字化教學(xué)視頻設(shè)計策略；

技能 2：復(fù)雜場景下數(shù)字化教學(xué)視頻拍攝中的多機(jī)位布置、調(diào)度，及鏡頭的景別與運(yùn)動技巧運(yùn)用；

技能3：復(fù)雜場景中的曝光設(shè)置、燈光布置；

技能 4：基于眼動儀數(shù)據(jù)的數(shù)字化教學(xué)視頻認(rèn)知效果評價技能。

為使學(xué)生掌握以上4方面技能，創(chuàng)設(shè)了虛擬野外青蛙生存場景拍攝實(shí)驗(yàn)、虛擬博物館實(shí)景授課場景拍攝實(shí)驗(yàn)、基于虛擬眼動儀的數(shù)字化教學(xué)視頻認(rèn)知效果評價實(shí)驗(yàn)等3個實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目（見圖2、圖3、圖4）。

（1）野外青蛙生存場景拍攝實(shí)驗(yàn)。模擬生物類專業(yè)數(shù)字化教學(xué)視頻拍攝場景（地理、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、體育等專業(yè)的場景拍攝實(shí)驗(yàn)與此類似）。學(xué)生基于對學(xué)習(xí)內(nèi)容所描述對象及其所處復(fù)雜場景的分析，進(jìn)行多機(jī)位布局與視頻媒體信息呈現(xiàn)方式設(shè)計，選擇恰當(dāng)?shù)臋C(jī)位，運(yùn)用景別、鏡頭技巧，呈現(xiàn)學(xué)習(xí)內(nèi)容所描述事物的特征屬性。

圖2 野外青蛙生存場景

圖3 博物館實(shí)景授課場景

圖4 眼動儀實(shí)驗(yàn)場景

（2）博物館實(shí)景授課場景拍攝實(shí)驗(yàn)。模擬文物、歷史等專業(yè)室內(nèi)拍攝數(shù)字化教學(xué)視頻的場景。此實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目重點(diǎn)要求學(xué)生掌握對室內(nèi)復(fù)雜光線場景中曝光與被拍攝對象顏色、細(xì)節(jié)、形態(tài)等信息呈現(xiàn)關(guān)系的分析，能在多個被拍攝對象光線差異較大情境下，進(jìn)行曝光度、黑白平衡、拍攝模式設(shè)置，能利用反光板、攝像燈補(bǔ)光，確保數(shù)字化教學(xué)視頻對復(fù)雜光線環(huán)境下事物特征屬性的正確呈現(xiàn)。

（3）基于眼動儀的復(fù)雜場景視頻效果評價實(shí)驗(yàn)。通過對虛擬眼動儀的操作和應(yīng)用，了解眼動儀結(jié)構(gòu)、功能、使用流程、基本參數(shù)設(shè)置，理解眼動儀數(shù)據(jù)分析與數(shù)字化教學(xué)視頻構(gòu)圖、曝光、鏡頭的關(guān)系[10-11]，掌握用眼動儀進(jìn)行數(shù)字化教學(xué)視頻認(rèn)知效果數(shù)據(jù)的采集和分析。

4 實(shí)驗(yàn)原理與實(shí)驗(yàn)步驟設(shè)計

4.1 實(shí)驗(yàn)原理

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)按照“拍攝—基于眼動儀的視頻效果評估—改進(jìn)”的模式進(jìn)行。在實(shí)驗(yàn)中，學(xué)習(xí)者結(jié)合復(fù)雜場景的環(huán)境特征及所呈現(xiàn)的教學(xué)內(nèi)容屬性，綜合設(shè)計拍攝方案，布置虛擬攝像機(jī)機(jī)位，設(shè)置光圈、焦距等參數(shù)，利用攝像燈、反光板等進(jìn)行布光，完成虛擬拍攝。隨后設(shè)置眼動儀參數(shù)，用眼動儀對所拍攝視頻的認(rèn)知效果進(jìn)行測試，根據(jù)測試結(jié)果完善數(shù)字化教學(xué)視頻拍攝設(shè)計與拍攝技巧。在這一過程中，完成多門知識與技能的融會貫通，掌握復(fù)雜場景下數(shù)字化教學(xué)視頻拍攝技能。

本虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目依托虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，將實(shí)驗(yàn)參數(shù)分為6類，參數(shù)控制方式如表1所示[12-13]。實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生通過鍵盤輸入、鼠標(biāo)拖動、方向鍵控制等方式控制實(shí)驗(yàn)參數(shù)，完成復(fù)雜環(huán)境下數(shù)字化教學(xué)視頻的拍攝與效果評價實(shí)驗(yàn)。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)與參數(shù)控制方式設(shè)計

本虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中的參數(shù)控制與物理、化學(xué)等專業(yè)實(shí)驗(yàn)不同。在復(fù)雜場景下拍攝出好的數(shù)字化教學(xué)視頻，其合理參數(shù)不是唯一值，而是在某一范圍內(nèi)變化。所以在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生對多數(shù)參數(shù)的控制不是通過精確輸入數(shù)值，而是通過鼠標(biāo)或鍵盤控制虛擬設(shè)備完成，其操作與真實(shí)操作行為高度相似。

4.2 實(shí)驗(yàn)步驟設(shè)計

實(shí)驗(yàn)步驟主要圍繞3個實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計，如圖5所示。實(shí)驗(yàn)步驟的設(shè)計緊緊圍繞實(shí)驗(yàn)技能點(diǎn)，并以具體的實(shí)驗(yàn)任務(wù)引導(dǎo)學(xué)生完成相應(yīng)實(shí)驗(yàn)操作。以圖5中“野外青蛙生存場景之保護(hù)色鏡頭拍攝”和“基于眼動儀的野外青蛙生存場景之保護(hù)色鏡頭效果測試”實(shí)驗(yàn)為例，對實(shí)驗(yàn)步驟的設(shè)計進(jìn)行闡釋。

圖5 實(shí)驗(yàn)操作步驟

4.2.1 野外青蛙生存場景之保護(hù)色鏡頭拍攝

（1）實(shí)驗(yàn)?zāi)康模簩W(xué)會合理選擇機(jī)位，綜合應(yīng)用遠(yuǎn)景、近景、特寫景別與推鏡頭等視覺語言描述生物與生存環(huán)境的關(guān)系。

（2）實(shí)驗(yàn)任務(wù)：青蛙身體顏色與環(huán)境色關(guān)系鏡頭的拍攝。

（3）知識點(diǎn)：機(jī)位選擇，景別、推鏡頭等視覺語言與知識表達(dá)的關(guān)系。

（4）仿真平臺：屏幕上彈出字幕：選擇某一機(jī)位，拍攝一個鏡頭描述青蛙保護(hù)色。

（5）學(xué)生操作：選擇機(jī)位并控制攝像機(jī)，調(diào)整拍攝角度、焦距，按下拍攝按鈕拍攝。推鏡頭的起幅畫面為綠色稻田（遠(yuǎn)景或全景，焦距控制），落幅畫面為青蛙全身特寫，控制鏡頭變焦范圍與速度（滾輪滾動速度）完成拍攝。圖6所示為拍攝示例。

（6）系統(tǒng)記錄：記錄學(xué)生所選擇的機(jī)位、焦距變化參數(shù)；以錄屏方式記錄學(xué)生拍攝的視頻，并自動將視頻上傳到平臺上學(xué)生個人空間。

圖6 學(xué)生控制虛擬攝像機(jī)以推鏡頭拍攝青蛙保護(hù)色鏡頭

4.2.2 基于眼動儀的野外青蛙生存場景之保護(hù)色鏡頭效果測試

（1）實(shí)驗(yàn)?zāi)康模赫莆栈谘蹌觾x的視頻評測方法，學(xué)會眼動儀數(shù)據(jù)與鏡頭語言對認(rèn)知效果影響的分析方法，學(xué)會基于眼動儀數(shù)據(jù)改進(jìn)拍攝技巧。

（2）實(shí)驗(yàn)任務(wù)：用眼動儀對青蛙野外生存環(huán)境鏡頭進(jìn)行測試。

（3）知識點(diǎn)：眼動儀數(shù)據(jù)采集參數(shù)設(shè)置，測試數(shù)據(jù)與推鏡頭、景別等視聽語言的關(guān)系。

（4）仿真平臺1：對青蛙身體保護(hù)色鏡頭眼動儀數(shù)據(jù)進(jìn)行測試與分析。

（5）學(xué)生操作1：在虛擬眼動儀中導(dǎo)入被測視頻并設(shè)置參數(shù)，完成數(shù)據(jù)采集，察看該視頻的眼動儀測試數(shù)據(jù)。

（6）仿真平臺2：屏幕彈出該視頻眼動儀數(shù)據(jù)的分析試題（不同數(shù)字化教學(xué)視頻試題不同）

（7）學(xué)生操作2：完成測試題，平臺自動給予評價反饋；根據(jù)眼動儀測試數(shù)據(jù)的反饋結(jié)果，如對所拍攝視頻不滿意，可進(jìn)行重拍。

（8）系統(tǒng)記錄：記錄學(xué)生對虛擬眼動儀參數(shù)的設(shè)置數(shù)據(jù)；記錄學(xué)生的眼動儀數(shù)據(jù)分析答卷，并自動計算其得分，將之作為實(shí)驗(yàn)成績之一。

5 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目評價設(shè)計

數(shù)字化教學(xué)視頻拍攝是學(xué)生綜合應(yīng)用教學(xué)媒體設(shè)計、視頻拍攝、視聽語言、布光等知識的過程[14]，對實(shí)驗(yàn)的評價重點(diǎn)是學(xué)生對知識與技能的綜合應(yīng)用能力，適合采用過程性評價與作品評價相結(jié)合、量化評價與定性評價相結(jié)合的方式進(jìn)行考核[15]。

5.1 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中的評價數(shù)據(jù)采集機(jī)制

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺會記錄學(xué)生操作中設(shè)置的各項(xiàng)參數(shù)（例如機(jī)位布置、軟件觸發(fā)等），生成所拍攝的數(shù)字化教學(xué)視頻，記錄學(xué)生眼動儀設(shè)置參數(shù)及眼動儀數(shù)據(jù)分析的成績。在實(shí)驗(yàn)報告中，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與數(shù)據(jù)會自動生成，實(shí)驗(yàn)反思由學(xué)生填寫，最后提交報告。

5.2 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目評價的內(nèi)容

本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的評價由量化成績與對作品的描述性評價構(gòu)成，以確?？己艘庖妼W(xué)生的診斷和改進(jìn)價值。具體考核點(diǎn)如表2所示，基于4類技能設(shè)定了8個考核點(diǎn)，各考核點(diǎn)與實(shí)驗(yàn)操作步驟相對應(yīng)。

表2 考核點(diǎn)及其操作步驟

注：對應(yīng)步驟見圖5

量化成績由5部分構(gòu)成，如表3所示。除眼動儀數(shù)據(jù)分析成績由系統(tǒng)自動批閱計算外，其余4方面成績是教師人工評分。

表3 量化成績構(gòu)成

6 結(jié)語

復(fù)雜場景下數(shù)字化教學(xué)視頻拍攝與評價虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目讓學(xué)生在虛擬復(fù)雜場景中，通過對虛擬攝像機(jī)、虛擬攝像燈、虛擬眼動儀的操作，完成數(shù)字化教學(xué)視頻拍攝，基于眼動儀進(jìn)行視頻認(rèn)知效果評價實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了教學(xué)媒體設(shè)計、視頻媒體拍攝、學(xué)科知識可視化等多學(xué)科知識與技能的綜合應(yīng)用，有助于和培養(yǎng)教育技術(shù)學(xué)專業(yè)學(xué)生在復(fù)雜場景下的數(shù)字化教學(xué)視頻拍攝與改進(jìn)這一高階能力。

在實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)計與開發(fā)中，筆者注意到教育、心理等社科類專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計的幾個特征：第一，很多實(shí)驗(yàn)對象是“人”，受倫理限制的實(shí)驗(yàn)應(yīng)該并且適合開發(fā)為虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，而不僅是高成本、高風(fēng)險的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目；第二，實(shí)驗(yàn)一般涉及一些復(fù)雜、多變的因素，其實(shí)驗(yàn)參數(shù)很難用精確數(shù)值表征和控制，合理的數(shù)值往往是在某一范圍內(nèi)模糊可變，因而對虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目開發(fā)中參數(shù)設(shè)定與控制方式提出了更高要求；第三，當(dāng)實(shí)驗(yàn)對象為人時，虛擬仿真場景中對人的模擬，不能僅僅是形似，需要更多關(guān)注對人的行為、情感、態(tài)度的模擬，而這遠(yuǎn)比對無生命物體的模擬更為復(fù)雜。

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Design on virtual simulation experiment for digital teaching video shooting and evaluation in complex scene

LIU Yonggui, SHEN Lingling, ZHANG Gangyao, LIU Feng

(School of Educational Science and Technology, Nanjing University of Posts and Telecommunications, Nanjing 210023, China)

There are high risks, high costs and ethical limitations in the improvement of the digital teaching video shooting in the complex scene and cognitive effect evaluation data based on the eye tracker. The necessity to design and establish a virtual field frog survival scene shooting experiment, virtual museum scene shooting experiment and digital teaching video cognitive effect evaluation experiment based on a virtual eye tracker is proposed. Students can carry out the experiments in accordance with the process of the “Shooting-effect evaluation-improvement” to cultivate and enhance their ability to comprehensively apply teaching media design, video shooting, subject knowledge visualization and other knowledge and skills in complex scenes.

digital teaching video; eye tracker; complex scene; virtual simulation

G436；TP391.9

A

1002-4956(2019)10-0115-05

10.16791/j.cnki.sjg.2019.10.027

2019-03-15

中國高等教育學(xué)會高等教育科學(xué)研究“十三五”規(guī)劃重點(diǎn)調(diào)研課題（16ZD004）；江蘇省教育科學(xué)“十二五”規(guī)劃重點(diǎn)自籌課題(B-b/2015/01/049)；江蘇省教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃重大課題(A/2016/06)；南京郵電大學(xué)教師教學(xué)發(fā)展研究專項(xiàng)課題（JG01716JX101）

劉永貴（1978—），男，甘肅蘭州，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)榻逃畔⒒w制、教學(xué)信息化、在線教育。E-mail: liuyg@njupt.edu.cn