遠(yuǎn)程教育虛擬實驗室初探

遠(yuǎn)程教育虛擬實驗室初探

【摘要】遠(yuǎn)程教育已經(jīng)成為現(xiàn)代教育中不可或缺的重要組成部分。近年來，越來越多的多媒體資源運(yùn)行在Internet上，它們?yōu)閷W(xué)習(xí)者提供了個性化的、自主式的、交互的、實時的學(xué)習(xí)環(huán)境。在眾多的以文本、圖片、動畫、視頻為主的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源中，逐漸崛起了利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、多媒體技術(shù)、虛擬現(xiàn)實等技術(shù)為設(shè)計核心的虛擬實驗。這些實驗解決了長期困擾遠(yuǎn)程教學(xué)中實踐教學(xué)的欠缺問題，同時對于遠(yuǎn)程教育也提出了新的問題和挑戰(zhàn)。本文就建立一個基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬實驗室提出了一套解決方案。全文重點(diǎn)圍繞下面三個方面展開研究和討論：虛擬實驗室平臺的模塊研究與設(shè)計實現(xiàn)；虛擬實驗子模塊的研究與設(shè)計實現(xiàn)；虛擬實驗室接口規(guī)范的研究?！娟P(guān)鍵詞】虛擬；實驗室；子模塊；WEB；技術(shù)利用Internet開展遠(yuǎn)程教育已經(jīng)逐步成為現(xiàn)代教育的重要組成部分，已經(jīng)作為遠(yuǎn)程教育的一種重要社會化學(xué)習(xí)模式。而實踐教學(xué)環(huán)節(jié)對于學(xué)生全面掌握專業(yè)知識，培養(yǎng)科學(xué)的思維能力和創(chuàng)造力起著至關(guān)重要的作用。利用網(wǎng)絡(luò)提供虛擬實驗的環(huán)境，為學(xué)習(xí)者提供身臨其境的學(xué)習(xí)環(huán)境，逐漸成為網(wǎng)絡(luò)資源提供者追求的目標(biāo)。一、虛擬實驗室設(shè)計目標(biāo)、開發(fā)環(huán)境與技術(shù)虛擬實驗室的主要設(shè)計目標(biāo)是搭建一個虛擬實驗室平臺。對于一個平臺，還需要方便的增加、刪除和管理實驗子模塊的功能，為學(xué)生進(jìn)入虛擬實驗室注冊登錄、在線的同學(xué)間交流，向線上的輔導(dǎo)老師提出問題。平臺還應(yīng)具有評分功能，記錄學(xué)生實驗成績，教師查看學(xué)生成績，管理員查看和修改記錄等。虛擬實驗室的研究與開發(fā)，離不開多媒體技術(shù)、WEB技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)和虛擬現(xiàn)實技術(shù)的支持。虛擬現(xiàn)實（VirtualReality，簡稱VR，又稱為臨境技術(shù)）最早于1989年由美國的J.Lanier創(chuàng)造并使用，通常指利用立體眼鏡和傳感手套等一系列傳感輔助設(shè)施來實現(xiàn)的三維現(xiàn)實，使人們以自然的方式向計算機(jī)傳送各種動作和信息，人們通過視覺、聽覺以及觸覺設(shè)施，感覺世界，隨人們的動作變化感覺效果。按虛擬現(xiàn)實功能可分成三種類型：沉浸型虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)；簡易型虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)；共享型虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)。本文討論的虛擬現(xiàn)實實驗室是基于PC硬件環(huán)境的簡易型虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)。涉及的基本技術(shù)為：將文本、聲音、圖形、圖像和各種類型的動畫集成多媒體技術(shù)；以及豐富軟件技術(shù)，如ASP、JSP、PHP和ASP等的Web技術(shù)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)，目前常用的關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)包括Access，SQLServer和Oracle。二、虛擬實驗室平臺的虛擬實驗環(huán)境基于Internet的將向使用者提供一個在線參與交互性實驗的環(huán)境。在實驗內(nèi)容上，利用3D技術(shù)和VR技術(shù)實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實對于沉浸性、交互性的要求，考慮到設(shè)計成本與具體實驗內(nèi)容的選取，最終設(shè)計為簡易型的虛擬現(xiàn)實實驗，不提供特殊的頭盔、數(shù)據(jù)手套等傳感設(shè)備，用戶只需用鼠標(biāo)操作。在程序設(shè)計上，綜合使用多種開發(fā)工具，例如ASP、JAVA、SQLServer2000、3DMAX、PHOTOSHOP、FLASH、Dreamweaver、Premiere、CoolEditPro、Fireworks等。在動畫設(shè)計中，最常使用的軟件是3DMAX。QuicktimeVR也是在虛擬現(xiàn)實技術(shù)中廣泛應(yīng)用的軟件。這里是運(yùn)用3DMAX設(shè)計虛擬實驗室的實例：老牌的三維動畫設(shè)計軟件3DMAX最顯著的特點(diǎn)和設(shè)計優(yōu)勢在于三維造型。VR。QuicktimeVR主要用于虛擬現(xiàn)實中的場景設(shè)計，可以分為三維物體、360度全景和用熱點(diǎn)鏈接的多個節(jié)點(diǎn)集合的場景三類。首先要利用數(shù)碼相機(jī)對某物體或場景進(jìn)行360度的全方位拍攝，然后，將所有的照片進(jìn)行有機(jī)的組合，選擇特定的點(diǎn)作為“熱點(diǎn)”。用戶通過鼠標(biāo)操作對虛擬的物體或場景中進(jìn)行全方位的觀察，點(diǎn)擊“熱點(diǎn)”進(jìn)入下一級鏈接。實驗室實驗的過程一般是從先試件箱中選定一種試件，經(jīng)過測量記錄實驗前的有關(guān)測量數(shù)據(jù)，然后將試件正確的安裝到萬能材料實驗機(jī)上，接著對實驗機(jī)進(jìn)行一系列復(fù)雜的調(diào)整并開始實驗，拉伸的結(jié)果是將試件拉斷，然后對實驗后的試件再進(jìn)行測量，獲得相應(yīng)的數(shù)據(jù)，進(jìn)行分析和比較并填寫實驗報告。工程力學(xué)虛擬實驗室課件中，設(shè)計有試件箱、計算機(jī)、資料柜、錄像機(jī)等與實驗相關(guān)的輔助設(shè)備，中間是電子式萬能材料實驗機(jī)。實驗中設(shè)計了測量試件實驗環(huán)節(jié)：利用鼠標(biāo)，將試件盒中的試件直接拖拽到測試區(qū)中，然后，選擇測量的卡尺測量試件，并記錄每次的測量結(jié)果，這些數(shù)據(jù)會通過變量進(jìn)行保存，供后面的實驗使用并作為給定實驗成績的依據(jù)。三、虛擬實驗室平臺的實驗管理環(huán)境從虛擬實驗室結(jié)構(gòu)上看，對于任何一個實驗都應(yīng)該包括實驗預(yù)習(xí)、實驗要求、實驗步驟、實驗內(nèi)容、實驗幫助、實驗測試等教學(xué)部分。按照模塊化設(shè)計的原則，系統(tǒng)分為注冊與登錄模塊、用戶管理模塊、成績管理模塊、測試模塊、公共信息模塊和進(jìn)入實驗子模塊等。（本文僅描述主要模塊——編者）1.注冊登錄模塊中的在籍學(xué)生登錄虛擬實驗只對在籍的學(xué)生開放，并將學(xué)生的學(xué)號做為主鍵字段，記錄在數(shù)據(jù)庫中。學(xué)號的設(shè)計規(guī)則是按照學(xué)生所在的地區(qū)、選修的專業(yè)、入學(xué)的年級、班號和班內(nèi)學(xué)號為順序，例如，假設(shè)某學(xué)生的學(xué)號為001004010303，則表示：根據(jù)這些信息，可以確定他應(yīng)該進(jìn)入哪個專業(yè)的虛擬實驗室，應(yīng)該完成哪些實驗。同時，學(xué)號作為用戶賬號和作為登錄的依據(jù)。2.成績管理模塊設(shè)計成績管理模塊主要用于評測學(xué)生參與虛擬實驗的程度，包括對實驗的了解、掌握和理解程度。根據(jù)每個實驗的要求，要設(shè)計科學(xué)合理的評分標(biāo)準(zhǔn)和方法。由于每個具體的虛擬實驗存在著明顯的設(shè)計差異，下面主要基于“工程力學(xué)”實驗的評測進(jìn)行分析。根據(jù)專業(yè)規(guī)定確定應(yīng)該完成的實驗，每個實驗學(xué)生實驗成績的組成包括三個部分：實驗預(yù)習(xí)成績、實驗操作成績和實驗測驗成績。實驗預(yù)習(xí)部分通過一系列習(xí)題測試學(xué)生對實驗相關(guān)知識的掌握程度，只有預(yù)習(xí)成績合格的學(xué)生才能進(jìn)入實驗操作部分，否則不允許學(xué)生進(jìn)入操作部分。實驗操作成績是個性化較強(qiáng)的部分，可通過學(xué)生交互操作的正誤確定成績；通過實驗報告中填寫的數(shù)據(jù)的正誤和通過回答的選擇題的正誤確定成績；對于非客觀、非定量的操作還可以通過學(xué)生是否進(jìn)入了某模塊并順利的完成相關(guān)實驗步驟評分。實驗測驗成績主要是指在完成實驗后，設(shè)計了一些與實驗有關(guān)的測試題讓學(xué)生回答，可以通過一系列的客觀題測驗學(xué)生對實驗的掌握和理解。三個部分在總成績所占的比例，由教學(xué)設(shè)計人員在設(shè)計虛擬實驗時指明。3.測試模塊測試模塊是檢驗學(xué)生對實驗掌握程度的重要組成部分，它貫穿于虛擬實驗的始終。實驗預(yù)習(xí)部分的測試可以判斷學(xué)生是否已經(jīng)掌握了和實驗有關(guān)的知識、是否具備了做實驗的基本條件；在實驗過程中，每一個分支的選擇也可以理解為一種測試；實驗結(jié)束后，更是可以通過測試模塊了解學(xué)生對實驗的掌握程度。測試模塊由一系列填空、簡答、計算等主觀題組成?？陀^題并具有自動評分的功能，主觀題可以提供標(biāo)準(zhǔn)答案供學(xué)生參考以及自我評測。測試模塊往往需要數(shù)據(jù)庫的支持，對于一個特定的用戶，應(yīng)該在數(shù)據(jù)庫中設(shè)置字段專門保留其在不同實驗中不同測試單元的成績。當(dāng)學(xué)生登錄時，從數(shù)據(jù)庫中查找并獲得這些數(shù)據(jù)，以便更新。四、關(guān)于虛擬實驗室開發(fā)規(guī)范為虛擬實驗資源的開發(fā)者的標(biāo)準(zhǔn)化而需要規(guī)范，以便資源共享，同時也為不同虛擬實驗資源庫系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和互操作提供支持。本規(guī)范所面向的資源主要包括以下幾類：1.媒體素材媒體素材是傳播教學(xué)信息的基本材料單元，可分為五大類：文本類素材、圖形/圖像類素材、音頻類素材、視頻類素材、動畫類素材。2.數(shù)據(jù)元素對于必需、通用可選和分類擴(kuò)展數(shù)據(jù)元素，在基本框架中作出定義，如：名稱：數(shù)據(jù)元素的名稱。解釋：對數(shù)據(jù)元素的定義。取值數(shù)：數(shù)據(jù)元素所允許的取值個數(shù)。通過上述對虛擬實驗室平臺的設(shè)計、虛擬實驗室子模塊的設(shè)計以及虛擬實驗室開發(fā)規(guī)范的研究，本文提出了關(guān)于虛擬實驗室的設(shè)計方法、設(shè)計步驟以及設(shè)計規(guī)范。由于計算機(jī)軟、硬件技術(shù)的更新較快，虛擬實驗室建設(shè)中所采用的技術(shù)也會有各種變化。[參考文獻(xiàn)][1]解季萍.基于web的遠(yuǎn)程教學(xué)系統(tǒng)安全性研究[J].中國遠(yuǎn)程教育，2002，（5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