《现代教育技术》虚拟实验室的设计方案与实现.docVIP

《现代教育技术》虚拟实验室的设计与实现 李 欣 （浙江师范大学教师教育学院，浙江 金华 321004） 摘要：虚拟实验系统丰富了实验教学的教学模式和学习方式，为实践教学的创新提供了新的平台和拓展空间。结合国家精品课程《现代教育技术》的建设，以认知科学及建构主义学习理论为基础，提出了利用虚拟现实及多媒体技术构建虚拟实验系统的架构方案，并对系统的开发流程进行了探讨，在此基础上设计了虚拟实验系统原型。最后以实例描述了虚拟实验系统开发的关键技术。 关键词：虚拟实验；建构主义；Vitrtools；Moodle平台 中图分类号：G434 文献标识码：A ????? 《现代教育技术》以培养未来教师的教育技术理论、教育技术技能为根本目标，是我国高师院校教师教育课程体系中一门重要的公共基础课程。浙江师范大学的《现代教育技术》课程于2004年进入国家精品课程行列，在这一理论与实践并重的课程中，如何加强并完善实验教学已成为精品课程建设中的重要环节。为了丰富和完善实验教学体系，更有效地推动该课程的实验教学，我们开始了“现代教育技术”虚拟实验室的研发，设计并实现了“现代教育技术”虚拟实验系统原型。随着虚拟现实技术的发展，虚拟实验在实验教学中得到越来越多的应用，国内外学者在这方面做了大量的研究工作[1-6]：文[1][2][3]进行了虚拟实验的交互设定和网络体系结构的研究，文[4][5][6]介绍了对象、建筑物、自然环境的构建方法。文[1-6]有一个共同特点，即均采用VRML(Virtual Reality Modeling Language)技术。由于目前VRML不提供可视化开发环境，基于VRML的虚拟现实可视化工具还有待进一步研究[7][8]，开发者必须从VRML提供的基本形体出发搭建复杂场景；虽然3DS Max和Maya等建模工具提供导出VRML的*.wrl文件格式的功能，但后期的文件优化耗时费力；以VRML为基础的基于Java技术通过EAI（External Authoring Interface）进行的交互控制，要求用户必须熟悉Java语言以及VRML的交互编程，因此，基于VRML或采用高级语言如JAVA、C语言等实现虚拟实验系统[9][10][11][12]，在实际开发过程中存在难度大、实现复杂、辅助功能不强等诸多问题，易用性和实用性都不甚理想。???????? 基于PCS (Product-Context-Scenario)技术的Virtools Dev采用非常直观的方式呈现3D內容[13]，为研发人员提供了一个便捷的整合、沟通与分享三维体验的开发平台，在可视化开发环境方面有明显的优势。本文针对上述的不足，在充分调研的基础上，本着“技术设计为教学设计服务”[14]的原则，提出了3D-Virtools-Moodle构建虚拟实验室的架构方案。即在3DStudio Max中完成虚拟实验室、教学媒体设备的三维建模、动画制作；在Virtools Dev中进行相关数据处理、三维对象的控制及交互设定；在Moodle教学管理平台中实现虚拟实验的绩效评估和教学管理。实现结果表明，采用该架构方案能克服上述方法的不足，具有真实性、交互性、简单和易实现等特点。 一、虚拟实验室总体设计(一) 设计目标“现代教育技术”虚拟实验室的设计目标是，改变高校现有实验教学中普遍存在的生均实验设备拥有量、设备更新周期以及学习时间冲突等根本问题[15]，切实贯彻教学改革目标，以认知科学及建构主义学习理论为基础，利用虚拟现实及多媒体技术构建三维虚拟实验环境，为学生提供一个具有强烈真实感以及强大交互功能的“现代教育技术虚拟实验室”（见图2），支持探索学习、协同学习、经验学习等基于建构主义学习理论概念，并提供知识获取工具。主要特征有：①对实验室、实验仪器及附属设施，按实际尺寸进行三维建模，并以三维空间向量形式表示各实验模型形体和位置的相对关系；②支持实时交互功能。实验者可以通过鼠标、键盘完全操控场景中实验者的虚拟化身，实现从不同角度观察对象，以及漫步、转身、抬头、低头以及跑、跳等功能，为探索学习、经验学习提供支撑；③支持多媒体信息辅助，通过设置3D音效、背景音乐、多用户实时对话，构建一个逼真的三维虚拟世界；④知识库，为学习者的知识获取、形成意义建构提供技术支持；⑤通过Moodle平台实现对实验行为、结果的绩效评估。（二）系统体系结构虚拟实验室依据《现代教育技术》课程实验的要求进行开发，主要由虚拟实验手册、虚拟实验项目、虚拟教学媒体模型库、知识库以及Moodle管理平台五大模块组成。系统的体系结构如图1所示。 ? 图1? 现代教育技术虚拟实验系统的体系结构 虚拟实验模块：包括常规媒体、多媒体教学环境、素材采集与处理、课件开发、网页设计与