远程教育物理虚拟实验平台的构建
远程教育物理虚拟实验平台的构建 一、远程教育的形式和层次 远程教育环境是一个在远距离情况下进行的教学交流环境。传统的教育形 式主要是面对面的教学。而远程教育则利用通信手段，教师和学生可以分别在不 同的地方，在相同的时间或不同的时间进行教学活动。广义的远程教育发展经历 了几种不同的形式：函授、广播电视教育、网络教育等。这些不同形式的网络教 育又可以分成两个层次：一是EOD（EducationonDemand）：学生通过计算机网 络，特别是Internet访问预先制作的课件来进行教学。二是实时在线网络教育：使 用多媒体技术在计算机网络上构造一个虚拟教育环境。当今世界远程教育发展得 如火如荼，在物理远程教育中，由于教学机构与学生在空间上分离，学生无法到 学校实验室做具体的实验，这已经成为了制约远程教育质量的一个重要因素。近 年来，由于虚拟仪器和网络技术的飞速发展，通过网络来构建虚拟物理实验室已 经成为可能，网上实验已成为远程教学研究的重要方向。二、虚拟实验平台构建的理论基础 在远程教育物理虚拟实验平台的构建过程中，有两条清晰的线索：一是计 算机及网络技术，二是起引导作用的学习理论、教学设计理论和计算机辅助教学 理论。在诸多理论基础中，教学设计理论和CAI理论指导了网络技术如何在教育 领域中应用，解决了怎么做的问题；
而学习理论解释了为什么这样做的问题。根 植于认知理论而发展起来的建构主义学习理论被越来越多研究者所接受，蓬勃发 展的合作学习理论更是为虚拟平台的构建提供了独特的应用视角，下文重点讲述 学习理论对虚拟实验平台构建的基础作用。远程教育以建构主义学习理论作为其 重要指导思想，而基于远程教育的物理虚拟实验平台的建构也正是运用了此理论 来指导。建构主义为以学为中心的教育和学习提供了理论基础。在建构主义基本 观点的基础上，许多心理学家进行了更为深入的研究，并根据各自所关注的学习 和教学问题提出了各种观点，从而形成了建构主义的各种流派。在这些流派中， 认知灵活性理论为远程教育物理虚拟实验平台的系统设计提供了最合适的理论 模型，它的目的是促进复杂或非良构领域高级知识的获取。认知灵活性理论使用 超文本为知识的多维表征的多种互连交叉重新安排教学序列，这些特征与虚拟实 验平台构建的性质非常相符。认知灵活性理论是美国心理学家斯皮罗提出的。所 谓的认知灵活性，就是指学习者通过多种方式同时建构自己的知识，以便在情景 发生根本变化的时候能够做出适宜的反应。斯皮罗认为，建构的过程是双向的。首先，对新信息的理解是通过运用已有的经验，超越所提供的信息建构而成的；
其次，从记忆系统中所提取的信息本身，也要按具体情况进行建构，而不单是提 取。建构一方面是对新信息意义的建构，同时又包含对原有经验的改造和重组。
斯皮罗等人认为，由于非良构领域存在概念的复杂性和实例的多样性，应用这种 事先包装好了的图式是不合适或不恰当的，我们不只是提取记忆中原封不动的知 识结构来帮助新意义的建构，而是在已有心理表征的组织结构中提取先前知识， 针对当前具体情景进行新的组装。因此，学习者是将各种知识源记在一起，加以 适当的整合，以适应情景的理解和问题的解决。
三、虚拟现实技术的要求 （一）什么是虚拟现实技术（VirtualReality）。虚拟现实技术又称灵境技 术，它利用三维图形生成技术、多传感交互技术以及高分辨显示技术，生成三维 逼真的虚拟环境，使用者戴上特殊的头盔、数据手套等传感设备，或利用键盘、 鼠标等输入设备，便可以进入虚拟空间，成为虚拟环境的一员，进行实时交互， 感知和操作虚拟世界中的各种对象，从而获得身临其境的感受和体会。有人给虚 拟现实技术下了如下的定义：虚拟现实技术是利用计算机生成一种模拟环境（如 一个现代化的粒子物理实验室），通过多种传感设备使用户“投入”到该环境中， 实现用户与该环境直接进行自然交互的技术。（二）虚拟技术的特点。一是更自 然的交互性。二是多感知性。即除了一般计算机所具有的视觉感知外，还有听觉 感知、触觉感知、运动感知等。三是沉浸性。指用户感到作为虚拟环境中的一员 存在于虚拟环境之中。如当用户移动头部时，虚拟环境中的视景也实时地跟随变 化，拿起物体可使物体随着手的移动而运动。四是自主性。是指虚拟环境中物体 依据物理定律而动作。如当受到力的推动时，物体会向力的方向移动、或翻倒、 或从桌面落到地面等。
四、虚拟物理实验室的开发 网络虚拟物理实验就是在web中创建出一个可视化的三维环境，其中每一 个可视化的三维物体代表一种实验对象。通过鼠标的点击以及拖曳操作，用户可 以进行虚拟的实验。使用该系统，学生可以很容易地演示和控制力的大小、物体 的形变与非形变碰撞、摩擦系数等物理现象。为了显示物体的运动轨迹，可以对 不同大小和质量的运动物体进行轨迹追踪。还可以停止时间的推移，以便仔细观 察随时间变化的现象。学生可以通过使用数据手套与系统进行各种交互。网络虚 拟物理实验室实现的基础是虚拟现实技术、网络技术与仪器技术的结合。虚拟仪 器技术与认知模拟方法的结合也赋予虚拟实验室智能化特征，无论是学生还是教师，都可以自由地、无顾虑地随时进入虚拟实验室操作仪器，进行各种实验。不 但为实验类课程的教学改革及远程教育提供了条件和技术支持，还可以随时为学 生提供更多、更新、更好的仪器。通过网络物理虚拟实验室，能够利用计算机在 网络中模拟一些实验现象。它不仅仅能够提高远程教育的教学效果，更加重要的 是一些缺乏实验条件的学生，通过网络同样能够“身临其境”地观察实验现象，甚 至和异地的学生合作进行实验。
五、目前虚拟物理实验室技术的应用 （一）使用JAVA进行开发。JAVA语言是最重要的一种网上通用语言，使 用它开发的程序具有两种层次上的可移植性能，即源代码级可移植性和二进制级 可移植性，JVM（JAVA虚拟机）的存在使得这种可移植性成为了可能。目前， Internet中最多的也是依此构建的虚拟物理实验室系统。（二）使用ActiveX控件 进行开发。ActiveX技术允许不同软件开发的组件在网络上互相进行操作。
ActiveX使用了微软的组件对象技术使得本地的组件可以和网络上的组件进行通 信，使用ActiveX进行开发的另一个好处在于它的代码复用性，也就是说在虚拟 实验室的开发过程中，一个实验仪器可以在多个实验环境中重复使用，这一点对 于持续开发过程尤为重要。目前国内利用ActiveX技术开发出来的系统有：大连 理工大学的气相色谱仪。（三）使用VRML技术进行三维虚拟实验室的开发。
VRML本质上是一种面向web，面向对象的三维造型语言，也是在Internet网上实 现虚拟现实的关键性技术。它的基本原理是用文本信息描述三维场景，在Internet 网上传输，在本地计算机上由VRML的浏览器解释生成三维场景，解释生成的标 准规范即是VRML规范。正是这种思想使得在Internet上传输很少的数据，就可以 在web上实现三维虚拟场景浏览。用VRML实现与Internet虚拟现实交互有几个好 处，即丰富了媒体表现形式、协同工作角色的可视化管理、改善了协同环境的用 户界面、增强了协同环境的交互性。可见，将VRML融合到网上虚拟实验室的开 发过程，既可以增强表现力和用户的接受度，又可以营造较好的协同工作虚拟化 环境。（四）QuickTimeVR技术。这是一种实景建模的虚拟现实技术，和传统的 虚拟现实技术的不同之处在于其实现平台只需PC机，而不需要图形工作站或者 数据手套等高额昂贵的硬件设备支持。和传统影视媒体相比，传统影视媒体只能 按照录制的顺序播放，参与者不可改变其播放顺序，缺乏交互性；
而QuickTimeVR 技术使参与者可以自己控制体验的进程和顺序，可以挑选自己感兴趣的环节而略 过其它部分。和传统虚拟现实技术相比，QuickTimeVR不需要特殊的硬件和附属 设备，在普通的PC机或Macintosh机上即可实现虚拟现实的效果。QuickTimeVR 可以应用照片、录像或数字图象来创建虚拟环境，这就不同于静止的CAD或GIS制作，使它有着比传统虚拟现实技术更高的真实感、更丰富的图像和更鲜明的细 节特征。
作者:徐玲 单位:南京铁道车辆高级技工学校