導語：遠程教育物理虛擬實驗平臺的構(gòu)建一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

一、遠程教育的形式和層次

遠程教育環(huán)境是一個在遠距離情況下進行的教學交流環(huán)境。傳統(tǒng)的教育形式主要是面對面的教學。而遠程教育則利用通信手段，教師和學生可以分別在不同的地方，在相同的時間或不同的時間進行教學活動。廣義的遠程教育發(fā)展經(jīng)歷了幾種不同的形式：函授、廣播電視教育、網(wǎng)絡(luò)教育等。這些不同形式的網(wǎng)絡(luò)教育又可以分成兩個層次：一是EOD（EducationonDemand）：學生通過計算機網(wǎng)絡(luò)，特別是Internet訪問預(yù)先制作的課件來進行教學。二是實時在線網(wǎng)絡(luò)教育：使用多媒體技術(shù)在計算機網(wǎng)絡(luò)上構(gòu)造一個虛擬教育環(huán)境。當今世界遠程教育發(fā)展得如火如荼，在物理遠程教育中，由于教學機構(gòu)與學生在空間上分離，學生無法到學校實驗室做具體的實驗，這已經(jīng)成為了制約遠程教育質(zhì)量的一個重要因素。近年來，由于虛擬儀器和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，通過網(wǎng)絡(luò)來構(gòu)建虛擬物理實驗室已經(jīng)成為可能，網(wǎng)上實驗已成為遠程教學研究的重要方向。

二、虛擬實驗平臺構(gòu)建的理論基礎(chǔ)

在遠程教育物理虛擬實驗平臺的構(gòu)建過程中，有兩條清晰的線索：一是計算機及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，二是起引導作用的學習理論、教學設(shè)計理論和計算機輔助教學理論。在諸多理論基礎(chǔ)中，教學設(shè)計理論和CAI理論指導了網(wǎng)絡(luò)技術(shù)如何在教育領(lǐng)域中應(yīng)用，解決了怎么做的問題；而學習理論解釋了為什么這樣做的問題。根植于認知理論而發(fā)展起來的建構(gòu)主義學習理論被越來越多研究者所接受，蓬勃發(fā)展的合作學習理論更是為虛擬平臺的構(gòu)建提供了獨特的應(yīng)用視角，下文重點講述學習理論對虛擬實驗平臺構(gòu)建的基礎(chǔ)作用。遠程教育以建構(gòu)主義學習理論作為其重要指導思想，而基于遠程教育的物理虛擬實驗平臺的建構(gòu)也正是運用了此理論來指導。建構(gòu)主義為以學為中心的教育和學習提供了理論基礎(chǔ)。在建構(gòu)主義基本觀點的基礎(chǔ)上，許多心理學家進行了更為深入的研究，并根據(jù)各自所關(guān)注的學習和教學問題提出了各種觀點，從而形成了建構(gòu)主義的各種流派。在這些流派中，認知靈活性理論為遠程教育物理虛擬實驗平臺的系統(tǒng)設(shè)計提供了最合適的理論模型，它的目的是促進復(fù)雜或非良構(gòu)領(lǐng)域高級知識的獲取。認知靈活性理論使用超文本為知識的多維表征的多種互連交叉重新安排教學序列，這些特征與虛擬實驗平臺構(gòu)建的性質(zhì)非常相符。認知靈活性理論是美國心理學家斯皮羅提出的。所謂的認知靈活性，就是指學習者通過多種方式同時建構(gòu)自己的知識，以便在情景發(fā)生根本變化的時候能夠做出適宜的反應(yīng)。斯皮羅認為，建構(gòu)的過程是雙向的。首先，對新信息的理解是通過運用已有的經(jīng)驗，超越所提供的信息建構(gòu)而成的；其次，從記憶系統(tǒng)中所提取的信息本身，也要按具體情況進行建構(gòu)，而不單是提取。建構(gòu)一方面是對新信息意義的建構(gòu)，同時又包含對原有經(jīng)驗的改造和重組。斯皮羅等人認為，由于非良構(gòu)領(lǐng)域存在概念的復(fù)雜性和實例的多樣性，應(yīng)用這種事先包裝好了的圖式是不合適或不恰當?shù)模覀儾恢皇翘崛∮洃浿性獠粍拥闹R結(jié)構(gòu)來幫助新意義的建構(gòu)，而是在已有心理表征的組織結(jié)構(gòu)中提取先前知識，針對當前具體情景進行新的組裝。因此，學習者是將各種知識源記在一起，加以適當?shù)恼?，以適應(yīng)情景的理解和問題的解決。

三、虛擬現(xiàn)實技術(shù)的要求

（一）什么是虛擬現(xiàn)實技術(shù)（VirtualReality）。虛擬現(xiàn)實技術(shù)又稱靈境技術(shù)，它利用三維圖形生成技術(shù)、多傳感交互技術(shù)以及高分辨顯示技術(shù)，生成三維逼真的虛擬環(huán)境，使用者戴上特殊的頭盔、數(shù)據(jù)手套等傳感設(shè)備，或利用鍵盤、鼠標等輸入設(shè)備，便可以進入虛擬空間，成為虛擬環(huán)境的一員，進行實時交互，感知和操作虛擬世界中的各種對象，從而獲得身臨其境的感受和體會。有人給虛擬現(xiàn)實技術(shù)下了如下的定義：虛擬現(xiàn)實技術(shù)是利用計算機生成一種模擬環(huán)境（如一個現(xiàn)代化的粒子物理實驗室），通過多種傳感設(shè)備使用戶“投入”到該環(huán)境中，實現(xiàn)用戶與該環(huán)境直接進行自然交互的技術(shù)。（二）虛擬技術(shù)的特點。一是更自然的交互性。二是多感知性。即除了一般計算機所具有的視覺感知外，還有聽覺感知、觸覺感知、運動感知等。三是沉浸性。指用戶感到作為虛擬環(huán)境中的一員存在于虛擬環(huán)境之中。如當用戶移動頭部時，虛擬環(huán)境中的視景也實時地跟隨變化，拿起物體可使物體隨著手的移動而運動。四是自主性。是指虛擬環(huán)境中物體依據(jù)物理定律而動作。如當受到力的推動時，物體會向力的方向移動、或翻倒、或從桌面落到地面等。

四、虛擬物理實驗室的開發(fā)

網(wǎng)絡(luò)虛擬物理實驗就是在web中創(chuàng)建出一個可視化的三維環(huán)境，其中每一個可視化的三維物體代表一種實驗對象。通過鼠標的點擊以及拖曳操作，用戶可以進行虛擬的實驗。使用該系統(tǒng)，學生可以很容易地演示和控制力的大小、物體的形變與非形變碰撞、摩擦系數(shù)等物理現(xiàn)象。為了顯示物體的運動軌跡，可以對不同大小和質(zhì)量的運動物體進行軌跡追蹤。還可以停止時間的推移，以便仔細觀察隨時間變化的現(xiàn)象。學生可以通過使用數(shù)據(jù)手套與系統(tǒng)進行各種交互。網(wǎng)絡(luò)虛擬物理實驗室實現(xiàn)的基礎(chǔ)是虛擬現(xiàn)實技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與儀器技術(shù)的結(jié)合。虛擬儀器技術(shù)與認知模擬方法的結(jié)合也賦予虛擬實驗室智能化特征，無論是學生還是教師，都可以自由地、無顧慮地隨時進入虛擬實驗室操作儀器，進行各種實驗。不但為實驗類課程的教學改革及遠程教育提供了條件和技術(shù)支持，還可以隨時為學生提供更多、更新、更好的儀器。通過網(wǎng)絡(luò)物理虛擬實驗室，能夠利用計算機在網(wǎng)絡(luò)中模擬一些實驗現(xiàn)象。它不僅僅能夠提高遠程教育的教學效果，更加重要的是一些缺乏實驗條件的學生，通過網(wǎng)絡(luò)同樣能夠“身臨其境”地觀察實驗現(xiàn)象，甚至和異地的學生合作進行實驗。

五、目前虛擬物理實驗室技術(shù)的應(yīng)用

（一）使用JAVA進行開發(fā)。JAVA語言是最重要的一種網(wǎng)上通用語言，使用它開發(fā)的程序具有兩種層次上的可移植性能，即源代碼級可移植性和二進制級可移植性，JVM（JAVA虛擬機）的存在使得這種可移植性成為了可能。目前，Internet中最多的也是依此構(gòu)建的虛擬物理實驗室系統(tǒng)。（二）使用ActiveX控件進行開發(fā)。ActiveX技術(shù)允許不同軟件開發(fā)的組件在網(wǎng)絡(luò)上互相進行操作。ActiveX使用了微軟的組件對象技術(shù)使得本地的組件可以和網(wǎng)絡(luò)上的組件進行通信，使用ActiveX進行開發(fā)的另一個好處在于它的代碼復(fù)用性，也就是說在虛擬實驗室的開發(fā)過程中，一個實驗儀器可以在多個實驗環(huán)境中重復(fù)使用，這一點對于持續(xù)開發(fā)過程尤為重要。目前國內(nèi)利用ActiveX技術(shù)開發(fā)出來的系統(tǒng)有：大連理工大學的氣相色譜儀。（三）使用VRML技術(shù)進行三維虛擬實驗室的開發(fā)。VRML本質(zhì)上是一種面向web，面向?qū)ο蟮娜S造型語言，也是在Internet網(wǎng)上實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實的關(guān)鍵性技術(shù)。它的基本原理是用文本信息描述三維場景，在Internet網(wǎng)上傳輸，在本地計算機上由VRML的瀏覽器解釋生成三維場景，解釋生成的標準規(guī)范即是VRML規(guī)范。正是這種思想使得在Internet上傳輸很少的數(shù)據(jù)，就可以在web上實現(xiàn)三維虛擬場景瀏覽。用VRML實現(xiàn)與Internet虛擬現(xiàn)實交互有幾個好處，即豐富了媒體表現(xiàn)形式、協(xié)同工作角色的可視化管理、改善了協(xié)同環(huán)境的用戶界面、增強了協(xié)同環(huán)境的交互性?？梢?，將VRML融合到網(wǎng)上虛擬實驗室的開發(fā)過程，既可以增強表現(xiàn)力和用戶的接受度，又可以營造較好的協(xié)同工作虛擬化環(huán)境。（四）QuickTimeVR技術(shù)。這是一種實景建模的虛擬現(xiàn)實技術(shù)，和傳統(tǒng)的虛擬現(xiàn)實技術(shù)的不同之處在于其實現(xiàn)平臺只需PC機，而不需要圖形工作站或者數(shù)據(jù)手套等高額昂貴的硬件設(shè)備支持。和傳統(tǒng)影視媒體相比，傳統(tǒng)影視媒體只能按照錄制的順序播放，參與者不可改變其播放順序，缺乏交互性；而QuickTimeVR技術(shù)使參與者可以自己控制體驗的進程和順序，可以挑選自己感興趣的環(huán)節(jié)而略過其它部分。和傳統(tǒng)虛擬現(xiàn)實技術(shù)相比，QuickTimeVR不需要特殊的硬件和附屬設(shè)備，在普通的PC機或Macintosh機上即可實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實的效果。QuickTimeVR可以應(yīng)用照片、錄像或數(shù)字圖象來創(chuàng)建虛擬環(huán)境，這就不同于靜止的CAD或GIS制作，使它有著比傳統(tǒng)虛擬現(xiàn)實技術(shù)更高的真實感、更豐富的圖像和更鮮明的細節(jié)特征。

作者:徐玲 單位:南京鐵道車輛高級技工學校