開放式虛擬實驗平臺的設計與開發研究

楊　成

【摘要】 開放式虛擬實驗平臺的設計與開發是為了更好地滿足教育技術學專業學生動手實踐能力培養的要求。在分析平臺 設計與開發的必要性和可能性的基礎上，給出了平臺開發的理論基礎和關鍵技術、模塊組成、功能結構框圖以及特點等。

【關鍵詞】 教育技術學專業；開放式虛擬實驗平臺；設計與開發；研究

【中圖分類號】G40-057 【文獻標識碼】B 【論文編號】1009—8097（2009）01—0133—04

隨著“教育技術是當代教育的制高點，誰搶占了這個山頭，誰將在 21 世紀處于有利位置”的提出，我國的教育技術 學專業迅猛發展，很多高校開設了教育技術學專業，很多高校 都擴大了該專業的招生規模，勢頭之猛、之快，確實可喜。

由于教育技術學是一門理論與實踐并重的學科，因此， 它的實驗教學越來越受到重視和關注。雖然大家都盡力進行 實驗設備的更新，實驗內容的調整，實驗形式的改革，但由 于各種原因，教育技術學專業的實驗教學還是不能很好地滿 足教育教學改革的要求。為此，我們就徐州師范大學教育技 術學專業的實際情況，進行開放式虛擬實驗平臺的設計與開 發研究，以期能解決實驗所存在的一些問題。

一 虛擬實驗平臺設計與開發的必要性和可能性

1教育技術學專業培養目標的要求

查閱一下各高校教育技術學專業的教學計劃，其培養目標基本可以概括為：本專業培養具有堅實的教育學、心理學 和信息科學理論基礎，具有良好的信息素養和藝術素養，熟 悉教學過程，能從事教學媒體和教學系統設計、開發、應用、 管理和評價的基礎寬厚、有持續發展潛力并具有創新精神和 實踐能力的高素質、復合型的專門人才。畢業生適宜到各級 各類學校和企事業單位從事信息技術教學（或培訓）、計算機 網絡建設與管理、動畫設計、電視片制作、數字媒體策劃、 資源設計制作等工作。具體規格是：

具有較扎實寬厚的學科專業基礎知識、基本理論和基本 技能，具有較寬的知識面和較高的人文、科學素養；具有教 學系統設計能力；具有教學資源的設計與開發能力，包括圖 片、電視片、動畫、多媒體課件、網絡課程、網站、教學軟 件等資源的設計、開發能力。具有教育信息化基礎設施優化 設計、組織建設、維護、管理能力；具有運用數字媒體進行 高效學習和知識管理與創新的能力。 [1]

由此我們可以看出：教育技術學專業強調學生的動手實踐能力，而學生的動手實踐能力主要途徑就是實驗教學。通過開放式虛擬實驗平臺進行實驗，是現有實驗室空間和功能 的擴展，也是提高學生動手實踐能力的一條新途徑。

2高校合并、聯合辦學帶來實驗的不便

從上世紀 90 年代初開始，中國刮起一股高?！昂喜L”，很 多高校的地盤擴大了，校區增多了。理論上確實是資源可以整 合利用、避免浪費，但實際上，這樣給教學和實驗帶來了很多 的不便。由于合并、聯合辦學，很多專業在幾個校區或學校都 有，甚至有的專業，前兩年在這個校區，后兩年在另外一個校 區，教育技術學專業也不例外，這給實驗教學帶來了很多的不 變。筆者所在學校的教育技術學專業在老校區，還有一個民辦 三本在新校區，另外，我們還與宿遷學院聯辦了教育技術學本 科專業。這樣三地辦學，理論教學還好解決，但實驗教學的問 題越來越明顯，實驗環境參差不齊，實驗教師不僅少，而且師 資力量也各不相同。雖然老校區辦學時間長，但是，由于經費 缺少，老校區的實驗儀器比較老化，沒有能及時更新，所以實 驗課的教學遠遠滿足不了學生動手能力的培養。

無論是老校區、新校區，還是聯辦學校，基本都注重多 媒體設備的配置和更新，教育技術學專業學生計算機使用能 力也相當高，并且能采用不同的接入方式連接校園網或互聯 網，這就給開放式虛擬實驗平臺的應用打下了基礎，同時也 為教育技術學專業實驗提供了廣闊的空間。

3教育技術學專業學生就業的要求

由于高校擴招，教育技術學專業人數越來越多，可以說，學生人數增長率，遠遠大于儀器設備增加和更新率，因此， 現有的實驗條件已經不能滿足要求了。

從近年教育技術學專業就業看，用人單位對該專業學生 還是非常重視實踐技能的，這就要求我們加強學生的動手實 踐能力。加強學生的動手實踐能力，僅靠課堂實驗教學是遠 遠不夠的，很多學校開展了開放實驗室的做法，由于人力、 財力、物力等問題，開放實驗室還是很難滿足教育技術學專業學生動手實踐能力培養的要求。因此，利用開放式虛擬實 驗平臺，不僅可以解決上述問題，而且還可以提高教育技術 學專業學生的專業技能。

4教育技術學專業實驗教學現狀需要改變

實驗課教學是為了檢測、驗證學生獲取新的信息，通過技術性操作來觀測學生動手能力，發揮學生創造性，獨立思 考、分析解決問題的重要課程。但在教育技術學專業實驗教 學活動中也存在過分強調共性而忽視個性、重視理論教學忽 視實踐環節、重視知識傳授忽視能力培養等傾向。利用開放 式虛擬實驗平臺，學生可以根據自己的實際情況設計自己要 做的實驗，還可以與其他同學通過網絡及虛擬功能進行協作 實驗，在實驗過程中，可以隨時進行討論和調整實驗，避免 了普通實驗室那種固定、封閉的情況。

由此可見，教育技術學專業開放式虛擬實驗平臺的開發 不僅是必要的，而且是可能的。

二 虛擬實驗平臺設計與開發的理論基礎和關鍵技術

1理論基礎

（1） 自主學習理論 自主學習就是自我導向、自我激勵、自我監控的學習。

具體地說，它具有以下幾個方面的特征：學習者參與確定對 自己有意義的學習目標，自己制定學習進度，參與設計評價 指標；學習者積極發展各種思考策略和學習策略，在解決問 題中學習；學習者在學習過程中有情感的投入，學習過程有 內在動力的支持，能從學習中獲得積極的情感體驗；學習者 在學習過程中對認知活動能夠進行自我監控，并作出相應的 調適。

利用此平臺進行實驗，學生可以根據自己情況自主選擇 時間、選擇內容，對于某一內容，可以重復實驗，對于某些 想法，可以自主設計實驗內容、實驗方法等。

（2） 協作學習理論

協作學習（Co11aborative Learning）是一種通過小組或團 隊的形式組織學生進行學習的一種策略。有些設計性、綜合 性實驗，一個人不太好解決時，可以通過網絡尋求協作伙伴， 大家分工協作共同完成某個復雜的、綜合性的實驗。

（3） 交互理論

交互有人-機交互，還有人-人交互。實驗者除了在實驗過 程中與機器交互，還可以隨時利用該平臺的實時和非實時交 互功能，進行實驗相關問題交流和討論。

2關鍵技術

（1） JAVA 語言

JAVA 語言是一種網上通用語言，使用它開發的程序具有 兩種層次（源代碼級、二進制級）上的可移植性能。

（2） QuickTime VR 技術

QuickTime是蘋果公司的一個重要產品，QuickTime 3.0之后開始支持 QuickTime VR，是一種實景建模的虛擬技術。

（3） VRML

VRML 是一種三維場景的描述性語言，可以進行三維實 驗室的開發。

（4） ActiveX 技術

ActiveX 技術允許不同軟件開發的組件在網上互相進行 操作，本地的組件可以和網絡上的組件進行通信，代碼可以 復用，便于持續開發。

（5） Flash Action Script

Flash的 Action Script 的編程語言能夠將部分應用程序和 數據放在前臺處理，減小跟服務器溝通的負荷，并能更快地 對使用者的操作做出響應，加快數據資源傳輸的速度，因而 有利于用多種媒體傳送實驗相關內容。另外，還可以利用 Flash 進行實驗演示版的開發。

三虛擬實驗平臺設計與開發的構想

1平臺模塊組成

此平臺模塊組成如圖 1 所示。

（1） 實驗環境模塊

該模塊提供教育技術學專業各實驗室的總體情況，實驗室功能，實驗儀器介紹和使用，可以參觀虛擬實驗室，可以 觀看儀器使用演示，更可以進行虛擬實驗儀器操作。

（2） 常規實驗模塊

該模塊主要提供各門實驗課程的理論和實驗教學大綱，對每門課程的每個實驗提供實驗內容和步驟，同時提供該實 驗的演示操作，進而可以進行該實驗的虛擬操作。

（3） 自主實驗模塊

學生在達到一定水平后，或者高年級的同學，需要進行綜合能力培養和鍛煉時，可以進入自主實驗區，充分利用該 虛擬空間進行綜合性、設計性實驗，也可以與其他同學一起 進行協作實驗。教師也可以在此進行科研實驗。

（4）交流討論模塊

該模塊主要是為實驗相關問題提供交流空間，通過該模塊進行交流討論，達到更好的實驗效果。

（5） 數據處理模塊

每個模塊需要的數據或內容可以到數據庫中提取或查 詢，每個模塊獲取的數據也需要到數據庫中進行處理和存儲。 因此，數據處理模塊是該平臺的核心。

2平臺功能結構框圖

如圖 2 所示教育技術學專業開放式虛擬實驗平臺包括四

個內容：實驗環境區、常規實驗區、自主實驗區和交流討論 區。學生根據自己的情況可以進入任何一個區進行實驗或交 流，四個區之間都有相互鏈接，在某個區中遇到問題，可以 隨時跳轉到另一個區進行學習或交流。

（1） 實驗環境區

這一部分可以進入教育技術學所有實驗室，每個實驗室中都有實驗室總體情況介紹、參觀虛擬實驗室和實驗室儀器 介紹三部分。實驗室總體情況介紹包括實驗室地理位置、布 局、空間大小、建設情況、能夠開設哪些實驗等，這些以文 字和圖片呈現。參觀虛擬實驗室是利用虛擬技術，將每個實 驗室的情況進行介紹，學生可以看到實驗室的每一個角落。 實驗室儀器介紹包括實驗室內每一臺儀器，進入某臺儀器空 間后，就可以進行該儀器的虛擬操作練習了。在進行操作練 習之前，可以先進入儀器使用演示，利用 FLASH 動畫對儀器 的功能、使用方法和注意事項進行介紹。

（2） 常規實驗區

該部分包括教育技術學專業的實驗課程名稱，點擊某門課程了解其具體內容。每門課程包括該課程理論教學大綱、 實驗教學大綱和實驗名稱目錄，這些都以文字形式呈現。當 進入實驗名稱目錄的每一個具體實驗時，它包括實驗目的、 原理和內容，實驗過程演示和虛擬實驗操作三部分。實驗目 的、原理和內容以文字形式呈現，實驗過程演示以 FLASH 形 式呈現，虛擬實驗操作就可以進行該實驗的操作練習了。

（3） 自主實驗區

該區主要是為綜合性、設計性實驗準備的。學生可以根據所學的專業知識，自己選擇實驗內容，自行設計實驗方案， 在虛擬環境中進行自己感興趣的實驗。教師也可以利用此虛 擬空間進行科研實驗。當然，該區也不是任何實驗都能進行 的，其只能進行虛擬環境中所給儀器的相關實驗。該模塊的 實現相對其它模塊難度稍大一些。

（4） 交流討論區

該部分主要是為同學們進行相關實驗問題的交流和討論設置的，可以實時討論，也可以非實時討論。與一般討論空 間一樣，非實時討論空間主要以電子郵件和留言版、BBS、 個人 BLOG 為主，還可以通過語音進行非實時交流（我們正 在開發語音非實時交互系統）。實時交流主要是利用語音和視 頻討論教室，但這種方法需要組織者，實現起來不是太方便。

3平臺的特點

（1） 開放性

該平臺主要用于學生課后進行實驗的，因此，我們強調其開放性，不需要注冊，任何人都可以進入該平臺進行實驗， 提出相關實驗問題，參與交流和討論。

（2） 自主性

學生可以根據實驗大綱、實驗內容、實驗步驟進行常規實驗的虛擬操作，也可以根據自己的需要和興趣，自行設計實驗 內容及步驟，進行虛擬實驗。同時數據庫自動將實驗過程記錄， 并處理實驗結果，以便學生調整自己的實驗目的和實驗內容。

（3） 協作性

在進行自主實驗時，可以邀請多個同學組成一個小組，一起做同一個實驗，所有人的操作都能實時地被顯示在其他 組員的屏幕上，每個參與實驗的人員還可以對同組人員的操 作做實時的評價和修改，大家一起完成實驗。

（4） 交互性

虛擬實驗是仿真技術、多媒體技術、虛擬現實技術等的有機組合應用，特別是多媒體計算機具有圖文并茂、豐富多 彩的人機交互方式。該平臺不僅可以進行人機交互，還提供 人人交互的很多空間，不論是實驗前、還是實驗中、實驗后， 只要與實驗相關的問題，都可以進行實時和非實時交流討論。

（5） 專業性

該平臺的使用對象是教育技術學專業學生，因此，我們更強調其專業性。首先是內容專業，全部都是教育技術學專 業的實驗課程；其次是平臺開發和使用的技術專業，正因為 是教育技術學生，開發和使用都要增加技術難度。

（6） 擴展性

由于教學計劃經常進行調整，很多課程的實驗內容也在變化，因此，該平臺的設計與開發考慮其擴展性，管理者可 以隨時根據需要進行各種內容的增加和調整。

四 教育技術學專業開放式虛擬實驗平臺設計與開發應 注意的問題

任何一個平臺的開發都會受到很多因素的制約和影響， 這里我們只就教育技術學專業開放式虛擬實驗平臺的設計與 開發提出兩點建議。

1實驗內容的選擇

虛擬技術固然有其強大的優勢，但有些實驗不一定非要利用虛擬技術去實現，因此，我們在利用虛擬技術開發實驗 的時候，要仔細選擇和考慮?？梢灾饕_發操作性比較強、 難以在實驗室中準確操作、甚至操作錯誤容易造成較大損失 或傷害的實驗。

比如，本院教育技術學專業教學計劃中，專業基礎課程 共 10 門：美學基礎，攝影技術與藝術，教育傳播學，音頻技 術，電子技術基礎，Flash 動畫，三維動畫，網絡技術基礎， 網絡程序設計，數據庫技術與應用。專業課程共 9 門：教育 技術學導論，電視教材編導與制作，多媒體課件制作，教育技術研究方法，網絡工程，網絡資源建設，教學系統設計， 遠程教育，信息技術教育應用。有實驗的課程分別是攝影技 術與藝術，音頻技術，電子技術基礎，Flash 動畫，三維動畫， 網絡程序設計，數據庫技術與應用，電視教材編導與制作， 多媒體課件制作，網絡工程，網絡資源建設。我們覺得適合 于利用虛擬技術開發的實驗有這樣幾門課程：攝影技術與藝 術，音頻技術，電子技術基礎，電視教材編導與制作，多媒 體課件制作，網絡工程。[2]

當然，教育技術學專業所有實驗課程都可以利用 FLASH 開發成演示版本。至于可以利用虛擬技術開發的課程中，哪 些實驗更適合于虛擬實驗，這里不再敘述。

2開發環境的保障

（1） 開發團隊的組建

教育技術學專業課程很多，實驗內容也很多，特別是該平臺還提供了自主實驗區，因此，要開發該平臺，必須有一 個好的團隊。團隊人員可以由課程教師、實驗教師、開發技 術人員組成。特別強調的是，團隊中一定要吸納教育技術學 專業的學生參加，因為，我們開發該平臺的目的是加強和提 高學生的實踐動手能力，學生參與開發過程，本身就是對其 實踐能力的提高，所以，我們不提倡由專業公司來開發。

（2） 設備、經費的保障

虛擬實驗平臺的開發是一個較大的項目，特別是教育技術學專業虛擬實驗平臺，需要很多儀器設備，比如相關軟件，計 算機，攝、錄、編等設備，有些設備可能需要購置，這就需要 經費的支持，因此，要保證開發的順利進行，必須得到單位及 領導的重視和支持，才能使設備和經費等基本條件得到滿足。 實驗教學在提高人才素質和創新能力中的地位和作用已 逐漸得到人們的認同，深化實驗教學改革是 21 世紀人才培養 的需要。教育技術作為教育教學改革的突破口，其實驗教學 更應該超前于其它專業，更需要教育技術人員開辟實驗教學 的新領域，為提高教育技術學專業學生的動手實踐能力提供廣闊的空間。

參考文獻

[1][2] 徐州師范大學教育技術學專業本科教學計劃[Z]. 2007.