復雜場景下數(shù)字化教學視頻拍攝與評價虛擬仿真實驗設計

劉永貴，申靈靈，張剛要，劉 峰

復雜場景下數(shù)字化教學視頻拍攝與評價虛擬仿真實驗設計

劉永貴，申靈靈，張剛要，劉 峰

（南京郵電大學 教育科學與技術學院，江蘇 南京 210023）

進行復雜場景下數(shù)字化教學視頻的拍攝與基于眼動儀認知效果評價數(shù)據(jù)的改進，存在高風險、高成本與倫理限制。該文提出虛擬野外青蛙生存場景拍攝實驗、虛擬博物館實景授課場景拍攝實驗、基于虛擬眼動儀的數(shù)字化教學視頻認知效果評價實驗的設計思路。學生按照“拍攝—效果評估—改進”的過程進行實驗，培養(yǎng)和提高在復雜場景中綜合應用教學媒體設計、視頻拍攝、學科知識可視化等多項知識與技能的能力。

數(shù)字化教學視頻；眼動儀；復雜場景；虛擬仿真

數(shù)字化教學視頻資源的開發(fā)是教育技術學專業(yè)學生的基本實踐能力之一。隨著信息技術的飛速發(fā)展，社會與學校對數(shù)字化教學視頻的需求日趨旺盛。數(shù)字化教學視頻不僅有教師課堂講授視頻，還有拍攝于真實場景中的數(shù)字化視頻[1]。符合事物運動變化規(guī)律的視頻教學資源是幫助學習者掌握事物內在規(guī)律、發(fā)揮視頻學習價值非常有效的方式。農業(yè)、林業(yè)、體育、地理等學科的教學均需要此類數(shù)字化教學視頻。因此，要求教育技術學專業(yè)的學生具有較好數(shù)字化教學視頻設計開發(fā)能力，學習和掌握真實場景下數(shù)字化教學視頻的拍攝技能[2]，學會使用眼動儀等高端實驗設備對數(shù)字化教學視頻的效果進行測試，并根據(jù)評價數(shù)據(jù)提升數(shù)字化教學視頻設計與開發(fā)水平[3-4]。

1 開發(fā)虛擬仿真實驗項目的必要性分析

1.1 降低復雜實景拍攝的成本和風險

真實場景復雜多變，很難在學校演播室、實驗室完美復現(xiàn)；而森林、火山、田野、工廠等真實場景的拍攝成本高，并存在安全等問題，難以安排學生實地練習。這使得復雜場景下的數(shù)字化教學視頻拍攝實驗難以開展。借助虛擬仿真技術創(chuàng)設高度仿真的復雜場景拍攝實驗，有助于培養(yǎng)學生在復雜場景中以合理的機位布置、調度、布光，恰當運用景別、鏡頭，拍攝出契合事物特征以及適合學生認知規(guī)律的數(shù)字化教學視頻。

1.2 規(guī)避教學視頻認知效果評價實驗的倫理限制

使用眼動儀、腦電儀分析學習者的視覺信息加工機制，分析視覺信息設計對人認知活動的影響，以對視覺產品設計與開發(fā)做出評估，是當前教育心理、媒體設計等領域的重要研究方式[5-7]。但因眼動儀、腦電儀等設備的昂貴，及人體實驗受到倫理限制，無法成為數(shù)字化教學視頻對學習者認知效果影響的評價手段；而創(chuàng)建虛擬仿真的眼動儀實驗場景，能為學生提供可靠、安全、經(jīng)濟、符合倫理規(guī)范的數(shù)字化教學視頻效果評價實驗條件。

2 實驗目標設計

本虛擬仿真實驗項目是面向教育技術學專業(yè)學生的數(shù)字化教學視頻設計開發(fā)高階能力培養(yǎng)的綜合實驗，是“教學技術與媒體”“數(shù)字視頻設計與開發(fā)”“數(shù)字化學習資源設計與開發(fā)”等課程實驗的拓展與提升。數(shù)字化教學視頻設計開發(fā)能力實驗教學體系如圖1所示。

圖1 數(shù)字化教學視頻技能訓練實驗教學體系

本虛擬仿真實驗項目是以學生在上述課程教學中所掌握的基本知識、技能為基礎，重點培養(yǎng)學生在復雜場景中綜合應用拍攝、布光、學科知識可視化、教學視頻媒體信息設計等知識與技能，拍攝出能反映事物在復雜、真實環(huán)境的特征屬性，形象化呈現(xiàn)科學知識的數(shù)字化教學視頻。具體實驗目標為：

（1）掌握學習內容及其對應的復雜環(huán)境分析技能，能在數(shù)字化教學視頻設計原則指導下[8]，根據(jù)對復雜場景的分析，進行機位布置、景別與鏡頭運用、曝光設置、燈光布置[9]，拍攝出符合學習內容特征與學生認知的數(shù)字化教學視頻；

（2）學會眼動儀操作，掌握用眼動儀進行數(shù)字化教學視頻認知效果評價及其數(shù)據(jù)采集方法；

（3）提高教學媒體設計、視頻拍攝、學科知識可視化等知識與技能的綜合應用能力，提高復雜場景下數(shù)字化教學視頻拍攝能力。

3 實驗項目設計

本虛擬仿真實驗項目需要學生學習4方面的技能：

技能1：數(shù)字化教學視頻設計策略；

技能 2：復雜場景下數(shù)字化教學視頻拍攝中的多機位布置、調度，及鏡頭的景別與運動技巧運用；

技能3：復雜場景中的曝光設置、燈光布置；

技能 4：基于眼動儀數(shù)據(jù)的數(shù)字化教學視頻認知效果評價技能。

為使學生掌握以上4方面技能，創(chuàng)設了虛擬野外青蛙生存場景拍攝實驗、虛擬博物館實景授課場景拍攝實驗、基于虛擬眼動儀的數(shù)字化教學視頻認知效果評價實驗等3個實驗項目（見圖2、圖3、圖4）。

（1）野外青蛙生存場景拍攝實驗。模擬生物類專業(yè)數(shù)字化教學視頻拍攝場景（地理、農業(yè)、林業(yè)、體育等專業(yè)的場景拍攝實驗與此類似）。學生基于對學習內容所描述對象及其所處復雜場景的分析，進行多機位布局與視頻媒體信息呈現(xiàn)方式設計，選擇恰當?shù)臋C位，運用景別、鏡頭技巧，呈現(xiàn)學習內容所描述事物的特征屬性。

圖2 野外青蛙生存場景

圖3 博物館實景授課場景

圖4 眼動儀實驗場景

（2）博物館實景授課場景拍攝實驗。模擬文物、歷史等專業(yè)室內拍攝數(shù)字化教學視頻的場景。此實驗項目重點要求學生掌握對室內復雜光線場景中曝光與被拍攝對象顏色、細節(jié)、形態(tài)等信息呈現(xiàn)關系的分析，能在多個被拍攝對象光線差異較大情境下，進行曝光度、黑白平衡、拍攝模式設置，能利用反光板、攝像燈補光，確保數(shù)字化教學視頻對復雜光線環(huán)境下事物特征屬性的正確呈現(xiàn)。

（3）基于眼動儀的復雜場景視頻效果評價實驗。通過對虛擬眼動儀的操作和應用，了解眼動儀結構、功能、使用流程、基本參數(shù)設置，理解眼動儀數(shù)據(jù)分析與數(shù)字化教學視頻構圖、曝光、鏡頭的關系[10-11]，掌握用眼動儀進行數(shù)字化教學視頻認知效果數(shù)據(jù)的采集和分析。

4 實驗原理與實驗步驟設計

4.1 實驗原理

虛擬仿真實驗按照“拍攝—基于眼動儀的視頻效果評估—改進”的模式進行。在實驗中，學習者結合復雜場景的環(huán)境特征及所呈現(xiàn)的教學內容屬性，綜合設計拍攝方案，布置虛擬攝像機機位，設置光圈、焦距等參數(shù)，利用攝像燈、反光板等進行布光，完成虛擬拍攝。隨后設置眼動儀參數(shù)，用眼動儀對所拍攝視頻的認知效果進行測試，根據(jù)測試結果完善數(shù)字化教學視頻拍攝設計與拍攝技巧。在這一過程中，完成多門知識與技能的融會貫通，掌握復雜場景下數(shù)字化教學視頻拍攝技能。

本虛擬仿真實驗項目依托虛擬實驗環(huán)境，將實驗參數(shù)分為6類，參數(shù)控制方式如表1所示[12-13]。實驗過程中，學生通過鍵盤輸入、鼠標拖動、方向鍵控制等方式控制實驗參數(shù)，完成復雜環(huán)境下數(shù)字化教學視頻的拍攝與效果評價實驗。

表1 實驗參數(shù)與參數(shù)控制方式設計

本虛擬仿真實驗項目中的參數(shù)控制與物理、化學等專業(yè)實驗不同。在復雜場景下拍攝出好的數(shù)字化教學視頻，其合理參數(shù)不是唯一值，而是在某一范圍內變化。所以在虛擬仿真實驗中，學生對多數(shù)參數(shù)的控制不是通過精確輸入數(shù)值，而是通過鼠標或鍵盤控制虛擬設備完成，其操作與真實操作行為高度相似。

4.2 實驗步驟設計

實驗步驟主要圍繞3個實驗項目設計，如圖5所示。實驗步驟的設計緊緊圍繞實驗技能點，并以具體的實驗任務引導學生完成相應實驗操作。以圖5中“野外青蛙生存場景之保護色鏡頭拍攝”和“基于眼動儀的野外青蛙生存場景之保護色鏡頭效果測試”實驗為例，對實驗步驟的設計進行闡釋。

圖5 實驗操作步驟

4.2.1 野外青蛙生存場景之保護色鏡頭拍攝

（1）實驗目的：學會合理選擇機位，綜合應用遠景、近景、特寫景別與推鏡頭等視覺語言描述生物與生存環(huán)境的關系。

（2）實驗任務：青蛙身體顏色與環(huán)境色關系鏡頭的拍攝。

（3）知識點：機位選擇，景別、推鏡頭等視覺語言與知識表達的關系。

（4）仿真平臺：屏幕上彈出字幕：選擇某一機位，拍攝一個鏡頭描述青蛙保護色。

（5）學生操作：選擇機位并控制攝像機，調整拍攝角度、焦距，按下拍攝按鈕拍攝。推鏡頭的起幅畫面為綠色稻田（遠景或全景，焦距控制），落幅畫面為青蛙全身特寫，控制鏡頭變焦范圍與速度（滾輪滾動速度）完成拍攝。圖6所示為拍攝示例。

（6）系統(tǒng)記錄：記錄學生所選擇的機位、焦距變化參數(shù)；以錄屏方式記錄學生拍攝的視頻，并自動將視頻上傳到平臺上學生個人空間。

圖6 學生控制虛擬攝像機以推鏡頭拍攝青蛙保護色鏡頭

4.2.2 基于眼動儀的野外青蛙生存場景之保護色鏡頭效果測試

（1）實驗目的：掌握基于眼動儀的視頻評測方法，學會眼動儀數(shù)據(jù)與鏡頭語言對認知效果影響的分析方法，學會基于眼動儀數(shù)據(jù)改進拍攝技巧。

（2）實驗任務：用眼動儀對青蛙野外生存環(huán)境鏡頭進行測試。

（3）知識點：眼動儀數(shù)據(jù)采集參數(shù)設置，測試數(shù)據(jù)與推鏡頭、景別等視聽語言的關系。

（4）仿真平臺1：對青蛙身體保護色鏡頭眼動儀數(shù)據(jù)進行測試與分析。

（5）學生操作1：在虛擬眼動儀中導入被測視頻并設置參數(shù)，完成數(shù)據(jù)采集，察看該視頻的眼動儀測試數(shù)據(jù)。

（6）仿真平臺2：屏幕彈出該視頻眼動儀數(shù)據(jù)的分析試題（不同數(shù)字化教學視頻試題不同）

（7）學生操作2：完成測試題，平臺自動給予評價反饋；根據(jù)眼動儀測試數(shù)據(jù)的反饋結果，如對所拍攝視頻不滿意，可進行重拍。

（8）系統(tǒng)記錄：記錄學生對虛擬眼動儀參數(shù)的設置數(shù)據(jù)；記錄學生的眼動儀數(shù)據(jù)分析答卷，并自動計算其得分，將之作為實驗成績之一。

5 實驗項目評價設計

數(shù)字化教學視頻拍攝是學生綜合應用教學媒體設計、視頻拍攝、視聽語言、布光等知識的過程[14]，對實驗的評價重點是學生對知識與技能的綜合應用能力，適合采用過程性評價與作品評價相結合、量化評價與定性評價相結合的方式進行考核[15]。

5.1 實驗項目中的評價數(shù)據(jù)采集機制

虛擬仿真實驗平臺會記錄學生操作中設置的各項參數(shù)（例如機位布置、軟件觸發(fā)等），生成所拍攝的數(shù)字化教學視頻，記錄學生眼動儀設置參數(shù)及眼動儀數(shù)據(jù)分析的成績。在實驗報告中，實驗內容與數(shù)據(jù)會自動生成，實驗反思由學生填寫，最后提交報告。

5.2 實驗項目評價的內容

本實驗項目的評價由量化成績與對作品的描述性評價構成，以確保考核意見對學生的診斷和改進價值。具體考核點如表2所示，基于4類技能設定了8個考核點，各考核點與實驗操作步驟相對應。

表2 考核點及其操作步驟

注：對應步驟見圖5

量化成績由5部分構成，如表3所示。除眼動儀數(shù)據(jù)分析成績由系統(tǒng)自動批閱計算外，其余4方面成績是教師人工評分。

表3 量化成績構成

6 結語

復雜場景下數(shù)字化教學視頻拍攝與評價虛擬仿真實驗項目讓學生在虛擬復雜場景中，通過對虛擬攝像機、虛擬攝像燈、虛擬眼動儀的操作，完成數(shù)字化教學視頻拍攝，基于眼動儀進行視頻認知效果評價實驗，實現(xiàn)了教學媒體設計、視頻媒體拍攝、學科知識可視化等多學科知識與技能的綜合應用，有助于和培養(yǎng)教育技術學專業(yè)學生在復雜場景下的數(shù)字化教學視頻拍攝與改進這一高階能力。

在實驗項目的設計與開發(fā)中，筆者注意到教育、心理等社科類專業(yè)虛擬仿真實驗項目設計的幾個特征：第一，很多實驗對象是“人”，受倫理限制的實驗應該并且適合開發(fā)為虛擬仿真實驗項目，而不僅是高成本、高風險的實驗項目；第二，實驗一般涉及一些復雜、多變的因素，其實驗參數(shù)很難用精確數(shù)值表征和控制，合理的數(shù)值往往是在某一范圍內模糊可變，因而對虛擬仿真實驗項目開發(fā)中參數(shù)設定與控制方式提出了更高要求；第三，當實驗對象為人時，虛擬仿真場景中對人的模擬，不能僅僅是形似，需要更多關注對人的行為、情感、態(tài)度的模擬，而這遠比對無生命物體的模擬更為復雜。

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Design on virtual simulation experiment for digital teaching video shooting and evaluation in complex scene

LIU Yonggui, SHEN Lingling, ZHANG Gangyao, LIU Feng

(School of Educational Science and Technology, Nanjing University of Posts and Telecommunications, Nanjing 210023, China)

There are high risks, high costs and ethical limitations in the improvement of the digital teaching video shooting in the complex scene and cognitive effect evaluation data based on the eye tracker. The necessity to design and establish a virtual field frog survival scene shooting experiment, virtual museum scene shooting experiment and digital teaching video cognitive effect evaluation experiment based on a virtual eye tracker is proposed. Students can carry out the experiments in accordance with the process of the “Shooting-effect evaluation-improvement” to cultivate and enhance their ability to comprehensively apply teaching media design, video shooting, subject knowledge visualization and other knowledge and skills in complex scenes.

digital teaching video; eye tracker; complex scene; virtual simulation

G436；TP391.9

A

1002-4956(2019)10-0115-05

10.16791/j.cnki.sjg.2019.10.027

2019-03-15

中國高等教育學會高等教育科學研究“十三五”規(guī)劃重點調研課題（16ZD004）；江蘇省教育科學“十二五”規(guī)劃重點自籌課題(B-b/2015/01/049)；江蘇省教育科學“十三五”規(guī)劃重大課題(A/2016/06)；南京郵電大學教師教學發(fā)展研究專項課題（JG01716JX101）

劉永貴（1978—），男，甘肅蘭州，博士，副教授，碩士生導師，研究方向為教育信息化體制、教學信息化、在線教育。E-mail: liuyg@njupt.edu.cn