余燕芳 衢州廣播電視大學 324000

基于WEB和FLASH的交互式仿真課件設計

余燕芳 衢州廣播電視大學 324000

實驗教學條件的有限性制約了當前實驗教學的效果，運用交互式仿真課件進行實驗教學是對傳統(tǒng)實驗教學極好的輔助和補充。本文提出了一種基于WEB和FLASH的交互式仿真課件的設計技術，結(jié)合一個具體實例說明了該技術可以廣泛地應用在實際教學中。本技術結(jié)合了虛擬仿真技術、計算機技術、網(wǎng)絡技術等多個方面，解決了目前實驗教學中缺乏交互性、對實驗條件要求較高的缺陷。

交互式仿真課件；網(wǎng)絡技術；虛擬仿真技術

1.引言

隨著信息技術在各個領域的高度普及和應用，從事計算機教學的教育者們也越來越重視計算機課件在實驗教學中的應用[1]。將多媒體技術與實驗教學整合起來，在實驗教學中應用先進的計算機課件是對傳統(tǒng)教學的一個極好的補充[2]。目前大多數(shù)課件由于其交互性、仿真性和智能性不夠，并不能真正體現(xiàn)課件在教學中的作用，因此開發(fā)交互仿真智能性教學課件即成為教育界越來越受到關注的問題[3-4]。

2.智能交互式網(wǎng)絡學習環(huán)境設計的理論支持

基于WEB和FLASH的交互式仿真課件設計方法的基本原理：在Web中創(chuàng)建出一個可視化的實驗操作環(huán)境，通過操作這些虛擬的實驗儀器或設備，即可進行各種復雜的實驗，達到與真實實驗環(huán)境相一致的教學要求和目的。它是虛擬仿真技術、計算機技術、網(wǎng)絡技術與專業(yè)理論知識多方面結(jié)合的結(jié)晶，同時也解決了目前遠程網(wǎng)絡教學中缺乏實驗教學環(huán)節(jié)的難題，必將促進遠程教學質(zhì)量的大幅度提高。

2.1 建構主義理論指導下的網(wǎng)絡學習環(huán)境設計

建構主義(constructivism)認為，知識不是通過教師傳授得到的，而是學習者在一定的情境下，借助于他人的幫助，利用必要的學習資料，通過意義建構的方式獲得的，因此建構主義學習理論認為“情境”、“協(xié)作”、“會話”和“意義建構”是學習環(huán)境的四大要素或四大屬性。

(2)自主學習設計。自主學習是指不是由教師直接告訴學生應當如何去解決面臨的問題，而是由教師向?qū)W生提供解決該問題的有關線索，并要特別注意發(fā)展學生的“自主學習”能力。根據(jù)自主學習的設計思想，網(wǎng)絡化學習環(huán)境設計就要遵從以下三個要素：發(fā)揮首創(chuàng)精神、將知識外化和實現(xiàn)自我反饋。網(wǎng)絡學習環(huán)境是學習者可以在其中進行自由探索和自主學習的場所。在這一過程中學生不僅能得到教師的幫助與支持，而且學生之間也可以相互協(xié)作和支持。

2.2 認知靈活性理論指導下的超文本學習環(huán)境設計

認知靈活性理論是由斯皮羅等人提出并倡導的。它接受了建構主義的基本觀點：學習是學習者主動建構內(nèi)部心理表征的過程。根據(jù)建構主義認知靈活性理論，結(jié)合Internet 信息呈現(xiàn)的特點，要取得好的學習效果，在超文本學習環(huán)境的設計上應符合以下要求：（1）在此學習環(huán)境中學習材料應避免過分簡化內(nèi)容領域，支持依賴情境的知識。（2）在超文本教學內(nèi)容設計中，認知靈活性理論強調(diào)把概念具體到一定的實例中，與具體情境聯(lián)系起來。（3）在組織學習內(nèi)容時，要求學習內(nèi)容必須高度相互聯(lián)結(jié)而不是分隔的。（4）能夠提供充分事件之間的鏈接。（5）學習活動最好要有多種表征，從不同的角度呈現(xiàn)同一概念的不同材料，或者從不同概念的不同角度反復呈現(xiàn)同樣的材料。

2.3 Internet合作學習環(huán)境的設計

合作學習指的是學習者結(jié)成對或分成小組、甚至大組一起工作，來實現(xiàn)分享的目標。這種學習策略在理論根源上受到建構主義和人本主義的共同影響。網(wǎng)絡環(huán)境下的合作學習不是信息的交換或教學內(nèi)容的傳遞，而是一個社交性、共同經(jīng)營的過程——從學習者與他人的互動中，共同去創(chuàng)造學習的新意義。

在網(wǎng)絡化的學習環(huán)境中要充分發(fā)揮學生之間的合作精神，這就要求設計時應遵循以下幾方面：(1)支持合作動機結(jié)構，觀眾是促使Internet學習的重要動機，要向他們提供容易的方法和渠道，可以公開展示小組合作的成果；(2)強化個人權責，針對小組成員，此學習網(wǎng)絡要設計出有趣的活動、特殊的獎勵方式，要讓成員彼此了解個人的貢獻程度與重要性；(3)支持合作空間結(jié)構，此種學習環(huán)境中要提供不同的小組空間，讓小組的成員可以感到彼此，產(chǎn)生團隊心理，在學習過程中容易相互接觸、相互教導、分享資源、互助的完成任務。

2.4 情境學習理論指導下網(wǎng)絡化學習環(huán)境中設計

情境學習(situated learning)特指“設身處地于某種環(huán)境或位置的學習”?；谇榫硨W習理論可以把情境的創(chuàng)設分為以下幾類：(1)直觀情境的創(chuàng)設，利用多媒體特點，把教學內(nèi)容展現(xiàn)在學生面前，讓學生通過外部多種刺激迅速感知教學內(nèi)容；(2)問題情境的創(chuàng)設，在網(wǎng)絡學習環(huán)境下創(chuàng)設問題情境可以激發(fā)學生的學習興趣，培養(yǎng)學生的獨立探索問題的能力；(3)協(xié)作情境的創(chuàng)設，利用網(wǎng)上交流工具創(chuàng)設協(xié)作化學習環(huán)境，對高級認知能力的發(fā)展、合作精神的培養(yǎng)和良好的人際關系的形成都有明顯的促進作用。目前常用的協(xié)作化的教學情境有競爭式、協(xié)同式、伙伴式、角色式等多種不同的形式。

基于以上分析可以看出：四大學習理論對網(wǎng)絡學習環(huán)境的設計有著重大的指導意義，在它們指導下設計出的學習環(huán)境能充分調(diào)動學生的積極性，發(fā)揮首創(chuàng)精神，使教師與學生之間有了更為密切的聯(lián)系。

3.智能交互式網(wǎng)絡學習環(huán)境設計的技術支持

在設計網(wǎng)絡實驗課件功能時，主要有以下幾個方面的側(cè)重點：(1)以網(wǎng)站的形式提供服務，在有效的用戶管理和內(nèi)容組織的條件下，利用站內(nèi)豐富的資源滿足用戶的教學活動需求；(2)以提供多媒體網(wǎng)絡課件作為網(wǎng)站主要內(nèi)容，同時提供可以在網(wǎng)絡上使用的實驗平臺以滿足用戶的學習需求；(3)具有用戶登陸和管理功能，一方面為合法用戶提供有效的教學服務，同時防止惡意用戶對教學內(nèi)容的亂用甚至破壞；(4)提供BBS討論區(qū)，用于網(wǎng)絡教學和實驗平臺用戶之間討論教學活動中的問題或者進行經(jīng)驗交流；(5)提供留言系統(tǒng)以方便用戶與管理人員聯(lián)系。整個課件是基于WEB的B/S結(jié)構，用戶直接到瀏覽器上學習并參加實驗。

長葉山蘭屬山蘭屬(Oreorchis Lindl)，該屬在我國有11種，長葉山蘭與其他種的區(qū)別在于：本種葉2枚，狹長28 cm左右，寬1.5～2 cm；總狀花序短縮，花較小，密生于頂端；唇瓣基部至下部3裂，唇盤上的胼胝體呈縱褶片狀(封三,圖Ⅲ)。在我國陜西南部、甘肅南部、浙江、福建北部、臺灣、湖北和四川亦有分布。

3.1 動態(tài)服務器網(wǎng)頁

ASP(動態(tài)服務器網(wǎng)頁Active Server Pages的簡稱)是功能強大而且易于學習的Web服務器端腳本編程技術。利用這項技術，可以創(chuàng)建動態(tài)的、快速的、交互性的Web站點，產(chǎn)生交互式動態(tài)網(wǎng)頁。在ASP 的腳本中，可以通過面向?qū)ο缶幊?OOP)的方法引用系統(tǒng)組件和ASP的內(nèi)置組件。

3.2 可擴展的標記語言

XML(Extensible Markup Language，可擴展的標記語言)是一種新興的網(wǎng)絡頁面標記語言，是標準廣義標記語言(Standard Generalized Markup Language，SGML)的一個子集，也是目前網(wǎng)絡上流行的HTML語言的延伸。與HTML不同的是，XML語言能把數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)表示(例如界面)分開。這種特性能夠讓XML適合在網(wǎng)絡上不同計算環(huán)境中采用一致的信息表示方式。XML技術能夠按照一定的語法和詞匯表定義各種專業(yè)知識，而且還能夠以文本的方式在網(wǎng)絡上傳遞，讓各種聯(lián)網(wǎng)的計算機能夠解釋這些知識，并協(xié)同工作完成不同的計算任務。

3.3 智能MS-Agent 技術

MS-Agent(Microsoft Agent)的出現(xiàn)對網(wǎng)絡課程的設計和開發(fā)產(chǎn)生了重大影響。主要因為MS-Agent提供了語言交流的功能，使學習者與計算機的語言的交互作用成為可能。MS-Agent是一個基于PC機上微軟Windows平臺的卡通式的人機交互系統(tǒng)，較Office助手具有更強大的功能，它不僅能夠在任何Windows程序調(diào)用，而且支持語音識別和語音信息與文本信息的綜合輸出?？商岣呷藱C交互能力和課程內(nèi)容信息的導航能力，同時還可以提高課程學習的易用性和娛樂性。

3.4 智能檢索技術

在網(wǎng)絡教學中，為了豐富學習者的學習內(nèi)容提供了含有大量與課程內(nèi)容相關資料(如鏈接資源、論文庫、習題庫、案例庫和電子辭典等)的資源庫。這樣對信息的查詢提出了嚴峻的挑戰(zhàn)，為了使大家能夠快速而準確的檢索到所需的信息，我們采用智能搜索技術，其核心就是將搜索關鍵字進行自動分組，經(jīng)過實踐得出兩字匹配為最佳。

3.5 Flash技術

交互仿真智能性計算機實驗課件的開發(fā)平臺很多，在對開發(fā)平臺進行選擇時，當以能真正體現(xiàn)課件的交互性、仿真性和智能性為先決條件，其中以Macromedia Flash為最有效的制作開發(fā)工具。首先Flash有豐富的圖形處理功能，開發(fā)軟件支持矢量圖繪制，能保證圖形圖像縮放自如而不失真；其次隨著Flash新版本的不斷推出，這一開發(fā)軟件更加注重腳本語言的發(fā)展，目前Flash所推出的Action Script 3.0已經(jīng)是一種類似于Java的面向?qū)ο缶幊陶Z言，為實現(xiàn)課件的交互性和智能性提供了更好的技術支持。因此本文所闡述的課件均是以Flash為開發(fā)平臺制作開發(fā)的。

4.交互式仿真方法

基于WEB和FLASH的交互式仿真課件的制作方法有其自身獨有的特點，不能和計算機實驗的分類一一對應，有的制作方法可運用于多種計算機實驗中。

4.1 按鈕控制

按鈕是交互動畫的基礎，它具有多種狀態(tài)，并且會響應鼠標事件，執(zhí)行指定的動作，是實現(xiàn)動畫交互效果的關鍵對象。Flash中的很多事件都是由鼠標對按鈕控制而觸發(fā)的，因此按鈕控制在Flash制作課件中占有非常重要的地位。按鈕控制是指通過鼠標點擊按鈕來觸發(fā)事件發(fā)生的控制過程，按鈕控制代碼必須加在按鈕元件上。

4.2 幀控制

幀控制是通過狀態(tài)判斷來控制事件的，是普遍運用于計算機課件中的一種控制方法，其顯著特點是動作代碼必須放在相應的關鍵幀上，是用來控制動畫播放到某一幀時的動作的，我們所開發(fā)的每一個課件的初始靜止狀態(tài)均是通過幀控制來實現(xiàn)的。

4.3 初始化控制

初始化是指在場景中事先設置兩個相同的對象，其中一個對象可見，而另一個對象不可見，當用戶拖拽可見對象與不可見對象發(fā)生沖突時，不可見對象即轉(zhuǎn)換成可見對象，而可見對象則轉(zhuǎn)換成不可見對象。這種控制方法一般都放在第一幀，所以叫做初始化。

4.4 隨機控制

隨機控制是發(fā)生在兩個對象之間的沖突，其中一個對象的移動是隨機的，不受時間和空間的限制，當這個移動的對象在某一時間或空間與另一對象交叉時，通過沖突檢驗法檢測出其所處的狀態(tài)并做出相應的事件響應。

4.5 沖突檢驗法

沖突是指舞臺上的兩個元素(影片剪輯實例)交叉重疊在一起，可使用MovieClip對象的hitTest()方法進行沖突檢驗。在ActionScript中，有兩種主要的沖突類型。

用戶引起的沖突：這種類型的沖突是指用戶單擊和拖拽對象(影片剪輯對象)。在沖突中，除了用戶所操作的鼠標外，只有一個對象，是發(fā)生在鼠標和單一對象之間的沖突。

由腳本或時間引起的沖突：這種類型對象之間的沖突發(fā)生在隨機地把對象移動到與其他對象發(fā)生沖突的位置時才發(fā)生沖突。

4.6 標記移動法

標記移動法即通過標記的移動來判斷狀態(tài)以控制事件的發(fā)生，這是在制作計算機實驗課件中用途比較廣泛的一種制作方法。此方法中，所用到的標記都是影片剪輯，這些標記的移動是在后臺完成的。

4.7 按鈕隱藏法

按鈕隱藏法是指通過按鈕的顯現(xiàn)與隱藏來實現(xiàn)對事件發(fā)生的控制。

計算機實驗課件雖然可分為如上所列的各種設計開發(fā)方法，但在實際操作中往往是各種方法相互融合，經(jīng)常出現(xiàn)在同一個實驗課件的制作過程中，在開發(fā)制作課件時就要根據(jù)課件的實驗步驟所要求的動作事件具體對待，不能一味地強調(diào)其獨立性，只有這樣才能使計算機實驗課件真正具有交互性和智能性。

5.仿真優(yōu)化方法

在應用虛擬現(xiàn)實建模語言VRML(Virtual Reality Modeling Language)創(chuàng)建虛擬現(xiàn)實場景，應該對虛擬現(xiàn)實場景建模進行優(yōu)化。建模時應該兼顧場景的逼真程度、文件的傳輸速度和執(zhí)行性能等三方面的因素。鑒于此，筆者使用了以下虛擬現(xiàn)實場景建模優(yōu)化措施。

5.1 建模時要盡量考慮使用原語

原語是定義基本三維物體的節(jié)點類型，包括立方體、圓錐、圓柱、球和文本。在進行VRML 場景建模時，對于規(guī)則的三維物體，應當有效地使用原語。對于需重復出現(xiàn)的物體，可采用重復引用的方法。這樣就可有效降低場景的復雜度，減小文件量。

5.2 注意與場景有關的多媒體文件的引用

在使用與場景有關的多媒體文件時應遵循性能和效果折中的原則，在保證一定質(zhì)量的前提下盡量減小文件的規(guī)模。例如：聲音文件盡量選用MIDI 格式，視頻數(shù)據(jù)如果是十分必要的就用MPEG1格式，貼圖文件在不影響視覺效果的前提下，可以盡量降低分辨率。

5.3 對復雜的場景進行分割

用Inline節(jié)點可以將復雜的VRML 場景分成幾個較小和較簡單的場景，Inline節(jié)點可以在視點離它足夠近的時候才被讀取和裝入。這樣就可以實現(xiàn)場景的分階段下載和裝入，改善執(zhí)行性能。

5.4 基于Extend的仿真優(yōu)化

筆者采用仿真軟件EXTEND對交互式智能課件產(chǎn)品進行仿真，借助于EXTEND軟件對離散事件系統(tǒng)仿真的強大支持，可以實現(xiàn)對交互式智能課件產(chǎn)品的實時評價。EXTEND是由美國Image That公司開發(fā)的可對離散和連續(xù)時間系統(tǒng)仿真的高靈活性、高可擴展性仿真平臺。

采用EXTEND軟件對交互式智能課件產(chǎn)品進行仿真，以期望達到以下目標：(1)介紹一個知識點的場景數(shù)目盡量不超過10個；(2)場景之間切換的反應時間間隔應不大于0.03秒；(3)能使課件內(nèi)容的準確率達到99.5%以上；(4)能使課件由于誤操作而產(chǎn)生的錯誤率不高于0.5%。

6.仿真實例

平臺制作和調(diào)試所使用的服務器環(huán)境使用了一個叫PHP HOME的服務器軟件提供，并以Word 2003中的表格操作為例。Word 2003是全球通用的字處理軟件，適于制作各種文檔，如信函、傳真、公文、報刊、書刊和簡歷。與以前的版本相比較，Word 2003的界面更友好、更合理，功能更強大，為用戶提供了一個智能化的工作環(huán)境。

課件運行時，實驗所需掌握的操作步驟和方式通過操作者控制鼠標來控制，對操作者的操作步驟正確與否的判斷則是通過按鈕來控制的。操作完成后，只要點擊相應按鈕就可知道操作是否正確，針對不同的操作錯誤還做出了相應的簡單提示。本實驗重點強調(diào)操作者的動手操作過程，因此該課件的交互手動操作占據(jù)課件的大部分，通過對操作行為的判斷得出相應的結(jié)論。在實際實驗中，由于時間、人力和財力的關系，不可能用讓操作者不斷嘗試錯誤來對學習者進行操作技能的強化訓練；而在實際學習中，這種通過錯誤的強化改正錯誤的方法是行之有效的。因此，本課件就傳統(tǒng)計算機實驗教學給予了極好的輔助和補充，從而能使教學過程更生動直觀，更能提高學習者的學習興趣，對培養(yǎng)學習者的能力起到了傳統(tǒng)計算機實驗教學所不能達到的效果。

本文的實例以Word 2003中的表格操作為例，如圖1所示，當前實驗的目的是對表中人員的年齡按照降序排列。本文開發(fā)的網(wǎng)絡實驗平臺的界面借用了Word 2003本來的界面，學生在網(wǎng)絡實驗平臺中操作和在Word 2003中操作的效果是等同的。如果學生在操作過程中，忘記了下一步的具體操作步驟，則可以點擊“操作提示”按鈕，系統(tǒng)則給出下一步操作的提示(如圖2)。如果學生操作成功，則操作結(jié)束后，系統(tǒng)會給出“操作成功”的提示(圖 3)。

圖1 Word 2003中表格排序的實驗例題

圖2 點擊“操作提示”后系統(tǒng)給出的操作提示

本課件運用了標記控制、按鈕控制、沖突控制等多種技術手段，是目前交互仿真智能性課件中能體現(xiàn)其交互智能性課件特性的典范，是目前課件制作上的一個突破。本文開發(fā)的網(wǎng)絡實驗平臺使模擬操作實驗運用于課堂成為可能，使目前的計算機專業(yè)實驗課件的制作邁上了一個新的臺階。

本文基于WEB和FLASH的交互式仿真課件設計方法，結(jié)合教師的身份、特性以及現(xiàn)代教學的某些觀點，對網(wǎng)絡多媒體課件的制作、設計過程做了較為詳細的論述，對實際的網(wǎng)絡多媒體課件設計有一定的指導作用。多媒體課件是近幾年以來在中小學中逐步普及應用的教學手段，由于它交互性強、表現(xiàn)形式豐富、容易為學生接受、有利于分層教學、信息量大等優(yōu)點，已經(jīng)逐步取代了傳統(tǒng)電教手段中的幻燈片、錄音、錄像等，處于電教的主體地位。本文方法優(yōu)勢在于教師自己編寫課件的實用性、針對性極強，大部分課件都是針對某個年級、某幾節(jié)課專題設計的；所以采用本文方法開發(fā)出來的課件具有以下特點：開發(fā)周期短、實用性高、針對性強、成本(硬件)低、維護難度低、開發(fā)進度容易控制、質(zhì)量較高、可靠性穩(wěn)定性高、可移植程度高。

網(wǎng)絡多媒體課件中最突出的特點是：信息量較大，可以進行點對點的人人交互方式和大眾討論一般交互方式。網(wǎng)絡多媒體課件的中心不再是多媒體的表現(xiàn)形式，而是網(wǎng)絡的交互。聊天室的功能一般是提供一個虛擬的空間，讓網(wǎng)絡上的學生在這里自由發(fā)表、討論自己的問題，聊天室的反饋不再是課件中預先內(nèi)置的，而是其他的使用者，它所容納的知識量，不再是教師的知識量，而是聊天室內(nèi)全體用戶的知識量。通過聊天室，學生可以將某個知識點中的疑問或自己的心得提出來討論，在整個討論過程中，他們可能會遇到與自己完全不同的觀點，從而進一步促使他們進行思考，至此，學生學習到的不再是單純的知識點，而是獲取這個知識點的過程。這樣就可以達到“知其然，亦知其所以然”。

7.結(jié)束語

圖3 系統(tǒng)會給出的“操作成功”提示

本文的主要創(chuàng)新點：提出了一種基于WEB和FLASH的交互式仿真課件的設計技術，結(jié)合一個具體實例說明了該技術可以廣泛地應用在實際教學中。本技術結(jié)合了虛擬仿真技術、計算機技術、網(wǎng)絡技術等多個方面，解決了目前實驗教學中缺乏交互性、對實驗條件要求較高的缺陷。交互式仿真教學課件不僅可以克服傳統(tǒng)實驗教學的不足，而且可以增強學生學習的興趣，提高學生的感性認識，培養(yǎng)學生的科學素養(yǎng)，是傳統(tǒng)實驗教學的有力補充。

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G434

A

“浙江廣播電視大學2009年度科學研究課題（教改課題）”

余燕芳(1976-)，女(漢族)，浙江衢州人，學士，講師。研究方向為計算機信息安全與智能化信息處理。