陳 莉，趙一鳴

（1.寧波大學 教師教育學院，浙江 寧波315211；2.寧波大學 科技學院，浙江 寧波315211）

引言

新課改實施后，高中信息技術課程體系發(fā)生了很大的變化，選修模塊增加了很多實驗性的課程內(nèi)容，例如計算機硬件組裝、網(wǎng)線的制作、網(wǎng)絡服務配置、機器人裝配與調試等都具有很強的操作性，其目的是要培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神和實踐能力。但目前很多學校由于實驗設備的缺乏學生無法真正動手進行實驗，為了解決實驗教學環(huán)境缺失這一難題，我們設計與開發(fā)了虛擬實驗系統(tǒng)。

近年來隨著虛擬現(xiàn)實技術的發(fā)展，國內(nèi)外的學者在虛擬實驗這方面做了大量的研究和開發(fā)工作，但主要面向的是高等教育理工科實驗教學，基礎教育中的研究比較少，主要也是針對物理、化學、生物等主科，作為副科的信息技術長期不受重視，在虛擬實驗方面的研究屈指可數(shù)：有文獻介紹了用虛擬機技術搭建虛擬實驗平臺的方法；[1]也有文獻介紹了用3DsMax和VR-Platform（以下簡稱VRP）開發(fā)一個可交互的課件。[2]從技術實現(xiàn)的角度來看，采用虛擬機技術能夠解決硬件設施不足的問題，方便硬件設備的管理，但是平臺缺乏交互性；[1]也有的給高中信息技術實驗教學帶來了新思路，卻僅僅是一個單獨的虛擬實驗實例，不具有擴展性。[2]

本文針對上述不足，提出利用VRP構建研究性虛擬實驗系統(tǒng)的方案，即以VRP作為虛擬場景的開發(fā)工具，以研究性學習理論為基礎指導虛擬實驗系統(tǒng)教學設計。該方案能夠克服上述方法中技術實現(xiàn)的不足，同時注重系統(tǒng)的教學特性，具有交互性、平臺擴展性，易于實現(xiàn)和自主性、探究性等特征。

一、研究性虛擬實驗系統(tǒng)的設計

本文以高中信息技術選修課程《網(wǎng)絡技術應用》為例，依據(jù)《網(wǎng)絡技術應用》課程實驗要求設計和實現(xiàn)基于VRP的研究性虛擬實驗系統(tǒng)，系統(tǒng)設計的總目標是要改善目前實驗設備缺乏的現(xiàn)狀以及培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神和實踐能力。其中研究性虛擬實驗系統(tǒng)中的“研究性”，指的是以研究性學習理論為指導思想，設計出來的虛擬實驗具有研究性學習的特點，能使學生通過實驗增強實踐探究能力和創(chuàng)新意識。目前對研究性學習的定義沒有統(tǒng)一的界定，《普通高中研究性學習實施指南（試行）》給出的定義是：研究性學習特指學生在教師指導下，從自然、社會和生活中選擇和確定專題進行研究，并在研究過程中主動地獲取知識、應用知識、解決問題的學習活動。[3]根據(jù)此定義，這里將研究性學習理解為一種學習方式，它相對應于接受性學習，學生的學習是一個主動探究問題、創(chuàng)造性地解決問題的過程。具有自主性、開放性、主題性、實踐性、探究性和創(chuàng)造性等特點。[4]

1.教學設計

（1）學習者分析

學生是虛擬實驗系統(tǒng)使用的主體，因此在系統(tǒng)開發(fā)前必須充分考慮學生的特點、認知水平和認知風格等基本特征，為后續(xù)的開發(fā)工作提供依據(jù)。高中生的生理和心理都進入成熟期，思維具有創(chuàng)造性和靈活性，喜歡新事物和創(chuàng)造性的活動，因此在新穎而有趣的虛擬實驗環(huán)境中進行自主探究學習，能夠激發(fā)學生的學習興趣，滿足學生的求知欲和探索精神。

（2）研究性教學內(nèi)容與學習資源設計

本系統(tǒng)中包含《網(wǎng)絡技術應用》教材中大部分的實驗內(nèi)容，通過對實驗內(nèi)容的整合，選取能夠體現(xiàn)虛擬實驗系統(tǒng)教學優(yōu)勢、實踐體驗性強的實驗內(nèi)容，每個實驗都是以問題的形式呈現(xiàn)，學生在這個問題情境下，可以提出具體的研究問題作為實驗學習目標。為輔助學生自主實驗，系統(tǒng)提供理論豐富的學習資源，如文本學習資料、圖片、動畫及視頻案例等，學生可以自由地組織和獲取各種學習資源。

以上設計體現(xiàn)了研究性學習開放性的特點，學生可以自主選擇實驗內(nèi)容與學習資源進行實驗，另外，虛擬實驗系統(tǒng)能夠使學生不受時間和空間的限制隨時隨地進行實驗，體現(xiàn)了整個研究性虛擬實驗系統(tǒng)的開放性。

（3）教學目標分析

教學目標是教學的出發(fā)點和歸宿，也是對學生學習效果評價的依據(jù)。虛擬實驗的具體目標分為兩個：知識、技能目標和實驗活動目標，其中實驗活動目標中包含情感態(tài)度、精神素養(yǎng)方面的要求。

（4）自主實驗策略制定

研究性學習強調學生的主體地位，要充分發(fā)揮學生的主動性，因此自主實驗的設計應以學生為中心，學生自主對實驗引導的問題進行探索，從實驗儀器的選擇、實驗操作步驟的確定、學習資源的利用到實驗報告的填寫，都是由學生自主安排，教師不參與實驗過程，而是給出相關知識點解析、視頻或PPT演示示例供學生參考，學生可以根據(jù)自己的學習情況安排自己實驗進度。整個實驗過程具有自主性、探究性和實踐性，同時學生探究實驗的過程也是一個創(chuàng)造性的過程。

（5）反饋評價設計

研究性虛擬實驗系統(tǒng)的反饋評價設計，主要是通過填寫實驗報告進行的，同時也注重學生在實驗過程的評價與學生的自我評價。目的在于讓學生及時了解自己的實驗情況，反復修正和探索實驗問題，教師也可以通過學生的實驗反饋了解學生的學習情況。

2.系統(tǒng)框架設計

虛擬實驗系統(tǒng)包括簡介、儀器庫、實驗列表、背景音樂、幫助和退出系統(tǒng)六個組成部分，其中最核心的部分是虛擬實驗模塊，每個虛擬實驗功能設計大致一樣，主要由實驗介紹、演示示例、儀器選擇、自主實驗及反饋自測五大功能模塊組成。系統(tǒng)的框架設計如圖1所示。

圖1 《網(wǎng)絡技術應用》虛擬實驗系統(tǒng)框架設計

實驗介紹模塊：介紹每個虛擬實驗的學習背景概述、教學目標、教學重點和難點。示例演示模塊：包括視頻教程和PPT動畫演示文稿，通過鼠標點擊虛擬投影屏幕模型上的按鈕進行播放。儀器選擇模塊：虛擬儀器桌上主要有水晶頭、雙絞線、網(wǎng)線測試儀、壓線鉗、路由器、交換機等虛擬儀器，通過鼠標點擊虛擬儀器模型實現(xiàn)交互，從而選擇實驗所需要的儀器設備。自主實驗模塊：這是學生進行自主虛擬實驗的開放性場所，學生在虛擬小女孩角色的引導下進入虛擬實驗室中進行自主實驗探究。本模塊中提供的資源包括動畫漫游、問題引導、知識點解析、操作內(nèi)容和實踐拓展，學生實驗前可以通過動畫漫游熟悉整個實驗環(huán)境，然后根據(jù)給出的操作內(nèi)容，自主進行實驗探究，實驗中有疑惑可查看教師給出的問題引導及相關知識點解析，學有余力的學生還可以完成實踐拓展中的內(nèi)容，進一步提高自己能力。反饋自測模塊：附有實驗記錄表、實驗中問題分析和實驗結論填寫。

3.流程設計

根據(jù)系統(tǒng)設計實現(xiàn)的先后順序，虛擬實驗系統(tǒng)的實現(xiàn)流程圖包括前期準備階段、3D建模階段和交互設置階段三個步驟，如圖2所示。

圖2 虛擬實驗系統(tǒng)實現(xiàn)流程圖

（1）素材收集

在系統(tǒng)實現(xiàn)的前期準備階段，除了對教學設計“軟”素材的準備，還要對虛擬場景制作的“硬”素材進行收集。由于虛擬實驗系統(tǒng)是以實體實驗室為基礎進行仿真構建的，因此要對實驗室的外形構造信息和紋理材質、貼圖照片等進行采集。

（2）三維模型建立

本文采用功能強大、界面友好的3dsMax2010進行《網(wǎng)絡技術應用》虛擬實驗環(huán)境的構建，主要包括虛擬實驗室、虛擬實驗儀器設備如水晶頭、雙絞線、壓線鉗、PC機、路由器等模型的構建。模型框架創(chuàng)建后，為模型添加材質和貼圖、布置燈光及場景烘焙，其效果如圖3所示。

圖3 《網(wǎng)絡技術應用》虛擬實驗室場景示意圖

（3）交互設計

在3dsMax2010中完成虛擬實驗環(huán)境建模后，通過安裝好的VRP-for-Max插件導入VRP編輯器中，導出的時候可以進行預覽。成功導入VRP編輯器后便可對虛擬實驗場景進行編輯和調整，進行交互設計。本文所實現(xiàn)的是桌面式虛擬實驗系統(tǒng)，學習者與系統(tǒng)的交互主要是通過鼠標、鍵盤及界面的按鈕進行，通過設置模型或按鈕的事件觸發(fā)腳本命令實現(xiàn)與場景中對象的各種互動，如實現(xiàn)對模型的平移、縮放、旋轉及在場景中進行漫游、行走等。

（4）虛擬實驗系統(tǒng)發(fā)布

VRP虛擬實驗系統(tǒng)的發(fā)布比較簡單靈活，既可以將文件編譯成單機可獨立執(zhí)行的*.exe文件，也可以輸出為Vrpie文件通過互聯(lián)網(wǎng)在線瀏覽交互。

二、具體實現(xiàn)案例

1.開發(fā)環(huán)境介紹

VR-Platform(VirtualRealityPlatform，簡稱VRP)是北京中視典數(shù)字科技有限公司獨立開發(fā)的虛擬現(xiàn)實軟件，VRP軟件的適用性比較強，操作簡單，軟件功能強大，已經(jīng)廣泛應用于城市規(guī)劃、室內(nèi)設計、教育科研、古跡復原、工業(yè)仿真及軍事模擬等領域。

本文采用VRP軟件最新版本VRP12.1212作為虛擬實驗系統(tǒng)開發(fā)平臺，選擇的理由：一是VRP軟件是全中文界面，高度可視化，所見即所得，最大的特點就是易學易用，可以說在目前虛擬現(xiàn)實軟件中是最容易上手的。[5]對編程基礎沒有大的要求，這可以打消很多高中信息技術一線教師“想做虛擬現(xiàn)實卻苦于編程基礎一般”的疑慮，激勵更多一線教師參與進來，設計出更多符合高中生學習特點的虛擬實驗。二是交互性良好，在VRP中模型和二維界面都可以進行鼠標事件或距離觸發(fā)事件的腳本編寫，簡單設置參數(shù)后，就可以實現(xiàn)功能強大的交互。三是與3DsMax無縫集成，支持3DsMax中絕大多數(shù)的燈光、材質、貼圖，支持3dsMax中的相機動畫、骨骼動畫、位移動畫和變形動畫，這些模型和動畫都可以很方便快捷地導入到VRP中，導出時還可以進行預覽。[6]四是VRP具有良好的兼容性，能夠兼容大多數(shù)Windows系統(tǒng)，VRP中還提供了ActiveX插件方式、基于腳本方式和基于C++源碼的SDK三種強大的二次開發(fā)接口，具有良好的擴展性。

2.具體實現(xiàn)

下面通過部分實例來說明如何利用VRP實現(xiàn)研究性虛擬實驗系統(tǒng)：

（1）演示示例的實現(xiàn)

當用鼠標單擊二維界面“演示示例”按鈕時，虛擬實驗場景切換到投影儀屏幕，用鼠標單擊屏幕上的開始播放按鈕，即可播放虛擬實驗的演示示例視頻或PPT動畫演示文稿。圖4為實驗案例一“網(wǎng)線的制作”演示示例效果。

圖4 “網(wǎng)線的制作”演示示例圖

其中“演示示例”按鈕的腳本代碼設置為：

切換相機（通過名稱），定點－投影屏幕，1

開始播放按鈕腳本設置為：加載視頻,E:li實驗 例子VRP文件網(wǎng)線的制作.avi,0

應用視頻到模型,網(wǎng)線視頻按鈕,1視頻播放控制,網(wǎng)線視頻按鈕,1

變量賦值,視頻顯示,1

（2）虛擬儀器選擇的實現(xiàn)

單擊“儀器選擇”按鈕，系統(tǒng)通過定點相機切換場景到儀器桌，儀器桌上的儀器設備信息都記錄在連接的Access數(shù)據(jù)庫中，鼠標左鍵雙擊儀器可以調出數(shù)據(jù)庫顯示面板查看儀器信息，如圖5所示。學習者根據(jù)實驗需要自主選擇儀器，單擊鼠標中鍵可選擇所需儀器，當選擇錯誤儀器時，系統(tǒng)會給出溫馨提示，學生自己考慮選擇或取消，取消選擇點擊鼠標右鍵即可。

圖5 儀器選擇場景圖

“儀器選擇”按鈕腳本設置如下：

切換相機（通過名稱），定點－儀器桌，1時間軸播放，儀器操作時間軸

更改時間軸播放方式，儀器操作時間軸，0，1激活時間軸，儀器操作時間軸，1，1

（3）自主實驗的實現(xiàn)

學生進行自主實驗是虛擬實驗系統(tǒng)的核心部分，單擊二維界面上“自主實驗”按鈕，進入自主實驗開始場景，其界面如圖6所示。學生通過小女孩角色引導進入虛擬實驗室進行虛擬實驗探索，如圖7所示為學生正在通過ping命令測試網(wǎng)絡連接，界面用大窗口實現(xiàn)電腦桌面內(nèi)容便于觀看和操作，使用到的是VRP12版新增加的“渲染到貼圖”功能。[7]

“自主實驗”按鈕腳本設置為：切換相機(通過名稱),定點-室外,1。

“漫游”按鈕腳本：切換相機（通過名稱），動畫相機漫游，1。

小女孩角色腳本設置為：時間軸播放,室外行走動畫。

切換相機（通過名稱），角色控制－小女孩，1。

開門動作腳本：播放剛體動畫，vrp_rigid開門，0，0，1。

三、結束語

本文以高中信息技術選修課《網(wǎng)絡技術應用》為例，設計和實現(xiàn)研究性的虛擬實驗，打破了傳統(tǒng)的教學方式，為高中信息技術實驗課程提供了新的教學模式和學習方式。注重實驗內(nèi)容的研究性教學設計和界面設計，可以提高學生的興趣，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神和實踐能力。選用VRP作為虛擬實驗的開發(fā)工具，并且給出了整個開發(fā)流程，為高中信息技術一線教師自主研究開發(fā)提供參考。只有信息技術教師首先重視學科教學，信息技術學科的地位才能得到有效提升。

圖6 自主實驗開始界面圖

圖7 自主實驗效果圖

[1]陳萬倫.虛擬機技術在高中信息技術教學中的應用[J].計算機光盤軟件與應用,2012(7):254-256.

[2]劉力.虛擬現(xiàn)實技術在高中人工智能教學中的應用研究[D].沈陽:沈陽師范大學,2009:28-32.

[3]中華人民共和國教育部.普通高中研究性學習實施指南(試行)[EB/OL].http://wenku.baidu.com/view/0c5ae71aff00bed5b9f31d84.html.

[4]袁維新.論研究性學習活動方式的特征[J].浙江教育科學，2001(2).

[5]王正盛,陳征.VRP10/3dsMax虛擬現(xiàn)實制作技能實訓教程[M].北京:科學出版社,2010:12-18.

[6]VR-Platform中視典三維互動虛擬平臺幫助教程[EB/OL].http://help.vrp3d.com/.

[7]馬浩,馬靜波.虛擬現(xiàn)實VRP深度交互實例精解[M].北京:印刷工業(yè)出版社,2012:132-137.