交互屏幕實(shí)驗(yàn)——遠(yuǎn)程物理實(shí)驗(yàn)教育的新技術(shù)*

黃海寧周少娜肖 化謝 春

(華南師范大學(xué)廣東 廣州510006)

*廣東省教育科研“十二五”規(guī)劃2013年度項(xiàng)目“基于人機(jī)交互學(xué)習(xí)系統(tǒng)的廣東省中學(xué)生認(rèn)知失調(diào)和自我調(diào)適研究”，項(xiàng)目編號(hào)：2013KJ047；2013年度華南師范大學(xué)青年教師科研培育基金項(xiàng)目“基于人機(jī)交互學(xué)習(xí)系統(tǒng)的大學(xué)理科生認(rèn)知失調(diào)和自我調(diào)適研究”的階段性研究成果，項(xiàng)目編號(hào)：13KJ18

指導(dǎo)教師：肖化(1958 -)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事物理實(shí)驗(yàn)、科學(xué)教師專業(yè)發(fā)展、信息技術(shù)與物理課程整合研究．

摘 要：主要介紹了交互屏幕實(shí)驗(yàn)的原理、制作方法、制作標(biāo)準(zhǔn)和在遠(yuǎn)程教育中的發(fā)展前景，旨在為遠(yuǎn)程物理實(shí)驗(yàn)教育開拓新的視野.

關(guān)鍵詞：遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)教育交互屏幕實(shí)驗(yàn)人機(jī)交互

作者簡介：黃海寧(1991-)，男，在讀研究生，研究方向?yàn)樾畔⒓夹g(shù)在物理教育中的應(yīng)用．

收稿日期：(2014-12-21)

交互屏幕實(shí)驗(yàn)(簡稱ISE，即Interactive Screen Experiments)是英國開放大學(xué)物理學(xué)科教學(xué)創(chuàng)新研究中心(PICETL，即Physics Innovations Center for Excellence & Teaching in Learning)有關(guān)物理和天文學(xué)的電子學(xué)習(xí)材料和教學(xué)資源(E-Learning Materials and Teaching Resources Physics and Astronomy)一項(xiàng)重要的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)技術(shù).交互屏幕實(shí)驗(yàn)是一項(xiàng)基于真實(shí)物理實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新人機(jī)交互物理實(shí)驗(yàn)技術(shù)，該項(xiàng)新技術(shù)為遠(yuǎn)程物理實(shí)驗(yàn)教育開拓了新的視野，具備當(dāng)前很多遠(yuǎn)程物理實(shí)驗(yàn)教育所沒有的優(yōu)勢(shì).

1交互屏幕實(shí)驗(yàn)的原理

交互屏幕實(shí)驗(yàn)是一個(gè)高度互動(dòng)的非線性實(shí)驗(yàn)影像，其完全通過用戶對(duì)影像中實(shí)驗(yàn)設(shè)備的旋鈕和按鈕進(jìn)行拖動(dòng)和單擊的控制來運(yùn)行.交互屏幕實(shí)驗(yàn)由數(shù)百個(gè)或數(shù)千個(gè)記錄了實(shí)驗(yàn)設(shè)備每時(shí)刻狀態(tài)的圖像幀所組成.交互屏幕實(shí)驗(yàn)可以在普通 web 瀏覽器中ShockWave或 Flash免費(fèi)插件中使用，或?qū)⑵湎螺d到電腦中并作為一個(gè)exe文件來運(yùn)行.學(xué)生使用交互屏幕實(shí)驗(yàn)的效果與利用遠(yuǎn)程控制和運(yùn)行真正的實(shí)驗(yàn)設(shè)備相似.但是，交互屏幕實(shí)驗(yàn)跟真實(shí)實(shí)驗(yàn)室或者遠(yuǎn)程操控實(shí)驗(yàn)室有著一個(gè)很重要的區(qū)別，就是前者對(duì)可能同時(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的學(xué)生數(shù)沒有任何的限制，并且可以多次反復(fù)地對(duì)原本只能使用一次的真實(shí)設(shè)備進(jìn)行操作和控制.這里需要注意到交互屏幕實(shí)驗(yàn)并不是一種模擬或者虛擬的物理實(shí)驗(yàn).交互屏幕實(shí)驗(yàn)中沒有根據(jù)相關(guān)的物理定律對(duì)其中的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行相應(yīng)的程序編碼，它所包含的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象全部都是真實(shí)的，換一種角度來說，利用交互屏幕實(shí)驗(yàn)，我們甚至可以發(fā)現(xiàn)新的科學(xué)原理.

為了能夠更好地理解交互屏幕實(shí)驗(yàn)，下面將就交互屏幕實(shí)驗(yàn)一個(gè)簡單的實(shí)例(觀察彈簧的伸長量和彈簧的張力之間關(guān)系的實(shí)驗(yàn)，如圖1所示)，具體說明交互屏幕實(shí)驗(yàn)的原理和運(yùn)行方式.

圖1　交互屏幕實(shí)驗(yàn)的實(shí)例截圖

在這個(gè)交互屏幕實(shí)驗(yàn)的例子中，用戶通過使用電腦鼠標(biāo)或其他操控設(shè)備來實(shí)現(xiàn)與交互式屏幕實(shí)驗(yàn)的交互操作：在正常使用鼠標(biāo)點(diǎn)擊力米表盤之后，拖動(dòng)刻度盤使其轉(zhuǎn)動(dòng)起來.刻度盤就會(huì)跟真實(shí)情況一樣轉(zhuǎn)動(dòng)起來，伴隨著彈簧依據(jù)其旋轉(zhuǎn)方向進(jìn)行伸長或者收縮.同時(shí)，在這個(gè)過程中的力(相當(dāng)于彈簧的張力)將由力米表盤中的指針從刻度盤中指示出來.

對(duì)于一般的模擬或者虛擬實(shí)驗(yàn)，程序員會(huì)對(duì)每個(gè)元素的行為進(jìn)行編程.例如，程序員會(huì)直接運(yùn)用一維線性胡克定律的情況來對(duì)彈簧的伸長量與其所受張力成正比的行為進(jìn)行編碼.但是對(duì)于交互屏幕實(shí)驗(yàn)，其在屏幕上所顯示的實(shí)驗(yàn)圖像全部取自于真實(shí)的實(shí)驗(yàn)，并且記錄下了真實(shí)實(shí)驗(yàn)正在進(jìn)行時(shí)的所有情形.而針對(duì)如何使得記錄了實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的影像幀之間的切換轉(zhuǎn)化為用戶操作交互行為這一問題的編程和設(shè)計(jì)，成為交互屏幕實(shí)驗(yàn)制作的核心問題，也是交互屏幕實(shí)驗(yàn)高度交互性的源泉.總而言之，交互屏幕實(shí)驗(yàn)顯示出了真實(shí)的物理現(xiàn)象，而不是一些理想化的現(xiàn)象，并且有效地打破了真實(shí)實(shí)驗(yàn)室和遠(yuǎn)程操控實(shí)驗(yàn)室的諸多限制.

2交互屏幕實(shí)驗(yàn)的制作

2.1交互屏幕實(shí)驗(yàn)的制作軟件

交互屏幕實(shí)驗(yàn)是通過美國Adobe公司開發(fā)的Director軟件來進(jìn)行設(shè)計(jì)和制作的.Director軟件主要用于多媒體項(xiàng)目的集成開發(fā)，可以創(chuàng)建包含高品質(zhì)圖像、數(shù)字視頻、音頻、動(dòng)畫、三維模型、文本、超文本以及 Flash 文件的多媒體程序.筆者認(rèn)為交互屏幕實(shí)驗(yàn)使用Director軟件來進(jìn)行制作有如下3個(gè)原因：

(1)Director可以從外部導(dǎo)入圖像、聲音、視頻、影片以及其他對(duì)象，并利用其所附帶的輔助工具進(jìn)行編輯，用來創(chuàng)建交互的場(chǎng)景和影片等.

(2)Director是一個(gè)高度面向?qū)ο蟮墓ぞ?，非常適合圖像和影像制作者使用，它所獨(dú)有的Lingo腳本可以對(duì)交互影像中各個(gè)部分進(jìn)行精確的控制.

(3)Director能與Internet充分接軌，其生成的ShockWave影片在網(wǎng)絡(luò)中得到了很廣泛的應(yīng)用.

而交互屏幕實(shí)驗(yàn)的制作應(yīng)遵循以下步驟：

(1)確定實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)目標(biāo)，根據(jù)學(xué)生所要學(xué)習(xí)的知識(shí)或者技能制定其可在交互屏幕實(shí)驗(yàn)中的操作參數(shù)內(nèi)容和數(shù)量.

(2)進(jìn)行相應(yīng)真實(shí)實(shí)驗(yàn)，將整個(gè)真實(shí)實(shí)驗(yàn)的過程拍攝下來，并且根據(jù)所制定的參數(shù)內(nèi)容和數(shù)量，把真實(shí)實(shí)驗(yàn)中各種情形下的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象拍攝下來(圖像形式)，如圖2所示.

圖2交互屏幕實(shí)驗(yàn)制作過程中的真實(shí)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象拍攝場(chǎng)景[2]

(3)將拍攝到的真實(shí)實(shí)驗(yàn)過程視頻和各種情形下的真實(shí)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象圖像導(dǎo)入到Director軟件中，并且根據(jù)參數(shù)的內(nèi)容對(duì)這些原始影像進(jìn)行剪切和編輯.

(4)制定用戶具體操作的方式，針對(duì)參數(shù)的內(nèi)容，應(yīng)用Director軟件中的編程工具將記錄了實(shí)驗(yàn)過程視頻和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象圖像的幀之間的相互切換轉(zhuǎn)化為用戶的交互操作.

(5)多次檢驗(yàn)制作出來的交互屏幕實(shí)驗(yàn)的操作效果，修補(bǔ)出錯(cuò)的漏洞，進(jìn)行必要的美工處理，最后增加相應(yīng)的交互屏幕實(shí)驗(yàn)的操作指導(dǎo)、提示語和知識(shí)講解,制作成型的交互屏幕實(shí)驗(yàn)如圖3所示.

圖3　制作成型的交互屏幕實(shí)驗(yàn)截圖

2.2交互屏幕實(shí)驗(yàn)的制作標(biāo)準(zhǔn)

我們可以對(duì)交互屏幕實(shí)驗(yàn)的制作制定一些標(biāo)準(zhǔn)，以便可以給用戶提供更為便捷的使用體驗(yàn)和更為有效的學(xué)習(xí)經(jīng)歷.

第一個(gè)準(zhǔn)則就是要有數(shù)量合適的可調(diào)節(jié)的參數(shù).一個(gè)交互屏幕實(shí)驗(yàn)跟真實(shí)實(shí)驗(yàn)的操作越接近越好的這個(gè)理念只有在參數(shù)數(shù)量合理的情況下才是有效的.由于交互屏幕實(shí)驗(yàn)是由一系列的影像組成的，所以每一個(gè)影像都是這個(gè)實(shí)驗(yàn)中“參數(shù)空間”的一個(gè)點(diǎn)，并且通過軟件控制影像之間的交互作用.如圖1的彈簧實(shí)驗(yàn)中，就只有一個(gè)變化參數(shù)，因此它的參數(shù)空間是一個(gè)簡單的一維影像的矩陣.在兩個(gè)參數(shù)的情況下，參數(shù)空間就是二維的(影像矩陣)并依此類推.顯然，當(dāng)參數(shù)數(shù)量在增加時(shí)，這些影像的數(shù)量會(huì)增長得非常迅速，這樣就會(huì)嚴(yán)重影響到交互屏幕實(shí)驗(yàn)的制作和傳送.解決這個(gè)問題的辦法可以是限制參數(shù)的數(shù)目或者讓參數(shù)表現(xiàn)出限定的實(shí)驗(yàn)狀態(tài)，當(dāng)然這些限定的狀態(tài)至少包含與將要進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)情形和與用戶學(xué)習(xí)內(nèi)容相關(guān)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象.

第二個(gè)準(zhǔn)則就是確保交互屏幕實(shí)驗(yàn)的平臺(tái)獨(dú)立性.交互屏幕實(shí)驗(yàn)作為遠(yuǎn)程教育的一項(xiàng)新技術(shù)，我們不能忽略這樣的一個(gè)問題：這些資源必須能夠在用戶們所擁有的或所在學(xué)習(xí)場(chǎng)所的所有電腦系統(tǒng)中使用.因此在這里就要求交互屏幕實(shí)驗(yàn)必須要獨(dú)立于各種系統(tǒng)平臺(tái).為了確保這個(gè)準(zhǔn)則的實(shí)現(xiàn)，我們可以使用一些方便獲取和容易安裝的支持軟件，并且在必要時(shí)可以根據(jù)不同的系統(tǒng)平臺(tái)兼容情況來制作相應(yīng)的版本.確保交互屏幕實(shí)驗(yàn)的平臺(tái)獨(dú)立性是其質(zhì)量監(jiān)控和檢測(cè)的一個(gè)重要方面.

雖然已經(jīng)確保了交互屏幕實(shí)驗(yàn)的平臺(tái)獨(dú)立性，但是仍然需要將這些資源傳送出去.這里就涉及交互屏幕實(shí)驗(yàn)的第三個(gè)準(zhǔn)則——在考慮數(shù)據(jù)傳輸速率的基礎(chǔ)上，制定合適的文件容量.交互屏幕實(shí)驗(yàn)傳送的主要限制因素是數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾屎唾Y源文件的大小.假設(shè)一個(gè)基于互聯(lián)網(wǎng)的傳遞方式，那么學(xué)生獲取資源所需的時(shí)間很大程度受限于網(wǎng)絡(luò)連接的速度.網(wǎng)絡(luò)傳輸速率在國家與國家之間，甚至在一個(gè)國家中，特別在城市和鄉(xiāng)村之間都會(huì)有很大的差異.而在資源文件容量的方面，一個(gè)規(guī)模大、具有眾多的參數(shù)、畫質(zhì)高清的交互屏幕實(shí)驗(yàn)不僅需要花費(fèi)相當(dāng)長的時(shí)間來獲取，而且也可能占用用戶計(jì)算機(jī)的不少可用資源.因此，一個(gè)優(yōu)秀的交互屏幕實(shí)驗(yàn)是可以便捷進(jìn)行訪問，能夠以合理的時(shí)間傳送到用戶的計(jì)算機(jī)之中，并且不會(huì)過度占用學(xué)生計(jì)算機(jī)中的資源.

在交互屏幕實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)和開發(fā)階段,上述的所有標(biāo)準(zhǔn)都需要去考慮和處理.因此，交互屏幕實(shí)驗(yàn)的制作需要根據(jù)目標(biāo)用戶的實(shí)際情況來考慮其需要達(dá)到的學(xué)習(xí)成效、最終資源的文件大小和相應(yīng)的傳送方式.

3交互屏幕實(shí)驗(yàn)的發(fā)展前景

上文討論的彈簧實(shí)例(圖1)是一個(gè)結(jié)果具有固定性質(zhì)的物理實(shí)驗(yàn)(即給定的一組參數(shù)值總會(huì)產(chǎn)生一個(gè)固定的實(shí)驗(yàn)結(jié)果),但是并不是所有的實(shí)驗(yàn)過程或?qū)嶒?yàn)結(jié)果都會(huì)按照這樣的模式呈現(xiàn).例如，觀察放射性元素衰變的實(shí)驗(yàn)時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)的放射性計(jì)數(shù)率總是在圍繞一個(gè)平均值不停地?cái)[動(dòng)，這就是核衰變實(shí)驗(yàn)中統(tǒng)計(jì)偏差的表現(xiàn)，而這樣均值的統(tǒng)計(jì)偏差也反映了核衰變的重要統(tǒng)計(jì)行為和特點(diǎn).對(duì)于這樣的會(huì)出現(xiàn)隨機(jī)的、不確定的統(tǒng)計(jì)偏差結(jié)果的實(shí)驗(yàn)似乎不可能在交互屏幕實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)，恰恰相反，這是交互屏幕實(shí)驗(yàn)極具發(fā)展?jié)摿Φ膬?yōu)勢(shì).

根據(jù)前面的闡述，我們知道一個(gè)交互式屏幕實(shí)驗(yàn)是由一系列有行為關(guān)聯(lián)的影像所組成的，每個(gè)影像都是取自于真實(shí)實(shí)驗(yàn)的一個(gè)確定狀態(tài).同樣的，一個(gè)計(jì)時(shí)器或類似儀器的每一個(gè)讀數(shù)可被認(rèn)為是這個(gè)實(shí)驗(yàn)的一個(gè)獨(dú)立狀態(tài).因此，當(dāng)交互屏幕實(shí)驗(yàn)中可由用戶操控的參數(shù)所產(chǎn)生的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是從一個(gè)擁有足夠多實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫中隨機(jī)提取時(shí)，那么具有統(tǒng)計(jì)偏差性質(zhì)的交互屏幕實(shí)驗(yàn)就可以實(shí)現(xiàn).比如在放射性元素衰變的實(shí)驗(yàn)中，用戶在操控了交互屏幕實(shí)驗(yàn)之后，實(shí)驗(yàn)中放射性計(jì)數(shù)結(jié)果將通過網(wǎng)絡(luò)在一個(gè)擁有足夠多的相應(yīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫中隨機(jī)提取，而這個(gè)隨機(jī)的計(jì)數(shù)結(jié)果將在交互屏幕實(shí)驗(yàn)中的可視元素中展示出來.而功能強(qiáng)大的Adobe Director軟件為這種具有統(tǒng)計(jì)偏差性質(zhì)的交互屏幕實(shí)驗(yàn)提供了開發(fā)技術(shù)上的支持.在Adobe Director軟件中，開發(fā)者可以將交互界面、數(shù)據(jù)庫聯(lián)接和因特網(wǎng)聯(lián)接技術(shù)集成于一個(gè)多媒體交互作品當(dāng)中.

當(dāng)我們意識(shí)到交互屏幕實(shí)驗(yàn)可以很好地應(yīng)用在這類具有統(tǒng)計(jì)偏差性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)的重要性時(shí)，交互屏

幕實(shí)驗(yàn)廣泛使用到物理學(xué)甚至是科學(xué)以外領(lǐng)域的大門將被打開.當(dāng)這些隨機(jī)的、不確定的現(xiàn)象可以很好地展現(xiàn)在交互屏幕實(shí)驗(yàn)上時(shí)，交互屏幕實(shí)驗(yàn)應(yīng)用范圍將是無限寬廣的.然而，我們也需要看到交互屏幕實(shí)驗(yàn)的實(shí)現(xiàn)與發(fā)展需要大量技術(shù)、教學(xué)實(shí)踐和想象力的投入，但我們相信隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，交互屏幕實(shí)驗(yàn)將會(huì)擁有更為廣闊的發(fā)展前景.

參 考 文 獻(xiàn)

1Hatherly P A, Jordan S E, Cayless A. Interactive screen experiments-innovative virtual laboratories for distance learners. European Journal of Physics, 2009, 30(4):751

2Sally Jordan, Diane Butler and Paul Hatherly. CETL impact: case studies from S104 Exploring Science. [DB/OL].Presentation from 3rd OpenCETL Conference, 24th September 2008

3李偉. 英國開放大學(xué)的電子評(píng)估及對(duì)我國遠(yuǎn)程教育的啟示——電子評(píng)估在物理和天文學(xué)科的實(shí)踐探索. 中國遠(yuǎn)程教育, 2012 (2)

4王海榮. 英國開放大學(xué)物理學(xué)課程學(xué)習(xí)支持服務(wù)的實(shí)踐研究及啟示——物理教與學(xué)卓越中心報(bào)告述評(píng). 中國遠(yuǎn)程教育, 2011 (12)

5Higher Education Academy Physics Higher Education Conference 2008 (Edinburgh)archive,http://www.heacademy.ac.uk/assets/ps/documents/events/phec_08/interactive_screen_experiments.zip(accessed 9thMarch 2009)