肖 芳，陳國軍，郭杰榮（.湖南文理學(xué)院物電學(xué)院，湖南常德45000；.湖南文理學(xué)院美術(shù)學(xué)院，湖南常德45000）

基于AVM平臺的交互式虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境模型構(gòu)建與應(yīng)用研究*
——以《中學(xué)物理光學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)》為例

肖 芳1，陳國軍2，郭杰榮3
（1.湖南文理學(xué)院物電學(xué)院，湖南常德415000；2.湖南文理學(xué)院美術(shù)學(xué)院，湖南常德415000）

文章主要探討基于AVM平臺的交互式虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境構(gòu)建、設(shè)計(jì)與開發(fā)，以中學(xué)物理光學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)為例，分析AVM平臺下虛擬實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)和開發(fā)的理論基礎(chǔ)，并對其設(shè)計(jì)原則、策略、開發(fā)技術(shù)等進(jìn)行探討。

AVM；虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境；中學(xué)物理

一、研究背景

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境（VLE）給教育者和學(xué)習(xí)者都帶來了全新的變革。傳統(tǒng)的時空界限被逐漸打破，虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境（VLE）成為傳統(tǒng)高等教育的重要領(lǐng)域，虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境在教育領(lǐng)域的應(yīng)用具有其他媒體無法比擬的優(yōu)勢，現(xiàn)有的虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境應(yīng)用所展示的優(yōu)勢與不足，一部分是技術(shù)角度出發(fā)的教育應(yīng)用不科學(xué)，效率不高，一部分是教學(xué)原型出發(fā)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)沒有考慮交互性。本文研究的對象是在虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境的基礎(chǔ)上，以交互設(shè)計(jì)為切入點(diǎn)，構(gòu)建交互式虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境 （Interaction Virtual Learning Environment，簡稱IVLE）的學(xué)習(xí)模型。

很多虛擬實(shí)驗(yàn)室都采用了JAVA這一開發(fā)工具，或以兩種甚至三種平臺相結(jié)合，如 ActiveX、3D Max、VRML結(jié)合JAVA平臺等。盡管這樣有一定的優(yōu)勢，但相對增加了復(fù)雜程度，加上我國的網(wǎng)絡(luò)速度問題，使這些虛擬實(shí)驗(yàn)室在應(yīng)用程度上還遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到人們的預(yù)期目標(biāo)?？紤]上述問題的存在，本研究選擇了AVM平臺作為開發(fā)工具，相對于其它平臺而言，AVM在網(wǎng)絡(luò)化方面有很強(qiáng)的先天優(yōu)勢，能輕松的進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳播，同時大多數(shù)電腦都支持Flash插件播放。AVM平臺的交互式語言主要為Action Script，本研究采用最新版本3.0，這是一種完全面向?qū)ο蟮木幊陶Z言，可用于編寫Adobe Flash動畫和應(yīng)用程序。

二、面向中學(xué)物理光學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)的交互式虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境的教學(xué)設(shè)計(jì)

從國內(nèi)虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境的發(fā)展中不難發(fā)現(xiàn)，虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境的內(nèi)容以大學(xué)的物理、化學(xué)為主，而中學(xué)則相對較少，本研究選取了中學(xué)物理中的光學(xué)部分。根據(jù)2004年教育部制訂的《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（實(shí)驗(yàn)）》，在本研究中，面向中學(xué)物理光學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)的交互式虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境的教學(xué)設(shè)計(jì)內(nèi)容主要包括：

1.光學(xué)發(fā)展簡史

主要是了解光學(xué)發(fā)展歷史；了解光學(xué)發(fā)展中的重大歷史典故；了解光學(xué)領(lǐng)域的著名科學(xué)家，如伽利略、牛頓、惠更斯、托馬斯·楊、菲涅等。

2.光學(xué)實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)區(qū)

通過演示典型的光學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)M，讓使用者直觀的了解光學(xué)的基本原理。

（1）幾何光學(xué)的基本規(guī)律。包括光的反射、光的折射、平面鏡成像、光的直線傳播、凸透鏡成像。

（2）自然界的典型現(xiàn)象。包括海市蜃樓等。

（3）光學(xué)應(yīng)用。包括眼睛校正、望遠(yuǎn)鏡、顯微鏡、照相機(jī)、投影放映機(jī)等。

三、面向中學(xué)物理光學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)的交互式虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境的模型構(gòu)建及技術(shù)實(shí)現(xiàn)

中學(xué)物理光學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)是對中學(xué)物理光學(xué)實(shí)驗(yàn)的真實(shí)模擬，需要很強(qiáng)的交互性，以便使用者能在具體的使用過程中體驗(yàn)真實(shí)的光學(xué)事實(shí)，同時理解光學(xué)的基本原理。而開發(fā)工具AVM的選用就能很好的滿足這個要求，通過ActionScript3.0這一交互式語言的運(yùn)用，使用者能夠在使用過程中得到近乎完美的交互式體驗(yàn)。使用者可以在光學(xué)體驗(yàn)區(qū)直接操縱實(shí)驗(yàn)的進(jìn)程，并從實(shí)驗(yàn)進(jìn)程中發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)所體現(xiàn)的光學(xué)原理。

1.基于按鈕交互的界面設(shè)計(jì)

界面設(shè)計(jì)主要為兩層，第一層為主界面，第二層為分界面。學(xué)習(xí)者通過單擊相應(yīng)按鈕即可進(jìn)入相應(yīng)部分的知識學(xué)習(xí)。板塊的右上角出現(xiàn)的圖標(biāo)為返回按鈕，通過單擊該按鈕可以返回上一界面的學(xué)習(xí)。

（1）基于按鈕交互的界面設(shè)計(jì)說明：主界面分為光學(xué)名人、幾何光學(xué)、光學(xué)現(xiàn)象、光學(xué)應(yīng)用四大板塊，幾何光學(xué)板塊分為光的反射、光的折射、平面鏡成像、光的直線傳播、凸透鏡成像五個內(nèi)容。

（2）基于按鈕交互的技術(shù)實(shí)現(xiàn)與代碼分析

基于Mouse Event的應(yīng)用，以主界面中“幾何光學(xué)”的按鈕實(shí)現(xiàn)跳轉(zhuǎn)為例：

2.基于鼠標(biāo)交互的虛擬實(shí)驗(yàn)展示

基于鼠標(biāo)交互的虛擬實(shí)驗(yàn)展示主要包括光的反射、光的折射、平面鏡成像、光的直線傳播、凸透鏡成像。在這些虛擬實(shí)驗(yàn)展示中，學(xué)習(xí)者可以隨意拖動激光燈，將入射光線的位置方向改變，入射光角度相應(yīng)發(fā)生變化，可以直觀形象精確地看到光的反射情況，從而對光反射有了更透徹的理解，深層次上體會光的反射定律，能很好的達(dá)到教學(xué)目標(biāo)；其次還設(shè)置了“返回”，前后內(nèi)容銜接流暢，交互性強(qiáng)。

3.基于鼠標(biāo)交互的技術(shù)實(shí)現(xiàn)與代碼分析

在場景中有一個可移動的激光筆，一條畫好的直線，拖動直線可確定激光筆的光線發(fā)射方向，確定后點(diǎn)擊發(fā)射按鈕，則光線按直線發(fā)射。

/*分別對場景中的激光筆（mc）、發(fā)射按鈕（_btn）以及場景中舞臺（stage）的添加鼠標(biāo)按下（MOUSE_DOWN）、鼠標(biāo)彈起（MOUSE_UP）鼠標(biāo)點(diǎn)擊（CLICK）等事件偵聽器*/

4.基于動態(tài)文本顯示的交互設(shè)計(jì)與代碼分析

以光的反射、光的折射為例：隨著激光筆的位置改變，光線的入射方向及反射方向也跟隨改變，同時在文本框中顯示光線的入射角和反射角的大小。并在畫面的下方有反射定律的文字說明呈隱藏狀態(tài)，可點(diǎn)擊按鈕使其顯示。

/*建立函數(shù)（cs），確定入射光線與反射光線的方向和位置，同時在文本框中顯示當(dāng)前的入射角度和反射角度*/

四、基于AVM平臺的交互式虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境的應(yīng)用研究

通過基于中學(xué)物理光學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)、開發(fā)與測試，基本實(shí)現(xiàn)了基于AVM平臺的交互式虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境的模型構(gòu)建。以中學(xué)物理光學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)室為例，基于AVM平臺的交互式虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境的應(yīng)用表明：基于AVM平臺的交互式虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境的構(gòu)建和應(yīng)用具有可行性、易用性和交互性。但離真實(shí)的虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境還有一段距離，還需要進(jìn)一步的改進(jìn)。

1.基于AVM平臺的交互式虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境的構(gòu)建與應(yīng)用有良好的網(wǎng)絡(luò)性能，能夠輕松的在網(wǎng)上傳播，并且開發(fā)周期短、數(shù)據(jù)量小、傳播速度快，具有很好的易用性。

2.基于AVM平臺的交互式虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境的構(gòu)建與應(yīng)用具有很強(qiáng)的交互性，使用者在使用過程中能夠得到近似真實(shí)的光學(xué)實(shí)驗(yàn)的模擬感受等。

3.由于時間和技術(shù)上的限制，基于AVM平臺的交互式虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境的構(gòu)建與應(yīng)用的案例設(shè)計(jì)與開發(fā)還需要專業(yè)的教學(xué)設(shè)計(jì)人員和高水平的技術(shù)人員參與。

4.由于AVM平臺的限制，交互式虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境主要支持2D界面，在后續(xù)的研究中還需要使用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建真實(shí)情境。

總之，基于AVM平臺的交互式虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境有很大的應(yīng)用空間，它能更好更快在基礎(chǔ)教育和中等教育領(lǐng)域推廣和流行，也能迅速地在網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行傳播。學(xué)生可以通過虛擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行自主學(xué)習(xí)，解決學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中的困擾，提高學(xué)習(xí)效率。它實(shí)現(xiàn)了交互式的學(xué)習(xí)模式，同時豐富了教學(xué)內(nèi)容，提高了“教”與“學(xué)”的效率。極大地促進(jìn)了教學(xué)改革和實(shí)踐。

［1］李璐.虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用于初中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的理論與實(shí)踐研究［D］.西安：陜西師范大學(xué)，2009.

［2］羅烽慶.基于虛擬儀器光學(xué)實(shí)驗(yàn)室的研究與實(shí)現(xiàn)［D］.中山：中山大學(xué)，2009.

［3］劉勇.Flash游戲型物理課件的設(shè)計(jì)與開發(fā)研究［D］.長沙：湖南師范大學(xué)，2009.

［4］黃元南.虛擬實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)技術(shù)與應(yīng)用探析［J］.中國科技信息，2005（14）：90-90.

（編輯：魯利瑞）

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1673-8454（2016）12-0092-04

湖南省教育科學(xué)“十二五”規(guī)劃課題“交互式虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境的模型構(gòu)建與應(yīng)用研究”，湘教科規(guī)領(lǐng)（2014）005號205項(xiàng)，編號為：XJK014CXX008；湖南省光電信息技術(shù)校企聯(lián)合人才培養(yǎng)基地（湘教通［2012］434號）。