开放式虚拟实验平台的设计与开发研究

杨　成

【摘要】 开放式虚拟实验平台的设计与开发是为了更好地满足教育技术学专业学生动手实践能力培养的要求。在分析平台 设计与开发的必要性和可能性的基础上，给出了平台开发的理论基础和关键技术、模块组成、功能结构框图以及特点等。

【关键词】 教育技术学专业；开放式虚拟实验平台；设计与开发；研究

【中图分类号】G40-057 【文献标识码】B 【论文编号】1009—8097（2009）01—0133—04

随着“教育技术是当代教育的制高点，谁抢占了这个山头，谁将在 21 世纪处于有利位置”的提出，我国的教育技术 学专业迅猛发展，很多高校开设了教育技术学专业，很多高校 都扩大了该专业的招生规模，势头之猛、之快，确实可喜。

由于教育技术学是一门理论与实践并重的学科，因此， 它的实验教学越来越受到重视和关注。虽然大家都尽力进行 实验设备的更新，实验内容的调整，实验形式的改革，但由 于各种原因，教育技术学专业的实验教学还是不能很好地满 足教育教学改革的要求。为此，我们就徐州师范大学教育技 术学专业的实际情况，进行开放式虚拟实验平台的设计与开 发研究，以期能解决实验所存在的一些问题。

一 虚拟实验平台设计与开发的必要性和可能性

1教育技术学专业培养目标的要求

查阅一下各高校教育技术学专业的教学计划，其培养目标基本可以概括为：本专业培养具有坚实的教育学、心理学 和信息科学理论基础，具有良好的信息素养和艺术素养，熟 悉教学过程，能从事教学媒体和教学系统设计、开发、应用、 管理和评价的基础宽厚、有持续发展潜力并具有创新精神和 实践能力的高素质、复合型的专门人才。毕业生适宜到各级 各类学校和企事业单位从事信息技术教学（或培训）、计算机 网络建设与管理、动画设计、电视片制作、数字媒体策划、 资源设计制作等工作。具体规格是：

具有较扎实宽厚的学科专业基础知识、基本理论和基本 技能，具有较宽的知识面和较高的人文、科学素养；具有教 学系统设计能力；具有教学资源的设计与开发能力，包括图 片、电视片、动画、多媒体课件、网络课程、网站、教学软 件等资源的设计、开发能力。具有教育信息化基础设施优化 设计、组织建设、维护、管理能力；具有运用数字媒体进行 高效学习和知识管理与创新的能力。 [1]

由此我们可以看出：教育技术学专业强调学生的动手实践能力，而学生的动手实践能力主要途径就是实验教学。通过开放式虚拟实验平台进行实验，是现有实验室空间和功能 的扩展，也是提高学生动手实践能力的一条新途径。

2高校合并、联合办学带来实验的不便

从上世纪 90 年代初开始，中国刮起一股高校“合并风”，很 多高校的地盘扩大了，校区增多了。理论上确实是资源可以整 合利用、避免浪费，但实际上，这样给教学和实验带来了很多 的不便。由于合并、联合办学，很多专业在几个校区或学校都 有，甚至有的专业，前两年在这个校区，后两年在另外一个校 区，教育技术学专业也不例外，这给实验教学带来了很多的不 变。笔者所在学校的教育技术学专业在老校区，还有一个民办 三本在新校区，另外，我们还与宿迁学院联办了教育技术学本 科专业。这样三地办学，理论教学还好解决，但实验教学的问 题越来越明显，实验环境参差不齐，实验教师不仅少，而且师 资力量也各不相同。虽然老校区办学时间长，但是，由于经费 缺少，老校区的实验仪器比较老化，没有能及时更新，所以实 验课的教学远远满足不了学生动手能力的培养。

无论是老校区、新校区，还是联办学校，基本都注重多 媒体设备的配置和更新，教育技术学专业学生计算机使用能 力也相当高，并且能采用不同的接入方式连接校园网或互联 网，这就给开放式虚拟实验平台的应用打下了基础，同时也 为教育技术学专业实验提供了广阔的空间。

3教育技术学专业学生就业的要求

由于高校扩招，教育技术学专业人数越来越多，可以说，学生人数增长率，远远大于仪器设备增加和更新率，因此， 现有的实验条件已经不能满足要求了。

从近年教育技术学专业就业看，用人单位对该专业学生 还是非常重视实践技能的，这就要求我们加强学生的动手实 践能力。加强学生的动手实践能力，仅靠课堂实验教学是远 远不够的，很多学校开展了开放实验室的做法，由于人力、 财力、物力等问题，开放实验室还是很难满足教育技术学专业学生动手实践能力培养的要求。因此，利用开放式虚拟实 验平台，不仅可以解决上述问题，而且还可以提高教育技术 学专业学生的专业技能。

4教育技术学专业实验教学现状需要改变

实验课教学是为了检测、验证学生获取新的信息，通过技术性操作来观测学生动手能力，发挥学生创造性，独立思 考、分析解决问题的重要课程。但在教育技术学专业实验教 学活动中也存在过分强调共性而忽视个性、重视理论教学忽 视实践环节、重视知识传授忽视能力培养等倾向。利用开放 式虚拟实验平台，学生可以根据自己的实际情况设计自己要 做的实验，还可以与其他同学通过网络及虚拟功能进行协作 实验，在实验过程中，可以随时进行讨论和调整实验，避免 了普通实验室那种固定、封闭的情况。

由此可见，教育技术学专业开放式虚拟实验平台的开发 不仅是必要的，而且是可能的。

二 虚拟实验平台设计与开发的理论基础和关键技术

1理论基础

（1） 自主学习理论 自主学习就是自我导向、自我激励、自我监控的学习。

具体地说，它具有以下几个方面的特征：学习者参与确定对 自己有意义的学习目标，自己制定学习进度，参与设计评价 指标；学习者积极发展各种思考策略和学习策略，在解决问 题中学习；学习者在学习过程中有情感的投入，学习过程有 内在动力的支持，能从学习中获得积极的情感体验；学习者 在学习过程中对认知活动能够进行自我监控，并作出相应的 调适。

利用此平台进行实验，学生可以根据自己情况自主选择 时间、选择内容，对于某一内容，可以重复实验，对于某些 想法，可以自主设计实验内容、实验方法等。

（2） 协作学习理论

协作学习（Co11aborative Learning）是一种通过小组或团 队的形式组织学生进行学习的一种策略。有些设计性、综合 性实验，一个人不太好解决时，可以通过网络寻求协作伙伴， 大家分工协作共同完成某个复杂的、综合性的实验。

（3） 交互理论

交互有人-机交互，还有人-人交互。实验者除了在实验过 程中与机器交互，还可以随时利用该平台的实时和非实时交 互功能，进行实验相关问题交流和讨论。

2关键技术

（1） JAVA 语言

JAVA 语言是一种网上通用语言，使用它开发的程序具有 两种层次（源代码级、二进制级）上的可移植性能。

（2） QuickTime VR 技术

QuickTime是苹果公司的一个重要产品，QuickTime 3.0之后开始支持 QuickTime VR，是一种实景建模的虚拟技术。

（3） VRML

VRML 是一种三维场景的描述性语言，可以进行三维实 验室的开发。

（4） ActiveX 技术

ActiveX 技术允许不同软件开发的组件在网上互相进行 操作，本地的组件可以和网络上的组件进行通信，代码可以 复用，便于持续开发。

（5） Flash Action Script

Flash的 Action Script 的编程语言能够将部分应用程序和 数据放在前台处理，减小跟服务器沟通的负荷，并能更快地 对使用者的操作做出响应，加快数据资源传输的速度，因而 有利于用多种媒体传送实验相关内容。另外，还可以利用 Flash 进行实验演示版的开发。

三虚拟实验平台设计与开发的构想

1平台模块组成

此平台模块组成如图 1 所示。

（1） 实验环境模块

该模块提供教育技术学专业各实验室的总体情况，实验室功能，实验仪器介绍和使用，可以参观虚拟实验室，可以 观看仪器使用演示，更可以进行虚拟实验仪器操作。

（2） 常规实验模块

该模块主要提供各门实验课程的理论和实验教学大纲，对每门课程的每个实验提供实验内容和步骤，同时提供该实 验的演示操作，进而可以进行该实验的虚拟操作。

（3） 自主实验模块

学生在达到一定水平后，或者高年级的同学，需要进行综合能力培养和锻炼时，可以进入自主实验区，充分利用该 虚拟空间进行综合性、设计性实验，也可以与其他同学一起 进行协作实验。教师也可以在此进行科研实验。

（4）交流讨论模块

该模块主要是为实验相关问题提供交流空间，通过该模块进行交流讨论，达到更好的实验效果。

（5） 数据处理模块

每个模块需要的数据或内容可以到数据库中提取或查 询，每个模块获取的数据也需要到数据库中进行处理和存储。 因此，数据处理模块是该平台的核心。

2平台功能结构框图

如图 2 所示教育技术学专业开放式虚拟实验平台包括四

个内容：实验环境区、常规实验区、自主实验区和交流讨论 区。学生根据自己的情况可以进入任何一个区进行实验或交 流，四个区之间都有相互链接，在某个区中遇到问题，可以 随时跳转到另一个区进行学习或交流。

（1） 实验环境区

这一部分可以进入教育技术学所有实验室，每个实验室中都有实验室总体情况介绍、参观虚拟实验室和实验室仪器 介绍三部分。实验室总体情况介绍包括实验室地理位置、布 局、空间大小、建设情况、能够开设哪些实验等，这些以文 字和图片呈现。参观虚拟实验室是利用虚拟技术，将每个实 验室的情况进行介绍，学生可以看到实验室的每一个角落。 实验室仪器介绍包括实验室内每一台仪器，进入某台仪器空 间后，就可以进行该仪器的虚拟操作练习了。在进行操作练 习之前，可以先进入仪器使用演示，利用 FLASH 动画对仪器 的功能、使用方法和注意事项进行介绍。

（2） 常规实验区

该部分包括教育技术学专业的实验课程名称，点击某门课程了解其具体内容。每门课程包括该课程理论教学大纲、 实验教学大纲和实验名称目录，这些都以文字形式呈现。当 进入实验名称目录的每一个具体实验时，它包括实验目的、 原理和内容，实验过程演示和虚拟实验操作三部分。实验目 的、原理和内容以文字形式呈现，实验过程演示以 FLASH 形 式呈现，虚拟实验操作就可以进行该实验的操作练习了。

（3） 自主实验区

该区主要是为综合性、设计性实验准备的。学生可以根据所学的专业知识，自己选择实验内容，自行设计实验方案， 在虚拟环境中进行自己感兴趣的实验。教师也可以利用此虚 拟空间进行科研实验。当然，该区也不是任何实验都能进行 的，其只能进行虚拟环境中所给仪器的相关实验。该模块的 实现相对其它模块难度稍大一些。

（4） 交流讨论区

该部分主要是为同学们进行相关实验问题的交流和讨论设置的，可以实时讨论，也可以非实时讨论。与一般讨论空 间一样，非实时讨论空间主要以电子邮件和留言版、BBS、 个人 BLOG 为主，还可以通过语音进行非实时交流（我们正 在开发语音非实时交互系统）。实时交流主要是利用语音和视 频讨论教室，但这种方法需要组织者，实现起来不是太方便。

3平台的特点

（1） 开放性

该平台主要用于学生课后进行实验的，因此，我们强调其开放性，不需要注册，任何人都可以进入该平台进行实验， 提出相关实验问题，参与交流和讨论。

（2） 自主性

学生可以根据实验大纲、实验内容、实验步骤进行常规实验的虚拟操作，也可以根据自己的需要和兴趣，自行设计实验 内容及步骤，进行虚拟实验。同时数据库自动将实验过程记录， 并处理实验结果，以便学生调整自己的实验目的和实验内容。

（3） 协作性

在进行自主实验时，可以邀请多个同学组成一个小组，一起做同一个实验，所有人的操作都能实时地被显示在其他 组员的屏幕上，每个参与实验的人员还可以对同组人员的操 作做实时的评价和修改，大家一起完成实验。

（4） 交互性

虚拟实验是仿真技术、多媒体技术、虚拟现实技术等的有机组合应用，特别是多媒体计算机具有图文并茂、丰富多 彩的人机交互方式。该平台不仅可以进行人机交互，还提供 人人交互的很多空间，不论是实验前、还是实验中、实验后， 只要与实验相关的问题，都可以进行实时和非实时交流讨论。

（5） 专业性

该平台的使用对象是教育技术学专业学生，因此，我们更强调其专业性。首先是内容专业，全部都是教育技术学专 业的实验课程；其次是平台开发和使用的技术专业，正因为 是教育技术学生，开发和使用都要增加技术难度。

（6） 扩展性

由于教学计划经常进行调整，很多课程的实验内容也在变化，因此，该平台的设计与开发考虑其扩展性，管理者可 以随时根据需要进行各种内容的增加和调整。

四 教育技术学专业开放式虚拟实验平台设计与开发应 注意的问题

任何一个平台的开发都会受到很多因素的制约和影响， 这里我们只就教育技术学专业开放式虚拟实验平台的设计与 开发提出两点建议。

1实验内容的选择

虚拟技术固然有其强大的优势，但有些实验不一定非要利用虚拟技术去实现，因此，我们在利用虚拟技术开发实验 的时候，要仔细选择和考虑。可以主要开发操作性比较强、 难以在实验室中准确操作、甚至操作错误容易造成较大损失 或伤害的实验。

比如，本院教育技术学专业教学计划中，专业基础课程 共 10 门：美学基础，摄影技术与艺术，教育传播学，音频技 术，电子技术基础，Flash 动画，三维动画，网络技术基础， 网络程序设计，数据库技术与应用。专业课程共 9 门：教育 技术学导论，电视教材编导与制作，多媒体课件制作，教育技术研究方法，网络工程，网络资源建设，教学系统设计， 远程教育，信息技术教育应用。有实验的课程分别是摄影技 术与艺术，音频技术，电子技术基础，Flash 动画，三维动画， 网络程序设计，数据库技术与应用，电视教材编导与制作， 多媒体课件制作，网络工程，网络资源建设。我们觉得适合 于利用虚拟技术开发的实验有这样几门课程：摄影技术与艺 术，音频技术，电子技术基础，电视教材编导与制作，多媒 体课件制作，网络工程。[2]

当然，教育技术学专业所有实验课程都可以利用 FLASH 开发成演示版本。至于可以利用虚拟技术开发的课程中，哪 些实验更适合于虚拟实验，这里不再叙述。

2开发环境的保障

（1） 开发团队的组建

教育技术学专业课程很多，实验内容也很多，特别是该平台还提供了自主实验区，因此，要开发该平台，必须有一 个好的团队。团队人员可以由课程教师、实验教师、开发技 术人员组成。特别强调的是，团队中一定要吸纳教育技术学 专业的学生参加，因为，我们开发该平台的目的是加强和提 高学生的实践动手能力，学生参与开发过程，本身就是对其 实践能力的提高，所以，我们不提倡由专业公司来开发。

（2） 设备、经费的保障

虚拟实验平台的开发是一个较大的项目，特别是教育技术学专业虚拟实验平台，需要很多仪器设备，比如相关软件，计 算机，摄、录、编等设备，有些设备可能需要购置，这就需要 经费的支持，因此，要保证开发的顺利进行，必须得到单位及 领导的重视和支持，才能使设备和经费等基本条件得到满足。 实验教学在提高人才素质和创新能力中的地位和作用已 逐渐得到人们的认同，深化实验教学改革是 21 世纪人才培养 的需要。教育技术作为教育教学改革的突破口，其实验教学 更应该超前于其它专业，更需要教育技术人员开辟实验教学 的新领域，为提高教育技术学专业学生的动手实践能力提供广阔的空间。

参考文献

[1][2] 徐州师范大学教育技术学专业本科教学计划[Z]. 2007.