基于网络的虚拟实验环境构建

葛岩 陆熙鹏 孙子晟 孙艳 北华大学 计算机科学技术学院

引言

虚拟实验作为真实实验的必要补充，学生可以不受时间和空间的限制，随时进入虚拟实验室操作仪器，进行各种实验，丰富学生对实验设备的感性认识，加深学生对教学内容的理解。

1 网络虚拟实验环境的设计概述

“环境意味着中心事物在特定活动展开的过程中赖以持续的情况和条件”。针对于虚拟实验环境，即是虚拟实验活动进行过程中所依赖的条件，包括物质条件和非物质条件。其中物质条件主要指实验设备、实验场地等；非物质条件包括虚拟实验教学开展过程中所实施的教学策略、教学思想等。精心设计虚拟实验的非物质条件和物质条件，才能使虚拟实验教学顺利开展。

2 虚拟实验环境的构建

结合大学物理实验中避雷针的开发实例，说明如何结合物质条件和非物质条件实现基于Web 虚拟实验。《避雷针》是理工科大学本科学生必做的一项实验，目的是通过此实验观察火花放电的发生过程及条件，巩固课堂上所学的基本理论知识，加深对原理的理解，懂得现实生活中的相关自然现象，培养和提高学生的科学实验能力[2]。实验原理是放电现象在何处发生取决于尖端电极和球型电极与平板电极的距离。如果尖端电极和球型电极与平板电极的距离相等，尖端电极放电，而球型电极未放电。若尖端电极与平板电极之间的距离大于球型电极与平板电极之间的距离，放电在球型电极与平板电极之间发生。

按照系统的定义，虚拟实验环境系统是由学习者、学习行为、学习情境和环境中融合的技术、以及最终构建起来的环境五个基本要素组成的系统，是物质条件和非物质条件的统一体。其设计过程首先围绕LACT 四个基本要素展开：

2.1 学习者分析

《避雷针》是理工科大学本科二年级学生的实验课内容，通过抽样性的访谈，了解到本实验的学习者计算机及网络利用水平较强，但潜意识中对实验课的重视程度不够，同时，在师生时空相对分离的网络环境下，需激发他们的学习动机，唤醒自主学习的意识，通过分析学习者现有的学习起点和认知风格，为学生提供生动、逼真的实验环境，对学生的学习过程和结果进行客观评价，从而调动学生的学习积极性，激发学生的学习动机，促使学生持续学习下去，继而保证整个网络教育的质量。

2.2 学习行为分析

利用虚拟现实技术生成的三维场景是“活”的，通过鼠标点击、移动等，改变或影响虚拟环境，就如在现实中改变自己周围的环境一样，即能够进行实验场景的漫游。学生在做过实验之后，清晰地感知了实验现象，但要想透彻的把握实验原理，灵活地迁移和应用学到的知识，还需学习者自己对特定问题的钻研，与伙伴交流，因此，创建资源检索模块，同步异步讨论模块显得更有意义。

对于用户来说，场景信息是相对稳定的，比如教学楼、教室、桌椅、实验器材。具体分析真实实验室设计格局、物品摆放、光线材质等各个方面因素，利用3DS max 建模工具来建立了一个虚拟教室，使学习者进入实验室有种身临其境之感，有利于保持学习者注意力并增强其对实验探索的兴趣。同时，学习者和虚拟教室之间不是孤立的，两者有一个交互的过程。用户通过操纵鼠标，改变了视点的位置或视线方向，从而实现用户在虚拟教室中的漫游。

在实验的操作部分，先用三维动画呈现如何将不同的装置按次序安装，同时配以文字性的解释和说明，可以让学习者明白操作的程序，加深对实验步骤的理解。利用鼠标操作实验来找出其操作规律，如果把尖端电极和球形电极放上去，并且接通电源，根据尖端电极与平板电极、球型电极与平板电极的距离的距离情况，产生不同的实验现象，学生了解到不同的放置方法会得到不同的反馈，从而在学习者脑海中建立起一套行动的规则，无意识的获得了“知道怎样”的知识。

学习者的自主学习还需有和实验内容相关的资源库的支持，利用检索工具可帮助学习者在最短的时间内找到有价值的资源，缓解了学习者急迫的心理状态。学习者在网络环境下进行实验活动，相关的管理与帮助是必不可少的，起到一定的监控作用。还要有认知工具的支持，以促进学习者之间、学习者和教师之间的相互交流，也可用它来表征自己的思想，进行信息与资源的获取、分析、处理等。

2.3 学习情境设计

建构主义学习理论认为学习是在特定情境中展开的[3]。本实验将《避雷针》虚拟实验原理与生活实际紧密结合，使学生意识到熟知《避雷针》实验原理的重要性，引起学生回忆已学的旧知识，促进学生新知识的意义建构。

在实验部分，利用Virtools 技术创设真实问题情境，将实验原理和生活实践结合起来，让学生带着问题来学习。例如，在学生学习这部分内容时，为了让学生更好地了解本实验原理在自然界产生的现象，在做实验之前，先让他们观看一段“雷电暴风雨时，一个在空旷平坦的田野上行走的人，被雷击了”的视频，为学生创设了一个问题情境，促进学生积极主动地、自由地(而非迫于外界压力)想象、思考、探究，解决问题或发现规律，并伴随着一种积极的情感体验。这种情感体验包括对知识的渴求、探索问题的欲望、问题解决后的激奋等等。

以上三部分构成虚拟实验非物质条件的设计，创设能够促进学习者主动学习的网络学习环境。为了让学习者在操作中自主学习，有意识地创设类似真实实验室的实验场地，让学习者动手操作，主动参与，借助操作启动思维，使学习者从被动接受知识变为主动获取知识。为了让学习者在知识的迁移中自主学习，设计了与学习者个人的经历相关的问题情境，这样才能对其学习新知识起促进作用，使学习者的主体作用得到发挥。

2.4 技术分析与实现

从表1 中可知，基于2D 的网络虚拟实验环境与基于3D 的网络虚拟实验环境相比，真实感较差，因而提供的学习环境不及后者生动逼真。基于3D 的网络虚拟实验系统为学习者提供以三维动态形式呈现的学习内容，可以灵活控制场景中的对象，使其在这一环境中具有较好的真实感和沉浸感。由于上述二种类型都有其优缺点，有必要将JSP 和Virtools 技术融合在一起，优势互补，即能满足当前网络传输的要求，又能增强了学生实验的临境感，真正的发挥教育教学的作用。

表1 二种常见虚拟实验系统的对比

3 总结

本文融合2D 和3D 虚拟实验技术开发的优缺点，设计并开发网络环境下的虚拟实验环境。网络虚拟实验环境真实感强、资源丰富、交互性好，能进一步促进网络实验教学的可持续发展。