導(dǎo)語：遠(yuǎn)程教育物理虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的構(gòu)建一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

一、遠(yuǎn)程教育的形式和層次

遠(yuǎn)程教育環(huán)境是一個(gè)在遠(yuǎn)距離情況下進(jìn)行的教學(xué)交流環(huán)境。傳統(tǒng)的教育形式主要是面對(duì)面的教學(xué)。而遠(yuǎn)程教育則利用通信手段，教師和學(xué)生可以分別在不同的地方，在相同的時(shí)間或不同的時(shí)間進(jìn)行教學(xué)活動(dòng)。廣義的遠(yuǎn)程教育發(fā)展經(jīng)歷了幾種不同的形式：函授、廣播電視教育、網(wǎng)絡(luò)教育等。這些不同形式的網(wǎng)絡(luò)教育又可以分成兩個(gè)層次：一是EOD（EducationonDemand）：學(xué)生通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，特別是Internet訪問預(yù)先制作的課件來進(jìn)行教學(xué)。二是實(shí)時(shí)在線網(wǎng)絡(luò)教育：使用多媒體技術(shù)在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)上構(gòu)造一個(gè)虛擬教育環(huán)境。當(dāng)今世界遠(yuǎn)程教育發(fā)展得如火如荼，在物理遠(yuǎn)程教育中，由于教學(xué)機(jī)構(gòu)與學(xué)生在空間上分離，學(xué)生無法到學(xué)校實(shí)驗(yàn)室做具體的實(shí)驗(yàn)，這已經(jīng)成為了制約遠(yuǎn)程教育質(zhì)量的一個(gè)重要因素。近年來，由于虛擬儀器和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，通過網(wǎng)絡(luò)來構(gòu)建虛擬物理實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)成為可能，網(wǎng)上實(shí)驗(yàn)已成為遠(yuǎn)程教學(xué)研究的重要方向。

二、虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)構(gòu)建的理論基礎(chǔ)

在遠(yuǎn)程教育物理虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的構(gòu)建過程中，有兩條清晰的線索：一是計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，二是起引導(dǎo)作用的學(xué)習(xí)理論、教學(xué)設(shè)計(jì)理論和計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)理論。在諸多理論基礎(chǔ)中，教學(xué)設(shè)計(jì)理論和CAI理論指導(dǎo)了網(wǎng)絡(luò)技術(shù)如何在教育領(lǐng)域中應(yīng)用，解決了怎么做的問題；而學(xué)習(xí)理論解釋了為什么這樣做的問題。根植于認(rèn)知理論而發(fā)展起來的建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論被越來越多研究者所接受，蓬勃發(fā)展的合作學(xué)習(xí)理論更是為虛擬平臺(tái)的構(gòu)建提供了獨(dú)特的應(yīng)用視角，下文重點(diǎn)講述學(xué)習(xí)理論對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)構(gòu)建的基礎(chǔ)作用。遠(yuǎn)程教育以建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論作為其重要指導(dǎo)思想，而基于遠(yuǎn)程教育的物理虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建構(gòu)也正是運(yùn)用了此理論來指導(dǎo)。建構(gòu)主義為以學(xué)為中心的教育和學(xué)習(xí)提供了理論基礎(chǔ)。在建構(gòu)主義基本觀點(diǎn)的基礎(chǔ)上，許多心理學(xué)家進(jìn)行了更為深入的研究，并根據(jù)各自所關(guān)注的學(xué)習(xí)和教學(xué)問題提出了各種觀點(diǎn)，從而形成了建構(gòu)主義的各種流派。在這些流派中，認(rèn)知靈活性理論為遠(yuǎn)程教育物理虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了最合適的理論模型，它的目的是促進(jìn)復(fù)雜或非良構(gòu)領(lǐng)域高級(jí)知識(shí)的獲取。認(rèn)知靈活性理論使用超文本為知識(shí)的多維表征的多種互連交叉重新安排教學(xué)序列，這些特征與虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)構(gòu)建的性質(zhì)非常相符。認(rèn)知靈活性理論是美國心理學(xué)家斯皮羅提出的。所謂的認(rèn)知靈活性，就是指學(xué)習(xí)者通過多種方式同時(shí)建構(gòu)自己的知識(shí)，以便在情景發(fā)生根本變化的時(shí)候能夠做出適宜的反應(yīng)。斯皮羅認(rèn)為，建構(gòu)的過程是雙向的。首先，對(duì)新信息的理解是通過運(yùn)用已有的經(jīng)驗(yàn)，超越所提供的信息建構(gòu)而成的；其次，從記憶系統(tǒng)中所提取的信息本身，也要按具體情況進(jìn)行建構(gòu)，而不單是提取。建構(gòu)一方面是對(duì)新信息意義的建構(gòu)，同時(shí)又包含對(duì)原有經(jīng)驗(yàn)的改造和重組。斯皮羅等人認(rèn)為，由于非良構(gòu)領(lǐng)域存在概念的復(fù)雜性和實(shí)例的多樣性，應(yīng)用這種事先包裝好了的圖式是不合適或不恰當(dāng)?shù)?，我們不只是提取記憶中原封不?dòng)的知識(shí)結(jié)構(gòu)來幫助新意義的建構(gòu)，而是在已有心理表征的組織結(jié)構(gòu)中提取先前知識(shí)，針對(duì)當(dāng)前具體情景進(jìn)行新的組裝。因此，學(xué)習(xí)者是將各種知識(shí)源記在一起，加以適當(dāng)?shù)恼希赃m應(yīng)情景的理解和問題的解決。

三、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的要求

（一）什么是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（VirtualReality）。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)又稱靈境技術(shù)，它利用三維圖形生成技術(shù)、多傳感交互技術(shù)以及高分辨顯示技術(shù)，生成三維逼真的虛擬環(huán)境，使用者戴上特殊的頭盔、數(shù)據(jù)手套等傳感設(shè)備，或利用鍵盤、鼠標(biāo)等輸入設(shè)備，便可以進(jìn)入虛擬空間，成為虛擬環(huán)境的一員，進(jìn)行實(shí)時(shí)交互，感知和操作虛擬世界中的各種對(duì)象，從而獲得身臨其境的感受和體會(huì)。有人給虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)下了如下的定義：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是利用計(jì)算機(jī)生成一種模擬環(huán)境（如一個(gè)現(xiàn)代化的粒子物理實(shí)驗(yàn)室），通過多種傳感設(shè)備使用戶“投入”到該環(huán)境中，實(shí)現(xiàn)用戶與該環(huán)境直接進(jìn)行自然交互的技術(shù)。（二）虛擬技術(shù)的特點(diǎn)。一是更自然的交互性。二是多感知性。即除了一般計(jì)算機(jī)所具有的視覺感知外，還有聽覺感知、觸覺感知、運(yùn)動(dòng)感知等。三是沉浸性。指用戶感到作為虛擬環(huán)境中的一員存在于虛擬環(huán)境之中。如當(dāng)用戶移動(dòng)頭部時(shí)，虛擬環(huán)境中的視景也實(shí)時(shí)地跟隨變化，拿起物體可使物體隨著手的移動(dòng)而運(yùn)動(dòng)。四是自主性。是指虛擬環(huán)境中物體依據(jù)物理定律而動(dòng)作。如當(dāng)受到力的推動(dòng)時(shí)，物體會(huì)向力的方向移動(dòng)、或翻倒、或從桌面落到地面等。

四、虛擬物理實(shí)驗(yàn)室的開發(fā)

網(wǎng)絡(luò)虛擬物理實(shí)驗(yàn)就是在web中創(chuàng)建出一個(gè)可視化的三維環(huán)境，其中每一個(gè)可視化的三維物體代表一種實(shí)驗(yàn)對(duì)象。通過鼠標(biāo)的點(diǎn)擊以及拖曳操作，用戶可以進(jìn)行虛擬的實(shí)驗(yàn)。使用該系統(tǒng)，學(xué)生可以很容易地演示和控制力的大小、物體的形變與非形變碰撞、摩擦系數(shù)等物理現(xiàn)象。為了顯示物體的運(yùn)動(dòng)軌跡，可以對(duì)不同大小和質(zhì)量的運(yùn)動(dòng)物體進(jìn)行軌跡追蹤。還可以停止時(shí)間的推移，以便仔細(xì)觀察隨時(shí)間變化的現(xiàn)象。學(xué)生可以通過使用數(shù)據(jù)手套與系統(tǒng)進(jìn)行各種交互。網(wǎng)絡(luò)虛擬物理實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與儀器技術(shù)的結(jié)合。虛擬儀器技術(shù)與認(rèn)知模擬方法的結(jié)合也賦予虛擬實(shí)驗(yàn)室智能化特征，無論是學(xué)生還是教師，都可以自由地、無顧慮地隨時(shí)進(jìn)入虛擬實(shí)驗(yàn)室操作儀器，進(jìn)行各種實(shí)驗(yàn)。不但為實(shí)驗(yàn)類課程的教學(xué)改革及遠(yuǎn)程教育提供了條件和技術(shù)支持，還可以隨時(shí)為學(xué)生提供更多、更新、更好的儀器。通過網(wǎng)絡(luò)物理虛擬實(shí)驗(yàn)室，能夠利用計(jì)算機(jī)在網(wǎng)絡(luò)中模擬一些實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。它不僅僅能夠提高遠(yuǎn)程教育的教學(xué)效果，更加重要的是一些缺乏實(shí)驗(yàn)條件的學(xué)生，通過網(wǎng)絡(luò)同樣能夠“身臨其境”地觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，甚至和異地的學(xué)生合作進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

五、目前虛擬物理實(shí)驗(yàn)室技術(shù)的應(yīng)用

（一）使用JAVA進(jìn)行開發(fā)。JAVA語言是最重要的一種網(wǎng)上通用語言，使用它開發(fā)的程序具有兩種層次上的可移植性能，即源代碼級(jí)可移植性和二進(jìn)制級(jí)可移植性，JVM（JAVA虛擬機(jī)）的存在使得這種可移植性成為了可能。目前，Internet中最多的也是依此構(gòu)建的虛擬物理實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)。（二）使用ActiveX控件進(jìn)行開發(fā)。ActiveX技術(shù)允許不同軟件開發(fā)的組件在網(wǎng)絡(luò)上互相進(jìn)行操作。ActiveX使用了微軟的組件對(duì)象技術(shù)使得本地的組件可以和網(wǎng)絡(luò)上的組件進(jìn)行通信，使用ActiveX進(jìn)行開發(fā)的另一個(gè)好處在于它的代碼復(fù)用性，也就是說在虛擬實(shí)驗(yàn)室的開發(fā)過程中，一個(gè)實(shí)驗(yàn)儀器可以在多個(gè)實(shí)驗(yàn)環(huán)境中重復(fù)使用，這一點(diǎn)對(duì)于持續(xù)開發(fā)過程尤為重要。目前國內(nèi)利用ActiveX技術(shù)開發(fā)出來的系統(tǒng)有：大連理工大學(xué)的氣相色譜儀。（三）使用VRML技術(shù)進(jìn)行三維虛擬實(shí)驗(yàn)室的開發(fā)。VRML本質(zhì)上是一種面向web，面向?qū)ο蟮娜S造型語言，也是在Internet網(wǎng)上實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)的關(guān)鍵性技術(shù)。它的基本原理是用文本信息描述三維場(chǎng)景，在Internet網(wǎng)上傳輸，在本地計(jì)算機(jī)上由VRML的瀏覽器解釋生成三維場(chǎng)景，解釋生成的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范即是VRML規(guī)范。正是這種思想使得在Internet上傳輸很少的數(shù)據(jù)，就可以在web上實(shí)現(xiàn)三維虛擬場(chǎng)景瀏覽。用VRML實(shí)現(xiàn)與Internet虛擬現(xiàn)實(shí)交互有幾個(gè)好處，即豐富了媒體表現(xiàn)形式、協(xié)同工作角色的可視化管理、改善了協(xié)同環(huán)境的用戶界面、增強(qiáng)了協(xié)同環(huán)境的交互性。可見，將VRML融合到網(wǎng)上虛擬實(shí)驗(yàn)室的開發(fā)過程，既可以增強(qiáng)表現(xiàn)力和用戶的接受度，又可以營造較好的協(xié)同工作虛擬化環(huán)境。（四）QuickTimeVR技術(shù)。這是一種實(shí)景建模的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，和傳統(tǒng)的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的不同之處在于其實(shí)現(xiàn)平臺(tái)只需PC機(jī)，而不需要圖形工作站或者數(shù)據(jù)手套等高額昂貴的硬件設(shè)備支持。和傳統(tǒng)影視媒體相比，傳統(tǒng)影視媒體只能按照錄制的順序播放，參與者不可改變其播放順序，缺乏交互性；而QuickTimeVR技術(shù)使參與者可以自己控制體驗(yàn)的進(jìn)程和順序，可以挑選自己感興趣的環(huán)節(jié)而略過其它部分。和傳統(tǒng)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)相比，QuickTimeVR不需要特殊的硬件和附屬設(shè)備，在普通的PC機(jī)或Macintosh機(jī)上即可實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)的效果。QuickTimeVR可以應(yīng)用照片、錄像或數(shù)字圖象來創(chuàng)建虛擬環(huán)境，這就不同于靜止的CAD或GIS制作，使它有著比傳統(tǒng)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)更高的真實(shí)感、更豐富的圖像和更鮮明的細(xì)節(jié)特征。

作者:徐玲 單位:南京鐵道車輛高級(jí)技工學(xué)校