基于AVM平台的交互式虚拟学习环境模型构建与应用研究*——以《中学物理光学虚拟实验》为例

肖 芳，陈国军，郭杰荣（.湖南文理学院物电学院，湖南常德45000；.湖南文理学院美术学院，湖南常德45000）

基于AVM平台的交互式虚拟学习环境模型构建与应用研究*
——以《中学物理光学虚拟实验》为例

肖 芳1，陈国军2，郭杰荣3
（1.湖南文理学院物电学院，湖南常德415000；2.湖南文理学院美术学院，湖南常德415000）

文章主要探讨基于AVM平台的交互式虚拟学习环境构建、设计与开发，以中学物理光学虚拟实验为例，分析AVM平台下虚拟实验室设计和开发的理论基础，并对其设计原则、策略、开发技术等进行探讨。

AVM；虚拟学习环境；中学物理

一、研究背景

随着计算机技术及网络技术的发展，虚拟学习环境（VLE）给教育者和学习者都带来了全新的变革。传统的时空界限被逐渐打破，虚拟学习环境（VLE）成为传统高等教育的重要领域，虚拟学习环境在教育领域的应用具有其他媒体无法比拟的优势，现有的虚拟学习环境应用所展示的优势与不足，一部分是技术角度出发的教育应用不科学，效率不高，一部分是教学原型出发的技术实现没有考虑交互性。本文研究的对象是在虚拟学习环境的基础上，以交互设计为切入点，构建交互式虚拟学习环境 （Interaction Virtual Learning Environment，简称IVLE）的学习模型。

很多虚拟实验室都采用了JAVA这一开发工具，或以两种甚至三种平台相结合，如 ActiveX、3D Max、VRML结合JAVA平台等。尽管这样有一定的优势，但相对增加了复杂程度，加上我国的网络速度问题，使这些虚拟实验室在应用程度上还远远达不到人们的预期目标。考虑上述问题的存在，本研究选择了AVM平台作为开发工具，相对于其它平台而言，AVM在网络化方面有很强的先天优势，能轻松的进行网络传播，同时大多数电脑都支持Flash插件播放。AVM平台的交互式语言主要为Action Script，本研究采用最新版本3.0，这是一种完全面向对象的编程语言，可用于编写Adobe Flash动画和应用程序。

二、面向中学物理光学虚拟实验的交互式虚拟学习环境的教学设计

从国内虚拟学习环境的发展中不难发现，虚拟学习环境的内容以大学的物理、化学为主，而中学则相对较少，本研究选取了中学物理中的光学部分。根据2004年教育部制订的《普通高中物理课程标准（实验）》，在本研究中，面向中学物理光学虚拟实验的交互式虚拟学习环境的教学设计内容主要包括：

1.光学发展简史

主要是了解光学发展历史；了解光学发展中的重大历史典故；了解光学领域的著名科学家，如伽利略、牛顿、惠更斯、托马斯·杨、菲涅等。

2.光学实验体验区

通过演示典型的光学实验模拟，让使用者直观的了解光学的基本原理。

（1）几何光学的基本规律。包括光的反射、光的折射、平面镜成像、光的直线传播、凸透镜成像。

（2）自然界的典型现象。包括海市蜃楼等。

（3）光学应用。包括眼睛校正、望远镜、显微镜、照相机、投影放映机等。

三、面向中学物理光学虚拟实验的交互式虚拟学习环境的模型构建及技术实现

中学物理光学虚拟实验是对中学物理光学实验的真实模拟，需要很强的交互性，以便使用者能在具体的使用过程中体验真实的光学事实，同时理解光学的基本原理。而开发工具AVM的选用就能很好的满足这个要求，通过ActionScript3.0这一交互式语言的运用，使用者能够在使用过程中得到近乎完美的交互式体验。使用者可以在光学体验区直接操纵实验的进程，并从实验进程中发现实验所体现的光学原理。

1.基于按钮交互的界面设计

界面设计主要为两层，第一层为主界面，第二层为分界面。学习者通过单击相应按钮即可进入相应部分的知识学习。板块的右上角出现的图标为返回按钮，通过单击该按钮可以返回上一界面的学习。

（1）基于按钮交互的界面设计说明：主界面分为光学名人、几何光学、光学现象、光学应用四大板块，几何光学板块分为光的反射、光的折射、平面镜成像、光的直线传播、凸透镜成像五个内容。

（2）基于按钮交互的技术实现与代码分析

基于Mouse Event的应用，以主界面中“几何光学”的按钮实现跳转为例：

2.基于鼠标交互的虚拟实验展示

基于鼠标交互的虚拟实验展示主要包括光的反射、光的折射、平面镜成像、光的直线传播、凸透镜成像。在这些虚拟实验展示中，学习者可以随意拖动激光灯，将入射光线的位置方向改变，入射光角度相应发生变化，可以直观形象精确地看到光的反射情况，从而对光反射有了更透彻的理解，深层次上体会光的反射定律，能很好的达到教学目标；其次还设置了“返回”，前后内容衔接流畅，交互性强。

3.基于鼠标交互的技术实现与代码分析

在场景中有一个可移动的激光笔，一条画好的直线，拖动直线可确定激光笔的光线发射方向，确定后点击发射按钮，则光线按直线发射。

/*分别对场景中的激光笔（mc）、发射按钮（_btn）以及场景中舞台（stage）的添加鼠标按下（MOUSE_DOWN）、鼠标弹起（MOUSE_UP）鼠标点击（CLICK）等事件侦听器*/

4.基于动态文本显示的交互设计与代码分析

以光的反射、光的折射为例：随着激光笔的位置改变，光线的入射方向及反射方向也跟随改变，同时在文本框中显示光线的入射角和反射角的大小。并在画面的下方有反射定律的文字说明呈隐藏状态，可点击按钮使其显示。

/*建立函数（cs），确定入射光线与反射光线的方向和位置，同时在文本框中显示当前的入射角度和反射角度*/

四、基于AVM平台的交互式虚拟学习环境的应用研究

通过基于中学物理光学虚拟实验室的设计、开发与测试，基本实现了基于AVM平台的交互式虚拟学习环境的模型构建。以中学物理光学虚拟实验室为例，基于AVM平台的交互式虚拟学习环境的应用表明：基于AVM平台的交互式虚拟学习环境的构建和应用具有可行性、易用性和交互性。但离真实的虚拟学习环境还有一段距离，还需要进一步的改进。

1.基于AVM平台的交互式虚拟学习环境的构建与应用有良好的网络性能，能够轻松的在网上传播，并且开发周期短、数据量小、传播速度快，具有很好的易用性。

2.基于AVM平台的交互式虚拟学习环境的构建与应用具有很强的交互性，使用者在使用过程中能够得到近似真实的光学实验的模拟感受等。

3.由于时间和技术上的限制，基于AVM平台的交互式虚拟学习环境的构建与应用的案例设计与开发还需要专业的教学设计人员和高水平的技术人员参与。

4.由于AVM平台的限制，交互式虚拟学习环境主要支持2D界面，在后续的研究中还需要使用虚拟现实技术构建真实情境。

总之，基于AVM平台的交互式虚拟学习环境有很大的应用空间，它能更好更快在基础教育和中等教育领域推广和流行，也能迅速地在网络上进行传播。学生可以通过虚拟实验进行自主学习，解决学生在实验中的困扰，提高学习效率。它实现了交互式的学习模式，同时丰富了教学内容，提高了“教”与“学”的效率。极大地促进了教学改革和实践。

［1］李璐.虚拟仿真实验室应用于初中物理实验教学的理论与实践研究［D］.西安：陕西师范大学，2009.

［2］罗烽庆.基于虚拟仪器光学实验室的研究与实现［D］.中山：中山大学，2009.

［3］刘勇.Flash游戏型物理课件的设计与开发研究［D］.长沙：湖南师范大学，2009.

［4］黄元南.虚拟实验室设计技术与应用探析［J］.中国科技信息，2005（14）：90-90.

（编辑：鲁利瑞）

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1673-8454（2016）12-0092-04

湖南省教育科学“十二五”规划课题“交互式虚拟学习环境的模型构建与应用研究”，湘教科规领（2014）005号205项，编号为：XJK014CXX008；湖南省光电信息技术校企联合人才培养基地（湘教通［2012］434号）。