复杂场景下数字化教学视频拍摄与评价虚拟仿真实验设计

刘永贵，申灵灵，张刚要，刘 峰

复杂场景下数字化教学视频拍摄与评价虚拟仿真实验设计

刘永贵，申灵灵，张刚要，刘 峰

（南京邮电大学 教育科学与技术学院，江苏 南京 210023）

进行复杂场景下数字化教学视频的拍摄与基于眼动仪认知效果评价数据的改进，存在高风险、高成本与伦理限制。该文提出虚拟野外青蛙生存场景拍摄实验、虚拟博物馆实景授课场景拍摄实验、基于虚拟眼动仪的数字化教学视频认知效果评价实验的设计思路。学生按照“拍摄—效果评估—改进”的过程进行实验，培养和提高在复杂场景中综合应用教学媒体设计、视频拍摄、学科知识可视化等多项知识与技能的能力。

数字化教学视频；眼动仪；复杂场景；虚拟仿真

数字化教学视频资源的开发是教育技术学专业学生的基本实践能力之一。随着信息技术的飞速发展，社会与学校对数字化教学视频的需求日趋旺盛。数字化教学视频不仅有教师课堂讲授视频，还有拍摄于真实场景中的数字化视频[1]。符合事物运动变化规律的视频教学资源是帮助学习者掌握事物内在规律、发挥视频学习价值非常有效的方式。农业、林业、体育、地理等学科的教学均需要此类数字化教学视频。因此，要求教育技术学专业的学生具有较好数字化教学视频设计开发能力，学习和掌握真实场景下数字化教学视频的拍摄技能[2]，学会使用眼动仪等高端实验设备对数字化教学视频的效果进行测试，并根据评价数据提升数字化教学视频设计与开发水平[3-4]。

1 开发虚拟仿真实验项目的必要性分析

1.1 降低复杂实景拍摄的成本和风险

真实场景复杂多变，很难在学校演播室、实验室完美复现；而森林、火山、田野、工厂等真实场景的拍摄成本高，并存在安全等问题，难以安排学生实地练习。这使得复杂场景下的数字化教学视频拍摄实验难以开展。借助虚拟仿真技术创设高度仿真的复杂场景拍摄实验，有助于培养学生在复杂场景中以合理的机位布置、调度、布光，恰当运用景别、镜头，拍摄出契合事物特征以及适合学生认知规律的数字化教学视频。

1.2 规避教学视频认知效果评价实验的伦理限制

使用眼动仪、脑电仪分析学习者的视觉信息加工机制，分析视觉信息设计对人认知活动的影响，以对视觉产品设计与开发做出评估，是当前教育心理、媒体设计等领域的重要研究方式[5-7]。但因眼动仪、脑电仪等设备的昂贵，及人体实验受到伦理限制，无法成为数字化教学视频对学习者认知效果影响的评价手段；而创建虚拟仿真的眼动仪实验场景，能为学生提供可靠、安全、经济、符合伦理规范的数字化教学视频效果评价实验条件。

2 实验目标设计

本虚拟仿真实验项目是面向教育技术学专业学生的数字化教学视频设计开发高阶能力培养的综合实验，是“教学技术与媒体”“数字视频设计与开发”“数字化学习资源设计与开发”等课程实验的拓展与提升。数字化教学视频设计开发能力实验教学体系如图1所示。

图1 数字化教学视频技能训练实验教学体系

本虚拟仿真实验项目是以学生在上述课程教学中所掌握的基本知识、技能为基础，重点培养学生在复杂场景中综合应用拍摄、布光、学科知识可视化、教学视频媒体信息设计等知识与技能，拍摄出能反映事物在复杂、真实环境的特征属性，形象化呈现科学知识的数字化教学视频。具体实验目标为：

（1）掌握学习内容及其对应的复杂环境分析技能，能在数字化教学视频设计原则指导下[8]，根据对复杂场景的分析，进行机位布置、景别与镜头运用、曝光设置、灯光布置[9]，拍摄出符合学习内容特征与学生认知的数字化教学视频；

（2）学会眼动仪操作，掌握用眼动仪进行数字化教学视频认知效果评价及其数据采集方法；

（3）提高教学媒体设计、视频拍摄、学科知识可视化等知识与技能的综合应用能力，提高复杂场景下数字化教学视频拍摄能力。

3 实验项目设计

本虚拟仿真实验项目需要学生学习4方面的技能：

技能1：数字化教学视频设计策略；

技能 2：复杂场景下数字化教学视频拍摄中的多机位布置、调度，及镜头的景别与运动技巧运用；

技能3：复杂场景中的曝光设置、灯光布置；

技能 4：基于眼动仪数据的数字化教学视频认知效果评价技能。

为使学生掌握以上4方面技能，创设了虚拟野外青蛙生存场景拍摄实验、虚拟博物馆实景授课场景拍摄实验、基于虚拟眼动仪的数字化教学视频认知效果评价实验等3个实验项目（见图2、图3、图4）。

（1）野外青蛙生存场景拍摄实验。模拟生物类专业数字化教学视频拍摄场景（地理、农业、林业、体育等专业的场景拍摄实验与此类似）。学生基于对学习内容所描述对象及其所处复杂场景的分析，进行多机位布局与视频媒体信息呈现方式设计，选择恰当的机位，运用景别、镜头技巧，呈现学习内容所描述事物的特征属性。

图2 野外青蛙生存场景

图3 博物馆实景授课场景

图4 眼动仪实验场景

（2）博物馆实景授课场景拍摄实验。模拟文物、历史等专业室内拍摄数字化教学视频的场景。此实验项目重点要求学生掌握对室内复杂光线场景中曝光与被拍摄对象颜色、细节、形态等信息呈现关系的分析，能在多个被拍摄对象光线差异较大情境下，进行曝光度、黑白平衡、拍摄模式设置，能利用反光板、摄像灯补光，确保数字化教学视频对复杂光线环境下事物特征属性的正确呈现。

（3）基于眼动仪的复杂场景视频效果评价实验。通过对虚拟眼动仪的操作和应用，了解眼动仪结构、功能、使用流程、基本参数设置，理解眼动仪数据分析与数字化教学视频构图、曝光、镜头的关系[10-11]，掌握用眼动仪进行数字化教学视频认知效果数据的采集和分析。

4 实验原理与实验步骤设计

4.1 实验原理

虚拟仿真实验按照“拍摄—基于眼动仪的视频效果评估—改进”的模式进行。在实验中，学习者结合复杂场景的环境特征及所呈现的教学内容属性，综合设计拍摄方案，布置虚拟摄像机机位，设置光圈、焦距等参数，利用摄像灯、反光板等进行布光，完成虚拟拍摄。随后设置眼动仪参数，用眼动仪对所拍摄视频的认知效果进行测试，根据测试结果完善数字化教学视频拍摄设计与拍摄技巧。在这一过程中，完成多门知识与技能的融会贯通，掌握复杂场景下数字化教学视频拍摄技能。

本虚拟仿真实验项目依托虚拟实验环境，将实验参数分为6类，参数控制方式如表1所示[12-13]。实验过程中，学生通过键盘输入、鼠标拖动、方向键控制等方式控制实验参数，完成复杂环境下数字化教学视频的拍摄与效果评价实验。

表1 实验参数与参数控制方式设计

本虚拟仿真实验项目中的参数控制与物理、化学等专业实验不同。在复杂场景下拍摄出好的数字化教学视频，其合理参数不是唯一值，而是在某一范围内变化。所以在虚拟仿真实验中，学生对多数参数的控制不是通过精确输入数值，而是通过鼠标或键盘控制虚拟设备完成，其操作与真实操作行为高度相似。

4.2 实验步骤设计

实验步骤主要围绕3个实验项目设计，如图5所示。实验步骤的设计紧紧围绕实验技能点，并以具体的实验任务引导学生完成相应实验操作。以图5中“野外青蛙生存场景之保护色镜头拍摄”和“基于眼动仪的野外青蛙生存场景之保护色镜头效果测试”实验为例，对实验步骤的设计进行阐释。

图5 实验操作步骤

4.2.1 野外青蛙生存场景之保护色镜头拍摄

（1）实验目的：学会合理选择机位，综合应用远景、近景、特写景别与推镜头等视觉语言描述生物与生存环境的关系。

（2）实验任务：青蛙身体颜色与环境色关系镜头的拍摄。

（3）知识点：机位选择，景别、推镜头等视觉语言与知识表达的关系。

（4）仿真平台：屏幕上弹出字幕：选择某一机位，拍摄一个镜头描述青蛙保护色。

（5）学生操作：选择机位并控制摄像机，调整拍摄角度、焦距，按下拍摄按钮拍摄。推镜头的起幅画面为绿色稻田（远景或全景，焦距控制），落幅画面为青蛙全身特写，控制镜头变焦范围与速度（滚轮滚动速度）完成拍摄。图6所示为拍摄示例。

（6）系统记录：记录学生所选择的机位、焦距变化参数；以录屏方式记录学生拍摄的视频，并自动将视频上传到平台上学生个人空间。

图6 学生控制虚拟摄像机以推镜头拍摄青蛙保护色镜头

4.2.2 基于眼动仪的野外青蛙生存场景之保护色镜头效果测试

（1）实验目的：掌握基于眼动仪的视频评测方法，学会眼动仪数据与镜头语言对认知效果影响的分析方法，学会基于眼动仪数据改进拍摄技巧。

（2）实验任务：用眼动仪对青蛙野外生存环境镜头进行测试。

（3）知识点：眼动仪数据采集参数设置，测试数据与推镜头、景别等视听语言的关系。

（4）仿真平台1：对青蛙身体保护色镜头眼动仪数据进行测试与分析。

（5）学生操作1：在虚拟眼动仪中导入被测视频并设置参数，完成数据采集，察看该视频的眼动仪测试数据。

（6）仿真平台2：屏幕弹出该视频眼动仪数据的分析试题（不同数字化教学视频试题不同）

（7）学生操作2：完成测试题，平台自动给予评价反馈；根据眼动仪测试数据的反馈结果，如对所拍摄视频不满意，可进行重拍。

（8）系统记录：记录学生对虚拟眼动仪参数的设置数据；记录学生的眼动仪数据分析答卷，并自动计算其得分，将之作为实验成绩之一。

5 实验项目评价设计

数字化教学视频拍摄是学生综合应用教学媒体设计、视频拍摄、视听语言、布光等知识的过程[14]，对实验的评价重点是学生对知识与技能的综合应用能力，适合采用过程性评价与作品评价相结合、量化评价与定性评价相结合的方式进行考核[15]。

5.1 实验项目中的评价数据采集机制

虚拟仿真实验平台会记录学生操作中设置的各项参数（例如机位布置、软件触发等），生成所拍摄的数字化教学视频，记录学生眼动仪设置参数及眼动仪数据分析的成绩。在实验报告中，实验内容与数据会自动生成，实验反思由学生填写，最后提交报告。

5.2 实验项目评价的内容

本实验项目的评价由量化成绩与对作品的描述性评价构成，以确保考核意见对学生的诊断和改进价值。具体考核点如表2所示，基于4类技能设定了8个考核点，各考核点与实验操作步骤相对应。

表2 考核点及其操作步骤

注：对应步骤见图5

量化成绩由5部分构成，如表3所示。除眼动仪数据分析成绩由系统自动批阅计算外，其余4方面成绩是教师人工评分。

表3 量化成绩构成

6 结语

复杂场景下数字化教学视频拍摄与评价虚拟仿真实验项目让学生在虚拟复杂场景中，通过对虚拟摄像机、虚拟摄像灯、虚拟眼动仪的操作，完成数字化教学视频拍摄，基于眼动仪进行视频认知效果评价实验，实现了教学媒体设计、视频媒体拍摄、学科知识可视化等多学科知识与技能的综合应用，有助于和培养教育技术学专业学生在复杂场景下的数字化教学视频拍摄与改进这一高阶能力。

在实验项目的设计与开发中，笔者注意到教育、心理等社科类专业虚拟仿真实验项目设计的几个特征：第一，很多实验对象是“人”，受伦理限制的实验应该并且适合开发为虚拟仿真实验项目，而不仅是高成本、高风险的实验项目；第二，实验一般涉及一些复杂、多变的因素，其实验参数很难用精确数值表征和控制，合理的数值往往是在某一范围内模糊可变，因而对虚拟仿真实验项目开发中参数设定与控制方式提出了更高要求；第三，当实验对象为人时，虚拟仿真场景中对人的模拟，不能仅仅是形似，需要更多关注对人的行为、情感、态度的模拟，而这远比对无生命物体的模拟更为复杂。

[1] 刘瑞.刍议数字视频资源在教育教学中的价值[J]. 中国教育学刊，2015(增刊2): 179–180.

[2] 陈峥. 数字化学习资源的开发[J].湖北教育（教育教学），2015(2): 24.

[3] 冯小燕，王志军，吴向文.我国教育技术领域眼动研究的现状与趋势分析[J]. 中国远程教育，2016(10): 22–29.

[4] 赖文华，单春波.大学生在网络视频学习过程中的眼动行为研究[J]. 软件导刊（教育技术），2015(6): 76–79.

[5] 许鸿飞，高文君.交互设计中眼动仪的可用性研究[J].科技传播，2017, 9(22): 145–146.

[6] JAMET E. An eye-tracking study of cueing effects in multimedia learning[J]. Computers in Human Behavior, 2014, 32(1): 47–53.

[7] 安璐，李子运.眼动仪在网页优化中的实验研究：以厦门大学网络课程为例[J].中国远程教育，2012(5): 87–91, 96.

[8] SMALDINO S E.教学技术与媒体[M].郭文革，译.北京：高等教育出版社，2012.

[9] 卢锋.数字视频设计与制作技术[M]. 3版.北京：清华大学出版社，2017.

[10] 皮忠玲.视频播客呈现方式对学习效果的影响及其机制的眼动研究[D].武汉：华中师范大学，2014.

[11] 孙颖飞. MOOC视频界面布局对学习效果影响的眼动研究[D].西安：陕西师范大学，2016.

[12] 余武.摄影与摄像基础教程[M].北京：人民邮电出版社，2010.

[13] 赵新灿，左洪福，任勇军.眼动仪与视线跟踪技术综述[J].计算机工程与应用2006, 42(12): 118–120, 140.

[14] 潘洪波，张鹏.基于微课视频的拍摄与制作的研究[J].软件导刊（教育技术），2016(10): 74–75.

[15] 吴晶.摄影摄像课程教学评价方法研究[J].艺术品鉴，2017(6): 23–25.

Design on virtual simulation experiment for digital teaching video shooting and evaluation in complex scene

LIU Yonggui, SHEN Lingling, ZHANG Gangyao, LIU Feng

(School of Educational Science and Technology, Nanjing University of Posts and Telecommunications, Nanjing 210023, China)

There are high risks, high costs and ethical limitations in the improvement of the digital teaching video shooting in the complex scene and cognitive effect evaluation data based on the eye tracker. The necessity to design and establish a virtual field frog survival scene shooting experiment, virtual museum scene shooting experiment and digital teaching video cognitive effect evaluation experiment based on a virtual eye tracker is proposed. Students can carry out the experiments in accordance with the process of the “Shooting-effect evaluation-improvement” to cultivate and enhance their ability to comprehensively apply teaching media design, video shooting, subject knowledge visualization and other knowledge and skills in complex scenes.

digital teaching video; eye tracker; complex scene; virtual simulation

G436；TP391.9

A

1002-4956(2019)10-0115-05

10.16791/j.cnki.sjg.2019.10.027

2019-03-15

中国高等教育学会高等教育科学研究“十三五”规划重点调研课题（16ZD004）；江苏省教育科学“十二五”规划重点自筹课题(B-b/2015/01/049)；江苏省教育科学“十三五”规划重大课题(A/2016/06)；南京邮电大学教师教学发展研究专项课题（JG01716JX101）

刘永贵（1978—），男，甘肃兰州，博士，副教授，硕士生导师，研究方向为教育信息化体制、教学信息化、在线教育。E-mail: liuyg@njupt.edu.cn