交互屏幕实验——远程物理实验教育的新技术

交互屏幕实验——远程物理实验教育的新技术*

黄海宁周少娜肖 化谢 春

(华南师范大学广东 广州510006)

*广东省教育科研“十二五”规划2013年度项目“基于人机交互学习系统的广东省中学生认知失调和自我调适研究”，项目编号：2013KJ047；2013年度华南师范大学青年教师科研培育基金项目“基于人机交互学习系统的大学理科生认知失调和自我调适研究”的阶段性研究成果，项目编号：13KJ18

指导教师：肖化(1958 -)，男，教授，博士生导师，主要从事物理实验、科学教师专业发展、信息技术与物理课程整合研究．

摘 要：主要介绍了交互屏幕实验的原理、制作方法、制作标准和在远程教育中的发展前景，旨在为远程物理实验教育开拓新的视野.

关键词：远程实验教育交互屏幕实验人机交互

作者简介：黄海宁(1991-)，男，在读研究生，研究方向为信息技术在物理教育中的应用．

收稿日期：(2014-12-21)

交互屏幕实验(简称ISE，即Interactive Screen Experiments)是英国开放大学物理学科教学创新研究中心(PICETL，即Physics Innovations Center for Excellence & Teaching in Learning)有关物理和天文学的电子学习材料和教学资源(E-Learning Materials and Teaching Resources Physics and Astronomy)一项重要的创新实验技术.交互屏幕实验是一项基于真实物理实验的创新人机交互物理实验技术，该项新技术为远程物理实验教育开拓了新的视野，具备当前很多远程物理实验教育所没有的优势.

1交互屏幕实验的原理

交互屏幕实验是一个高度互动的非线性实验影像，其完全通过用户对影像中实验设备的旋钮和按钮进行拖动和单击的控制来运行.交互屏幕实验由数百个或数千个记录了实验设备每时刻状态的图像帧所组成.交互屏幕实验可以在普通 web 浏览器中ShockWave或 Flash免费插件中使用，或将其下载到电脑中并作为一个exe文件来运行.学生使用交互屏幕实验的效果与利用远程控制和运行真正的实验设备相似.但是，交互屏幕实验跟真实实验室或者远程操控实验室有着一个很重要的区别，就是前者对可能同时进行实验的学生数没有任何的限制，并且可以多次反复地对原本只能使用一次的真实设备进行操作和控制.这里需要注意到交互屏幕实验并不是一种模拟或者虚拟的物理实验.交互屏幕实验中没有根据相关的物理定律对其中的实验现象进行相应的程序编码，它所包含的实验现象全部都是真实的，换一种角度来说，利用交互屏幕实验，我们甚至可以发现新的科学原理.

为了能够更好地理解交互屏幕实验，下面将就交互屏幕实验一个简单的实例(观察弹簧的伸长量和弹簧的张力之间关系的实验，如图1所示)，具体说明交互屏幕实验的原理和运行方式.

图1　交互屏幕实验的实例截图

在这个交互屏幕实验的例子中，用户通过使用电脑鼠标或其他操控设备来实现与交互式屏幕实验的交互操作：在正常使用鼠标点击力米表盘之后，拖动刻度盘使其转动起来.刻度盘就会跟真实情况一样转动起来，伴随着弹簧依据其旋转方向进行伸长或者收缩.同时，在这个过程中的力(相当于弹簧的张力)将由力米表盘中的指针从刻度盘中指示出来.

对于一般的模拟或者虚拟实验，程序员会对每个元素的行为进行编程.例如，程序员会直接运用一维线性胡克定律的情况来对弹簧的伸长量与其所受张力成正比的行为进行编码.但是对于交互屏幕实验，其在屏幕上所显示的实验图像全部取自于真实的实验，并且记录下了真实实验正在进行时的所有情形.而针对如何使得记录了实验现象的影像帧之间的切换转化为用户操作交互行为这一问题的编程和设计，成为交互屏幕实验制作的核心问题，也是交互屏幕实验高度交互性的源泉.总而言之，交互屏幕实验显示出了真实的物理现象，而不是一些理想化的现象，并且有效地打破了真实实验室和远程操控实验室的诸多限制.

2交互屏幕实验的制作

2.1交互屏幕实验的制作软件

交互屏幕实验是通过美国Adobe公司开发的Director软件来进行设计和制作的.Director软件主要用于多媒体项目的集成开发，可以创建包含高品质图像、数字视频、音频、动画、三维模型、文本、超文本以及 Flash 文件的多媒体程序.笔者认为交互屏幕实验使用Director软件来进行制作有如下3个原因：

(1)Director可以从外部导入图像、声音、视频、影片以及其他对象，并利用其所附带的辅助工具进行编辑，用来创建交互的场景和影片等.

(2)Director是一个高度面向对象的工具，非常适合图像和影像制作者使用，它所独有的Lingo脚本可以对交互影像中各个部分进行精确的控制.

(3)Director能与Internet充分接轨，其生成的ShockWave影片在网络中得到了很广泛的应用.

而交互屏幕实验的制作应遵循以下步骤：

(1)确定实验的学习目标，根据学生所要学习的知识或者技能制定其可在交互屏幕实验中的操作参数内容和数量.

(2)进行相应真实实验，将整个真实实验的过程拍摄下来，并且根据所制定的参数内容和数量，把真实实验中各种情形下的实验现象拍摄下来(图像形式)，如图2所示.

图2交互屏幕实验制作过程中的真实实验现象拍摄场景[2]

(3)将拍摄到的真实实验过程视频和各种情形下的真实实验现象图像导入到Director软件中，并且根据参数的内容对这些原始影像进行剪切和编辑.

(4)制定用户具体操作的方式，针对参数的内容，应用Director软件中的编程工具将记录了实验过程视频和实验现象图像的帧之间的相互切换转化为用户的交互操作.

(5)多次检验制作出来的交互屏幕实验的操作效果，修补出错的漏洞，进行必要的美工处理，最后增加相应的交互屏幕实验的操作指导、提示语和知识讲解,制作成型的交互屏幕实验如图3所示.

图3　制作成型的交互屏幕实验截图

2.2交互屏幕实验的制作标准

我们可以对交互屏幕实验的制作制定一些标准，以便可以给用户提供更为便捷的使用体验和更为有效的学习经历.

第一个准则就是要有数量合适的可调节的参数.一个交互屏幕实验跟真实实验的操作越接近越好的这个理念只有在参数数量合理的情况下才是有效的.由于交互屏幕实验是由一系列的影像组成的，所以每一个影像都是这个实验中“参数空间”的一个点，并且通过软件控制影像之间的交互作用.如图1的弹簧实验中，就只有一个变化参数，因此它的参数空间是一个简单的一维影像的矩阵.在两个参数的情况下，参数空间就是二维的(影像矩阵)并依此类推.显然，当参数数量在增加时，这些影像的数量会增长得非常迅速，这样就会严重影响到交互屏幕实验的制作和传送.解决这个问题的办法可以是限制参数的数目或者让参数表现出限定的实验状态，当然这些限定的状态至少包含与将要进行的实验相关的实验情形和与用户学习内容相关的实验现象.

第二个准则就是确保交互屏幕实验的平台独立性.交互屏幕实验作为远程教育的一项新技术，我们不能忽略这样的一个问题：这些资源必须能够在用户们所拥有的或所在学习场所的所有电脑系统中使用.因此在这里就要求交互屏幕实验必须要独立于各种系统平台.为了确保这个准则的实现，我们可以使用一些方便获取和容易安装的支持软件，并且在必要时可以根据不同的系统平台兼容情况来制作相应的版本.确保交互屏幕实验的平台独立性是其质量监控和检测的一个重要方面.

虽然已经确保了交互屏幕实验的平台独立性，但是仍然需要将这些资源传送出去.这里就涉及交互屏幕实验的第三个准则——在考虑数据传输速率的基础上，制定合适的文件容量.交互屏幕实验传送的主要限制因素是数据传输的速率和资源文件的大小.假设一个基于互联网的传递方式，那么学生获取资源所需的时间很大程度受限于网络连接的速度.网络传输速率在国家与国家之间，甚至在一个国家中，特别在城市和乡村之间都会有很大的差异.而在资源文件容量的方面，一个规模大、具有众多的参数、画质高清的交互屏幕实验不仅需要花费相当长的时间来获取，而且也可能占用用户计算机的不少可用资源.因此，一个优秀的交互屏幕实验是可以便捷进行访问，能够以合理的时间传送到用户的计算机之中，并且不会过度占用学生计算机中的资源.

在交互屏幕实验的设计和开发阶段,上述的所有标准都需要去考虑和处理.因此，交互屏幕实验的制作需要根据目标用户的实际情况来考虑其需要达到的学习成效、最终资源的文件大小和相应的传送方式.

3交互屏幕实验的发展前景

上文讨论的弹簧实例(图1)是一个结果具有固定性质的物理实验(即给定的一组参数值总会产生一个固定的实验结果),但是并不是所有的实验过程或实验结果都会按照这样的模式呈现.例如，观察放射性元素衰变的实验时，单位时间内的放射性计数率总是在围绕一个平均值不停地摆动，这就是核衰变实验中统计偏差的表现，而这样均值的统计偏差也反映了核衰变的重要统计行为和特点.对于这样的会出现随机的、不确定的统计偏差结果的实验似乎不可能在交互屏幕实验中实现，恰恰相反，这是交互屏幕实验极具发展潜力的优势.

根据前面的阐述，我们知道一个交互式屏幕实验是由一系列有行为关联的影像所组成的，每个影像都是取自于真实实验的一个确定状态.同样的，一个计时器或类似仪器的每一个读数可被认为是这个实验的一个独立状态.因此，当交互屏幕实验中可由用户操控的参数所产生的实验结果是从一个拥有足够多实验数据的数据库中随机提取时，那么具有统计偏差性质的交互屏幕实验就可以实现.比如在放射性元素衰变的实验中，用户在操控了交互屏幕实验之后，实验中放射性计数结果将通过网络在一个拥有足够多的相应实验结果数据的数据库中随机提取，而这个随机的计数结果将在交互屏幕实验中的可视元素中展示出来.而功能强大的Adobe Director软件为这种具有统计偏差性质的交互屏幕实验提供了开发技术上的支持.在Adobe Director软件中，开发者可以将交互界面、数据库联接和因特网联接技术集成于一个多媒体交互作品当中.

当我们意识到交互屏幕实验可以很好地应用在这类具有统计偏差性质的实验的重要性时，交互屏

幕实验广泛使用到物理学甚至是科学以外领域的大门将被打开.当这些随机的、不确定的现象可以很好地展现在交互屏幕实验上时，交互屏幕实验应用范围将是无限宽广的.然而，我们也需要看到交互屏幕实验的实现与发展需要大量技术、教学实践和想象力的投入，但我们相信随着信息技术的快速发展和广泛应用，交互屏幕实验将会拥有更为广阔的发展前景.

参 考 文 献

1Hatherly P A, Jordan S E, Cayless A. Interactive screen experiments-innovative virtual laboratories for distance learners. European Journal of Physics, 2009, 30(4):751

2Sally Jordan, Diane Butler and Paul Hatherly. CETL impact: case studies from S104 Exploring Science. [DB/OL].Presentation from 3rd OpenCETL Conference, 24th September 2008

3李伟. 英国开放大学的电子评估及对我国远程教育的启示——电子评估在物理和天文学科的实践探索. 中国远程教育, 2012 (2)

4王海荣. 英国开放大学物理学课程学习支持服务的实践研究及启示——物理教与学卓越中心报告述评. 中国远程教育, 2011 (12)

5Higher Education Academy Physics Higher Education Conference 2008 (Edinburgh)archive,http://www.heacademy.ac.uk/assets/ps/documents/events/phec_08/interactive_screen_experiments.zip(accessed 9thMarch 2009)