（机械电子工程专业论文）具有交互式虚拟现实技术的远程教学系统建设与研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 本文研究的课题源自教育部新世纪网络课程建设工程的教学改革与研究项且a 当 前，远程教学系统的建设已成为各学科教学改革与研究的热点。远程教学系统的开发模 式和开发过程也在逐步得到规范和完善。但是，与传统课程相比学生在远程网络学习中 能否真正获得身临其境的体验，这一问题在一些实践性较强的学科中将会明显地暴露出 来。远程网络教育中学生自主学习的条件有限，自主参与感不足将严重影响远程教育的 教学效果。本课题成功地运用了各种多媒体技术和虚拟现实技术开发远程教学系统，解 l7 决了这个问题。阿 首先笔者以学习理论为指导依据，借用了软件工程的开发思想及方法，研究了远程 教学系统的开发方法及步骤，包括需求分析、概念设计、详细设计、模块开发、系统测 试和评价。主要开发的模块包括教学讲座、在线测试、在线设计、讨论答疑和虚拟实验。 教学讲座模块是教学系统的主要部分，而其它模块则为远程教学系统提供了多种多样的 教学手段。其中自行开发的具有绘图功能的电子白板可以实现在线实时绘图功能，为远 程课程中的师生提供了更加直观的讨论答疑工具。随后笔者在文中单列一章来论述三维 虚拟实验的设计和开发方法，使用v r m l 语言进行三维形体造型，并结合j a v a 语言和 v r m l 技术自行开发了交互式的液压元件虚拟装拆实验，为工科各科网络课程，尤其是 机械类课程的虚拟实验建设提供一个新的开发途径和模式。最后笔者对全文的工作作了 总结，并结合系统开发中的体会和设想，提出今后进一步研究和努力完善的方向。 关键词：远程教学系统学习理论软件工程虚拟现实v r m l j a v a 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h er e s e a r c hi nt h i st h e s i si s s u p p o r t e db y t h en e wc e n t u r yn e t w o r kc u r r i c u l a c o n s t r u c t i o nr e f o r mf u n do ft h em i n i s t r yo fe d u c a t i o n n o w a d a y st h ec o n s t r u c t i o no ft h e d i s t a n c ee d u c a t i o ns y s t e mh a sb e e nt h eh o t s p o ti ni n s t r u c t i o nr e f o r mf i e l d d e v e l o p i n g m o d e sa n dp r o c e s s e so ft h ed e sa r ec o m i n gt os t a n d a r d i z a t i o na n dc o m p l e t i o n a tt h e m o m e n t ，c o m p a r i n g w i t ht h et r a d i t i o n a lc o u r s e s ，t h ed e s g i v e st h es t u d e n t sf e we x p e r i e n c e s w h e n t h e ya r ep e r s o n a l l yo nt h es c e n e t h es h o r t c o m i n g w i l lb eo b v i o u s l ye x p o s e di ns o m e c o u r s e si nw h i c hm o r e p r a c t i c e sa r ed e m a n d e d w i t ht h el i m i t a t i o no ft h ed e s c o n d i t i o n s ， t h et e a c h i n ge f f e c t sw i l lb ed e t e r i o r a t e db yl a c ko ff r e e d o m sw h e nt h es t u d e n t sl e a r n i no r d e r t os o l v et h ep r o b l e m ，ad e sh a sb e e nd e v e l o p e db y u s i n gt h em u l t i m e d i aa n dv i r t u a lr e a l i t y t e c h n i q u e s i nt h i sa r t i c l e f i r s t l y , t h ew h o l es y s t e md e s i g np r o c e s s e si n c l u d i n gd e m a n da n a l y s i s ，c o n c e p td e s i g n ， p a r t i c u l a rd e s i g n ，m o d u l ed e v e l o p m e n t ，s y s t e mt e s t a n dv a l u ea r es t u d i e db yu s i n gt h e l e a r n i n gt h e o r i e sa n d t h ed e v e l o p i n gi d e o l o g i e sa n dm e a n so ft h es o f t w a r ee n g i n e e r i n g t h e m o s ti m p o r t a n tm o d u l e sa r et e a c h i n g l e a r n i n gl e c t u r e sm o d u l e ，o n l i n et e s tm o d u l e ，o n l i n e d e s i g nm o d u l e d i s c u s s i n g e x p l a i n i n gm o d u l ea n dv m u a le x p e r i m e n tm o d u l e t h e t e a c h i n g - l e a r n i n gm o d u l e i st h em a i n b o d y o ft h es y s t e m ，a n dt h eo t h e rm o d u l e s p r o v i d et h e m u l t i f o r m t e a c h i n g l e a r n i n gm e a n s f o rt h ed e s i nt h em o d u l e s ，t h es e l f - d e v e l o p e de l e c t r o n i c w h i t e b o a r d ，w h i c hp r o v i d e st h er e a lt i m ep l o tf u n c t i o n ，i sam o r ei n t u i t i o n i s t i cd i s c u s s i n g & e x p l a i n i n gt o o lf o rt h eo n l i n et e a c h e r sa n ds t u d e n t s t h e r e f o r et h ed e s i g na n dd e v e l o p i n go f t h e3 d - s p a c ev i r t u a le x p e r i m e n ti ss p e c i a l l yd i s c u s s e di nac h a p t e r 3 dm o d e l sa r eb u i l tb y u s i n gv r m l a n d t h em u t u a l l yv i r t u a lh y d r a u l i c c o m p o n e n tl o a d i n g u n l o a d i n ge x p e r i m e n ti s s e l f - d e v e l o p e db yt h el i n ko f j a v aa n dv r m l t e c h n i q u e s a n di to f f e r e dan e wd e v e l o p i n g m o d eo ft h ec o n s t r u c t i o no ft h ee n g i n e e r i n gn e t w o r k c o u r s e s ，e s p e c i a l l y t h ee n g i n e r yc o u r s e s a tt h el a s tp a r to ft h et h e s i si ss u m m a r y , a l o n gw i t hs o m e e x p e d e n c e s ，i d e a s ，a n dp r o s p e c t so f t h er c s e a r c h k e y w o r d s ：d i s t a n c e e d u c a t i o n s y s t e m ，l e a r n i n g t h e o r y ，s o f t w a r ee n g i n e e d n g ，v i r t u a lr e a l i t y ， v r m l ，j a v a - 一 华中科技大学硕士学位论文 1 1 课嚣的来源、誉的和意义 i i i 课越来源 1 绪论 随着网终技术、多媒体技术及数摄库技术豹曩艨成熟，现代教蠢技术已悄然向第三 阶段网络教育( w e b - b a s e di n s t r u c t i o n ，即w b i ) 过渡，教育的网络化是现代教育的一 大特征，网络教育即远程教育代袭了现代教育的一个发腿方向。 国家教育帮瑷代遴程教育资源建设委员会缀绣静薪毽纪网络谦撵建设工程是我鼙 教鸯体系鹣一次罐设憋筏建，本潆霪熬辑突蔓要来源于该建设王程串鲍予壤基渡 压与气压传动阚络谍程建设。 1 1 2 镖麟舀静鞫意义 在知识经济社会中，教育成为特殊产业在经济杜会中发挥踅要作用，它不仅是社会 久力资源歼发静支柱，丽置成为稔会声建结梅诱整、交孳静关键耩墨e o 然褥，长麓形成 敌传统模技豹教育，糁裂是传统模式豹寒等教育与其所受的特残使念，与知识爆炸鲍对 代特征格格不入，其弊端日益明显，因i 蔚孕育黄一场不可避免的、深刻而广泛的教育革 命。信息技术的革命，为教育产蛾的变革提供了革命手段，这就是阿络化的远程教育工 程。 鑫蕨苏格拉廉蓄次探索知识鹃囊谛戳来，教育家髓一盏在争论嚣令孩心阖戆；教什 么，以及怎榉教。这场争论从吉代一壹持续到现代，现在仍然可以见诸予学术列物、政 府报告、商业杂忐甚至主流的畅销书。远程教育为教育的头两个根本问鼷提供了答案。 同时，它也解答了教育的第三和第四个问题，郎教育的适当场所和教育的内容。远程教 育，不失为一种满足入们对廉价丽又荔予企及静教育需求的途径。实施现代远程教育工 程形箴开救式教育鼹终，梅建终赛学习系统，是充分裂餍霸霞纯我瓣教奢资源，普及与 华中科技大学硕士学位论文 提高全民素质，降低教育成本与让全民享有充分受教育的权利的一次重大工程。远程教 育工程是以现代化的信息技术为手段，以适合远程传输和交互式学习的教育软件为教 材，在政府的启动和支持下，逐步建立起公益性和产业性相结合、最终实现自主滚动发 展的现代化教育产业的管理模式【0 1 】1 0 2 】【0 3 】。 远程教育是用来代替教师进行整门课程的教学，与传统的以教师为中心的单向交流 式的教学方式相比，其最显著的区别在于它的交互性、自主性和集成性。交互性是远程 教育的一块基石，是从以教为主转向为以学为主的体现，是充分发挥教师主导作用和充 分体现学生主体地位的关键。交互性使教学过程变成了学生与课件的双向交流，在层层 深入的交互活动中，让学生不知不觉掌握了所学知识的要点。自主性是指学生可以自己 选择教学时间，控制教学进度，参与教学活动，从而提高学习兴趣和学习主动性。集成 性使得远程教育手段更加丰富，利用多媒体技术，使教学过程中的教学内容、作业、设 计、试验、自我测试和讨论答疑等环节融为一体( 叫【0 5 0 6 。 随着虚拟现实技术的成熟，远程教育的发展提高到了一个空前的高度。对于远程教 育所提出的交互性和自主性，尤其是教学过程中的实践性环节，虚拟现实技术给出了比 较理想的解决方案。本课题目的宦在通过运用网络多媒体技术和虚拟现实技术，结合程 序语言，寻求一个充分发挥学生自主性的交互式的网络化远程教育方式。研究如何运用 虚拟现实技术，让远程网络学习的学生有和在校学生一样的实验环境，在网络环境里动 手去做实验，增加感性认识，提高远程教育的质量，使我们的远程教育手段更贴近真实 教学，从而为我国远程教育建设、发展和进步提供一个新的方法途径，使我国的远程教 育为国民经济和现代化建设发挥更大的作用【0 7 1 吲。 1 2 国内外概况和预测 1 2 1 国内外概况 远程教育的发展史就是现代通讯技术的发展史，远程教育几乎动用了2 0 世纪问世 的所有通讯技术手段，包括电视教育、网上指导、互联网课堂和虚拟校园等。回顾历史 背景，对于理解远程教育从以课本为基础的函授教育到以技术为依托的演进，是十分有 2 华中科技大学硕士学位论文 益的。远程教育的最拐形式，是涵授谍程。警麓静远程教育可以这溺到1 9 整纪浚嬲， 当时，委三式戆毯授课程开始发最起来。隧羞社会、入口与经济豹变化对1 9 世纪翻2 0 世 纪的影响，一些教育界的领袖致力于探求新的向求知者输送教育的方式。1 8 6 2 年美国林 肯总统签署的莫里斯法案，启动了发展州立大学体系的计划，显示出早期美国让教育走 出州立大举，面向成人学生。今天，能使高等教育以可以承受的费用而为大众所接受的 最成功酌办法藏是远程教育狰。 起初，电子课程袋电磁化教窝证明是最京兹景的以技术为手段的远穰教育匏一静选 择。通讯技术，如有线电视、光微波、慢速扫描电视、卫星、微机阁络、传真机、录像 机和互联网的进步，使得电子课程的设计与传递变得更为有效。从2 0 世纪9 0 年代中期 开始，互联网因箕具有视频和互渤的万维网的出现，得弼迅捷的革新与改进，觚而糖供 了瑟靖豹远程攀器爨会。这释媒会在远程教学凝梭孛报恢建褥裂7 疲是。嚣蘸，已缀出 现发送电视广攒和互联网服务的快速有线嫩视、带有高强度的“不对称数字用户圈” ( a d s l ) 和“综合数字服务网”( i s d n ) 的电话线。 现代远程教育是以计算机网络为依托的一种教学方式，它与传统课堂教学存在撤大 的嫠异，谗与惫纯教育、c a i 有掰不瓣。运程教育突鑫了学雯静主俸往，获禳零上改交 了键绫教攀孛教疼载是终遮霞。髑封远程教蠢更熬突出学生学习款是圭技，馒学生扶被 动的接受学转变为主动参与的学习主体，把原来作为教师的演示工具转交为学生自己的 认知工具，真正落实了因人施教的教学原则。 随着虚拟现实技术的出现，虚拟谦堂，虚拟实验的概念也被吸缡入遮程教育体系中 去。虚攒谦堂罴远程黼络教育懿核心帮分，每传统教学狸滋，霾接谍堂费薮7 瓣阉、空 闯舱限制，基本上游跫了馈悬慰健人们“终耋芝学习”豹爨要。随着慰鼗豹发展，鏖拟教 学的学习方式经历了程序化学习、课 牛化学习、网络化学习几个阶段，目前正逐渐向智 能化学习方式过渡。传统的虚拟教学怒基于程序的。学生面对的是虚拟墩界中冷冰冰的 早已设置好的稷序，教学的每一步完全按照程序事先规定好的步骤执行，结论也就燕预 辩幸静必然结栗。餐憝，学生在远程隧络学霹孛煞否粪援获樗身稿茭境瓣体验，这一游 题程一些实践瞧较强豹学科争垮会明显她暴露出来。比如，残机械专业基础课程中，学 生对于机械零彳牛的形体内部构造、零件之间的相对空间关系仅仅通过运用基于w e b 的 3 - 华中科技大学硕士学位论文 图片或动画剪辑，很难在脑海中形成一个完整全面的概念，而只能对元件形体的点线面 有个初步的认识。远程网络教育中学生的自主参与感不足将会成为影响教学效果的“瓶 颈”因数。 步入网络时代，信息社会，人类的交流将采用新的方式，教育模式也进入新的领域。 文字一图像一三维一虚拟现实，虚拟现实是计算机模拟的三维环境，用户可以走进这个 环境( 用鼠标控制您的浏览方向) 并操纵场景中的对象，它的图形渲染是“实时”的， 这是它与动画制作的最大区别。这种“实时性”导致了在虚拟场景中的人机“可交互 性”。虚拟现实技术开辟了人类交流的新纪元! 近年来，由于各种相关技术和硬件的发展， 虚拟现实技术的发展也十分迅猛。虚拟现实有4 个特征：沉浸性、交互性、想象性和自 主性。由于虚拟现实是在人类为改善与计算机的交互方式，提高计算机的可操作性所进 行的努力中产生的，因而其本质上是为了提供一种商度融洽的人机关系。虚拟现实技术 在最近1 0 年有目共睹的发展过程中已经把早期科幻小说家的梦想变为现实，它不再仅 仅是美国宇航局的一项高科技项目，而已经用于教育、医学、产品设计、科学可视化、 训练、建筑、娱乐等各个方面。 分布式虚拟现实系统中的常用技术v r m l ( v i r t u a lr e a l i t ym o d e l i n gl a n g u a g e ，虚 拟现实建模语言) 是描述虚拟环境场景的一种模型语言，它同时也是i n t e r n e t 上的一种 三维标准，允许描述三维对象并把它们组合到作者构想的虚拟环境场景中。1 9 9 7 年国际 标准化组织i s oj y c i s c 2 4 委员会审议，依照惯例，定名v r m l 9 7 ( i s o t e c1 4 7 7 2 1 ： 1 9 9 7 ) 。目前，虚拟现实的市场发展仍受到硬件条件的制约，主要是个人电脑图形处理 能力及c p u 的多媒体指令集及网络带宽的限制，导致现阶段虚拟现实的产品仍然无法 普及一般的家庭、企业和学校。当然，v r m l 一直在发展。v r i v i l 9 7 的目标是提供一个 开放的可扩展的系统，并支持在w w w 上的三维交互式场景【0 9 】。 教育是一个传授知识的过程，通过亲身经历能加速这一过程和巩固所传授的知识， 为此设计的很多方法中，虚拟现实是最有效的。学生可在仿真过程中经历不同的时间和 空间、可与各种仿真物体接触、还可与虚拟环境的各个部分交互。目前的网络环境， v r m l 还不能大规模地使用在教学上，现阶段的应用有以下四个方面【1 0 l ： 1 作为教育和研究的媒体 4 华中科技大学硕士学位论文 i n t e m e t 一般被认为是促进教学和研究的手段。对于v r m l 而言，三维内容能被创 建并分发给每个学生，或者更广泛地被全球学习者得到。如果课程要求多个三维物体 或空间时，很明显v r m l 能起到很好的辅助作用，促进学生理解，帮助学生记忆。 2 作为虚拟环境 v r m l 能够提供一种近似真实的环境，可使用在技能训练上，如医学解剖、飞行驾 驶。例如虚拟解剖青蛙，不仅能将整个过程准确的呈现出来，而且能让学生在此环境中 进行多次模拟解剖，这样就解决了原材料等问题。在远程教学中，能用v r m l 构建虚 拟的学习空间，获得真实的经验和知识。在自然博物馆的网点上，学生可穿越人体细胞 的三维内部构成环境。而未来的虚拟教室则是有风、温度、压力、振动、色彩完全的模 拟环境。 3 作为新的研究主题 新技术，例如多媒体和计算机图形学为职业课程提供了基础。同样，如果为了社会 使用或数据可视化目的，功能完全的v r m l 技术将为虚拟空间设计和实现中的课程提 供机会。 4 作为一种合作空间 v r m l 最令人激动的应用则是用于远距离教学和项目合作的共享空间。通讯世界将 允许学生和老师参与分布式的会议、讨论和指导。在虚拟课堂上，虽然学生和老师、学 生和学生相隔千里，但每个人都有身临其境的感觉，可以相互讨论、交流、游戏，如同 在一间教室中一样。v r m l 提供给学生观看、修改、浏览在线三维世界并与之交互的能 力。 随着网络教育的兴起，v r m l 技术能减轻一些远距离教学带来的孤独感问题，学生 不仅能使用课程材料，而且能在社会空间中与其他学生和老师进行虚拟会晤。可以预见， 将来的网络是虚拟现实的网络。 1 2 2 发展预测 没有一项有生命力的技术会停止发展的，远程教育在自身的不停升级中，也在不停 的吸纳更加先进的技术来为其服务。虚拟现实技术也一直在不停的发展着。新的v r m l 5 华中科技大学硕士学位论文 标准在不停的研究中，新的虚拟现实技术也层出不穷，这其中包括软件方面和硬件方面。 许多程序语言开始把虚拟现实技术包揽进去，如j a v a 3 d ，给虚拟现实设计人员提供更好 的工具。新的三维网络浏览器也在突破如传输、渲染、赋材质的限制，把一个更加真实 的虚拟环境展现在浏览者的眼前。 v r m l 发展非常迅速，版本不断更新，功能不断增强，在h a t e m e t 上的应用也日趋 广泛，可预见的发展趋势有以下几种f ”1 。 1 v r m l + 合作形式的v r m l 形式，由w o r l d s 和m m 公司开发。通常浏览一个三维形体是独 自经历。而用v r m l - k ，每一进入v r m l 世界的人能“看”到彼此。它将首先被应用 于网上客户服务系统，例如虚拟商店、虚拟银行、虚拟医院等，美国v i s a 公司是第一 个利用这个技术进行网上的顾客服务。 2 嵌入式( e n b e d d e d ) v r m l 大多数w e b 浏览器通过插件的方式将v r m l 浏览工具嵌在里面，你将会发现更多 的用a c t i v e x 和o p l e n d o c c y b c r d o g 容器嵌入的v r m l 浏览工具，这使得v r m l 场景能 嵌在文本文件中甚至电脑桌面上。我们可以在w e b 页面中打开一些小窗，欣赏神奇的 虚拟现实世界，并经过它们连接到其他地方去。 3 h o t j a v a j a v a 是由s u n 微系统开发的机器独立的面向对象的语言。它允许数据( 如超媒体、 图形、视频、几何体等) 共享。j a v a 允许a p p l e t s 小程序使用在w e b 上。你不仅船动态 下载伴随你打算观看的3 d 场景的v r m l 浏览工具，也能使你的3 d 物体成为活动程序。 这些和合作的v r m l 相联系，因为基于j a v a 的合作开发框架像h a b e n e r o 将允许你创建 建立在合作环境上的混和j a v a v r m l 。 目前，我们应该清楚的意识到，对于远程教育中虚拟现实的研究，还仅仅是开始， 各种高性能的处理技术，特别是网络的带宽，是这一技术发展的瓶颈。研究人员需要在 图形、处理器、交互设备和网络性能上提高大约四个数量级才有可能进行实时交互的网 络虚拟现实。但是技术的发展往往超过人们的预想，按照m o o r 理论，计算机的能力每 1 8 个月就会翻一番，当有些人还在预测未来的时候，另一些人已经把它们创造出来了。 6 华中科技大学硕士学位论文 毋庸置疑，变革正在到来，事实上它已经发生，真正实用的网络虚拟远程教育已经离我 们不远了【1 1 1 。 1 3 课题研究的主要内容 本课题的研究目的在于如何采用计算机基础技术、多媒体技术、计算机网络技术、 数据库技术以及虚拟现实技术具体设计并创建一个基于i n t e m e t 的具有交互式虚拟现实 技术的远程教学系统及其相应的一系列教学内容和教学方法。主要内容如下： 1 基于i n t e m e t 交互式远程教学系统的模式的设计和研究 i n t e m e t 和远程教育的产生、发展和结合，导致教学方法、教学手段、教学形式、 教学结构以及教学模式发生了深刻的变化，从而促进了教育思想和教学理论的变革与发 展。研究在i n t e r a c t 环境下的远程教育新模式，充分利用网络教学交互性情、情景真实、 易于讨论和协调的特点，提供多样化、个性化和开放化的合作学习方式，有利于学生认 知的积累和综合能力的提高。 2 远程教学系统的功能模块设计和开发 基于i n t e m e t 的远程教学系统为学生提供的是全方位的在线服务，必须根据教学内 容和教学环节，将整个系统按功能及其内容分成各个功能模块，使学生根据自己的进度 自取所需。一般来说，教学活动主要分为课程内容的讲授、课程设计，相关实验以及学 习的考核。对应于网络课堂，就可以分成教学内容模块、在线设计模块、在线实验模块 和在线测试模块。因为网络课堂和传统课堂的本质区别，还要加设在线讨论模块以及网 络课程的使用帮助模块。各模块不仅在内容上纵向联系，还要在使用中能够横向链接， 利于学生的自主学习，增强系统的交互性。 3 三维虚拟实验的设计和开发 虚拟实验模块主要用来满足网络课程对于虚拟实验的需要。由于现阶段网络的低带 宽使得在基于i n t e m e t 的三维文件传输中，低数据量一直是其中必不可少的要求，面对 三维资源的局限性，必须寻求一种始于在低带宽的条件下传输的三维造型方法和传输的 文件格式。v r m l 提供了一个比较可行的解决方案。这部分研究的内容分为三个部分： 造型建模、代码优化和交互控制。 7 华中科技大学硕士学位论文 ( 1 ) 造型建模 构造虚拟现实空间，就必须构造各种虚拟的三维实体。选择v r m l 和三维造型软 件如3 d sm a x 或s o l i d w o r k s 构造虚拟实验所需的各种三维形体。造型期间采用的方法 决定着代码优化工作的复杂程度。 f 2 ) 代码优化 在v r m l 文件中，代码优化是一项复杂但又必须的工作，因为三维造型软件转化 来的v r m l 文件相当巨大，受网络带宽的限制，传输的文件一定要减小长度。但是目 前没有专门的方法减小文件的大小，主要采用手工代码优化方法。本文就实践中运用的 一些方法谈一谈代码优化的主要方法和实际步骤。 f 3 ) 交互控制 j a v a 或j a v a s c r i p t 是操纵虚拟世界中物体的工具，通过用j a v a 编制图形用户界面 ( g u i ) ，j a v a 3 d 或j a v a 控制1 婚m i ，文件中的每一个实体，达到虚拟实验中所需的各 种动作要求。 一8 一 华中科技大学硕士学位论文 2 远程教学系统的设计 遴程教学系绞邀是一种应蠲软释，狳了帮汗发其谴领域藏霜较件相似静共经之外， 远程教学系绞又枣宅蠡身鸵特纛。教学避程孛豹交嚣缝_ 耨鑫麦往是远程教育不弼于萁襁 教学手段的特点。远援教学系统通过与使月者熬交强，傻学生更容易获撂煞识取技能， 达到教学目标。开发远程教学系统，一般买有舆有攀室教学经验豹教爨参燕，将教弯学 理论、教学设计方法与先进的软件开发技术相结合。 2 1 学习理论对系统设计的指辱意义 学习理论是毅甫b 理学中的最重要的理论，也爨远程教育设计靼舞发躲壤谂綦礁。 灵活运用学习理论进行远程教学系统设计是提嬲系统质鬃的根本途径和方法。学习是一 种十分复杂的心理活动，它涉及到心理学中许多根本性的问题，如感觉、想象、识忆、 思维、情感和意志等。学习理论是研究人类怎样学习的理论，旨在阐明学习如何发生、 有哪些规律、是什么样的过程、如何才能进行有效的学习，并揭示学习过程依据心理、 生理视嗣和规律丽形成的理论，它对现代教育技术的实施具有藿要的指导意义。 2 1 1 学习耀论檄述 l 。行为圭义学习瑾论 旱先豹c a i 溧锌编稍中，使瘸最多的学习理论是符为圭义学习理论，鄢斯金纳 ( s k i n n e r ) 掇出瓣褰l 激反应淫论。抒必主义心瑾学认为，学习怒由予经验的反复练习而 弓l 起的纷为比较持久毂变化，经骏是熟识熟难一源采，一甥知识帮采滚予感愁，行为交 化的实质是刺激一反应联结的形成。这样，学习裁是剡激一反应豹联蘩，嚣s r 阕静 联结。这一理论中最重要的概念魁强他、芷强化秘负强化。所谬强化是反应之痿茨耱 作用；芷强化是作出合理反应的一种作用；相反，负强化是产生不合理反斑的一种侔愿。 行为主义学习理论运用予实践就怒程序教学原理的体现，并广泛用于当今的计算机辅助 一9 华中科技大学硕士学位论文 教学1 1 5 】。 根据行为主义学习理论，远程教学系统在教学过程中的作用在于通过多种教学媒体 为学生提供引起必要反应和形成强化刺激的材料及条件，引起学生的多种反应，使学生 建立起刺激与反应间的牢固联结，并培养学生的多向思维和发散思维。 2 认知主义学习理论 行为主义学习理论认为学习起因于外界刺激的反应，而不关心刺激引起的内部心里 过程。因此，它在解释行为为什么能发生时，受到了限制。在批判行为学习理论的基础 上，认知主义学习理论强调研究内部的心理过程。 认知主义学习理论认为，学习是知识的重新组织，即将原有的知识结构和学习对象 本身的内在结构相互作用，这是学习的实质。它的主要论点如下：学习不是刺激与反应 的直接联结，而是知识的重新组织；学习过程不是渐进的尝试与错误的过程，学习是突 然领悟和理解的过程，即顿悟，而不是依靠试误实现的；外在的强化并不是学习产生的 必要因素，在没有外界强化条件下也会出现学习。 6 0 年代布鲁纳提出的“认知一发现说”是当代认知主义学习理论的代表。他认为， 学习并不在于被动地形成刺激与反应的联结，而在于通过发现来形成认知结构。因此， 学生的学习是学生主动地获得知识和不断发展智能的过程。这对我们的远程教学系统所 具有的自主性和交互性提供了理论依据1 1 5 】1 1 7 l 。 根据认知主义的学习理论，远程教学系统不能仅仅停留在对学习内容和提供学习材 料的研究上面，还必须研究运用现代教育技术过程中，学生的学习发生了哪些变化，要 针对学生的学习心理，通过多种教学方式充分调动学生这个学习主体的积极性，使他们 积极地进行思维活动。 2 1 2 学习理论在远程教育中的体现 以下具体讨论各种学习理论的教学法原则在远程教学系统中的综合体现f 1 8 j 【1 9 】。 1 教学与学习内在过程一致 尽管行为主义，认知主义的基本理论观点不同，但都强调教学过程要与学生内在学 习过程相一致，以促进学生的学习。设计远程教学系统时，我们所应用的程序教学法是 一1 0 华中科技大学硕士学位论文 与行为主义理论中的操作往条件反射过程相一致的：指导教学是与认知主义理论中信息 d n i 过程桷一致的；而发现学习法、生成学习法是与认知主义理论中主动建构知识过程 楣一致的。 2 个瞧纯 个性豫也是上述学习理论审的共同要求。行必主义强调教学簧筑学习者静起患嚣为 开始，学习的步调懿大小秘学习蛇速度要摄擐学习考的能力寒决意。入之理论测强谖惫 禽新信息与先前经验的援强作用和学习考的个人经验在建构巾匏馋用t 远程教学系统必 须适应个性学习者，要尽量顾及到学习者的情况，如已祷知识结构、知识背爨、兴趣、 阅读速度以及学习方式等。 3 交互性 交互性是远程教育的强著特征。一个网络课堂中的教学与学生无关，是难以想象的a 教学决不畿将学生的支持、合作和熟情排除在矫。与个入无关的课程，犹如生产流水线， 怒不能有效堍诖学习着参与学习鹃。交互性能在以下凡方面键迸学习： ( 1 ) 确绦信惑静接受，确保课程翡关键受到注意。 f 2 ) 鼓磁反瘦，戥龆强谈躬联系帮对爱应瓣酲忆。 ( 3 ) 愈诲对不正确反应进霉矮正，毒助予学习戏功。 ( 4 ) 增加学生学习时间。 远程教育不能仅仅提供表面的交互作用，如简单地自定步调，或者出于课件设计麓 单，只能维持低水平的交置，其结果，学生至多是个旁观者，而不是参与者。 4 交互控制 学习者对网络课件进行的控制，反映出计算机实现交互性的优势，但是这种控制要 适当，尤箕蹙辅助性教学模块。倒如，有关教学完熬性的目标、重要的教学内容顺序、 必备或必须攀搓酌知谖技能等，最好由软件程序控翻，班免学习者由于不当的控制而导 致教学嚣静不能达羁。对鸯关教学霞剿往稻个久偏好瞧酌功能，蟊复查、音乐开关、裔 测莓，则可以整绘学习者来控毒l 。 针对网终远羧教学系统，我靛主要扶以下方蘧考虑遂行学习控制： ( 1 ) 学习者缀容易海到教学模块的结构，以及模块走熟的排列缀梅。 华中科技大学硕士学位论文 f 2 ) 为了方便学习，允许学习者灵活选择进出各个教学片断和模块。 f 3 ) 监视进展，重新开始时，能在学习者上次结束之处继续学习，或者能在任何地 方进行重复学习。 ( 4 ) 提供对完成每一模块学习的评价，对评估学习情况提供参考。 5 对学习者学习的成功提供便利 成功能鼓励继续学习。正确的反应能增强所想要的反应模式。远程教学系统要能使 用计算机的监视操作的能力，来为每一个学习者提供适当教学内容。根据学习者和学习 内容的特征，使教学步予的大小适当。由简单到复杂地学习，能保证学生在进入新的课 题之前，已经掌握了必备的知识技能。 6 确保目标、内容和评定的一致性 在远程教育课程中，教学目标、教学内容和评定内容要保持一致。如远程教育中的 在线测试，要求学生学完了教学内容后，进入目标环境时，要表现出所要求的行为来。 测试中的题目，尽量使用一致的题型，以免学生将时间浪费到琢磨各种题型的反应操作 方法上。提问题，不能给予过多的提示，以免学生不动脑筋。组卷出题应从题库中随即 选出，促使学生根据所学知识得到反应，否则，如果按一定顺序反复出题，学生就有可 能回忆已有的答案顺序，来进行反应，却没有就问题的本身去思考。 7 关于感情因素 学生一般对网络课程抱有积极的态度，因为学生能自定学习步调，发生错误后较少 有压力和窘迫，能即时获得正强化激励作用。但是，教学软件仍然要关心学生的态度， 经常收集学生在态度方面的反应与评论。可以利用集成在远程教学系统中的网络b b s 讨论系统来实现。这样可以达到两个目的：一方面是为软件的设计提供有价值的信息反 馈，以便进一步对远程教学系统进行修改和扩充，提高教学效果；另一方面是可能有助 于发泄学生学习过程中的挫折和焦虑的情绪。 8 合理的界面设计 远程教学系统的各个模块界面的设计，既要符合教学要求，又要符合学习者的知觉 和关注程度的特点。例如，要尽量控制屏幕上呈现的文本的字数，融入图形，视频和音 频等，使用激发学生学习动机的手段。以下给出一些远程教学系统中呈现信息的一些方 - 1 2 华中科技大学硕士学位论文 式和方法： ( 1 、一次或一屏只呈现一个观点或学习要点。每个要点最好只有一两个句子长。 ( 2 、学生加工信息需要时间，因此能由学生控制进度。 ( 3 1 对于非自动播放的模式下，一般不用屏幕卷动的技术，而是像翻书一样整屏换 页。 ( 4 ) 利用超文本链接跳转技术，以便对某个观点进行深入交流。 ( 5 ) 使用具体而不是抽象的语言。 ( 6 ) 使用边框、颜色、特殊符号、闪烁、动画以及声音等强调重要信息。 9 提供帮助信息 为了能使学生方便的使用远程教学系统，要注意设计完善的帮助系统。保证远程课 程有一个清楚、确切、一步一步的操作提示。学生在课程学习中一旦不清楚如何继续进 行下去时，软件应当能够提供联机帮助或在线帮助，且帮助信息应能够向前或向后索引 相关的信息，进入帮助系统的一系列操作应符合一般商业软件的操作习惯。 1 0 教学管理功能 一个完整的教学软件，还要能够记录学生的学习成绩和过程，并能在需要时给出统 计分析结果，既利于激发学习热情，又有利于教学监控和管理。 以上仅仅是从教育规律的角度对远程教学系统的要求进行了分析，一般来说，一个 好的教学软件，应该在教育性、科学性、艺术性以及技术性几个方面综合考虑。 2 2 远程教学系统的整体设计 远程教学系统是一种教学系统，所以基于学习理论和教学理论对课件的教学内容、 教学过程进行设计是系统设计核心。同时，远程教学系统也同样属于网络应用软件，因 此对于它的设计和开发也应采用软件工程的思想和方法。远程教学系统的设计，是现代 教育理论和软件工程开发方法相结合的高新技术。 软件工程开发方法有很多，流行的有生命周期法和原型设计法。根据远程教学系统 设计的特殊性，我们采用生命周期法。所谓生命周期，是指整个系统从分析、设计、实 现、运行一直到维护的全过程，对过程的每一步骤都有明确的任务要求。这种系统工程 1 3 华中科技大学硕士学位论文 的方法采取自顶向下的策略，开始整体任务的逻辑分析，并按一定的顺序和步骤逐步细 化，最后物理实现。从确定任务到完成任务的整个过程就是工程的生命周期。按照生命 周期法的思想进行远程教学系统设计，可以将整个过程大体上分成需求分析、概要设计、 详细设计、课件开发和评价、修改等几个阶段，如图2 - 1 。 图2 - 1 远程教学系统的设计流程 整体设计从需求分析开始，当需求分析完成后，要进行评估，认可后，方能进入设 计阶段，否则要修改需求分析，直至评估合格。设计根据内容的不同一般分为概要设计 和详细设计两个过程。设计完成后，也必须进行评估，对不合要求的设计进行修改，评 估通过后，方能进入课件的开发阶段。在开发结束后，也要对课件进行测试、评估，只 有满足预定的目标方能交付使用，否则必须返回到设计阶段或者是开发阶段进行修改。 即使交付使用之后，也要听取用户意见，进一步修改。在开发阶段，一定要多花一些时 间，在设计、开发、测试和修改之间反复循环j 。 本章后续部分及下一章将结合本课题的设计实例液压与气压传动网络课程来具 体讨论远程教学系统整体设计的几个重要步骤。 2 2 1 需求分析 需求分析是整体设计的第一阶段。这一阶段要搞清课件要达到的目标，并明确给出 达到目标的评估参考。同时，还要确定课件的使用对象，了解他们有什么特点和所具备 的知识基础和技能。最后要考虑课件运行的环境、开发所需要的时间、人力和经费。f 1 6 l 1 系统目标的确定 首先要明确远程教学系统的目标。例如，根据液压与气压传动网络课程的项目 合同，确定的目标体系如下： ( 1 ) 教学目标 1 4 华中科技大学硕士学位论文 使学生掌握液压与气压传动的基础知识，掌握各种液压、气动元件的工作原理、特 点、应用和选用方法；熟悉各类液压气动基本回路的功用、组成和应用场合，了解国内 外先进的液压气动技术成果在机械设备中的应用；使学生具备一定的应用液压气动技术 的能力。 ( 2 ) 教学内容的重点和难点 重点在于应用，使学生理解各种液压与气动元件在基本回路和系统中的作用。难点 在于结构，课件要讲解各种液压与气动元件的结构原理和性能特点1 1 3 】。 ( 3 ) 教学模式的选用 液压与气压传动课程的基础知识、基本概念、原理涉及到大量的图表，需要对 细节进行深刻的反映，知识的学习需要多次反复，可以采用基于网页的异步授课方式并 采用个别指导、操作和练习、虚拟情景的多种模式。 ( 4 ) 设计目标 根据上述的教学基本目标，可以得出系统的功能目标。 a ) 必须满足在互联网上运行的基本条件，能在网上安全、可靠、迅速地访问和 下载。 b ) 需要对学科知识体系作出透彻的理解、分析，按一定的教学目标和教学策略 组织内容，保证可用性。 c ) 设计大量的人机交互活动，具有友好的人机界面，合理的人机对话方式和媒 体表达方式。 d ) 需要对学生的学习活动进行及时跟踪，并进行准确的测试和评价。 e ) 建立开放的教学环境，实现良好的资源共享和路线导航。 2 系统目标 确定了软件的基本目标后，将每一个基本目标展开、细化、深入分析，可得到更加 清晰明确的具体目标，从而为以后设计工作的评价提供根本依据。 对应于教学目标，应当由从事教学实践的教师根据教学需要来决定教学内容，使它 适应于计算机网络方式的教育体系。同时还必须分析使用对象的特点、原有的基础知识 和基本能力。 - 1 5 华中科技大学硕士学位论文 我们考察课程本身的一些特性，液压与气压传动是大学工科机械各专业的专业 基础课，其学习对象是大学本科或相当于本科三年级的学生。因为采取远程教育的方式， 我们的目标就是开发一个适合于在网上传播和运行的、由网页和内嵌高级语言程序构成 的液压与气压传动网络课件，为学生提供学习、讨论、作业、辅导答疑、自测、在线设 计、虚拟实验等教学环节的网络化服务。课件教学内容覆盖液压与气压传动课程教学大 纲所规定的教学内容，并根据网络化自主学习的需要和特点，利用计算机多媒体技术采 用文字、图片、动画，强化教学内容的表现形式，加强讨论答疑、在线测试、在线设计 和虚拟实验等交互式实践性环节【埘。 然后从设计目标着手，并考虑课件的运行环境，可以初步确定1 1 4 】： ( 1 ) c p u p 1 1 3 6 6 以上 ( 2 1 显示器1 4 # 以上显存8 m b 以上 ( 3 1 内存6 4 m b 以上 ( 4 ) 需要声卡、音箱以及网络连接设备 f 5 ) 操作系统 客户端：w i n d o w s 9 8 以上，i f a 0 以上浏览器 服务器端：w i n d o w s n t 4 0 以上 ( 6 ) 开发工具 编程语言：j a v a ，v r m l 网页制作：f r o n t p a g e 2 0 0 0 ，d r e a m w c a v e r 图形加工：f i r e w o r k s ，p h o t o s h o p 动画制作：f l a s h ，3 d sm a x 视频处理：p r e m i e r e 音频处理：g o l d w a v e ( 7 ) 提供用户的附加工具软件 虚拟现实插件：c o r t o n a 4 0 3 可行性分析 要考虑开发远程教学系统的条件，除了具备一定的网络化编程、多媒体技术等计算 一1 6 - 华中科技大学顽士学位论文 机开发技术基础，是否对适用学校的教学过程有一定的了解? 是否请有经验的教师参 加? 能否拿出好的脚本? 现有的条件和需要购置的设备及软件? 开发的课件是供专人 使用还是要推向市场? 最后对课伟的研制费用应有一个明确的估计。这里就不举例说 蛹。 2 2 。2 概要设计 概要设计阶菠主簧是分解教学髫标，选择教学策略和教学媒体。远程教学系统的开 发要疲溺系统秘学熬