（教育技术学专业论文）化学虚拟实验的人机交互设计与研究.pdf

硕士学位论文 m d thesis 化学虚拟实验的人机交互设计与研究 chemistry experiment of virtual human computer interaction design and research 李 刚 li gang 西北师范大学教育技术与传播学院 college of education technology and communication northwest normal university 二零一二年五月 目 录 独创性声明独创性声明 摘摘 要要 a abstractbstract iv 第一章第一章 绪论绪论 1 1 1 研究背景及意义 1 1 2 研究现状 2 1 2 1 国外虚拟实验室发展现状评述 2 1 2 2 国内虚拟实验室研究现状述评 3 1 3 研究内容 7 1 4 研究目标 7 1 5 研究方法 思路以及研究对象 8 1 5 1 研究方法 8 1 5 2 研究思路 8 1 5 3 研究对象 9 第二章第二章 虚拟实验相关概念及理论基础虚拟实验相关概念及理论基础 10 2 1 相关概念 10 2 1 1 虚拟实验的概念 10 2 1 2 虚拟实验系统的类型 11 2 1 3 人机交互的概念 11 2 1 4 交互设计的概念 11 2 1 5 界面设计的概念 12 2 1 6 交互设计和界面设计的对比 12 2 1 7 操作交互设计的概念 13 2 2 理论基础 13 2 2 1 人本主义学习理论 13 2 2 2 建构主义学习理论 14 2 2 3 经验之塔 理论 15 2 2 4 交互设计的理论 16 第三章第三章 初中化学虚拟实验的操作交互设计初中化学虚拟实验的操作交互设计 17 3 1 初中化学虚拟实验中操作交互的分类 17 3 1 1 在 flash 中已经使用的操作交互的类型 17 3 1 2 初中化学虚拟实验操作交互设计的分类 18 3 2 基于 flash 软件的操作交互与数据库结合的应用模型 20 第四章第四章 初中化学虚拟实验的人机交互设计的案例初中化学虚拟实验的人机交互设计的案例 22 4 1 初中化学实验与虚拟实验应用的结合点 22 4 2 技术实现 22 4 2 1 初中化学虚拟实验的界面设计 22 4 2 2 初中化学虚拟实验室的功能设计 23 4 3 虚拟实验中人机交互设计 29 4 4 基于 flash 软件的交互与数据库的结合设计 36 4 5 人机交互设计的综合性特色 38 第五章第五章 初中化学虚拟实验的应用与反思初中化学虚拟实验的应用与反思 40 5 1 应用与推广概述 40 5 2 问卷调查与分析 40 5 2 1 问卷设计 40 5 2 2 结果分析 41 第六章第六章 总结与展望总结与展望 45 6 1 使用建议 45 6 2 总结 46 6 2 1 技术路线中的创新点 46 6 2 2 存在的不足 46 6 3 展望 47 主要参考文献主要参考文献 vi 附录 附录 初中化学虚拟实验的调查问卷初中化学虚拟实验的调查问卷 viii 致致 谢谢 x i ii 摘 要 随着计算机技术 网络技术的飞速发展 网络虚拟实验的构建成为可能 网络虚拟实验系统拓展了实验教学的时间和空间 提高了教学效率 不仅可以 作为课堂实验教学的补充 而且为远程教育中实验教学的开展注入了新的活 力 因而成为人们研究的热点问题 实验是教育教学活动中必不可少的一个环 节 在现代教育中占有重要地位 实验对于培养学生的动手能力 解决问题的 能力和创新能力是至关重要的 但是目前学校实验教学现状不能适应教育教学 改革的需要 1 现有的虚拟实验 无论在设计上还是开发上 都存在很多问 题 并且大多是演示实验 学生只能观看而不能动手操作 这种实验既不利于 培养学生的动手操作能力 也不利于实现实验教学提高学生探究能力和创新能 力的目的 本论文分析了国内外网络虚拟实验系统的研究现状 提出将多种技术相融 合进行开发的观点 并提出了通过不同的操作交互方式来构建虚拟实验 给出 了 不 同操作交互形成半自动化虚拟实验报告 体系结构模型 并通过 iis asp flash 技术进行开发 以具体实例实现了实验设计模型 具体从以下几 个方面展开 第一章 在对国内虚拟实验现状进行分析的基础上 提出网络虚拟实验系 统研究的意义 最后对网络虚拟实验系统在国内外的研究现状进行了分析 得 出网络虚拟实验系统的发展以及现有的虚拟实验交互设计研究的不足 第二章 对虚拟实验相关概念进行界定 对虚拟实验系统进行了分类 介 绍了虚拟实验中应用网络虚拟实验系统的理论依据 第三章 在分析了网络虚拟实验系统几种常见的操作交互方式 并对其进 行了分类 得出网络虚拟实验系统在实现技术上将多种操作交互方式相融合的 观点 确定了本论文中网络虚拟实验系统的多样操作交互方式 第四章 通过具体案例对网络虚拟实验系统的设计进行了研究 包括虚拟 实验设计的综合点 技术实现 功能模块以及与数据库结合的体系结构 提出 了网络虚拟实验系统构建的技术 即利用 html asp flash软件 access技 术构建虚拟实验室 最后总结出利用 flash软件设计虚拟实验的综合特色 第五章 通过使用调查研究法 对本论文所提出的各种操作交互方式相结 iii 合的虚拟实验室进行调研 访谈中学化学骨干教师 找出虚拟实验室交互设计 方面存在的问题 为进一步的修改完善提供依据 也为实现虚拟实验室的推广 与投入使用提供保障 通过网络发布和测试 初步检测本系统的运行情况 获 得本系统运行优势及有待改进的反馈信息 最后 对本课题的发展作了一个总结和展望 本论文仅仅关注虚拟实验人 机交互的设计与实现 对于虚拟实验其他方面的设计 尤其是在多用户协同操 作虚拟实验方面的研究还有待进一步深入 关键词关键词 网络虚拟实验室 操作交互设计 flash 半自动报告实验报告 iv abstract experiment is an indispensable part in education it plays a very important role in modern education it is really important for a student to have the capability of experimenting of solving problems and of innovating however the situation of experiment in college can t fit for educational innovation in distance education due to the fact that educational institution and students are separated in space students can not do real experiments in laboratories experiments on web only provide some texts pictures and videos for students to look at which is more of a hindrance than a help for cultivating students studying and innovating capability the rapid development of computer and network technology makes it possible to construct web based virtual experiment system it can expand the teaching time and space and make teaching more efficiently web based virtual experiment system is not only a supplement to classroom teaching but also a new vigor to be infused into long distance experiment teaching now it is a hotspot question which is worth being well studied this thesis analyzes the researches of web based virtual laboratory at home and abroad concludes the trends and the weaknesses of current studies puts forward the viewpoint that various operational interaction technologies should be blended to build web based virtual experiment system through the flash soft to develop and concrete example is very important to experiment design model now the following chapters in chapter one an analysis is given for domestic experiment teaching setting the significance of studying web based virtual experiment system is being put forward after citing the researches of web based virtual experiment system at home and abroad the thesis presents a development trend of web based virtual experiment system concludes the weakness of current studies in chapter two some concepts of web based virtual experiment system are being defined some kinds of virtual laboratories are also being proposed the thesis introduces the theoretic basis of putting web based virtual experiment system into experiment teaching in chapter three a view is proposed that some technologies should be combined together by analyzing some correlative technology of developing web based virtual experiment system all kinds of different interaction technologies are confirmed to develop web based virtual experiment system in this thesis in chapter four a module to operate web based virtual experiment system is researched the v thesis introduces the whole aim principle main module the architecture of virtual experiment system accessing manner and the soft communication architecture the system is mainly designed by html asp flash soft and access database meanwhile sum up the special points of the virtual experiment system in chapter five the questionnaire analysis the kinds operational interaction of virtual experiment system come true the premise of the spread in the last chapter a summary and a prospect are given this thesis only accomplishes the basic framework of web based virtual experiment system and a part of functions and further researches in this field especially in concurrent working are needed key words web based virtual experiment system design of operational interaction flash semi automatic test report 化学虚拟实验的人机交互设计与研究 1 第一章第一章 绪论绪论 1 1 研究背景研究背景及意义及意义 随着计算机多媒体技术和网络通信技术的迅速发展 信息时代的学习 生 活方式都发生了重大变革 作为培养和提高学生动手实践能力 观察能力 分 析问题和解决问题能力等方面有着很大优势的实验教学 是高校教育改革的关 键问题之一 目前 我国实验教学环节存在很多问题 如受到时空限制 实验 资源不均衡等 虚拟实验教学环境开发与建设有利于解决当前实验教学中存在 的问题 2 因此 对于虚拟实验教学环境的研究已经成为当前教育研究一个新 热点 分析其原因是主要信息技术的蓬勃发展已经使部分虚拟实验环境的设计 与开发成为现实 并在一定的理论指导下应用于实践 使各类虚拟实验室建设 成为可能 虚拟实验降低了实验室建设成本 缓解了由于财政压力给实验 实 训教学环节带来的不利影响 有利于学生实践操作能力的培养 近年来 由于虚拟仪器 virtual instrumentation vi 和网络技术的飞速发展 通过网络来构建虚拟实验室 virtual laboratory vlab 已经成为可能 网上虚拟 实训室实现的基础是多媒体计算机技术 网络技术与仪器技术的结合 虚拟仪 器技术与认知模拟方法的结合也赋予虚拟实训室的智能化特征 无论是学生还 是教师 都可以自由地 无顾虑地随时进入虚拟实验室 进行各种实验练习 3 不但为实验课程的教学改革及远程教育提供了条件和技术支持 还可以随 时为学生提供更多 更新 更好的仪器 通过网上虚拟实验室 能够在网络中 模拟实验现场 能够 身临其境 的观察实验现象 然而 计算机技术和网络技术 虚拟现实技术的发展 不论是用二维软件 如 flash 还是三维软件 如 3d max cult 3d 等 开发的虚拟实验室 都已 在实验教学中发挥出了自己的特色 各种虚拟实验室呈现出蓬勃发展的趋势 其中基于中学化学 物理以及生物的虚拟实验室最为典型 很多虚拟实验室不 再局限于单一学校 而是延伸到不同的学校甚至是整个教育领域 形成了一些 具有一定影响力的虚拟实验室 例如 东师理想初中理化生虚拟实验室 金华 科仿真物理 化学实验室 浙江万里学院基础化学实验等 这些不同类型的虚 拟实验室在很大程度上弥补了因主观和客观原因造成的实验的缺陷和不足 推 动着实验教学的发展 但是换一个角度来看 有的虚拟实验具有的一些交互可 以让学习者自己来设计实验 达到了很好的仿真效果 但它的投入成本也很 化学虚拟实验的人机交互设计与研究 2 高 大面积推广仍没有达到预期的效果 并没有从真正意义上来展示它应有的 价值 从人机交互的层面上说 操作交互是软件界面交互性和学生操作软件熟 练程度的综合体现 4 笔者认为 比较多的虚拟实验室开发的操作交互类型比 较单一 学生不能真正体验虚拟实验中操作交互的乐趣和体会其中的价值 其 实常常被忽略了的学生与内容的交互是任何教育情境中最基本的交互 因此 虚拟实验的单一化的操作交互如何过渡到综合性比较强的操作交互 是虚拟实 验继续发展的基础 本研究通过 虚拟实验系统平台的操作交互与数据库结合 的模式 让学 生体验在网页中自动生成半自动化实验报告 让学生在实验过程中完成对实验 报告的记录 进一步通过对其实施效果分析 并探索该模式在其它类似学科中 的可行性 旨在为国家基础教育信息化下的贫困地区学生提供一个良好的实验 平台 促进当地教学的不断改革和发展 为开设相关虚拟实验课程的教师和学 生提供可以借鉴的实践经验 1 2 研究现状研究现状 教育与科学技术的发展息息相关 人们利用计算机技术和网络技术 从设 想到实现虚拟实验室只有短短的十几年的时间 在不同行业 国内外的虚拟实 验室发展的异常迅猛 1 2 1 2 1 1 国外虚拟实验室发展现状评述国外虚拟实验室发展现状评述 虚拟实验室 virtual lab 的概念是由美国弗吉尼亚大学 university of virginia 的教授威廉 沃尔夫 william wolf 于 1989 年首先提出的 它描述了计算 机网络化的虚拟实验室环境 致力于构筑一个综合不同工具和技术的信息化 网络化的集成环境 在这个环境里 用户可以非常有效地利用世界上分布的各 种数据 信息 仪器设备及人力等资源 虚拟实验室概念的提出至今仅十余年 但因其诱人的应用前景 各国均在 大力开发 己经取得了一些进展 目前 虚拟实验室的建设在发达国家己十分 普及 美国作为当今的科技强国 为继续保持其在科学技术领域的领先地位 尤其重视信息技术的研究 并已将虚拟实验室列入其科研发展的战略规划 在 1991 年底 美国科学基金会 美国国家科学研究顾问委员会所属的计算机与远 程通信部组成了一个 全国 科学 合作实验室委员会 其任务是调查科学家对信 息技术开发的需求 协调科研合作关系 组织并实施具体的信息技术开发工 化学虚拟实验的人机交互设计与研究 3 作 此后 美国联邦政府投入资金在相关专业领域建造了各自的虚拟实验室作 为示范工程 开展了一系列探索性研究并取得了实质性进展 美国一些政府部 门 如能源部 正在制订计划将其所属的科研机构过渡到虚拟实验室环境中 目前 越来越多的院校和科研机构正投身于构筑一个覆盖美国的虚拟实验网络 的工作中来 作为首先提出虚拟实验室概念 并具有雄厚的科研实力和强大财力的美 国 从一开始就十分重视虚拟实验室的研究与开发 在该领域的研究己处于领 先地位 虚拟仪器系统及其图形编程语言己成为各大学理工科学生的一门必修 课 其普及程度是相当广泛的 国外的一些大学己组建了远程虚拟实验室 德 国的汉诺威大学建立了虚拟自动化工作平台 意大利帕瓦多大学建立了远程虚 拟教育实验室 新加坡国立大学开发了远程示波器实验和压力容器实验 1 2 1 2 2 2 国国内虚拟实验室内虚拟实验室研究现状述评研究现状述评 在国内 虚拟实验室的建设也得到了应用上的重视 目前 己有部分高校 初步建立了虚拟实验室 例如 清华大学利用虚拟实验仪器构建了汽车发动机 检测系统 华中理工大学机械学院工程测试实验室将其虚拟实验室成果在网上 公开展示 供远程教育使用 四川联合大学基于虚拟仪器的设计思路 研制了 航空电台二线综合测试仪 将 8 台仪器集成于一体 组成虚拟仪器系统 复旦 大学 上海交通大学 广州暨南大学等一批高校也开发了一批新的虚拟仪器系 统用于教学和科研 通过对最近几年网络上兴起的虚拟实验室 按照类型和不同的学科进行 查找 发现许多优秀的虚拟实验室和对虚拟实验室构建的理论架构 例如 1 十一五规划重点课题的重大成果 vcm 仿真实验 是利用 flash 技术开发的最富真实感的实验 可直接在电脑上在线模拟操作 通过自主操 作实验 从而掌握物理和化学知识原理 理解并记忆化学方程式 公式 定 律 定理等 从而有效提高理化学习成绩 该仿真实验室是通过一种探究性 学习来让学生自主的获得知识和完成实验的功能 也是满足学校在实验实践 课堂上的不足 5 在 vcm 虚拟实验室中 学生可以不受空间及实验器材的限 制 可在线做实验 探究实验原理 进行实验同步练习 迅速提高考试成 绩 2 南京金华科的仿真物理化学实验室是南京金华科软件有限公司是以 化学虚拟实验的人机交互设计与研究 4 教育类软件研发为主 覆盖商用 科研等领域的高科技企业 我们在国内最先 提出教育软件平台化概念 并成功地开发出 金华科仿真物理实验室 金华 科数理平台 金华科仿真化学实验室 等一系列国际领先的教育软件平台 而其各种 虚拟实验室 软件采用 java flash 开发 操作简单 且具有很好 的交互性 主要针对初 高中学生 学生可以亲自参与到化学实验的过程中 去 用所提供的实验仪器和药品 根据实验步骤和操作提示进行实验 从而了 解实验的目的 方法及注意事项 学生还可以在实验结束之后编写实验报告 该软件很好的解决了现阶段学校实验课的不足 以及实验室条件限制等问题 使得学生能够对所学知识有一个更加形象的理解和认识 同时 该系列虚拟实 验室主要是以局域网内部的使用为主 不能够与网络平台合理的结合使用 3 东师理想集团研发的初中理化生虚拟实验室是将虚拟更加具体的融 合到实验中形成的分类 虚拟演示和分组实验 探究实验 在仿真的虚拟实 验中 让学生可以更加直观的通过二维 三维的仪器图片来展示实验器材 学生在实验过程中 能够动态的改变实验参数来控制实验步骤的虚拟实验环 境 4 浙江万里学院基础化学实验是一种比较简单形式的网页虚拟实验 将实验的操作简单的通过点击和文本进行结合 让学生比较机械化的完成传 统网页形式的虚拟实验 5 北邮在线网络虚拟实验室是以北邮在线公司来开发的虚拟实验产 品 开发的虚拟实验产品有网络版的 单机版的 能够很好的反应不同情况 下学生能够很好的完成实验 但是该系列实验缺乏的学生如何能够清晰的记 录学生的每一个操作过程 让学生在真实的实验中得以改正相关的错误 另外 在理论方面对虚拟实验的交互与设计进行的探讨也有很多 其中 有 列出列出了了文章题目和年份文章题目和年份 1 网络虚拟实验的界面交互设计 王荣芝等 实验室研究与探 索 第 28 卷 2 期 2009 年 该文就网络虚拟实验中的交互原理和特点进 行分析 总结了显性交互和隐性交互 实时交互和非实时交互 人机交互和 人人交互 到提出网络交互设计的模型 对如何促进网络虚拟实验中的教学 交互进行了全面的设计 6 2 面向对象的交互式虚拟实验平台的设计与实现 宋善德等 2005 该文章以面向对象为主 结合图形用户界面和实验仿真 提出了一种 化学虚拟实验的人机交互设计与研究 5 用于远程实验教学的交互式虚拟实验平台的设计 并对整个平台的结构设计与 实现提供了详细的阐述 7 3 中学化学探究性虚拟演示实验的设计与开发 杨雪等 2008 该文章中讲述的虚拟演示实验有效地拓展了实验演示的范围 降 低了实验演示的成本和难度 给传统实验教学带来了生机 但它线性化的演 示方式限制了学习者的发散思维能力 针对这个问题 提出了探究性虚拟演 示实验的设计思想 通过控制实验条件 设计实验演示的多个路径 供学习 者根据自己的认知特点来选择相应的实验演示现象 提高了学习者的学习兴 趣和探索能力 并结合实验室制氧气实验对探究性虚拟演示实验进行具体分 析设计 8 4 三维交互技术在虚拟实验中的应用 杨小强 2008 该文 从三维角度来具体阐述虚拟实验 通过特定的三维交互技术在虚拟实验中的 应用的学习理论基础 应用现状和应用策略 9 5 基于 mvc 设计模式和 flash 组件技术构建物理化学网络虚拟实 验室工作站的报告 刘志广等 2007 该文章在深人研究高校物理化学 实验室中常用工作站的基础上 采用 mvc 设计模式和 flash 组件技术构建了 一系列应用于物理化学网络虚拟实验室的化学工作站软件 使用者可以通过 该系列软件完成数据的采集 处理以及数据曲线的绘制 对于化学工作站的 操作培训和物理化学实验操作的网络学习具有较大的应用价值 10 6 趣味性 虚拟实验的设计研究 宋金刚 杨雪 黄海林 2009 该文章讲述的 趣味性 虚拟实验将教学内容和实际问题有机结 合 注重激发学习者积极的情感体验 能有效提高学习质量 趣味性 虚 拟实验的设计可以从情感 表现和行为三个层次进行 认识人民币 趣味 性虚拟实验的设计与开发案例 使这三个层次得到了有效的体现 11 7 flash 与 asp 之间的通讯 钟子云 2001 该文以用户端呈 现交互式 flash 影片 服务端 asp 事务处理为基本模式是一种理想的解决方 式 根据 asp 与 html 进行数据传递的原理 结合 flash 与外部文件进行数 据传递的原理 从根本上解决 flash 与 asp 进行通讯的方法 12 8 界面设计中的交互动画应用研究 曹淮 姚向阳 吴磊 吴学敏 2009 10 华中科技大学 武汉 430074 该文结合实际案例说明了交互设计 中动画能明显提高交互产品的友好性 并从理论方面阐述了交互设计中动画 化学虚拟实验的人机交互设计与研究 6 制作应该遵循的方式与规律 使用户可预测行为的结果 提高动画的可见 性 保持动画与主题的一致性 保持动画导航的一致性 保持动作方式的一 致性 13 9 论游戏的交互模式与操作设计 李世国 2007 09 该文中讲 述的游戏是一门新生的艺术 具有独立的美学范式和艺术结构 游戏交互设 计的优劣 直接影响着玩家的游戏体验和感性判断 围绕游戏的交互设计展 开论述 分别从游戏的交互模式和操作方式两方面进行分析 提出游戏的交 互设计应该充分注重游戏性的表达 致力于实现游戏界面的无缝性 操作的 自然性和可用性 以最终体现游戏特有的动作乐趣 沉浸乐趣和自由乐趣 14 10 虚拟实验中协同实验模式的研究 叶小英 刘洪沛 文福安 2009 8 该文中阐述的网络虚拟实验作为网络教学的一种重要手段 对提高 学生的动手能力有着显著的作用 被认为是极有发展和应用前景的网络教学 策略之一 文章介绍了网络虚拟实验中协同实验模式的基本概念 理论基础 及其特点分析 同时探讨了协同实验模式的学习环境设计 在此基础上 进 一步探讨了协同实验的教学模式 15 11 虚拟学习空间的建构与交互设计 李欣 2008 08 该文阐述 的虚拟学习空间是支持非面对面教育 提供用户真实感 集成多种交互方式的 教与学的环境 英用户界面与交互方式的设计直接影响到用户的学习效果 通 过综合分析国内外的相关研究 参照真实环境下教与学的交互形式 提出了一 种将2d和3d交互环境融为一体的虚拟学习空间设计方案 其中 重点研究了虚 拟学习空间的用户界面设计 用户角色的分类 并给出了基于flash技术实现3d 交互的方法 16 12 基于 flash 技术的虚拟实验室设计与实现 武法提 2006 05 该 文采用 flash 技术设计和开发虚拟实验室具有较好的适切性 以职业学校电工 实验教学为例设计了虚拟实验室系统 通过综合运用实验 演示 讨论等教学 策略 达到帮助和促进学生实验学习的目标 17 13 沉浸式虚拟实验室的建设构想 吕耀中 2010 03 该文在沉浸式 虚拟现实技术的基础之上 探讨了沉浸式虚拟实验室的建设构想 首先 对沉 浸的内涵及其对实验学习的影响进行了分析 然后在此基础上 讨论了沉浸式 虚拟实验室的硬件与软件体系结构 并阐述了在沉浸式虚拟实验室中进行实验 化学虚拟实验的人机交互设计与研究 7 的过程模式 最后指出了沉浸式虚拟实验室的美好发展前景 18 1 3 研究内容研究内容 本研究的内容主要基于以下问题展开 1 国内外的虚拟实验室的介绍 主要以不同虚拟实验室所采用的编程语言 及其形成的不同平台 以及虚拟实验室在不同场合的应用及其推广的效益 针 对学生和网络上使用的这些虚拟实验室中运用了不同的操作交互等维度展开 2 根据已有的虚拟实验来总结虚拟实验中采用的各种操作交互类型 主要 从人机交互的角度来归纳 包括依靠 flash 软件中的各种工具和组件结合形成 的各种进行虚拟实验的操作交互 同时各种不同的操作交互在虚拟实验界面上 体现的美观性和人机交互的友好性等 3 提出各种操作交互结合使用方式 操作交互与后台数据库结合形成半自 动化实验报告的搭建框架 该框架主要以不同的操作交互用什么形式传递给数 据库 同时将哪些操作交互的结果传递到数据库表进行记录实验过程中的结 果 在人机互动的操作过程中通过变量传值来计算操作过程出现的对错 重复 性和时间限制等 4 针对学生和教师的评价量规指标的设计与考核 虚拟实验中没有考核是 不能够衡量虚拟实验设计框架的好坏 通过教师和学生共同的参与该虚拟实 验 在参考已有的考核指标下 给出该虚拟实验的量规指标 形成最后的过程 性评价和总结性评价 5 采用问卷 访谈的形式对开发的虚拟实验进行调研 分析 处理调研数 据 发现开发的虚拟实验中存在的问题如人机交互情况是否合适 界面是否清 晰美观 实验内容是否科学等 为进一步的修改 完善提供科学的依据 1 4 研究目研究目标标 通过本课题研究 全面了解虚拟实验的发展现状 并深入理解和掌握基于 flash 软件的多种人机交互操作设计 以及在不同学科 不同实验中如何合理的 使用各种操作交互 通过特定的操作交互命令建立软件与数据库的连接 从而 使得学生在实验结束后可以查看各自提交的数据库表 在学生能够继续完成部 分主观试题 最后生成半自动化实验报告 因此 本课题的目标主要有以下四 点 1 通过对相关文献和已有虚拟实验平台进行分析 找出目前虚拟实验平 化学虚拟实验的人机交互设计与研究 8 台在人机交互设计与开发过程中存在的问题与不足 2 通过对现有虚拟实验平台中的各种操作交互进行分类 找出更加有用 和合理的设计框架 为学校和设计公司在虚拟实验的设计过程中提供较完整的 指导理论 3 探索 虚拟实验系统平台下操作交互方式与数据库结合 模式的可行 性 通过搭建完整的虚拟实验平台 在不同的学校进行实验 对学生操作过程 中出现的问题进行改进和分析 结合问卷总结出试用与推广中存在的问题 为 下一轮的研究提供参考 针对推广过程中出现的问题 重新调整应用方案 然 后通过新一轮使用检验 进一步修正和完善 4 探索 自动化实验报告和非自动化实验报告相结合形成半自动化实验 报告 的模式在不同学科的虚拟实验室中的可推广性 1 5 研究方法研究方法 思路以及研究对象 思路以及研究对象 1 5 11 5 1 研究方法研究方法 1 文献法 收集相关文献 通过对这些文献的研究 对相关概念 理论 基础进行总结和对比 就目前虚拟实验室中所使用交互形式进行分类 及给出 更加具体的虚拟实验的操作交互类型 为后续研究提供理论基础和现实依据 2 经验总结法 通过对试点推广学校使用中的具体情况 进行归纳与分 析 抽象总结并提出 实例精讲和现场演示相结合 个人实验和小组配合相结 合 实验考试和虚拟实验考试相结合 的实施模式 3 观察法 选取一个班级进行课堂观察 记录学生课堂学习情况及课堂 气氛 了解采用虚拟和现场演示相结合的实验方法 学生学习的积极性或个人 的情感态度发生哪些变化 界面设计的差异性对学生参与虚拟实验是否有兴趣 上的取向 4 调查研究法 问卷和访谈 通过对任课教师和学生代表的访谈 以 及对学生进行问卷调查 验证采用 自动化实验报告和非自动化实验报告相结 合形成半自动化实验报告 模式的有效性 师生对该模式的认同度 及教师在 实施过程中存在的问题 发现其中的不足 以便下一步改进 1 5 1 5 2 2 研究思路研究思路 本研究属于观察 调查研究 旨在为广大学校选购虚拟实验室提供可参照 化学虚拟实验的人机交互设计与研究 9 依据 为促进教育发展的全面化 提高学生的实践技能 培养学生的创新意 识 研究思路主要是以如何设计更加全面 更加符合学生实践和操作的虚拟实 验 提高学生的实践能力和创新能力为根本出发点 根据学校对学生动手实践 能力要求 结合初中化学课程现状及课程本身开设的特点 提出 教师讲解和 学生虚拟实验操作 以及最后学生再次在真实环境中实验操作 的模式 对 现在传统的初中化学实验课进行改善和提高 并进行效果分析 总结并反 思 探索该模式的可行性 并对该模式在其它初高中实践类课程实施中的可推 广性进行论证 从而为现在不断发展虚拟实验提供可借鉴的实践经验 1 5 1 5 3 3 研究对象研究对象 本研究拟以湖北省荆州市初级中学开设有 初中化学以及实验课 的学生 为研究对象 在荆州市选取新兴初级中学和直荀中学的初三学生 其中含有实 验班和平行班 跟踪观察 实验和沟通一学期 并做详细的实验环节记录 最 后 完成实验评价的量规指标 初中 化学 为初三年级学生必须学习的课 程 根据学校实验课的必修实验 相对比较适合参与虚拟实验的调查 化学虚拟实验的人机交互设计与研究 10 第二章第二章 虚拟实验虚拟实验相关概念及理论基础相关概念及理论基础 虚拟实验是指借助于多媒体 仿真和虚拟现实等技术在计算机上营造可辅 助 部分替代甚至全部替代传统实验各操作环节的相关软硬件操作环境 实验 者可以像在真实的环境中一样完成各种实验项目 所取得的实验效果等价于甚 至优于在真实环境中所取得的效果 虚拟实验建立在一个虚拟的实验环境 平台仿真 之上 而注重的是实验操 作的交互性和实验结果的仿真性 虚拟实验的实现将有效缓解很多高校在经费 场地 器材等方面普遍面临 的困难和压力 而且开展网上虚拟实验教学能够突破传统实验对 时 空 的 限制 无论是学生还是教师 都可以自由 无顾虑地随时随地上网进入虚拟实 验室 操作仪器 进行各种实验 有助于提高实验教学质量 网上虚拟实验室的开发与应用将会对实验教学改革产生变革性的影响 2 1 相关概念相关概念 2 12 1 1 1 虚拟实验的概念虚拟实验的概念 科学实验一般分为真实实验和虚拟实验 按照我们一般意义上的理解 虚 拟实验是相对于真实实验而存在的 两者的主要差别在于实验过程当中所接触 的对象是否真实 但在实际应用当中 什么是虚拟实验 人们往往结合自身的 感受有不同的认识 1995 年 5 月 美国爱荷华州立大学举行的虚拟实验室专家会议上采用的定 义是 虚拟实验室是利用分布式信息通信技术 为研究和创新活动提供远程协 作和实验的一个电子平台 在这里 虚拟实验是作为网络教学的一部分予以描 述的 侧重于远程实验这个角度 也有从技术层面上进行描述的 所谓虚拟实验是指在计算机系统中采用虚 拟现实技术实现的各种虚拟实验环境 实验者可以像在真实的环境中一样完成 各种预定的实验项目 所取得的学习或训练效果等价于甚至优于在真实环境中 所取得的效果 另外 从虚拟实验室的功能这一角度表述的定义有 虚拟实验室是一个创 造和引导模拟实验的交互环境即实验场所 它由实验所依赖的模拟程序 实验 单元 工具和参考资料组成 用户可以通过增加新的物体 建立新的实验并把 化学虚拟实验的人机交互设计与研究 11 它们转化成超文本来扩充实验室 19 国内的学者单美贤和李艺认为虚拟实验是以数学理论 相似原理 信息技 术 系统技术及与其应用领域有关的专业技术为基础 以计算机和各种物理设 备为工具 采用 面向对象 思想创建的 能够实时操作的 非实在的实验空 间 在此环境中 实验者可以像在真实的环境中一样完成各种预定的实验项目 20 2 2 1 21 2 虚拟实验系统的类型虚拟实验系统的类型 根据虚拟现实技术的浸入程度不同可以把虚拟实验系统分为两类 1 桌面式的虚拟实验系统 它是利用个人计算机或图形工作站综合立体图 形 自然交互等技术 以营造与客观世界类似的环境 用户使用鼠标 键盘 三维鼠标等输入设备与之进行交互 通过计算机屏幕观察并操纵虚拟环境的物 体 在桌面式的虚拟实验系统中 参与者会受到周围现实环境的干扰而缺乏沉 浸感 是一种初级的虚拟状态 其成本相对较低 因而在各领域应用较为广 泛 2 投入式虚拟实验系统 利用数据手套 头盔显示器 传感器等复杂的交 互设备 为用户提供完全投入的功能 使用户有一种置身于虚拟境界之中的感 觉 投入式的虚拟实验系统需要有相应的软硬件环境支持 限制了其在教育领 域中的广泛应用 2 1 32 1 3 人机交互的概念人机交互的概念 人机交互 人机互动 英文 human computer interaction 或 human machine interaction 简称 hci 或 hmi 是一门研究系统与用户之间的交互关 系的学问 系统可以是各种各样的机器 也可以是计算机化的系统和软件 人 机交互界面通常是指用户可见的部分 用户通过人机交互界面与系统交流 并 进行操作 小如收音机的播放按键 大至飞机上的仪表板 或是发电厂的控制 室 人机交互界面的设计要包含用户对系统的理解 即心智模型 那是为了系 统的可用性或者用户友好性 2 2 1 1 4 4 交互设计的概念交互设计的概念 alan cooper 对交互设计的经典定义 简单地说 交互设计是人工制品 环 境和系统的行为 以及传达这种行为的外观元素的设计和定义 化学虚拟实验的人机交互设计与研究 12 交互设计首先规划和描述事物行为的方式 然后描述传达这种行为的最有 效形式 交互设计是一门特别关注以下内容的学科 定义与产品的行为和使用 密切相关的产品形式预测产品的使用如何影响产品与用户的关系 以及用户对 产品的理解探索产品 人和上下文 物质 文化和历史 之间的对话 从用户角度来说 交互设计是一种如何让产品易用 有效而让人愉悦的 交 互设计技术 它致力于了解目标用户和他们的期望 了解用户在同产品交互时 彼此的行为 了解 人 本身的心理和行为特点 同时 还包括了解各种有效 的交互方式 并对它们进行增强和扩充 交互设计还涉及到多个学科 以及和 多领域多背景人员的沟通 交互设计的定义 简单的说 交互设计是人工制品 环境和系统的行为 以及传达这种行为的外形元素的设计与定义 21 不像传统的设计学科主要关注 形式 最近则是关注内容和内涵 而交互设计首先旨在规划和描述事物的行为 方式 然后描述传达这种行为的最有效形式 交互设计借鉴了传统设计 可用 性及工程学科的理论和技术 它是交互设计个具有独特方法和实践的综合体 而不只是部分的叠加 它也是一门工程学科 具有不同于其它科学和工程学科 的方法 2 2 1 1 5 5 界面设计的概念界面设计的概念 界面设计是人与机器之间传递和交换信息的媒介 包括硬件界面和软件界 面 是计算机科学与心理学 设计艺术学 认知科学和人机工程学的交叉研究 领域 近年来 随着信息技术与计算机技术的迅速发展 网络技术的突飞猛 进 人机界面设计和开发已成为国际计算机界和设计界最为活跃的研究方向 ui 即 user interface 用户界面 的简称 ui 设计则是指对软件的人机交互 操作逻辑 界面美观的整体设计 好的 ui 设计不仅是让软件变得有个性有品 味 还要让软件的操作变得舒适 简单 自由 充分体现软件的定位和特点 2 2 1 1 6 6 交互设计和界面设计的对比交互设计和界面设计的对比 软件界面是人 机之间的信息界面 交互是一个结合计算机科学 美学 心理学 人机工程学等工业和商业领域的行为 其目标是促进设计 执行和优 化信息与通信系统以满足用户的需要 由于现今交互越来越多地考虑人的因 素 因而行为和构造就成为用户界面开发过程的两个重要的部分 即交互设计 和界面设计 这都关系到用户和界面开发人员 化学虚拟实验的人机交互设计与研究 13 在交互过程中 交互设计关系到用户界面的外观与行为 它不完全受软件 的约束 界面设计师以及决定如何与用户进行交互的工程师应该在这一领域深 入研究 在界面开发过程中 他们必须贴近用户 或者与用户共同来讨论并得 出结果 所以他们的工作是较为辛苦但是最具有意义的 另一方面 界面与软件代码的生成 代码本身的意义以及功能的实现是紧 密联系的 因此编译代码的人同样也应该在这方面做深入的研究 过去 编码 人员只是单独地进行软件研发 而缺少必要的美学知识和界面专门技术来处理 交互的问题 不幸的是 最终的结果往往不是用户所期望的 对于用户而言 最好的交互方式让程序员去实现往往是最难的 由此矛盾出现了 这使得很多 专家或者工程师肤浅地应付一些交互方面的问题 以至于在软件开发完成之 后 这些专家和工程师惊讶地发现 用户对他们所实现的特征感到一片茫然 不知所措 通常选用另外一种方式进行交互 2 2 1 1 7 7 操作交互操作交互设计设计的概念的概念 操作交互设计 interactive operation design 是通过不同的操作方式来更好 的增加用户与软件界面进行交互 让用户更好的体验到软件里面的内容 操作交互本身来说是一种广泛化的概念 不能够具体的定位到各种操作交 互的类型 只能够将一些属于操作交互范畴的交互归为一类 不同的操作交互 设计能够给虚拟实验本身的设计带来很多意想不到的效果和影响 2 2 理论基础理论基础 2 2 12 2 1 人本主义学习理论人本主义学习理论 人本主义学习理论是建立在人本主义心理学的基础之上的 对人本主义学 习理论产生深远影响的有两个著名的心理学家 分别是是美国心理学家马斯洛 a maslow 和罗杰斯 carl r rogers 1902 1987 人本主义主张 心理学应当把人作为一个整体来研究 而不是将人的心理 肢解为不完整的几个部分 应该研究正常的人 而且更应该关注人的高级心理 活动 如热情 信念 生命 尊严等内容 人本主义的学习理论从全人教育的 视角阐释了学习者整个人的成长历程 以发展人性 注重启发学习者的经验和 创造潜能 引导其结合认知和经验 肯定自我 进而自我实现 人本主义学习 理论重点研究如何为学习者创造一个良好的环境 让其从自己的角度感知世 化学虚拟实验的人机交互设计与研究 14 界 发展出对世界的理解 达到自我实现的最高境界 人本主义心理学是有别于精神分析与行为主义的心理学界的 第三种力 量 主张从人的直接经验和内部感受来了解人的心理 强调人的本性 尊严 理想和兴趣 认为人的自我实现和为了实现目标而进行的创造才是人的行为的 决定因素 人本主义心理学代表人物罗杰斯认为 人类具有天生的学习愿望和潜能 这是一种值得信赖的心理倾向 它们可以在合适的条件下释放出来 当学生了 解到学习内容与自身需要相关时 学习的积极性最容易激发 在一种具有心理 安全感的环境下可以更好地学习 罗杰斯认为 教