Paper: 主客体视域中桌面虚拟实验的设计与应用

 

傅健,杨雪

(吉林大学高等教育研究所吉林长春130012)

摘要】桌面虚拟实验以其“真实”、教学效果好等特点为教学和科研等机构所青睐,虽然技术实现已不再是难点,但在设计和应用上仍然存在很多问题。文章从哲学中主客体视角提出桌面虚拟实验的设计原则和应用指导,从而最大程度地提高“桌面虚拟实验”产品开发性价比与应用绩效。

关键词:主客体;桌面虚拟实验;设计;应用;

中图分类号】G459           【文献标识码】A                【论文编号

 

Designing and Application of the Desktop Virtual Experiment from Perspective of Host-guest

FU Jian ,YANG Xue

Institute of Higher Education, Jilin University, Jilin, Changchun, 130012, China

AbstractTeaching and scientific research institutions are in favor of the desktop virtual experiment for its characteristics of “reality” and effective teaching. neglected easily and problems are still exist in process of designing and application though the technology is no longer difficult. This article provides several guidance for the designing and application of the desktop virtual environment so as to improve cost-effective and application’s effect of the products in the greatest degree.

Keywords: Host-guest; The Desktop Virtual Experiment; Design; Application

 

一、引言

近年来,桌面虚拟实验作为虚拟现实技术应用的一个重要领域,其情境性、灵活性及一定的“实践性”优势使其被广泛应用在医学、物理等自然学科的实验教学与学习上。同时伴随信息化教育对数字化资源建设的需求,桌面虚拟实验产品越来越多。但当前在设计与开发上,“碰运气”或“跟着感觉走”现象较为盛行;在应用上也存在虚拟实验一定比其它多媒体课件应用效果好等类似观点,这样的理念使得开发的产品应用效果并不好。例如对大连理工大学的“大学化学虚拟实验系统”及吉林大学的“大学物理虚拟实验系统”使用者的问卷调查显示:72%学习者不喜欢系统的导航方式;50%学习者认为实验系统操作中及时反馈及提示信息较少;35%学习者则认为操作不便捷1。可见当前开发的诸多实验系统虽然在一定程度上辅助了教学,特别是实验教学,但是应用仍局限在“可用”的基本功能满足上,而尚未达到使用户“爱用”的效果,究其原因,大多开发与应用效果较差的桌面虚拟实验产品在设计与应用过程中缺乏科学的指导。因此本文试图从哲学学科的主客体视域为虚拟实验的设计与应用提供理论指导,使得有据可依,科学开发与应用,从而提高桌面虚拟实验产品的开发性价比与应用绩效。

二、桌面虚拟实验操作中的主体与客体辨析

主客体理论归属于哲学基本范畴,常作为一种视角来分析实践活动中对象关系。早在古希腊时期,亚历士多德就在他的《范畴篇》中将主体的概念抽象出来,认为主体是性质、状态、关系、活动等等的基质,而属性、状态、关系、活动是属于主体的2,可见对主客体理论研究之久远。而对于主客体的区分,马克思以实践论视角认为主体是有意识、能从事实践活动的人,是在一定的社会关系中进行改造和认识客体活动的鲜活的人;客体是进入主体实践活动领域并和其关系的客观事物。皮亚杰则从认识论角度对主客体概念进行了严格的区分,在他看来,主体与客体及其概念是通过主体的活动建构而成的,一开始既不存在一个认识论意义上的主体,也不存在作为客体而存在的客体3。虽然视角不同,但都肯定了实践活动是主客体之间联系的中介。

而桌面虚拟现实(Desktop Virtual Reality,简称DVR)是利用个人计算机和低级工作站进行仿真,将计算机屏幕作为用户观察虚拟境界的一个窗口,通过鼠标、键盘等廉价输入设备实现与VR世界的充分交互4。桌面虚拟实验就是桌面虚拟现实技术在实验领域的典型应用,从概念可知在学生操作“桌面虚拟实验”这一活动中,可将其归结为学生与虚拟场景之间的主客体活动,即学生作为虚拟实验的操作者和控制者,是主体,而“桌面虚拟实验”所构建的虚拟场景由于被纳入主体的学习活动中而作为对象即客体存在,学习活动的发生,正是桌面虚拟实验操作这一对象化活动所完成。

三、主客体视域中桌面虚拟实验的设计

在主客体理论中,主客体关系理论是其核心,关系理论主要表现在以下两点:第一,主体通过生产实践改变客体。在改造世界的实践中, 主体能动地反映和改造客体,同时客体对主体有约束和规定作用;第二,主客体是对立统一关系,即不是决定的对立,而是主客体之间通过相互作用达到二者一定意义的双向和谐建构,正是在复杂矛盾运动中, 既改造客体也改造自己的能力。

从主客体之间的关系,桌面虚拟实验中的主体(学生)与客体(虚拟场景)是互相影响的,同时作为鲜活的、灵动的学生主体具有社会性、自然性等特点,其所需要掌握的生活经验更多需要来自真实的实践;而作为客体的虚拟场景并非真实,当主体“遭遇”机器所构建的虚拟场景时,有时会比非直观的书本阅读出现更多问题,因为书本虽不直观,但留人想象的空间,不至于产生误导。因此下面根据主客体关系理论并结合桌面虚拟实验中的主客体特点提出一些设计原则。

(一)减少对学生的主体地位限定

人通过认识与改造世界这一对象化活动求得生存和发展,在活动中,人以其实践能力占据主体地位,但客体的对象化活动仍然制约了主体的地位。当前一些桌面虚拟实验中,学生的操作更多的是适应机器构建的虚拟场景,而不是让机器来适应人,导致了学生主体性一定程度的消解,同时一些实验演示过多、互动参与少,这都使得学生的主动积极性降低,因此设计中,可以通过一些细节的设计使学生主体性加强。例如在一些粗糙的桌面虚拟实验(图1左)中,所有操作鼠标形状不改变,改良后,当操作旋钮等时,鼠标会变成手型(图1右),细节的设计使学生在操做“实验”时,感受的是自己的行为,减少了客体(虚拟场景)对自己的主体地位约束。

111

图1 “鼠标”细节设计比较

(二)减少主体的认识错位

用户特别是低年级的学习者认知能力有限,即使在真实的场景,有时出现认知错位,而虚拟实验所构建的模象信息遗漏难免,或者过于频繁的使用“虚拟缩放”,都会使学生认识错位,潜意识中默认虚拟与真实无异,扩大了虚拟场景本有疆域,所以设计虚拟实验时,应尽量避免错位产生,可通过以下两种设计策略来避免:

1. 注重选择参照物:以熟悉物件为参照让学生有真实场景的依附感,减少认识错位。在一些虚拟测量实验中,学生不能习惯对虚拟物件的测量,到真实实验中时,学生对尺寸有时产生很大误解,无法正确把握被测物体的尺度等,因此可以在旁边放置一个尺寸比较单一的熟悉物件;

2. 注重反馈设计:在桌面虚拟实验操作中,可能会因认知错位而产生一些错误行为甚至习惯。例如:学生在“实验”中可能因“好玩”而反复单击鼠标操作器材,如果不能意识到真实与虚拟实验的区别,把这个行为带进真实实验中,可能产生不爱护器材的行为甚至习惯,这在普通实验中所造成的伤害不明显,但在危险性高的实验中,其重要性不言而喻。为了防止这种情况,应注重反馈的设计。在“实验”中甚至是“实验”前通过文字或者演示错误行为带来后果来设置反馈,预防不良行为发生和习惯的养成。

3. 防止“弄巧成拙”:虚拟实验以真实实验为基础,但由于技术限制不是所有的现象和器械都能表现“完美”,因此表现无法与真实贴近时则可不表示,防止“弄巧成拙”。例如在演示光的性能时,不能为了形象采用粒子系统表现,要注意到光的波粒二象性,防止误导学生。

(三)使虚拟场景具有情感性

一些虚拟实验没有重视“实验”场景的设计:没有场景或场景粗糙,使学生提不起兴趣,因此在设计虚拟实验时,即使添加一个色彩和谐的简单场景或者和生活贴近的物品,也能激发人的情感,使学生体会到“实验”对自己的关怀,同时也能使学生能在“实验”中找到课堂学习的“归属感”。例如图2中,花盘的添加增加了一定的情感作用。

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图2 添加花盘的“实验”设计

(四)注重学生的“社会性”

人是社会性动物,所有的活动都离不开与他人的交往,同样在学习活动中,更多是与教师、同学和课程内容等的交流。交流不仅使学生知识技能得到提高,身心也得到发展,而一些虚拟实验所描述的虚拟场景有时候缺少对人的社会性的重视,实验中只是单纯的技能操作,只有器材和人的交互,忽略了情感交流,导致学生的心智得不到应有的全面发展。因此设计中,要融入情感要素,可以给“实验”设计一个“虚拟”教师提供简单的导航,或者设计更多“生生”交流等互动模块。添加虚拟教师的实验设计示例如图3:

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图3 添加可简单导航的虚拟教师

(五)考虑主体的系统思维提高

桌面虚拟实验通过采集真实实验中的关键信息来模拟真实实验,其信息采集的有限性必然导致信息的损失。而系统论认为, 一个系统的能力大于其内部各部分的简单总和,因为其内部各要素之间存在着一定结构或“组织”形式5。在目前桌面虚拟实验中,更多的是物件、机体的的简单“拼接”,这点应用到医学教学上则很不科学,因此在“实验” 设计时,要注意多提醒学生联接整合功能的作用:呈现一个局部单元应先有演示该局部与整体之间的关系和局部在整体中的地位的部分,而不是直接演示操作所需部分。

综上所述,有时改变一下鼠标操作的形状,添加充满感情的色彩、简单物品等细节都可以在保证开发成本的前提下促进学生与虚拟场景的有效互动,提高学习效果。

四、主客体视域中桌面虚拟实验的应用

通过以上从主客体视域对桌面虚拟实验进行设计,可以达到一定的性价比,但客体(虚拟场景)中“实践”得到的经验仍然不能真实地代替真实场景的生活和经验,因此在应用桌面虚拟实验的过程中,更需要慎重选择以及提供良好的使用条件,方能应用出最佳效果,以下给出一些具体应用指导:

(一)产品选用原则:首先依据“多媒体组合教学”的思想,衡量是否选择桌面虚拟实验产品来辅助教学,决定使用后则选用能使主体(学生)和客体(虚拟场景)和谐一致的“实验”,选用的原则以上文中设计的要点为依据,选用设计“和谐”的产品学生能既能沉浸到虚拟实验场景中去,也能将虚拟与真实区分,防止认识错位。同时要求“实验”反馈时间恰当,提示明了,互动为主,注重学生参与,以及场景的情感设计和交流空间,这样方能使学生切身参与而达到良好的意义建构。

(二)应用时的要点:虚拟实验不仅能让学生不限时空的“实验”,而且设计良好的实验能够让学生得到练习,解答学生的问题,但毕竟区别于真实实验,不能涵盖真实实验中的所有情况,也不能完美诠释真实实验器材所特有的性能和质感等,因此在学生使用虚拟实验时,实验教师应该在现场补充实验关键信息,给予正确的组织、指导。

(三)应用角色定位:主体通过实践活动改造客体,这一对象化活动给予主体以知识和智慧,但桌面虚拟实验中所构建的虚拟场景虽强大但无法完全获得真实场景所能给予的知识经验和心智提高,同时虚拟实验本身影响学生对“细致”变化和非正常信息的感受,不利于学生创新能力和问题意识的培养,同时虚拟实验操作对计算机操作能力有一定要求,因此若作为实验的考核很难说明实际动手实验操作能力。

以上从选用、应用要点和角色定位三方面对桌面虚拟实验的应用进行了分析,可以看出必须摆正桌面虚拟实验产品的地位,仅将其作为辅助手段:实验前预习,实验后复习所用,而无法替代真实实验。在应用时,还应结合具体情况科学应用,发挥桌面虚拟实验应用的最大成效。

五、结语

通过从主客体视域对桌面虚拟实验设计与应用的分析,可以看出桌面虚拟实验虽然逼真、高效,但区别于高仿真虚拟现实技术,仍然仅仅局限在“桌面”上,同时在设计和应用时却更容易因为忽视细节而导致学习效果降低甚至导致学生不良“习惯”产生,所以以主客体等科学理论为指导,结合教学实际情况来设计和应用,可以在一定程度上提高桌面虚拟实验产品的开发性价比,用户的学习也可以愉快、高效。

 

【参考文献】

[1]魏书莉,杨雪,傅健.虚拟实验操作系统中的认知摩擦问题研究[J].现代教育技术,2009,(9):121-123.

[2][3]王公晓.皮亚杰主客体关系理论及其借鉴意义[D].河南:郑州大学,2007.

[4]于洪涛.桌面虚拟实验在实验教学中的作用及其应用条件[D].长春:吉林大学,2007.

[5]郭春梅,白旭光.系统论在高校统计信息资源整合中的应用[J].系统科学学报,2008,(3):95.

 

 

 

Paper: 基于JSP的“实验室”题库系统的开发研究

 

傅健1,杨雪1,黄海林1,周淑红2

(1 吉林大学高等教育研究所;2 吉林大学机械科学与工程学院长春 130012)

摘要  随着教育信息化推进,实验教学中以实验报告为主要辅助依据的实验考核方法已不能满足高效、可跟踪学生学习进展等需求,本文以吉林大学“机械工程综合实验”题库系统开发为例,介绍了基于JSP的支持实验前测和后测两种测试、可跟踪学生学习情况的“实验室”题库系统的实现,为用于实验教学的题库系统开发提供参考。

关键字 题库;设计与开发;JSP;前测;后测

 

引言

吉林大学机械工程科学与工程学院学生需要参加的实验很多,学生实验考核的主要辅助依据仍多以纸质实验报告为主,过多的报告带来了评价、管理上的诸多不便,而且也造成了纸张资源及人力的浪费。随着教育信息化的推进,不仅要求对于学生成绩信息化管理,而且要求对每个学生的实验掌握程度能进行跟踪和记录:了解学生实验前的预习情况或学生第一次实验的掌握程度,以及经过反复实验后的成绩变化;能对学生进行信息化考核并存档作为评价学生成绩的部分依据。因此结合实验教学特点针对所有机械工程等专业等都需参加的综合实验,开发了实验室题库系统,区别与普通题库,该题库分成两部分:即前测题库,以客观题为主,测试实验预习情况或初次实验的掌握程度:后测题库,以主客题为主,测试经过实验训练后的理解和掌握程度等。

  比较测试系统的需求分析及功能规划

根据以上背景,结合机械工程综合实验目标、学生特点、软硬件环境等具体情况,对学生及教师的需求可做以下归纳:

1 对于实验学生:

(1)学生可以查看教师发布的教学实验要求、实验组安排、考试具体要求等教学公告信息;

(2)学生可以参加两种测试:前测和后测,前后测试皆由系统随机抽题自动组卷,自动计时,考试结束后客观题即时给出答案;主客体则由教师手动评分;

(3)学生可以查询自己的考试答题情况以及具体到每个题目的教师批阅信息,教师阅卷完成后还可查询考试成绩。

通过学生角色功能需求分析,可用建模工具PowerDesigner将学生UML用例图规划如图1:

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1 注册实验学生的用例图

2 对于实验教师:

(1)教室能对多个专业、班级、学生进行集中管理,其中包括对注册学生身份的审核,以防止恶意注册;

(2)教师可以维护前测和后测两套题库,支持批量添加、更新、删除试题等维护功能;

(3)教师可通过“考试控制台”设置重新测试,以使系统能重复使用,同时也可以设置个别学生的重新考核,并对考试时间进行控制;

(4)教师对于主观题可手动评分,客观题则由系统自动判分;教师还可按专业或班级等多种形式浏览考试成绩等信息,也可以查询个别学生答题情况及成绩;

(5)教师能够在后台发布实验考试要求、上机时间等教学、教务公告信息。

同样,通过以上的教师角色功能分析,可将实验教师的UML用例图规划如图2:

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2 实验教师的用例图

 在线测试系统的开发方案确定

对于该题库系统的开发,选择跨平台性较好的Jsp为网络编程语言,MyEclipse6.0为开发平台,按照MVC-Model2模式实现:

MVC(Model-View-Contorller),即模型-试图-控制器,是起源于20世纪80年代的一种设计模式,现已成为SUN公司J2EE平台的主要设计模式,它把应用程序分成三个模块(模型,试图和控制器)来分担不同任务,从而利于组件复用和开发分工1,而MVC-Model2具体是指Jsp+Servlet+JavaBean的技术方案:Model层实现业务逻辑,这里使用DAO模式封装对数据的操作;View层用于与用户的界面交互,使用JSP实现;Controller层是Model层与View层间的纽带,使用Servlet来完成控制,具体如图3:

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3 系统开发环境及MVC-Modle2模式

 在线比较测试系统的实现

1 后台数据库的设计与连接实现

(1)后台数据的设计:学生、试题、成绩以及教务等信息都需要用后台数据库来存取,这里可选用SUN公司的MySQL做为数据库,由于系统涉及学生信息表、试题库表、学生成绩表等多张表,这里不详细介绍,重点介绍试题库表的的设计,为了快速生成题库表itempool,可直接使用SQL语句或调用执行SQL文件生成,SQL具体代码如下:

CREATE TABLE `itempool` (

`Pool_Type` bit,//归属于前测还是后测题库的逻辑判断

`Item_ID` int(10),//试题编号

`Item_Style` int(3),//试题“表示”风格:包括选择题、判断题和主观题(含简答、分析题等)三种

`diffculty` varchar(3),//试题难度

`content` text,//试题内容

`answer` text,//试题答案

`value` int(3),//试题分数

`picture` varchar(100) default NULL,//试题内容中包含图片的存储地址,默认为无图片

) ENGINE=InnoDB DEFAULT CHARSET=GBK;// 表使用innodb引擎,数据编码选择中文

(2)后台数句库的连接:应用程序访问数据库一般是通过ODBC(开发数据库连接)或程序自带的驱动,其中后者较快,JSP中的数据库连接一般使用JDBC(JAVA数据库连接)方式,它支持以上两种方式2。对于该系统的开发,可通过建立ConnectionManager类来提供对数据库的连接,该类关键代码如下:

public class ConnectionManager {

String DBurl=”jdbc:mysql://localhost:3306/item?user=root&password=fujian”;

public static Connection getConnection() {  //取得对数据库Item连接

Class.forName(“com.mysql.jdbc.Driver”);

Connection dbConnection = DriverManager.getConnection(DBurl);

……}

2 关键技术及代码详解

(1)随机抽题的实现:为了保证测试的公正,系统使用随机抽题的方式为学生自动组卷(前测试卷或后测试卷),实现的关键是使用JAVA的Random对象进行随机抽题,用法示例:

<%

Random   random   =   new   Random();

int id = random.nextInt(new DAO().maxBeforeId()); //范围为[0,最大数),maxBeforeId()取前测试题最大编号

String maxid = x+1+””; //调整范围为[1,最大数],即为前测试题库编号范围

%>

(2)查看答题情况的实现:对于学生的答题情况要求记录,以便以后教师或学生自己查看,也为了解学生实验掌握提供依据,可使用JAVA的Split方法来取出数据库记录的答题情况:在提交测试试卷后,系统可以“A@B@C@”形式记录答题情况,在查看答题情况时,使用split方法取出答案,放进指定数组以便操作,用法示例:

<%

String str==new DAO().getAnswer(classid, userid,testtype);// 得到形如”C@B@C@”的答案

String[] answer = Str.split(“@”); // 将答案保存到数组answer,分隔符若是”| “、”*”等特殊字符, split方法加\\转义写成Str.split(“\\|”)形式

……%>

(3)前后测试逻辑判断:为了保证学生前测准确,要求系统在学生进行前测后自动关闭前测,直至教师在后台重新开考或针对个人重新考核,因此在学生点击“进入测试”后,系统应对每个学生应提供前测试卷还是后测试卷做逻辑判断,关键代码:

<%

String classid=(String)(session.getAttribute(“classid”));

String userid=(String)session.getAttribute(“userid”);    String testurl=””;

if(new DAO().hasBefore(classid,userid)) ;// hasBefore()方法检测某学生是否已进行前测

str=”AfterTest.jsp”;else  str=”BeforeTest.jsp”;   %>

<a href=<%=testurl%> >进行测试</a><!–点击“进行测试”,系统自动判断提供前测还是后测–>

(4)定时交卷功能的实现:为了保证学生的测试的准确性,系统提供手动交卷功能的同时应自动计时,考试时间结束自动交卷,以保证测试公平,这里使用JavaScript实现,关键代码:

<script language=”JavaScript”  type=”text/JavaScript”>

var test_time=<%=(new DAO().getTestTime()%>;//获取考试时间

window.setTimeout(“document.textfrm.submit()”,test_time);//定时提交答题表单testfrm

alert(“考试时间为” + test_time/60000 +”分钟,” + “时间结束,自动交卷!”);

</script>

3 小结:通过上面数据库设计以及关键技术实现,即可完成实验室题库系统的实现,开发时还应注意结合XML、CSS等技术使页面美观,以便于以后页面风格的快速调整,同时在对数据库的连接上,要注意调用后关闭,以减少数据库操作异常,另外在具体操作语句书写上,应始终以预处理PreparedStatement代替Statement,以防止SQL注入,提高系统安全性。

  系统部署与测试

系统可以选择以开源操作系统Red Hat Enterprise Linux 5+Apache Tomcat 5.5或微软Windows server 2008+IIS 6.0任一方式部署,部署地点可选在计算机机房或者实验室,部署成功后,学生在机房或寝室都可以通过校园网来访问服务器进行在线测试;同时,教师通过后台实现考试管理,了解学生掌握情况,以下为学生登录后的主界面(图4)和教师后台管理主界面(图5):

444

4 学生登录系统后主界面

555

5 教师后台管理主界面

结语

通过以上设计与开发,即可完成支持前测和后测两种测试、能跟踪学生实验掌握情况及变化的B/S“实验室”在线测试题库系统,为实验室的成绩评估以及了解学生的实验掌握情况提供了一定依据,同时也为实验技能的辅助考察提供一种高效的信息化手段,而且该系统具有一定的通用性,可用作其他学科考核使用,至于系统的稳定性与安全性有待进一步研究。

参考文献

[1]孙卫琴.精通Struts:基于MVC的Java Web设计与开发[M].北京:电子工业出版社,2004:9-10.

[2]朱敏,朱晴婷等.JSP Web应用教程[M].北京:清华大学出版社,北京交通大学出版社,2004:141.