基于Flash的虚拟实验操作交互设计研究

总结了这种虚拟实验的综合性特色，并指出半自动实验报告能为学生的实验提供更好的评价。

【关键词】虚拟实验；flash；操作交互设计；半自动实验报告

【中图分类号】G40-057【文献标识码】A【文章编号】 １００９—４５８ｘ（２０11）09—００84—０5

随着计算机和网络技术、虚拟现实技术的发展，无论是用二维软件（如flash）还是三维软件（如3D Max、Cult 3D等）开发的虚拟实验室[1]均呈现出蓬勃发展的趋势，其中中学物理、化学及生物的虚拟实验室更为引人注目。这些不同类型的虚拟实验室在很大程度上弥补了真实实验的缺陷和不足，推动了实验教学的发展。但是很多虚拟实验的操作交互类型单一，常常忽略了学生与内容的交互，学生无法真正体验虚拟实验中操作交互的乐趣和价值[2]。从人机交互的层面上，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[3]。因此，虚拟实验简单化的操作交互如何转变为综合性的操作交互，是虚拟实验继续发展的基础。

一、虚拟实验操作交互设计的现状

近年网络上出现了许多优秀的虚拟实验室，例如VCM仿真实验、东师理想集团研发的初中理化生虚拟实验室、北京邮电大学网络虚拟实验室等。同时，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，但是，探讨基于Flash的虚拟实验操作交互设计的文章尚不多见。

陈丽提出的远程教学交互层次塔[4]分析了在不同的环境下如何应用交互设计实现虚拟实验室的构建，而虚拟实验室中进行操作交互设计时，往往通过鼠标点击操作交互来展现精美的动画或者用鼠标拖动来组装实验仪器和药品。从操作交互角度来看，已有的虚拟实验室对操作交互的设计大都比较简单。本研究认为，有效的交互操作应该对不同环境的虚拟实验中所运用的交互进行分类，再考虑虚拟实验中应该运用哪些操作交互来合理搭建学生自主操作的综合性虚拟实验室，通过数据库记录每个学生实验中的操作过程和想法，在数据库中对学生的操作结果给予直接的客观性评价反馈，最后再将自动化实验报告与非自动化实验报告一起合成一份完整的半自动化实验报告。

二、基于Flash的虚拟实验操作交互设计

交互性是影响资源质量以及学习者学习成效的主要因素，也是衡量一个良好的虚拟实验设计的一个重要指标[5]。具有学科性质的虚拟实验通过将游戏的趣味性融入知识点考核中，通过全方位的交互操作来增加学习者对实验的兴趣。现有的基于Flash的虚拟实验，在交互上主要基于鼠标操作，目前在Flash中大量使用的交互操作主要有两类：一类是鼠标点击型，另一类是鼠标拖动型。单纯以这两类操作交互来完成虚拟实验的设计，形成的是以演示为主、操作为辅的虚拟实验，还无法达到具有良好交互性虚拟实验的目的。本研究对Flash中能够使用的交互操作进行了较为细致的分类，如图1所示。

1. 鼠标点击型

这是最基本的也是经常使用的操作交互，包括按钮引导型和文字引导型两类。按钮引导型通过按钮引导来设计实验，文字引导型通过文本（静态文本或动态文本）说明来引导学生进行实验操作。此类操作交互的交互性不强，学生用机械性的鼠标点击即可完成实验，它虚拟实验中一个必不可少的交互类型。

2. 鼠标拖动型

鼠标拖动型的操作交互主要有三种形式。第一种是匹配或拼图型，通过设定实验对象的位置，要求学生根据实验反应，将实验对象拖动到给定位置的框中。第二种是连线型，学生将不同的实验对象用接线的方式进行连接，如中学物理的电路连接。第三种是拖动定值型，在实验对象上面通过拖动仪器的相关操作按钮来确定相应的参数值，如滑动变阻器的值、电压表或电流表的值等。

3. 文本输入型

文本输入型的操作交互主要是通过输入文本框来记录实验反应的现象和结果。如氢氧化钠与二氧化碳的反应，可以看到气球变大了，再如氢氧化钠与二氧化碳反应的化学方程式的书写以及配平等。

4. 复制粘贴型

复制粘贴类型的操作交互是通过复制粘贴让学生随时将实验过程中的截图或对实验的所思所想以变量的形式记录下来，提交到数据库中实现。实验完成后，学生就能够看到保存在数据库中自己的实验记录。

5. 键盘按键型

这种操作交互类似于趣味性的游戏设计，通过特定的按键来进行操作，能够让学生更好地参与到实验中。例如，二氧化碳与稀硫酸反应的微观粒子的结合过程，设置方向键“←”、“→”、“↑”和“↓”键来控制它们的运动以及与不同粒子之间的结合。

在Flash中可以运用上述多种操作交互来设计出综合性的虚拟实验。在实验过程中先将这些操作交互的数据、参数通过变量记录下来，然后将操作交互结果保存到数据库中。当学生要在网上完成实验报告时，先从数据库中调用出自动生成的部分实验报告，然后结合学生完成的人工部分实验报告，组合形成一份完整的半自动化虚拟实验报告（如图2所示）。

三、基于Flash虚拟实验操作

交互设计的案例

化学实验不同于一般的虚拟、仿真类实验，在关注人与设备的交互操作的同时，还具有化学实验本身的特殊性，它是过程性的、连续性的，要根据实验环境的变化而变化[7]。同时还要注意的是把主要知识点设计成虚拟实验中可以记录的操作交互，实现对各种操作交互灵活应用从而达到考核学生的目的。下面以“碱的化学性质——碱和非金属氧化物的反应”为例，具体阐述基于Flash的操作交互设计的虚拟实验。

1. 复制粘贴型的操作交互。大多数理工科虚拟实验，逻辑性较强、实验步骤基本呈线性方式，加强实验操作中对学生的引导，能够使学生循序渐进地达到实验课程的要求[8]。学生必须将自己在实验操作过程中的所思所想或实验结果通过变量的形式与后台数据库表联系起来，使实验结果能够保存，也使学生能够回顾并反思相应的实验过程。在“碱和非金属氧化物的反应”中，学生如果想把“在用滴管吸取NaOH时，如果选择过量的NaOH，最后的结果是什么样的呢？”这个问题提交到数据库中，就可以用虚拟实验中的记事本工具来记录学生的问题，再用一个变量m来记录这个值，将结果传递到后台数据库中。与之类似的交互，学生也是通过贯穿于始终的记事本，将学生在每个不同步骤的所思所想以m1，m2，m3，……，mn数组变量记录到数据库的表中，实现实验结果的记录存储。

2．应用鼠标点击型的操作交互。虚拟实验中所阐述的鼠标点击型操作交互，不全是设计按钮，还包括一部分Flash软件里面本身可以做交互的组件，例如单选、复选以及组合框按钮等。本研究以“碱和非金属氧化物的反应”中仪器和药品的选择为例进行说明，如图3所示。在图3中，将几种按钮结合使用，既可以增加界面设计的多元化，又能增强人机交互的友好性。在仪器的选择中，对每个选择的仪器和药品用变量名编号，编号为xuan1、xuan2、…、xuann等。当学生选择仪器和药品后，用“提交”按钮提交变量值，通过图层代码与之绑定，然后通过交互进行判断，使学生在规定的次数之内完成仪器的选择。如果仍旧不能完成实验仪器的选择，此时仪器的选择功能将会失效，只能够进入“下一页”继续实验。点“下一页”按钮后，实验会自动给出上述仪器和药品选择的正确答案，使得学生能够继续进行后续的实验。

3．应用鼠标拖动型的操作交互，让学生自己组装和调试仪器，使学生真正体验实验的过程性。该操作交互在操作方式上要求学生对多个实际对象进行控制，避免了单纯利用鼠标点击和其他控件代替仪器控制产生的问题。如果学生在拖动中出现错误，还具有操作还原的能力，使仪器能够放回原来的位置[9]。在“碱和非金属氧化物的反应”中，严格遵循效率/可用性原则[10]，学生需要在规定的时间里，自己组装反应发生的仪器和药品，可以按照线性的顺序进行组装，也可以采用仪器和药品同时组装的顺序来操作。当NaOH与CO2开始反应的时候，运用鼠标拖动型的操作交互来完成仪器的组装及实验反应，如图4所示。

4．应用文本输入型的操作交互，完成实验现象和结果的记录。化学虚拟实验需要严格限定实验条件，密切观察实验进度和现象，根据预先制定的实验方案按步骤、有计划地进行，要求学生在整个实验过程中全身心地投入[11]。当学生完成仪器的组装之后，实验过程紧接着出现相应的动画，伴随着与这个实验有关的反应现象和反应结果，这时就需要学生对实验现象进行记录和描述，如图5和图6所示。在“碱和非金属氧化物的反应”中，通过输入文本框，记录学生在虚拟实验中观察到集气瓶内气体颜色的变化、气球大小的变化。学生可以在输入文本框中完成NaOH和CO2反应分子式的书写以及化学方程式的配平，完成实验结果的记录。

四、数据库的设计

基于Flash的操作交互数据库的设计主要是将操作步骤中的变量传递到数据库的表中，生成自动化的部分实验报告。在半成型的实验报告中，学生只需将剩余部分通过手动文本输入或复制粘贴，即可完成完整的半自动化的实验报告。对于“碱和非金属氧化物的反应”的虚拟实验，操作步骤中的变量与数据库的交互主要通过四个步骤来完成值的传递，如表1所示。

交互设计一：首先根据虚拟实验操作交互界面来选择仪器和药品组件得到选择后的值，然后通过界面提交按钮里面的“yqypxz”变量，与数据库的表中“yqypxz”字段相对应，把值记录在该字段里面。

交互设计二：在正确完成仪器和药品选择之后，“提交”按钮里面的时间变量“kssj”会提取此时计算机的当前时间，作为学生开始进行拖动操作的时间。当学生进入组装界面时，以文本引导的方式提醒学生进行拖动操作所限定的时间。如果时间到了，时间限制变量“sjxz”会自动停止学生进行操作，将学生操作的结果提交到数据库中，实验中自动给出正确的答案让学生点击“下一页”继续实验。

交互设计三：在完成上面的实验组装之后，学生会看到实验反应过程中的相关现象。学生只需将看到的现象，写入到诸如一些实例名为“syxx1”或是“syxx2”的输入文本框中。通过“提交”按钮，将学生所写的结果记录到数据库表中，该字段对学生所写的字数有一定的限定，目的是保证学生能够在规定的时间内最大限度地记录实验现象。

交互设计四：虚拟实验中以化学方程式中分子式的书写以及方程式的配平为考察点，当学生每次在空的文本处输入一个值，就会记录到该变量中。如学生在“NaOH”前面输入“1”，就会记录到kong1的变量里面，直到学生填完全部空格，点击“提交”按钮，就可以将结果记录到数据库表中。

五、基于Flash虚拟实验操作

交互设计的特色

综合利用多种操作交互，使虚拟实验的操作交互性大大增强。这种操作交互性虚拟实验的特色主要表现在以下几个方面：

1. 虚拟实验中操作交互类型的多样化。现有的基于Flash的虚拟实验，以鼠标点击型的操作交互或简单的鼠标拖动型的操作交互为主，而本研究在这种简单化的操作交互的基础上，提出了多种操作交互的综合使用，形成操作交互综合性较强的虚拟实验。

2. 鼠标、键盘的操作交互层次分类清晰。在Flash平台中首先要弄清楚不同类型的操作交互的特点，然后才能将不同的知识点渗透到各类型的操作交互中。如果虚拟实验在阐述虚拟实验设计时总是以是单击、点击和拖动作为交互，将导致知识点的设计单一，应用操作交互方式的简单化。

3. 操作步骤中数据记录的多元化。本研究中数据记录分成两种形式：一种是将操作交互中的变量记录到数据库中，需要在生成实验报告时提取记录变量的值；另一种是手动输入需要复制粘贴的实验截图、实验中的实验现象和结果、注意事项以及实验中存在的问题等。

4. 实验报告构成的真实性。传统的实验报告要求学生首先在真实实验室或者是虚拟实验室里面完成实验，然后用纸质实验报告或者是电子版的实验报告来完成对实验的总结。这样设计的实验报告性的真实性得不到保证，学生有可能实验做得不好而实验报告却完成得很好。而综合性的虚拟实验中半自动化实验报告分为计算机自动化生成的实验报告以及根据实验本身学生手动完成的部分实验报告，实验报告的部分内容是由学生的虚拟实验操作交互自动生成，学生无法修改，因而更加真实可靠。所以这种半自动化的实验报告能为学生的实验提供更好的评价。

六、总结与展望

目前，在虚拟实验室中，操作交互是虚拟实验系统中很重要的一部分，它能够对学生的实验水平进行很好的考核。当然，对学生进行实验考核，只通过虚拟实验的操作交互还是不够的，更多的是需要激发学生对实验的兴趣。为了设计出更多优秀的虚拟实验，设计者还应该从学习者本身的个性特点来出发，进一步完善自己的设计思路，为虚拟实验的交互性设计打开想象的空间。虚拟实验与数据库结合形成的半自动化实验报告，可能会因人而异。但是这种实验报告是学生过程性评价的真实体现，使得学生能够集中更多的精力完成良好交互性的实验，而不是总是想着完成实验报告。

参考文献:

[1] 刘志广，岳锌等. 三种网络盛拟实验室的实现方法与比较[J]. 计算机与应用化学，2003，20，（1）：91-93.

[2] 刘凡丰. 网络教育中的四种交互及交互作用[J]. 开放教育研究， 2002，（6）：28-30.

[3] 王荣芝，杨雪，于洪涛. 网络虚拟实验的交互设计[J]. 现代远距离教育，2008，（2）：63-65.

[4] 陈丽. 远程学习的教学交互模型和教学交互层次塔[J]. 教育技术学报，2007，（4）：90-96.

[5] 刘中宇，李延霞，杨艳萍. 基于交互决定论的网络教育资源互动平台设计[J]. 现代教育技术，2010，（9）：50-54.

[6] 金勇进，吴产乐. 3D 网络虚拟实验开发中基于组件的模型处理与交互方法[J]. 武汉大学学报（理学版），2010，（8）：474-477.

[7] 赵新灿，刘凯. 虚拟化学实验平台的设计与实现[J]. 工程技术，2010，（10）：33-35.

[8] 孙莹，姚俊，高建宝. 远程模拟实验的探索与研究[J]. 现代教育技术，2010，（20）：127-130.

[9] 刘志广，李健，王海勇. 基于面向对象技术构建虚拟有机化学实验平台[J]. 计算机与应用化学，2007，（9）：1269-1272.

[10] 欧阳建军. 基于交互设计的界面应用研究[J]. 科教导刊，2010.（4中）：169-170.

[11] 吕耀中. 沉浸式虚拟实验室的建设构想[J]. 现代远距离教育，2010，（3）：74-77.

收稿日期：2011－04－30

作者简介：张学军，教授，博士；李刚，在读硕士生。西北师范大学教育技术与传播学院（730070）。

责任编辑 柯南

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