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虚拟学习空间的建构与交互设计

Asen

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发表于 2011-9-9 08:42:28 |只看该作者 |倒序浏览

一、引言
随着网络技术、虚拟现实技术的发展，虚拟学习空间的研究与开发应用日益受到人们的关注。将虚拟学习空间应用于函授教育、网络教育以及现代远程教育等非面对面的教学中，其最大的特点与优势之一是改变原有的教学环境，提供丰富的、高质量的、多种形式的教学交互。交互界面的建构与交互设计是创建一个理想的虚拟学习空间的重要环节。由于目前应用的非面对面的学习环境，大多存在着交互活动少、交互水平低的情况，难以有效地开展非面对面教学。出现这种情况的主要原因是对交互的重要性认识不足，或者缺乏设计交互活动的相关方法。
综观目前虚拟学习空间的交互研究，取得了不少成果，其交互形式也多样化。按照交互活动的时间特性，可分为同步交互和异步交互。同步交互可通过音频、视频会议、聊天室等实现。异步交互允许交互双方不在同一时刻开展交流，如电子邮件、新闻组、BBS等。按照交互双方的人数不同，交互活动可分为一对一的交互如（电子邮件)、一对多的交互（如BBS、邮件列表、QQ群等)、多对多的交互（如计算机会议系统、QQ群、BBS, MOO等)。按照交互的实现角度，可分为教学内容[1][2]、交互工具和计算机技术[3][4][5]三类。本文在研究国内外相关文献的基础上，以课堂教学的交互方式为基础，建构一个基于Virtools DEV工具的、融2D和3D交互环境为一体的虚拟学习空间。
二、课堂教学的交互性
从传播学的角度来看，交互是传者与受者双方的信息交流。在课堂教学中，交互是教学活动的基本特征之一，师生、生生是面对面的，课堂中存在着丰富多样的交互，教师可以根据需要增加更多、更有效的交互。有不少学者在承认计算机网络具有较强交互性能及实时性能的同时仍然强调课堂教学的实时性和交互性更强[6]。课堂教学的交互性表现形式多种多样，具体可总结为以下几类：
1．师生之间、生生之间的语言与动作交互
课堂教学中，师生之间、生生之间主要通过对话和动作的方式开展教学与交流活动。教师与学习者之间的交互活动主要有：问题解答、内容分析、练习与呈现、答疑、讨论（限制主题或者自由交流）、作业与批改、咨询与建议、辅导以及评价。学习者与学习者之间的交互活动主要有竞争、自由交流和协作等，在此过程中可以有教师参与，也可以没有教师参与。交互可以发生一对一、一对多、多对多之间，还可以发生在学习者组成的小组之间。
2．师生与媒体之间的行为交互
教学媒体是开展教学所不可缺少的条件，无论是传统教育还是现代教育，通过媒体传递信息、表现信息，针对不同的教学内容选择不同的媒体，使课程与媒体有机地结合在一起，构建合理的交互学习环境，提高教学效果。教学媒体主要包括黑板、印刷材料等传统教学媒体以及计算机、投影仪、扫描仪、展示台等现代教学媒体，师生的主要行为活动有媒体使用、展示内容、控制学习进度、意义建构、研究性学习等。
3．师生之间的情感交互。
情感交互是指学习者与教师、学习者之间相互联系的一种内心体验，主要是指交互双方相互间在情感上的倾向及对交互现状的满意程度，表现为彼此之间是相互依恋、心理共鸣、彼此理解、情感体验等，从而产生相互信任和依赖的情感成分，有利于提高学习者的可持续学习动机。
二、虚拟学习空间的建构
在虚拟学习空间中开展教学，师生之间、生生之间、人机之间的交互不是简单、偶然、自发地发生，而是非常复杂的，涉及到学习媒体、技术支持、教学心理、学习内容等方面，所以应该设计足够的、多种形式的、恰当的教学交互手段，充分挖掘和利用各种交互方式的潜力，创造出与课堂教学相比拟的交互效果。
虚拟学习空间是一个提供用户真实感、集成多种交互方式的教学系统。设计与实现虚拟学习空间时，需要关注两方面的因素。第一是用户接口。进入虚拟学习空间的用户具有社会性，即用户可以具有相当的计算机操作水平，也可以没有很好的操作经验，甚至不会操作计算机。因此，虚拟学习空间应该提供友好的用户接口和较强的功能，使得用户不需化费很多时间去熟悉界面以及学习每个功能模块的使用方法，方便用户的学习和交互。第二是系统的有效性。由于虚拟学习空间是一个复杂的系统，涉及到网络通信技术、虚拟现实技术、数据库管理及功能实现技术等，所以建构一个良构的虚拟学习空间，有利于提高系统的可测量性、一致性和适应性。
为了建构一个良构的、用户界面友好的虚拟学习空间，本文采用层次结构来组织学习空间中的对象，通过对交互对象的分类，将课程、交互环境及用户访问权限三方面建立层次关系，如图1所示。课程根据专业来划分层次，每个专业包含相关课程；交互环境分为二维和三维两大类；用户按照访问权限定义六种角色。
用户界面的设计考虑操作的便利和交互的多样性，主界面的实现效果原型如图2所示。用户通过登录注册后进入主界面，主界面直接显示了三维虚拟教室场景和二维文本聊天区，其他交互功能以方便的菜单形式列出，用户可通过选择菜单中的相应选项进行操作。

图1 虚拟学习空间层次组织结构
1．用户角色及权限定义
虚拟学习空间中用户角色是一个重要的考虑因素，不同的角色定义不同的访问权限。根据访问的权限定义了五种角色，具体表述如下：
（1）访问者（过客）：这类角色定义了用户未曾向系统申请注册。他们只能查看系统信息（主要是静态信息），但能够向系统提供信息。此外，他们可以向系统注册成为成员角色。
（2）成员：这类角色是指已经向系统注册但还没有加入任何专业的用户。即每个人都有唯一的用户名和密码，系统能够识别他们，他们具有导航能力和使用学习空间所提供的异步交互工具的能力，如论坛、个人日历、收发信息等，然而，由于这些用户没有加入到任何专业，所以不能进入3D虚拟环境即虚拟教室参与学习。
（3）学习者：这些用户相对于成员来说，他们至少注册了一个专业，因此，他们除了具有成员角色的所有能力外，还有一些额外的特征，如用户用化身表示、允许加入3D虚拟教室、通过三维协作工具与虚拟教室内的其他学习者进行协作与交流等。

图2 虚拟学习空间主界面
（4）辅导教师：教师是虚拟教室的主导者，每门课程都分配一位辅导教师，他的权限有：负责对课程资源进行配置，选择专题领域知识，并以不同类型的媒体形式组织起来；管理每门课程的学习资料，创建练习和测试，在课程目录下上传文件；查看注册该课程的学习者，创建学习小组，分配学习任务等。此外，辅导教师是也教室的底层管理员，控制并使用虚拟教室，对课程的有效实施和学习者的管理有很大的责任。
（5）专业管理员：为每一专业任命一个管理员，他的权限有：创建和管理专业的所有课程；为每门课程设置辅导教师，决定哪些成员将成为注册学习者，组织和管理所有参与课程教学的学习者和辅导教师；接受或拒绝辅导教师创建课程资源的请求，接受或拒绝学习者加入某一门课程的请求。此外，课程管理员有责任管理通信和协作的异步方法，如论坛和事件日历，有责任确定论坛和日历中将要布置的主题。
（6）管理员：负责管理和维护整个系统，即虚拟学习空间的拥有者。他具有管理和维护系统、管理系统中的其他所有角色的功能。
2．二维环境建构
交互界面中的二维交互环境包含了用户（成员、学习者或辅导教师）访问系统的所有平面区域。通过该区域，用户能够管理他们自己的所有东西，在不考虑用户的作用时，每个用户能够浏览有效课程，以学习者身份注册加入专业，访问个人信息，在其私有空间里查看和增加信息，从自己的个人目录里上传或下载文件，查看和收发邮件，与其他用户进行文本聊天等。另外，任何一个用户也能建立一门课程，并成为这门课程的辅导教师，因此访问的权限根据用户角色不同而变化。
（1）论坛：二维交互空间的一个主要服务是论坛。论坛由一组异步通信组成，每一个成员都可以发送信息到论坛，但这些信息首先被发送到系统管理员，由系统管理员决定是否将这些信息转发到论坛区域显示出来，供其他用户查看。
（2）事件日历：事件日历是一个时间表，按照年月日的顺序保存事件，它是一个异步通信工具，被用于顺序安排虚拟学习空间中发生的事件，每一个注册的用户都可以为自己创建一个私人的事件日历，即只有用户本人才能查看和发送该日历的内容。由系统提供的日历能够支持三种类型的事件：公共的、私有的和每一门课程相关的事件。在事件的公共日历中，成员们能够发送他们的发表内容到系统管理员，系统管理员依次决定这些发表内容是否有资格转发。此外，课程日历可以包括专业时间表、地点、时间表分配、测试以及隐藏的主题等。
（3）文本聊天：文本聊天允许成员之间、学习者之间以及师生之间以同步方式进行通信。需要特别提醒的是，在协作学习过程中，文本聊天非常有助于成员在虚拟教室之外讨论他们关心的问题、提出感兴趣的问题以及在没有管理和限定的情况下实现交互。一组有共同爱好的人能够创建他们自己的聊天室，允许用户在聊天室里发送私人信息。此外，文本聊天也包括语音聊天，支持3D环境。
（4）上传和下载文件：辅导教师有能力增加和管理学习内容，不断上传学习内容提供给学习者，其内容应是动态变化的。进入系统的用户根据自己的需要下载学习资源，同时，也可提供学习资料，共享给其他用户。
3．三维环境建构
开发3D交互环境的目的是对真实课堂的教学情境的模拟，所以应该实现用户之间的通信与同步学习会话、具有协作学习的功能以及提供必要的学习工具。3D交互环境相当于一个虚拟教室，其功能主要体现在四个方面：第一，教师通过播放电子课件进行语音同步教学；第二，学习者通过操作主界面中的链接按钮，获取课件、教学资源和相关的Web学习站点链接，实现个性化学习；第三，学习者之间在虚拟教室中通过文本和语音聊天交互开展协作学习；第四，学习者与教师都以化身形式出现在三维虚拟教室中，彼此都能感知。
3D环境在用户性能方面通过创建沉浸感和真实感提供正面影响，正如真实教室一样，虚拟教室必须具备课程教学的必要条件，即教师、学习者和教学工具。每一门课程安排一个专职的辅导教师，负责管理和组织学习材料，而学习者可以是多个。虚拟教室中的用户用化身表示，该化身在3D虚拟教室里具有查看其他用户的能力，可以有各种姿势，如表示意见（同意或反对）、感觉（高兴或伤心）、行为（行动或拾取学习内容）等。虚拟教室内提供了信息显示、在线讲课、在线聊天、学习资源下载、帮助等教学辅助功能，这些功能可以直接通过键盘或鼠标操控，也可以通过菜单选择操作。
（1）用户化身：用户通过骨骼化身来表示，为了支持用户之间的非语言交互，化身可以有各种动作，如行走、转身、后退、坐姿、举手等，而且还具有感知、定位等功能[7]。当教师创建了学习空间后，用户才可加入到这个3D环境中。用户通过选择并绑定自己喜欢的角色造型作为虚拟化身，进入到3D环境后，通过键盘上的方向键控制虚拟化身在虚拟场景中漫游，客户端的场景随着化身移动实时刷新。3D环境中已经存在的用户可以得到新加入用户的ID号和用户名，以及在场景中的朝向、位置等信息，同时，系统也将该空间中所有用户信息回送给该用户，使新加入的用户也能感知到3D环境中的其他用户。
（2）用户操作：为了支持用户的交互和教学秩序，在主界面上提供两种操作工具，一种是驱除用户，一种是锁定与解锁对象。驱除用户是指当用户在虚拟教室中影响正常教学时，辅导教师有权驱除该用户，该用户表现为与系统断开连接。锁定对象是指在某一时刻只允许一个人操作某一对象时，就应锁定场景中的该对象，如当某个学习者需要发送消息时，则此时的电子白板就只能归该学习者使用，不允许其他学习者往白板上发送消息或删除白板上的内容。当某用户锁定了一个或多个对象而又离开3D环境时，忘记解锁这些对象，则系统判定该用户的状态为“离开”，并自动解锁这些对象。当有更高级的用户如教师访问时，可以获得对象的解锁与锁定权，这样，教师就可直接控制共享的对象。
除此之外，主界面中还提供了一些操作功能，如资源菜单下的幻灯片播放、学习资料以及视频流的放大或缩小观看；论坛菜单下的实时讨论；上传与下载等。
四、交互实现
创建虚拟学习空间的过程中，交互技术是决定功能是否能够实现的关键问题。从目前的虚拟学习空间分析，绝大部分都是以文本交互的二维界面方式，其中一个原因可能是因为交互技术及相关方法的缺乏所致。下面以虚拟学习空间为例，探讨二维交互和三维交互的实现方法。
1．二维交互
2D环境中的交互主要包括人机交互和人人交互两个方面。人机交互是指用户通过鼠标、键盘、麦克风等设备进行课程选择、上传文件或作业、下载学习资料或课件、锁定与解锁环境中的二维对象、管理自己的文件夹、收发电子邮件、在论坛发表文本等；人人交互是指通过电子白板进行各种角色之间的文本聊天和信息交流。目前，大多数的虚拟学习空间主要以2D环境来表现，如虚拟学习社区、聊天室、BLOG、基于视频会议系统的虚拟教室、基于CSCW的虚拟学习空间等，在2D环境中的交互实现比较简单，具有与普通软件操作一样的方便。
2．三维交互
在3D空间中，同样存在人人之间、人机之间的交互。人人交互即化身相互之间的交互，每个用户都以化身表示，用户通过键盘或者鼠标控制化身在场景中的运动。人机交互即化身与三维虚拟环境之间、化身与虚拟实体之间的交互。
本文采用Virtools DEV软件来实现交互，它提供了5个可选功能模块，即多用户网络服务模块（Multi-user Server Pack）、物理属性模块（Physics Pack）、人工智能模块（AI Pack）、虚拟展示模块（VR Pack）和游戏开发模块（XBox Kit）。Virtools DEV包含有500多个行为模块( Building Blocks，简称BBs)，避免了繁复冗长的动态交互设定与程序代码的撰写。如：在选定角色对象并为之建立实现各种功能的脚本后，在脚本编辑区（Schematic）只需对BBs通过简单的“拖、拉、放”并完成逻辑连接，就能实现角色的物理属性及其行为设定。
（1）创建会话（Session）。Session定义了一个虚拟的空间，Session的原意是讨论、会话，这里可以将Session理解成某项专题讨论或主题活动。Session通常由活动组织者即辅导教师创建，教师就成为Session Master，可执行普通用户不能执行的操作。教师根据组织策略，通过密码告知的方式实现对拟加入用户的取舍，并对参与活动的用户信息、网络消息及其化身进行管理。其他用户欲加入一项活动，必须得到该活动的Session ID。用户可随时离开Session，但活动组织者若离开，则该Session将被立刻删除。
启动Multi-user Server Standalone，添加Create Session BBs到Schematic的Script编辑区，运行Session参数自动生成器，将生成的参数复制并粘贴到参数设置面板的Session Type中，输入Session（即活动主题）的名称、设置最多在线人数和密码，其他用户就可申请加入该项活动，成为该项活动的学习者。可用Create Distributed Object BBs创建分布式对象，并将其绑定到选定的角色，供用户选择作为化身。通过Get Incoming User BBs，已加入活动的学习者可得到新加入用户的用户ID和用户名，以及在场景中的朝向、位置等信息；同时该BBs将已参与活动的所有用户信息回送并刷新场景，使新加入的用户也能感知到场景中其他用户的信息。
（2）消息传递。用户一旦进入虚拟学习环境，就可相互发送消息。对一个用户而言，消息的传递分为一对一、一对多以及广播三种形式。利用Network Send Message BBs可以设定某个化身发送消息。若将消息发送给某一指定的在线化身，只需把该化身的ID号做个快捷方式赋给Network Send Message BBs中的Dest（User ID）项；若将消息发送给所有在线的化身，则Dest（User ID）不填任何内容；若将消息发送给网络上部分指定的化身，则可设定一个列表，将指定化身的ID添加进列表中，只有表中的化身可以接收到该化身发送的消息。
（3）环境感知。化身在虚拟空间中活动，应该具有对环境的感知，如化身对虚拟环境中的墙体、桌椅等实体的识别、化身相互之间的距离感知以及化身能始终保持在地面上行走。在Virtools DEV中，选择的Add Attribute中的Floor Manage设定整个虚拟环境的地面属性；对化身设置Enhanced Character Keep On Floor BBs，实现化身在地面上行走。设置化身Object Slider BBs的两个参数Radius和Group以及测试距离行为模块Test BBs可以实现化身对环境的碰撞检测。利用Keyboard Controller BBs设置键盘操作键来控制化身在场景中的前进、后退、左转右转、奔跑等动作。
五、结束语
基于2D和3D交互环境相结合的虚拟学习空间，在创设真实的、情境化的学习环境方面进行了有益的尝试。对学习者而言，最好的学习环境是真实的、情境化的面对面教学环境，而对非面对面的远程教学来讲，如何为学习者创造条件，让他们也拥有一个真实感强、资源丰富、交互性好的学习平台，是我们下一步的研究主题和努力方向。

参考文献
[1] 陈丽. 远程教育中教学媒体的交互性研究[J]. 中国远程教育,2004.4：17-24
[2] D. U. Silverthorn. Teaching and learning in the interactive classroom[J]. Advances in Physiology Education，2006.12（30）：135-140
[3] White, M., Jay, E., Liarokapis, F., Kostakis, C., Lister, P.F.. A Virtual Interactive Teaching Environment (VITE) Using XML and Augmented Reality[J]. The International Journal of Electrical Engineering Education, Manchester University Press, 38(4): 316-329, October (2001). ISSN: 0020-7209.
[4] Dan Dwyer，Kathy Barbieri，Helen M. Doerr. Creating a Virtual Classroom for Interactive Education on the Web [J]. Computer Networks and ISDN Systems，Volume 27 , Issue 6 (April 1995)：897-904
[5] Mohammed E. Haque. Web-based Visualization Techniques for S***ctural Design Education[C]. Proceedings of the 2001 American Society for Engineering Education Annual Conference & Exposition，Session 2793
[6] 巨瑛梅, 刘旭东. 当代国外教学理论[M].北京：教育科学出版社，2004：226
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[8] 李欣. 分布式认知视角下的智能授导系统的设计与开发[J]. 电化教育研究, 2008.2:52-58