虚拟鲫鱼解剖实验室的设计分析和探讨

摘 要：实验在生物课中具有重要的作用，然而学校资金和实验体的不足已成为阻碍实验进行的关键瓶颈，同时目前已有的生物实验课件是以结果呈现为主要形式设计的，探索性、互动性明显不足。根据已有的这些问题，笔者以具身认知的理论为指导，运用flash+actionscript3.0开发了以工具操作为主要特征的高仿真虚拟鲫鱼解剖实验室。虚拟平台通过提供虚拟实验工具、智能信息提示和逼真的鲫鱼实体，不仅丰富了学习内容，调动了学生自主探究学习的兴趣，解决了生物实验课缺少实验体的问题，同时显著提高了学生的学习效率，培养了学生动手操作实验能力，促进了学生的学习。
　　关键词：具身认知；虚拟实验室；flash actionscript3.0；生物实验
　　中图分类号：G434 文献标识码：A 文章编号：1673-8454（2012）20-0082-03
　　一、问题的提出
　　实验是学生探究神奇生物世界最重要的途径，是学习者通过自身体验建构知识的重要途径。然而在现实的生物试验中，实验体、资金却成为困扰实验实施的关键障碍，在这一瓶颈的制约下，我国绝大多数学校的生物实验课没能实施。同时在实验室里进行活体试验，虽然学生能够充分地用自己的身体去感受和探索相关的知识，但是试验的危险时有发生，此外实体解剖需要的时间较长，一节课很难圆满的完成，导致了学习效率并不高。与此同时，目前的生物课件多以知识结果展示为主，缺乏人机的交互设计，通过工具进行解剖的虚拟试验明显不足，使学生仍然处于知识的被动接受地位。根据这一现状，笔者基于flash actionscript3.0和3D相关技术开发了一个以工具为突出特征的鲫鱼虚拟解剖实验室，充分调动和发挥了学生的动手和探究能力，促进了学生综合素质的发展。
　　二、虚拟鲫鱼解剖实验室的设计理念
　　1.工具性
　　具身认知强调身体与环境的交互在人的认知活动中具有重要的作用。面对虚拟环境而言，工具是连接人与试验对象的桥梁，虚拟实验室提供了可供操作的解剖实验工具，如剪刀、镊子、喷水管和垃圾桶等等。学习者通过不同的工具能够对试验对象进行解剖、观察和探索，使身体真正地成为认知的主体而不是知识的被动记忆者。工具是认知的工具，是学习者进行知识建构的工具。
　　2.交互性
　　虚拟鲫鱼解剖试验室的交互性主要体现在与工具交互、与实验对象交互以及与鲫鱼脏器的交互上。与工具的交互主要表现为通过点击工具栏创建相应的工具并根据相应的控制来进行操作；与实验对象的交互主要表现在通过不同的工具对实验对象进行切割、移动等操作，完成相应的解剖鲫鱼的工作；与鲫鱼内部不同器官的交互，来实现文字信息和图片信息的提示和帮助，进而实现通过自身体验来促进学生学习和提高认知水平的目的。
　　3.高仿真
　　通过对试验过程和实验对象的设计来实现虚拟鲫鱼实验室的高仿真效果。虚拟试验过程的高仿真使学生如置身于真实的实验操作过程中，学生可以拿起剪刀，使用镊子，提高了学生探究和操作感，提高了学生的学习效果。通过3D和flash对图片进行处理来实现虚拟实验环境的高仿真效果，使学生似乎能够真正感觉到鱼的存在，似乎真的置身于实验室一般，提高了学生的兴趣和注意力，促进了学生的学习。
　　三、虚拟鲫鱼解剖实验室的开发
　　虚拟鲫鱼解剖实验室的开发包括工具栏、实验区和信息提示三大部分内容（如图1）：工具栏为学习者提供解剖实验的相关工具，如剪刀、镊子、垃圾桶和水管等；实验区为学生提供进行试验的空间和解剖对象，包括鲫鱼、试验台和水管等；信息提示区会根据学习者的解剖操作活动的进度或状态进行智能的帮助和其他信息提示。
　　1.工具区
　　（1）剪刀
　　①剪刀的设计
　　鲫鱼解剖的必备工具就是剪刀，剪刀的设计原理完全源于真实环境下的解剖试验工具，是通过模拟现实实验环境下的手持解剖过程设计的。学习者通过点击工具栏中的剪刀工具，系统会自动在试验平台的鲫鱼剪切起始位置创建一把手术剪刀。当学习者用鼠标点击剪刀时，剪刀会模拟真实剪刀的开启和闭合的动作，一边切割鱼皮，一边发出切割时的响声。剪刀的设计主要包括两部分：剪刀原件的设计和点击事件的编程。剪刀具有高仿真的剪切动画和剪切时发出的声音。当学习者通过点击剪刀工具创建剪刀的同时，为其添加模拟剪刀移动和剪切动画的控制事件。
　　②剪刀解剖路线
　　鲫鱼的解剖路线是有明确规定的，剪刀在鱼皮上的切割路线是不能任意改变的，如有不慎则会伤及鱼的内脏器官，影响随后对鲫鱼内部的科学观察。为此通过预设精确的路线数据，使得剪刀在学习者的鼠标点击之下进行智能的路线判断、切割，并画出相应的路线图。预设的切割路线是由一个代表切割路线的若干位置点的数组来表示的，数组中的元素是由切割点的X坐标和Y坐标构成。当用户点击剪刀时，系统会自动地在存储路线的数组中寻找下一个点的X和Y坐标数据，并将获得的数据分别赋给剪刀的X坐标和Y坐标的属性值，通过提取数据和赋值处理来实现剪刀在鲫鱼上面的切割移动。
　　③剪刀的旋转与切割画线
　　在真实的解剖试验环境中，剪刀不仅要沿着正确的路线前进，同时剪刀还要随着位置的不同而发生不同程度的旋转，来实现准确的切割。据此，在虚拟鲫鱼解剖的过程中，系统通过智能判断切割路线上点的X和Y的坐标来进行剪刀的rotationX 和rotationY的属性赋值，实现剪刀旋转的效果。
　　切割画线产生于剪刀沿着预设路线进行解剖移动时所留下仿真“血线”，这一视觉表征是利用 lineTo（ ）与 moveTo（ ）方法来实现的，当学习者点击工具栏上的剪刀按钮时，不仅在试验平台上创建了剪刀实例，同时也从切割路线的数组中获取了“血线”的起始X坐标和Y坐标，即moveTo （X，Y ）。当学习者点击剪刀使之沿着预定的切割路线移动时，每前进一步系统就会自动地记录下当前路线的X和Y的坐标数据，同时通过 lineTo （X，Y ）方法实现画线的效果。

（2）镊子
　　①镊子仿真效果设计
　　镊子的夹紧与放开效果是通过两张真实镊子的图片进行处理后交换呈现而实现的，当学习者按下鼠标左键时，镊子的影片剪辑就会播放到镊子夹紧那一帧，当学习者放开鼠标左键时，镊子的影片剪辑就会播放到镊子放开的那一帧。镊子的创建是动态生成的，当学习者点击工具栏上的镊子图标时，系统就会在舞台上显示镊子的实例。
　　②镊子的移动和夹取功能
　　镊子的移动功能是通过同步鼠标的X坐标和Y坐标的方法来实现的，当学习者点击工具栏上的镊子图标时，不仅在舞台上创建了镊子实例，同时也创建了针对于鲫鱼的侦听事件，即当鼠标在鲫鱼实例的范围内移动时，会把鼠标在舞台上的和的数值与镊子的相应坐标同步，从而实现镊子随鼠标移动的顺畅效果。除此以外，通过控制镊子的X坐标和Y坐标的范围来指定其在规定的范围内进行移动。
　　夹取功能是当学习者按下鼠标左键并使镊子处于夹紧的状态，同时创建镊子和被切割鱼皮之间的碰撞事件——hitTestObject（），即如果当具有此事件的镊子与所切割的鱼皮发生碰撞时，那么学习者就可以通过移动鼠标来夹取鱼皮了。
　　（3）垃圾桶
　　垃圾桶是针对鲫鱼所切割下来的鱼皮而进行设计开发的，它本身的功能就是收集废物，但是它的这一功能的实现是与切割下的鱼皮共同作用的结果。当学习者点击工具栏上的垃圾桶图标时，系统会自动地从实验平台的左下方移入一个垃圾桶。这时如果学习者通过镊子将切割下的鱼皮移动到垃圾桶桶口时，即两者发生了相撞的事件，当松开鼠标左键时就会执行移除鱼皮的方法，从而实现垃圾桶收集废料的功能。
　　（4）喷水管
　　①仿真喷水管
　　在真实实验室中，喷水管的目的在于清洗解剖鲫鱼时的瘀血和其他污渍，它是实验室中重要的工具之一。虚拟仿真喷水管主要有三部分组成：按钮、水管和水流，其中水流的控制取决于按钮。当在按钮上按下鼠标左键时（_DOWN），这时要执行两个动作，首先是显示按钮被按下时的图片并隐藏按钮被弹起的图片，使之产生按钮被按下的状态；其次通过将水流visible的属性改为true来实现喷水的效果。反之，当释放鼠标左键（_UP）时，隐藏按钮被按下时的图片的同时显示按钮被弹起的图片，使之产生按钮被关闭的状态，通过设置水流visible的属性为false来实现停水的效果。
　　②清除功能
　　喷水管最终的目的在于清除鲫鱼解剖时所产生的瘀血和污渍，其设计原理是当喷水管的按钮被按下的同时进行“瘀血”的检测，检测方法是通过获取舞台原件的名称而进行，这里需要注意的是，污血是在剪刀进行鲫鱼解剖时就产生了，并且对其属性name进行了命名“blood”。如果能够通过getChildByName（“blood”）方法获取污血，那么当按下喷水管的按钮时就开始进行污血的冲洗。为了突出清洗过程中污血缓慢消失的真实感，通过使用Tween类控制污血的透明度来实现，并在5秒之内将污血的实例删除，实现通过喷水管最终清除污血的目的。
　　2. 实验区
　　解剖试验的对象是鲫鱼，它是由一条真正鲫鱼的图片进行立体处理而制作的。这条鲫鱼可划分为三部分：鱼体、内脏和切割的鱼皮，其中内脏又分为腮、心脏、鱼鳔、鱼肠、卵巢等五大部分，这也是鲫鱼解剖实验所要进行观察的主要器官。内脏是由独立性的原件来进行设计的，当鼠标移动到相应的器官上面时，就会触发_OVER事件，并执行相应的方法来实现在信息提示区显示相应的文字和图片信息。需要注意的是，以XML格式对鲫鱼内脏相关信息进行组织和存储显得更为规范和准确，查询更加方便。即当学习者的光标移动到某一内脏器官上时，系统会自动地从XML数据库中进行相应的名称匹配，当鼠标所指的鲫鱼内脏器官与XML数据库中的器官名称一致时，系统将会提取文字信息和图片文件地址，进行文字和图片信息的显示。
　　辅助指导和相关的信息提示在探究式的实验过程中具有重要的作用和意义，一方面它提供有关试验的操作步骤、注意事项等，同时它根据系统的预设进行一些智能的错误提示。这些作用会在不同的操作过程中得以实现，但是不管是文字信息提示，还是图片信息提示，其设计原理都是基于事件的机制完成的，即当某一事件发生，需要文字和图片时，将预设好的信息赋值于相应提示区。
　　结束语
　　认知是身体的认知，身体是认知的主体，认知是人与环境相互作用的结果，基于具身认知的这一理论思想开发了探究性的虚拟鲫鱼解剖实验室。通过flash+actionscript3.0和3D图形处理软件构建了以工具为突出特点的探究式的实验平台，通过操作和使用工具充分发挥了学习者自主探究的能力，实现了以学习者为主体的教学模式，以信息帮助提示为支持的实验系统。这一系统明显缓解了由于资金、实验对象不足而造成的生物实验停滞的现状，改变了以知识传递为主要形式的媒体课件的制作理念；丰富了学生的学习内容，提高了学习效率，实现了教育资源的共享，促进了教育的发展。
　　参考文献：
　　[1]叶浩生.具身认知：认知心理学的新取向[J].心理科学进展，2010，（5）：705-710.
　　[2]李云媛，莫永华.具身认知的教育意义和潜在价值研究[J].广西师范学院学报.2011，（3）：110-114.
　　.London：MIT Press，1999，244.