多媒体教育应用的发展趋势
北京师范大学 何克抗

二、多媒体教育应用的发展趋势
综合近年来国外多种教育技术杂志(如ET,ETS,EMI,JRCE,AJDE.....)上所刊登的主要论文，以及历届“ED_MEDIA”世界大会(World Conference on Educational Multimediaand Hypermedia,即“教育多媒体与超媒体”世界大会，简称ED_MEDIA世界大会，这是国际上每年召开一次的规模最大的有关多媒体教育应用的国际会议)上所发表的基本观点，可以看出当前多媒体教育应用有以下几个值得注意的发展趋势：

1.多媒体技术与网络通信技术的结合
1995年末，在国际信息界有一件最引人注目的大事，就是美国SUN公司在Internet上推出了”WWW浏览器HotJava”，这是SUN公司用Java语言开发的一种全新的可动态执行的浏览器。其突出特点是具有动画功能，可向用户提供超文本格式的图形、图像、语音、动画与卡通等多种媒体信息；并能把静态文档变成可动态执行的代码，这就彻底改变了Internet浏览器只能用来查询检索Internet网上信息的状况，为Internet的教育应用开辟了新的广阔前景，这是因为HotJava的动态可执行特性无异于赋给用户一种远程交互的功能。例如，一个用户可以利用HotJava编写一段Java应用程序以实现仿真化学反应的页面，而其它的3W用户只要使用HotJava浏览器就不仅可以看到这个仿真页面，还可以与之进行交互(例如可改变该化学反应过程中的某些参数以观察不同的反应过程和结果)。利用HotJava的这种动态可执行特性用户在检索到某些重要文献或教学资料时，不仅能看到静止页面还可通过点击某个图标或热键而看到图文声并茂的彷真实验或算法执行过程的直观演示。显然，这样一种交互功能和用第一代Internet浏览器(如Mosaic和Netscape)只能观看静态页面的效果相比是有本质不同的，它对于教育应用(尤其是远距离教育应用)具有特别重要的意义。可以说，HotJava的出现不仅是Internet浏览器的重大革新，也为多媒体技术与网络通信技术的结合找到了最理想的结合点：从此基于Internet网的多媒体教育应用就日益发展起来(今年6月于美国波士顿召开的ED_MEDIA世界大会上，在121篇大会交流的多媒体教育应用论文中基于3W服务器和HotJava以实现多媒体技术与网络通信技术相结合的教育应用论文共有七篇)。目前不仅西方发达国家在大力开发基于Internet的多媒体教育应用，就是台湾、香港等地区也在这方面投入相当多的人力和物力(当前台湾教育技术界的主要力量差不多都已投向这一研究领域)。这是多媒体教育应用中十分值得引起我们重视的一个新趋势，也是当前发展最快的一个趋势，我们必须迎头赶上去。

2、多媒体技术与仿真技术的结合
多媒体计算机和仿真技术结合可以产生一种强烈的幻觉，使得置身其中的人全身心地投入到当前的虚拟现实世界中，并对其真实性丝毫不产生怀疑，通常把这种技术称之为“虚拟现实”(VirtualReality,简称VR)。换句话说，虚拟现实是由多媒体技术与仿真技术相结合而生成的一种交互式人工世界，在这个人工世界中可以创造一种身临其境的完全真实的感觉。要进入虚拟现实的环境通常需要戴上一个特殊的头盔(head_mounted display)，他可以使你看到并感觉到计算机所生成的整个人工世界。为了和虚拟环境进行交互，还需要戴上一副数据手套──它使穿戴者不仅能感知而且能操作虚拟世界中的各种对象。

由于设备昂贵，目前VR技术还主要是应用于少数高难度的军事和医疗模拟训练以及一些研究部门，但是在教育与训练领域VR技术有不可替代的非常令人鼓舞的应用前景，所以这一发展趋势也应引起我们的注意。例如，达特茅斯医学院所开发的一种“交互式多媒体虚拟现实系统”，可以使医务工作者体验到并学习到如何对各种战地医疗的实际情况做出反应。利用该系统的实习者可以感受到由计算机仿真所产生的各种伤病员的危险症状，实习者可以从系统中选择某种操作规程对当前的伤病情况进行处理并可立即看到这种处理方式所产生的后果。为了使实习者获得更深刻的体验，系统还可仿真各种外科手术，其内容包括一般的开刀直至复杂的人体器官替换。这种虚拟环境使医学院的大学生不必冒任何医疗事故的风险就可以反复实习病房中的各种实际操作，并可尝试选择不同的技术处理方案以检验自己的判断是否正确，和进行某种技能的训练。

VR技术在教育中应用的另一个例子是创建一种虚拟的物理实验室。物理学按其本身的性质提出了许多“如果……将会怎样”的问题，这些问题最好通过直接观察物理作用力对各种客体的作用效果来进行探索。休斯顿大学和NASA(美国国家航空和宇航局)约翰逊空间中心的研究人员建造了一种称之为“虚拟物理实验室”的系统，利用该系统可以直观地研究重力、惯性这类物理现象。使用该系统的学生可以做包括万有引力定律在内的各种实验，可以控制、观察由于改变重力的大小、方向所产生的种种现象，以及对加速度的影响。这样，学生就可以获得第一手的感性材料(直接经验)，从而达到对物理概念和物理定律的较深刻理解。

VR技术在化学教学中也取得了显著效果。北卡罗莱纳大学的科学家们已经研制了一种可以让用户用手操纵分子运动的VR系统。用户戴上头盔并通过数据手套进行反馈控制，可以使分子按某种方式结合在一起。不难看出，这种VR系统不仅在教学上有重要意义(例如可直接观察到蛋白质的分子结构)，而且在科学研究上也有重大的价值，因为按某种新方式结合在一起的分子结构很有可能是治疗某种疾病的新药，或者是工业上所需要的某种特殊材料。

随着对多媒体技术和仿真技术研究的深入，实现“虚拟现实”的理论方法也有很大发展。原来应用VR离不开昂贵的专用硬件或辅助设备(如头盔、数据手套、高分辨率的图形工作站等)，近年来这种情况开始有所改变。例如在今年6月召开的ED-MEDIA世界大会上，出现了一种全新的称作“QTVR”(快速虚拟)的系统。这种系统已实际应用于学习城市的设计与规划，其优异的性能价格比令人惊叹！QTVR技术与普通VR技术在使用的仿真原理上有很大不同：它不是利用头盔和数据手套这类硬件来产生幻觉，而是使用360度全景摄影技术所拍摄的高质量图象来生成逼真的虚拟情景。因此它允许用户在Windows操作系统或是Macintosh微机的操作系统支持下，在普通微机上(无需用高档的图形工作站)只利用一只鼠标和一个键盘(无需戴头盔和数据手套)就能真实地感受到和VR技术中一样的虚拟情景。

学习城市设计与规划的学生利用QTVR系统可以创建一座逼真的虚拟城市，当学生改变城市场景的视图时(例如向左或向右，朝上看或朝下看，摄像机头向目标移近或移远等)，被观察的场景仍能正确保持并能使人产生环绕该城市浏览观光的真实幻觉。与此同时，城市中的各种物理实体(如建筑物、道路、桥梁、树木、交通工具和地形等等)可以用鼠标任意拾取并进行操纵(例如使其旋转，以便从不同角度进行观察，并且还可以进入到建筑物内部的各个房间去观看)。

更令人难以置信的是，由于采用了先进的图象压缩算法，在QTVR系统中，用来表征城市某个虚拟场景的360度高质量全景照片的存储容量竟只有550K字节左右。

显然，QTVR对于学习城市设计与规划的学生是非常适宜的，甚至对于实际的城市设计与规划人员也是非常实用的，因为它可以使学生或设计人员随时改变城市的布局并立即感受到新布局所产生的效果，从而对设计或规划及时作出修改或补充。显然按这种方式设计与按传统的图纸设计或按CAD设计，其效率和质量将有天壤之别。

QTVR的重要意义在于，它开辟了多媒体技术与仿真技术结合的新途径，为“虚拟现实”技术的大众化铺平了道路。从此，VR技术将有可能走出高级研究院与大学的“象牙之塔”，以优质价廉的全新面貌逐步普及到各个教育领域，甚至进入中小学课堂。

3.多媒体技术与人工智能技术的结合
把多媒体技术引入辅助教学系统可以大大改善辅助教学环境，更容易激发学生的学习积极性和主动性，从而能显著提高教学效果。但是多媒体系统由于缺乏推理机制和学生模型的支持，所以不能确定学生的知识水平和认知特点；不能根据学生自己的意愿和理解能力去提供适合该生的学习材料，并作出有针对性的指导，即不能作到因材施教。

智能辅助教学系统由于具有“教学决策”模块(相当于推理机)、“学生模型”模块(用于记录学生的认知结构和认知能力)和“自然语言接口”，因而具有能与人类优秀教师相媲美的下述功能：

了解每个学生的学习能力、认知特点和当前知识水平；

能根据学生的不同特点选择最适当的教学内容和教学方法，并可对学生进行有针对性的个别指导；

允许学生用自然语言与“计算机导师”进行人机对话(由于机器理解自然语言问题尚未解决，目前绝大多数智能教学系统还难以做到这点)。

但是智能辅助教学系统过分强调教师的指导作用，而且目前的智能辅助教学系统其教学方式都比较单调，难以作到图文、音像并茂，因而在激发学生兴趣，提高学生的主动性、积极性方面受到较大的限制。

由以上分析可见，在多媒体教学系统和智能辅助教学系统之间存在性能互补关系，将二者结合起来就可以扬长避短，从而研制出高性能的新一代智能辅助教学系统。

实现智能多媒体辅助教学系统的关键是：建构适合辅助教学需要的多媒体系统和设法使多媒体系统具有智能。

要使多媒体教学系统具有智能，主要涉及学生模型建造和人工智能领域的知识表示与知识推理，后者要求探索出一种适合于多媒体环境的新的知识表示方法和相应的推理机制。考虑到多媒体数据库的信息组织方式通常采用超文本技术，它与人工智能领域的语义网络知识表示在形式上有类似之处，二者均是由节点和有向弧线组成的有向图，我们就有可能在语义网络的基础上，通过认真分析多媒体数据库的特点，而发展出一种新的知识表示方法和推理机制来实现这二者的结合。显然，从语义网络入手只是实现智能多媒体教学系统的一种可能途径，而非唯一途径，我们还可以探索其它的、或许是更好的途径。

多媒体技术与人工智能(AI)技术的结合，除了体现在对多媒体教学系统引入学生模型和知识推理机制以外，还可体现在设法使多媒体知识库中的导航机构实现智能化。用超文本技术组织起来的多媒体知识库具有符合人类联想思维，便于阅读、浏览、查询等诸多优点，但也存在容易“迷航”的缺点。在一般的多媒体系统中，“导航器”只是起指示当前节点在整个知识网络中所处位置的作用(通常用流程图方式给出该节点的一系列前趋节点与后继节点)，以便引导读者由知识网络中的当前节点转向目标节点。若是“智能化导航器”则不仅具有上述导航功能，还可根据学生当前的知识基础与水平，在该节点处向学生建议一条或几条最适合该生继续浏览或查询的路径；另外，在浏览过程中，当学生遇到困难时，该浏览器还能起“智能代理”(Intelligent agent)的作用，对该生进行帮助，这些帮助包括：①替学生查询有关资料；②以学习同伴身份和学生进行平等的讨论以加深学生对某个问题的理解；③以指导教师身份对学生的错误进行必要的指导以便使学生少走弯路。

4.多媒体技术与建构主义学习理论的结合
如前所述，建构主义学习理论是认知学习理论的一个重要分支，建构主义的起源应追溯至皮亚杰的儿童思维发展理论，可谓源远流长。但是自八十年代初期以来，尽管认知心理学已逐渐取代行为主义心理学占据了统治地位，而建构主义学习理论在很长一段时期内并未产生明显的影响。直至近年来，随着多媒体技术的日益普及，建构主义学习理论才逐渐引起人们的广泛的注意，按照建构主义学习环境进行教改试验研究的学校也日渐增多。个中缘由固然有学习理论的流行必然要滞后于作为其理论基础的心理学的流行这样一个因素，但是更重要的因素则是九十年代以前社会上还缺乏实现建构主义学习环境的理想条件。前已指出，建构主义学习环境包含四大属性或四大要素即“情景”、“协商”、“会话”和“意义建构”。显然，多媒体技术的特性与功能最有利于四大属性的充分体现，例如：

“情景”──建构主义学习理论强调创设真实情景，把创设情景看作是“意义建构”的必要前提，并作为教学设计的最重要内容之一。而多媒体技术正好是创设真实情景的最有效工具，如果再与仿真技术相结合，则更能产生身临其境的逼真效果。

“协商”与“会话”──协商与会话过程主要通过语言(少数场合用文字)作媒介，这就要求计算机辅助教学系统必须要有语音功能，即要用多媒体计算机才能支持。

“意义建构”──建构主义学习理论认为，意义建构是学习的目的，它要靠学生自觉、主动去完成。教师和外界环境的作用都是为了帮助和促进学生的意义建构。多媒体技术由于能提供界面友好、形象直观的交互式学习环境(有利于学生的主动探索、主动发现)，能提供图文声并茂的多重感官综合刺激(有利于学生更多更好地获取关于客观事物规律与内在联系的知识)，还能按超文本方式组织与管理各种教学信息和学科知识(有利于发展联想思维和建立新旧概念之间的联系)，因而对学生认知结构的形成与发展，即对学生关于当前所学知识的意义建构是非常有利的，也是其它媒体或其他教学环境无法比拟的。

正是由于上述原因，近年来建构主义学习理论在西方尤其是在美国有较大的发展，加上HotJava的出现使多媒体教育应用与Internet网进一步融合，而网络又为“协商”、“辩论”、“会话”这类教学模式的应用提供了最理想的条件(可不受时空和地域的限制)，这样就使建构主义学习环境更趋完善，建构主义学习理论也就日渐风行。当然，这不等于说建构主义学习理论是万应灵丹，能解决学习领域的一切问题(例如，情感领域和动作技能领域的教育目标就不一定能通过建构主义学习环境来达到)，但是就认知领域的教育目标而言，借助多媒体技术(若有条件还可结合网络通信技术)实现的建构主义学习环境，确实非常有利于学生认知结构的形成与发展则已得到愈来愈多试验的证实。这是值得我们国内教育界认真思索与借鉴的。