《現(xiàn)代教育技術(shù)》虛擬實驗室的設(shè)計與開發(fā)

【摘要】虛擬實驗豐富了實驗教學(xué)的教學(xué)模式和學(xué)習(xí)方式，為實踐教學(xué)的創(chuàng)新提供了新的平臺和拓展空間。結(jié)合國家精品課程《現(xiàn)代教育技術(shù)》的建設(shè)，以認(rèn)知科學(xué)及建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論為基礎(chǔ)，提出了利用虛擬現(xiàn)實及多媒體技術(shù)構(gòu)建虛擬實驗室的開發(fā)方案，并對系統(tǒng)的開發(fā)流程進(jìn)行了探討，在此基礎(chǔ)上采用Virtools技術(shù)設(shè)計了虛擬實驗室原型。最后以實例描述了虛擬實驗開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)。

【關(guān)鍵詞】虛擬實驗；建構(gòu)主義；Vitrtools；Moodle

【中圖分類號】G434 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】B 【論文編號】1009—8097 (2008) 02—0115—06

《現(xiàn)代教育技術(shù)》以培養(yǎng)未來教師的教育技術(shù)理論、教育技術(shù)技能為根本目標(biāo)，是我國高師院校教師教育課程體系中一門重要的公共基礎(chǔ)課程。浙江師范大學(xué)的《現(xiàn)代教育技術(shù)》課程于2004年進(jìn)入國家精品課程行列，在這一理論與實踐并重的課程中，如何加強并完善實驗教學(xué)已成為精品課程建設(shè)中的重要環(huán)節(jié)。為了豐富和完善實驗教學(xué)體系，更有效地推動該課程的實驗教學(xué)，我們開始了“現(xiàn)代教育技術(shù)”虛擬實驗室的研發(fā)，設(shè)計并實現(xiàn)了“現(xiàn)代教育技術(shù)”虛擬實驗系統(tǒng)原型。

隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展，虛擬實驗在實驗教學(xué)中得到越來越多的應(yīng)用，國內(nèi)外學(xué)者在這方面做了大量的研究工作[1-6]：文[1][2][3]進(jìn)行了虛擬實驗的交互設(shè)定和網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的研究，文[4][5][6]介紹了對象、建筑物、自然環(huán)境的構(gòu)建方法。文[1-6]有一個共同特點，即均采用VRML(Virtual Reality Modeling Language)技術(shù)。由于目前VRML不提供可視化開發(fā)環(huán)境，基于VRML的虛擬現(xiàn)實可視化工具還有待進(jìn)一步研究[7][8]，開發(fā)者必須從VRML提供的基本形體出發(fā)搭建復(fù)雜場景；雖然3DS Max和Maya等建模工具提供導(dǎo)出VRML的*.wrl文件格式的功能，但后期的文件優(yōu)化耗時費力；以VRML為基礎(chǔ)的基于Java技術(shù)通過EAI（External Authoring Interface）進(jìn)行的交互控制，要求用戶必須熟悉Java語言以及VRML的交互編程，因此，基于VRML或采用高級語言如JAVA、C語言等實現(xiàn)虛擬實驗系統(tǒng)[9][10][11][12]，在實際開發(fā)過程中存在難度大、實現(xiàn)復(fù)雜、輔助功能不強等諸多問題，易用性和實用性都不甚理想。

基于PCS (Product-Context-Scenario)技術(shù)的Virtools Dev采用非常直觀的方式呈現(xiàn)3D內(nèi)容[13]，為研發(fā)人員提供了一個便捷的整合、溝通與分享三維體驗的開發(fā)平臺，在可視化開發(fā)環(huán)境方面有明顯的優(yōu)勢。本文針對上述的不足，在充分調(diào)研的基礎(chǔ)上，本著“技術(shù)設(shè)計為教學(xué)設(shè)計服務(wù)”[14]的原則，提出了3D-Virtools-Moodle構(gòu)建虛擬實驗室的架構(gòu)方案。即在3DStudio Max中完成虛擬實驗室、教學(xué)媒體設(shè)備的三維建模、動畫制作；在Virtools Dev中進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)處理、三維對象的控制及交互設(shè)定；在Moodle教學(xué)管理平臺中實現(xiàn)虛擬實驗的績效評估和教學(xué)管理。結(jié)果表明，采用該架構(gòu)方案能克服上述方法的不足，具有真實性、交互性、簡單和易實現(xiàn)等特點。

一 虛擬實驗系統(tǒng)總體設(shè)計

1 設(shè)計目標(biāo)

“現(xiàn)代教育技術(shù)”虛擬實驗室的設(shè)計目標(biāo)是，改變高?，F(xiàn)有實驗教學(xué)中普遍存在的生均實驗設(shè)備擁有量、設(shè)備更新周期以及學(xué)習(xí)時間沖突等根本問題[15]，切實貫徹教學(xué)改革目標(biāo)，以認(rèn)知科學(xué)及建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論為基礎(chǔ)，利用虛擬現(xiàn)實及多媒體技術(shù)構(gòu)建三維虛擬實驗環(huán)境，為學(xué)生提供一個具有強烈真實感以及強大交互功能的“現(xiàn)代教育技術(shù)虛擬實驗室”（見圖2），支持探索學(xué)習(xí)、協(xié)同學(xué)習(xí)、經(jīng)驗學(xué)習(xí)等基于建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論概念，并提供知識獲取工具。

主要特征有：①對實驗室、實驗儀器及附屬設(shè)施，按實際尺寸進(jìn)行三維建模，并以三維空間向量形式表示各實驗?zāi)Ｐ托误w和位置的相對關(guān)系；②支持實時交互功能。實驗者可以通過鼠標(biāo)、鍵盤完全操控場景中實驗者的虛擬化身，實現(xiàn)從不同角度觀察對象，以及漫步、轉(zhuǎn)身、抬頭、低頭以及跑、跳等功能，為探索學(xué)習(xí)、經(jīng)驗學(xué)習(xí)提供支撐；③支持多媒體信息輔助，通過設(shè)置3D音效、背景音樂、多用戶實時對話，構(gòu)建一個逼真的三維虛擬世界；④知識庫，為學(xué)習(xí)者的知識獲取、形成意義建構(gòu)提供技術(shù)支持；⑤通過Moodle平臺實現(xiàn)對實驗行為、結(jié)果的績效評估。

2 系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)

虛擬實驗室依據(jù)《現(xiàn)代教育技術(shù)》課程實驗的要求進(jìn)行開發(fā)，主要由虛擬實驗手冊、虛擬實驗項目、虛擬教學(xué)媒體模型庫、知識庫以及Moodle管理平臺五大模塊組成。系統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu)如圖1所示。

虛擬實驗?zāi)K：包括常規(guī)媒體、多媒體教學(xué)環(huán)境、素材采集與處理、課件開發(fā)、網(wǎng)頁設(shè)計與制作五個基礎(chǔ)實驗，以及自適應(yīng)輔助工具集。學(xué)生在虛擬實驗環(huán)境中按實驗步驟完成整個虛擬實驗，允許多次重做，直到熟練為止。圖3為虛擬實驗之一的常規(guī)媒體虛擬實驗主界面。虛擬實驗手冊模塊：介紹每個虛擬實驗項目的學(xué)習(xí)背景、學(xué)習(xí)目標(biāo)、學(xué)習(xí)任務(wù)、具體操作步驟，操控字母鍵的含義，以及虛擬實驗環(huán)境的漫游、操控方法。教學(xué)媒體模型庫模塊（圖4）：虛擬實驗中常用的教學(xué)媒體設(shè)備，主要有：光學(xué)投影儀、數(shù)字投影儀、實物展示臺、多媒體教室綜合平臺等。通過鍵盤上的方向鍵可實現(xiàn)從各種不同角度觀察媒體設(shè)備的構(gòu)造，通過鼠標(biāo)點擊模型上的按鈕、開關(guān)實現(xiàn)交互，以此了解教學(xué)媒體設(shè)備的主要構(gòu)造及操作。知識庫模塊：包括《現(xiàn)代教育技術(shù)》國家精品課程（http://course.zjnu.cn/met/index.asp）、《現(xiàn)代教育技術(shù)—技能訓(xùn)練》學(xué)習(xí)網(wǎng)站（http://course.zjnu.cn/met/jinengxunlian/ index.htm）、部分教學(xué)視頻以及教學(xué)案例庫等。主要通過二維的文本及視頻信息讓學(xué)生了解實驗背景、充分掌握每個實驗的相關(guān)信息。Moodle管理平臺模塊：動態(tài)記錄和管理學(xué)生的實驗過程，關(guān)注學(xué)生在實驗過程中的投入程度和過程性評價。通過平臺內(nèi)嵌的評價反饋功能及時核查學(xué)生報告中的實驗行為，監(jiān)督和考評學(xué)生的實踐技能。

二 虛擬實驗的開發(fā)方法

Virtools是由法國全球交互三維開發(fā)解決方案公司Virtools所開發(fā)，透過可視化的圖形開發(fā)界面，開發(fā)人員只需要拖曳所需要的行為模塊就可以建構(gòu)出復(fù)雜的交互應(yīng)用程序。可同時滿足無程序背景的設(shè)計人員以及高級程序設(shè)計師的設(shè)計需求，讓3D美術(shù)設(shè)計與程序設(shè)計人員進(jìn)行良好的分工與合作，有效縮短開發(fā)流程、提升效益。由于軟件內(nèi)置超過500組的行為模塊，可以讓使用者快速設(shè)計出多樣的3D數(shù)字媒體內(nèi)容。其三維引擎已成為微軟XBox認(rèn)可系統(tǒng)。其特點是方便易用，應(yīng)用領(lǐng)域廣。

本系統(tǒng)開發(fā)所應(yīng)用的主要是Virtools的主開發(fā)程序Virtools Dev。

1 開發(fā)平臺Virtools簡介

開發(fā)工具是否合適，對能否實現(xiàn)預(yù)定目標(biāo)非常重要。

虛擬實驗作為整個系統(tǒng)的核心模塊，數(shù)據(jù)處理量大、交互頻繁。我們采用Virtools DEV作為開發(fā)平臺，理由有三：① Virtools的三維引擎己經(jīng)成為微軟XBox認(rèn)可系統(tǒng)，其特點是方便易用，應(yīng)用范圍涵蓋游戲開發(fā)、數(shù)字娛樂、工業(yè)設(shè)計、新媒體藝術(shù)、視景仿真等多元領(lǐng)域，已有賽伯麗亞（Syberia）[16] 和國際象棋在線（Online Chess Kingdoms）[17]等成功的開發(fā)案例；② Virtools在3D互動展示方面技術(shù)強大、組成完善，主要由創(chuàng)作應(yīng)用程序、動作引擎、渲染引擎、Web播放器、軟件開發(fā)工具包構(gòu)成；③除了自身的3D/VR開發(fā)平臺Virtools Dev以外，還有5個可選模塊：網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器Virtools Server、物理屬性Physics Pack、人工智能AI Pack、游戲開發(fā)XBox Kit和沉浸式平臺VR Pack，為虛擬實驗室的預(yù)期功能實現(xiàn)及拓展開發(fā)提供技術(shù)保障；④界面直觀、使用容易。Virtools包含有500多個行為模塊 ( Building Blocks，簡稱BBs)，并提供重力、摩擦力、彈力、力場等多種物理屬性設(shè)定，這些功能大大縮短了開發(fā)周期，避免了繁復(fù)冗長的動態(tài)交互設(shè)定與程序代碼的撰寫，只需通過簡單的拖、拉、放，就能完成對象的物理屬性和行為的設(shè)定。

Virtools提供給開發(fā)者的是一個整合了多樣化技術(shù)的單一使用界面，上手容易，符合采用“大眾化技術(shù)”來實現(xiàn)虛擬實驗室的開發(fā)原則。

2 Virtool設(shè)計虛擬實驗的關(guān)鍵環(huán)節(jié)

（1） 三維建模及Virtools資源庫的建立

虛擬實驗環(huán)境的構(gòu)建主要是指實驗室及媒體設(shè)備模型的構(gòu)建。由于Virtools本身自帶的基本圖元建模功能不強，所以建模一般是采用3DStudio Max、Maya等建模功能較強的三維動畫軟件來實現(xiàn)。筆者采用在3DStudio Max創(chuàng)建三維模型，并完成材質(zhì)、貼圖及動畫關(guān)鍵幀的設(shè)定，通過安裝好的插件導(dǎo)出文件，并以Virtools Dev的資源文件格式*.NMO保存；然后將NMO文件導(dǎo)入到Virtools的3D Layout（三維編輯區(qū)）進(jìn)行交互設(shè)定。

在Virtools Dev中用Resources/ Create New Data Resources創(chuàng)建新的資源庫，把準(zhǔn)備好的各種*.nmo資源文件拷貝到資源庫相應(yīng)的文件夾中，Virtools Dev將自動分類并加載。這步工作是為在Virtools中進(jìn)行拖放操作做好前期準(zhǔn)備。對每個不同的虛擬實驗項目應(yīng)建立單獨的資源庫，這樣更便于后期的修改更新及文件管理。

（2） 用行為模塊實現(xiàn)交互控制

虛擬實驗操作步驟可以歸結(jié)為模型對象的交互設(shè)定問題。具體來說，就是將實驗步驟分解成具體動作，并與鍵盤的操控和鼠標(biāo)的拖曳、點擊等動作構(gòu)成映射。交互設(shè)定是通過Virtools中內(nèi)置行為模塊實現(xiàn)的，能夠?qū)ΧS或三維模型進(jìn)行各種基本操作，如平移、旋轉(zhuǎn)、縮放、顏色和透明度變化、二維貼圖等，復(fù)雜操作如投影、燃燒、行走、奔跑、后退等。

在Virtools Dev中進(jìn)行交互設(shè)定的最大特點，就是行為模塊之間只需通過相互連接便能形成靈活的互動效果。每個行為模塊（BBs）封裝了特定的作用和功能，把許多功能不同的行為模塊用相互連接的方式進(jìn)行編輯，即可實現(xiàn)虛擬實驗的要求。

一般情況下，Virtools自帶的BBs已基本能滿足設(shè)計的要求。另外，還有兩種方法可以設(shè)計出具有特殊功能的BBs來滿足交互設(shè)計的要求：一種是通過VC++編程[18]另一種是利用Virtools的軟件開發(fā)工具包SDK，通過SDK，可以創(chuàng)建一個新的動作（BBs）、修改現(xiàn)有動作的運行、通過給輸入和輸出文件寫B(tài)Bs可實現(xiàn)一些特殊格式的模型文件的導(dǎo)入導(dǎo)出、修改替換或擴充Virtools Dev的渲染引擎。

（3） 虛擬實驗的發(fā)布

虛擬實驗室一般由兩部分組成：一是虛擬實驗環(huán)境，二是具體的虛擬實驗。其中，虛擬實驗環(huán)境是指由三維建模構(gòu)建的虛擬實驗空間，如門窗、墻、地板，以及置放其間的實驗臺、實驗儀器設(shè)備等；具體的虛擬實驗則是指對模型的交互控制，兩者共同構(gòu)成完整的虛擬實驗室。

虛擬實驗在完成建模及交互設(shè)定后，可以采用兩種方式進(jìn)行發(fā)布：一種是通過“Export to Virtools Player”命令直接保存為*.vmo格式；另一種是通過“Creat Web Page”命令，將文件保存為htm格式。這樣，客戶端只需下載并安裝插件“3D Life Play”即可進(jìn)行虛擬實驗。

三 具體實現(xiàn)案例

三維虛擬實驗環(huán)境，能讓學(xué)生從三維空間對設(shè)備進(jìn)行全方位的觀察并進(jìn)行交互操作，加深對設(shè)備的結(jié)構(gòu)、使用方法的理解和掌握。下面通過實例說明利用Virtools實現(xiàn)虛擬實驗系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。

1 虛擬實驗環(huán)境基礎(chǔ)屬性的實現(xiàn)

（1） 用戶（User）的基礎(chǔ)屬性設(shè)置。虛擬角色不能漂在空中，也不能穿透實體對象，為此，需設(shè)定角色始終在地板上，能對實體對象進(jìn)行碰撞檢測，同時，可通過鍵盤實現(xiàn)對虛擬角色的控制。建立用戶腳本，設(shè)定相關(guān)參數(shù)，所需的BBs為：Enhanced Character Keep On Floor、Keyboard Controller、Prevent Collision、Key Event、Send Message，具體的腳本流程如圖5所示。

（2） 實驗室大門的自動啟閉

用戶走近實驗室大門，門自動開啟；進(jìn)入實驗室后，門自動關(guān)閉。為門Door建立腳本，所需的BBs為Proximity、Nop以及封裝的行為模組OpenDoor和CloseDoor，親近度檢測模塊Proximity用于檢測用戶與門的距離，門的初始狀態(tài)為關(guān)閉，用戶走近大門并距離小于5米時門打開，離開大門并距離大于5米時關(guān)閉。大門腳本流程如圖6所示。

（3） 虛擬實驗環(huán)境漫游

通過鍵盤上的方向鍵控制角色的前進(jìn)、后退和左傳、右轉(zhuǎn)，攝像機跟隨角色的運動，從而實現(xiàn)漫游虛擬實驗場景的目的。建立漫游攝像機腳本，設(shè)定相關(guān)參數(shù)，所需的BBs為Keep At Constant Distance、Look At，漫游攝像機腳本流程如圖7所示。

2 實物展示臺虛擬實驗的實現(xiàn)

實物展示臺虛擬實驗場景由虛擬角色、實物展示臺、置于實物展示臺上的書本和茶壺以及投影屏幕組成。展示臺初始狀態(tài)為鏡頭和側(cè)燈均收攏于展示臺面板上。當(dāng)用鼠標(biāo)單擊鏡頭和側(cè)燈時，鏡頭和側(cè)燈展開到工作狀態(tài)，同時側(cè)燈燈光打開，再次用鼠標(biāo)單擊，則復(fù)位到初始狀態(tài)；鏡頭展開到工作狀態(tài)后，將實物展示臺上的書及茶壺投影到屏幕上；當(dāng)用鼠標(biāo)拖曳書本和茶壺對象時，屏幕上的圖像跟隨實時變化。圖8、圖9為實物展示臺實現(xiàn)效果。

（1） 實現(xiàn)鼠標(biāo)單擊控制鏡頭和側(cè)燈的展開和復(fù)位。鼠標(biāo)單擊鏡頭展開、再次單擊復(fù)位，所需的BBs為：Wait Message、Sequencer、Send Message、Unlimited Controller，腳本流程如圖10所示。側(cè)燈的展開和復(fù)位動作的腳本流程和鏡頭很相似，不再贅述。

（2） 實現(xiàn)將實物對象投影到屏幕。建立攝像機RT Camera，并為RT Camera建立腳本，設(shè)定相關(guān)參數(shù)，所需的BBs為：Wait Message、Sequencer、Delayer、Keep Active、Render Scene in RT View、Set MipMap Texture、Change Texture Size，腳本流程如圖11所示。

（3） 實現(xiàn)鼠標(biāo)對實物對象的拖曳操作功能：為書本對象建立腳本，設(shè)定相關(guān)參數(shù)，所需的BBs為：Wait Message、Mouse Waiter、2D Picking、Keep Active、Place Entity Under Mouse，腳本流程如圖12所示。茶壺對象的腳本與書本的相似，此處略去。

3 其它技術(shù)在系統(tǒng)開發(fā)中的應(yīng)用

應(yīng)該指出，僅用純3D虛擬現(xiàn)實技術(shù)來開發(fā)整個虛擬實驗系統(tǒng)并非上佳方案，因為，諸如“素材采集與處理”、“課件開發(fā)”、“網(wǎng)頁設(shè)計與制作”等基于軟件平臺的操作型實驗，用純3D技術(shù)開發(fā)一是沒有必要，二是實現(xiàn)效果也不一定理想。因此，在虛擬實驗系統(tǒng)的開發(fā)過程中，我們綜合采用了流媒體、Flash以及多媒體技術(shù)，以實現(xiàn)3D技術(shù)和多媒體技術(shù)的優(yōu)勢互補。如在“素材采集與處理”、“課件開發(fā)”等虛擬實驗?zāi)K，主要以流媒體播放的形式實現(xiàn)。

綜上，常規(guī)媒體虛擬實驗，利用鍵盤上的方向鍵即可實現(xiàn)虛擬實驗室的漫游，僅用鼠標(biāo)的單擊或拖曳操作，即可進(jìn)行實物展示臺虛擬實驗的操作，真正實現(xiàn)了在逼真的三維虛擬環(huán)境中進(jìn)行人機動態(tài)交互的虛擬實驗。

四 結(jié)束語

《現(xiàn)代教育技術(shù)》虛擬實驗系統(tǒng)在實際教學(xué)中的使用，一方面能緩解設(shè)備更新壓力、提高實驗效率，另一方面，進(jìn)行虛擬現(xiàn)實教學(xué)，能有效的發(fā)揮學(xué)生的各種感官作用，使學(xué)生接受更多、更具體、更完整的信息，從而更加深刻地認(rèn)識事物，將原來單純的媒體操作技能轉(zhuǎn)變?yōu)閷⒚襟w使用技能與學(xué)科教學(xué)整合能力的綜合訓(xùn)練，提高學(xué)生的教育技術(shù)應(yīng)用技能。由于虛擬實驗系統(tǒng)能夠有效地創(chuàng)建學(xué)習(xí)情境、支持合作、方便交流、促進(jìn)知識表達(dá)和應(yīng)用，是一個非常優(yōu)良的建構(gòu)主義學(xué)習(xí)環(huán)境，有著巨大的教育應(yīng)用潛能。它不但可以模擬真實實驗，還可以做出真實實驗無法實現(xiàn)的內(nèi)容[19]，虛擬現(xiàn)實技術(shù)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展，豐富了現(xiàn)有教育體系中教與學(xué)的表現(xiàn)形式[20]，有助于學(xué)生的知識理解能力、問題分析能力以及新知識探索和運用能力的提高。它對轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)教學(xué)觀念，切實貫徹教學(xué)改革起到了積極的推動作用。本研究希望通過“現(xiàn)代教育技術(shù)虛擬實驗室”所提供的三維虛擬實驗平臺，讓學(xué)習(xí)者能夠不受時空制約、身臨其境地操控場景中的實驗對象來完成課程實驗，也為同類虛擬實驗室或相關(guān)學(xué)習(xí)資源的開發(fā)和應(yīng)用提供思路和借鑒。

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