基于虛擬現(xiàn)實(shí)仿真的教學(xué)實(shí)驗(yàn)室研究

柴　群　張世祿　李　佳

摘要 利用虛擬現(xiàn)實(shí)的“3I”特性和計(jì)算機(jī)仿真的有機(jī)融合所建立的各種虛擬現(xiàn)實(shí)仿真實(shí)驗(yàn)室在教育上應(yīng)用前景廣闊，尤其在物理、化學(xué)、生物等需要實(shí)驗(yàn)的學(xué)科中更是如此。分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)狀，結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)仿真研究的成果，對(duì)建設(shè)虛擬現(xiàn)實(shí)仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)室的一種實(shí)現(xiàn)方式進(jìn)行探討。

關(guān)鍵詞 實(shí)驗(yàn)教學(xué)；計(jì)算機(jī)仿真；虛擬現(xiàn)實(shí)；虛擬現(xiàn)實(shí)仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)室

中圖分類(lèi)號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-489X（2009）04-0062-03

Based on Virtual Reality Simulation Teaching-Laboratory Research//Chai Qun, Zhang Shilu, Li Jia

Abstract The use of virtual reality“3I”and the characteristics of the organic integration of computer simulation created by a variety of virtual reality simulation lab in education and broad prospects, especially in physics, chemistry, biology and so on need to experiment, especially in the disciplines. This thesis analyzes the experimental teaching of the status, the combination of virtual reality simulation results, building on the Virtual Reality Simulation Teaching-lab to explore one of the ways to achieve.

Key words teaching experiment；computer simulation；virtual reality；virtual reality simulation Teaching-lab

Authors address West China Normal University, Department of Educational Technology, NanChong, Sichuan637000

實(shí)驗(yàn)教學(xué)，在對(duì)學(xué)生科學(xué)素質(zhì)、創(chuàng)新能力和研究能力的培養(yǎng)方面起著非常重要的作用，是理論教學(xué)所不能替代的。有很多實(shí)驗(yàn)都是當(dāng)時(shí)科技發(fā)展的突破性成果，有的實(shí)驗(yàn)對(duì)概念的深化、對(duì)總結(jié)規(guī)律和規(guī)律的解釋作出巨大貢獻(xiàn)，是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素質(zhì)不可缺少的內(nèi)容。實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)當(dāng)在教學(xué)過(guò)程中與理論教學(xué)具有同等重要的地位[1]。

但是長(zhǎng)期以來(lái)，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，學(xué)生缺乏個(gè)性和創(chuàng)造力。很多學(xué)生在做實(shí)驗(yàn)時(shí)，只是按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)上的要求，按部就班地完成，遇到問(wèn)題時(shí)不去尋找解決問(wèn)題的方法，而是等待教師去解決，最后機(jī)械地填寫(xiě)數(shù)據(jù)。還有不少學(xué)生對(duì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的目的存在認(rèn)識(shí)上的錯(cuò)誤，他們認(rèn)為實(shí)驗(yàn)只不過(guò)是驗(yàn)證書(shū)本上的理論知識(shí)，缺乏對(duì)實(shí)驗(yàn)的興趣，其結(jié)果就是對(duì)待實(shí)驗(yàn)的態(tài)度馬馬虎虎，敷衍了事。這樣的實(shí)驗(yàn)教學(xué)很難培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際操作能力和創(chuàng)造力。

造成這種現(xiàn)象的原因是多方面的。

1）實(shí)驗(yàn)課教學(xué)的單一性。目前實(shí)驗(yàn)課內(nèi)容過(guò)多的屬于驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，主要用于驗(yàn)證書(shū)本知識(shí)和重復(fù)前人的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)。學(xué)生由于缺乏時(shí)代背景知識(shí)，很難體會(huì)其意義，因此興趣不高，也就很難激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。

2）實(shí)驗(yàn)課開(kāi)課不足。其中主要的原因是顧慮儀器的損壞和器材的消耗，從而增加實(shí)驗(yàn)開(kāi)支，以及學(xué)生實(shí)驗(yàn)安全。有些精密的現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)儀器非常昂貴而且易損壞，有一些學(xué)校出于資金投入的考慮只是買(mǎi)入而不使用；有些實(shí)驗(yàn)（如化學(xué)中的燃燒實(shí)驗(yàn)、酸堿實(shí)驗(yàn)）在進(jìn)行時(shí)存在一定的危險(xiǎn)，學(xué)校出于安全考慮，很少開(kāi)設(shè)這部分實(shí)驗(yàn)或者即使開(kāi)設(shè)也是進(jìn)行演示性實(shí)驗(yàn)；有些實(shí)驗(yàn)周期較長(zhǎng)（如種子培育實(shí)驗(yàn)），在規(guī)定的時(shí)間里學(xué)生很難理解其實(shí)驗(yàn)原理，很多學(xué)校為了節(jié)約時(shí)間，很少開(kāi)設(shè)這些實(shí)驗(yàn)課。

針對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問(wèn)題，很多學(xué)者提出利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。所謂計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)（Computer Simulation），是一個(gè)通過(guò)建立與真實(shí)系統(tǒng)相對(duì)應(yīng)的數(shù)學(xué)模型并在計(jì)算機(jī)上解算的過(guò)程。它涉及3個(gè)要素（物理系統(tǒng)、數(shù)學(xué)模型、計(jì)算機(jī)）和3個(gè)基本活動(dòng)（系統(tǒng)建模、仿真建模、仿真實(shí)驗(yàn)），它們之間的關(guān)系如圖1所示[2]。

計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)有很多優(yōu)點(diǎn)，主要表現(xiàn)在：節(jié)約資金投入，一次投入可多次使用；可以進(jìn)行安全的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)室不必考慮儀器的損壞、對(duì)身體造成傷害，可大膽進(jìn)行各種嘗試，不受課時(shí)和課堂的限制；高逼真度的計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

鑒于計(jì)算機(jī)仿真的特點(diǎn)，目前許多學(xué)校都利用計(jì)算機(jī)仿真進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。主要應(yīng)用于：常規(guī)教學(xué)；進(jìn)行高難度實(shí)驗(yàn)，如行星碰撞實(shí)驗(yàn)等；進(jìn)行危險(xiǎn)系數(shù)很高的實(shí)驗(yàn)，如汽車(chē)碰撞實(shí)驗(yàn)等；進(jìn)行周期漫長(zhǎng)的實(shí)驗(yàn)，如小麥育種實(shí)驗(yàn)等。

但是這種仿真技術(shù)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在一定的局限性。首先，在這種仿真技術(shù)中人是觀察者。計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)在工作時(shí)，雖然可以為仿真過(guò)程及結(jié)果添加文本提示、圖形、圖像或動(dòng)畫(huà)來(lái)保證仿真過(guò)程的直觀性，但是人只是觀察者，通過(guò)觀察獲得結(jié)果，而非自身體驗(yàn)。其次，仿真實(shí)驗(yàn)是“靜態(tài)”的，缺乏交互性。所謂交互性（Interaction），是指用戶(hù)對(duì)虛擬環(huán)境內(nèi)的物體的可操作程度和從環(huán)境得到反饋的自然程度（包含實(shí)時(shí)性）[3]。這種計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)無(wú)法模擬人對(duì)外部環(huán)境的感知（聽(tīng)覺(jué)、視覺(jué)、觸覺(jué)等）。如在進(jìn)行失重仿真實(shí)驗(yàn)時(shí)，人無(wú)法親身去體驗(yàn)失重的感覺(jué)；在進(jìn)行重量實(shí)驗(yàn)，人抓起被仿真的物體時(shí)，無(wú)法感覺(jué)物體的重量。

鑒于此，研究人員結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)及計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的特點(diǎn)，提出虛擬現(xiàn)實(shí)仿真的技術(shù)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是在計(jì)算機(jī)技術(shù)支持下的一種人工環(huán)境，是人類(lèi)與計(jì)算機(jī)及其復(fù)雜的數(shù)據(jù)進(jìn)行交互的一種技術(shù)。通常虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)具有“3I”特性：沉浸性（Immersion）、交互性（Interaction）和想象性（Imagination）。另外，從目前發(fā)展的狀況來(lái)看，虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)還具備多感知性（Multi-Sensory）。多感知除了指一般計(jì)算機(jī)技術(shù)所具有的視覺(jué)感知外，還有聽(tīng)覺(jué)、力覺(jué)、觸覺(jué)、運(yùn)動(dòng)、嗅覺(jué)、味覺(jué)的感知等，理想的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)該具有一切人所具有的感知功能。但是由于受到傳感技術(shù)的限制，目前虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)所具有的感知功能僅限于視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、力覺(jué)、觸覺(jué)、運(yùn)動(dòng)、嗅覺(jué)。根據(jù)臨場(chǎng)參與感和交互方式的不同，虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)可分為桌面虛擬現(xiàn)實(shí)（Desktop Virtual Reality，Desktop-VR）系統(tǒng)、沉浸虛擬現(xiàn)實(shí)（Immersive Virtual Reality，IVR）系統(tǒng)、分布式虛擬現(xiàn)實(shí)（Distributed Virtual Reality，DVR）系統(tǒng)、協(xié)同虛擬現(xiàn)實(shí)（Collaborative Virtual Reality，CVR）系統(tǒng)[3-6]。

融合了虛擬現(xiàn)實(shí)和計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，具有二者的優(yōu)點(diǎn)，用戶(hù)在使用這種系統(tǒng)時(shí)，仿真系統(tǒng)不僅能夠自主運(yùn)行，而且用戶(hù)能夠“走進(jìn)去”，不僅具有良好的交互性和沉浸感，還具有很高的逼真度。這樣既可以滿(mǎn)足人通過(guò)運(yùn)行仿真模型獲取必要的數(shù)據(jù)和對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的認(rèn)識(shí)，而且還能體會(huì)到真實(shí)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程的場(chǎng)景，從而真正實(shí)現(xiàn)“人在回路中（Man-In-Loop）的仿真” [3]的夢(mèng)想。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)本身是多種高科技技術(shù)的綜合體，實(shí)際工作中需要各個(gè)領(lǐng)域的專(zhuān)家，花費(fèi)大量的時(shí)間、金錢(qián)、精力，相互協(xié)作來(lái)建立一個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，并不是每一個(gè)教育教學(xué)單位所能負(fù)擔(dān)起的。但是在實(shí)際工作中，主要關(guān)注的是仿真，而在仿真領(lǐng)域關(guān)心的不是圖形/圖像處理、定位跟蹤設(shè)備等，而是仿真建模、仿真過(guò)程的演示、仿真結(jié)果的分析與表現(xiàn)等。比如，結(jié)合VRML（Virtual Reality Modeling Language，虛擬現(xiàn)實(shí)造型語(yǔ)言）、Java Applet及VWP（Virtual World Player，虛擬世界播放器）就可以在PC機(jī)上實(shí)現(xiàn)一個(gè)功能強(qiáng)大的虛擬現(xiàn)實(shí)仿真系統(tǒng)。盡管VRML可以用來(lái)構(gòu)造虛擬的世界，但是從仿真的觀點(diǎn)來(lái)看，純VRML構(gòu)造的虛擬世界是“靜態(tài)”的，所有的運(yùn)動(dòng)及反應(yīng)行為都是預(yù)先定義好的。因?yàn)榇蠖鄶?shù)的VWP都支持Java、JavaScript及VRML Script語(yǔ)言，所以可以利用VRML中的Script節(jié)點(diǎn)作為Java的接口能力來(lái)擴(kuò)展其功能。VRML、Java Applet及VWP三者關(guān)系圖如圖2所示。

VWP讀取并解釋VRML文件和Java Applet來(lái)構(gòu)造虛擬世界，VRML創(chuàng)建一個(gè)預(yù)定義好的虛擬世界，而Java Applet是告訴VWP這個(gè)世界是如何動(dòng)態(tài)地運(yùn)轉(zhuǎn)。實(shí)際上，Java Applet就是虛擬現(xiàn)實(shí)仿真系統(tǒng)的仿真驅(qū)動(dòng)核心，它控制仿真的運(yùn)行，收集仿真統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，動(dòng)態(tài)地添加、刪除仿真實(shí)體等。VRML文件只不過(guò)是用來(lái)描述仿真的環(huán)境布局，而諸如物體自由轉(zhuǎn)換視角、碰撞、相應(yīng)用戶(hù)的操作等都是由VWP來(lái)處理的。這樣一個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題就變成一個(gè)相對(duì)容易的工作，即用Java Applet來(lái)實(shí)現(xiàn)仿真工作。目前支持仿真的Java的產(chǎn)品有很多，如Simkit、JavaSim、JSIM、SimJava、Silk等[7]。

解決了基礎(chǔ)的問(wèn)題之后，就可以接著討論怎樣實(shí)現(xiàn)的問(wèn)題。一般虛擬現(xiàn)實(shí)仿真實(shí)驗(yàn)可以分為2類(lèi)[8]：“演示型”實(shí)驗(yàn)和“操作型”實(shí)驗(yàn)?！把菔拘汀睂?shí)驗(yàn)只是對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行演示，實(shí)驗(yàn)者僅為觀眾。這類(lèi)實(shí)驗(yàn)仿真系統(tǒng)缺乏交互性，實(shí)現(xiàn)也比較簡(jiǎn)單，本文不做討論。而“操作型”實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)者親自參與實(shí)驗(yàn)，是實(shí)驗(yàn)的主導(dǎo)者。這類(lèi)仿真實(shí)驗(yàn)執(zhí)行起來(lái)主要面對(duì)2個(gè)方面。

1）實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的演示。即當(dāng)一定的實(shí)驗(yàn)操作進(jìn)行時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果的表示問(wèn)題。在VRML中，動(dòng)畫(huà)主要依靠一個(gè)時(shí)間傳感器和一些內(nèi)插點(diǎn)來(lái)控制場(chǎng)景的動(dòng)畫(huà)效果。其基本的方法就是時(shí)間檢測(cè)器（TimeSensor）給出一個(gè)控制動(dòng)畫(huà)效果的時(shí)鐘，這個(gè)時(shí)鐘包含動(dòng)畫(huà)效果的開(kāi)始時(shí)間、停止時(shí)間、時(shí)間間隔和是否循環(huán)等動(dòng)畫(huà)參數(shù)，然后通過(guò)這個(gè)時(shí)鐘的輸出在VWP中顯示。

2）虛擬儀器的操作實(shí)現(xiàn)，如虛擬儀器的移動(dòng)、放置、虛擬物品的加入/減出等，即如何實(shí)現(xiàn)用戶(hù)與虛擬儀器間的交互。

在VRML中，可以在一般的Shape節(jié)點(diǎn)上加上類(lèi)似傳感器（Sensor）的節(jié)點(diǎn)，這些傳感器節(jié)點(diǎn)可以感應(yīng)用戶(hù)的操作，從而做出反應(yīng)。前文所提到的單用VRML無(wú)法實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)仿真，必須加入Java Applet來(lái)完成一系列復(fù)雜交互過(guò)程。因此，要想實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)仿真實(shí)驗(yàn)的強(qiáng)大交互功能，必須VRML、Java Applet緊密結(jié)合。

前文所提到的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)都是用于單人，然而在現(xiàn)實(shí)生活中，有些實(shí)驗(yàn)需要多人分工協(xié)作才能完成。解決此類(lèi)問(wèn)題可以引入DVR，建立分布式虛擬現(xiàn)實(shí)仿真實(shí)驗(yàn)室，協(xié)作者可以利用此系統(tǒng)參與協(xié)同實(shí)驗(yàn)。如果再引入CVR技術(shù)，如虛擬空間會(huì)議系統(tǒng)（Virtual space teleconferencing，VST），教師也可以參與其中對(duì)實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)進(jìn)行講解或?qū)W(xué)生進(jìn)行單個(gè)輔導(dǎo)。這樣就可建成一個(gè)基于PC機(jī)和Internet的，有教師、學(xué)生共同參與的協(xié)同式虛擬現(xiàn)實(shí)仿真實(shí)驗(yàn)室。

虛擬現(xiàn)實(shí)仿真實(shí)驗(yàn)室的應(yīng)用，不但可以極大地提高學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情、動(dòng)手能力，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新精神，而且可以實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)資源的共享，縮短教育投資差距。筆者相信，隨著虛擬現(xiàn)實(shí)軟硬件的不斷完善，性能的不斷提高，尤其是計(jì)算機(jī)價(jià)格的不斷下降，虛擬現(xiàn)實(shí)仿真實(shí)驗(yàn)室將在未來(lái)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中獲得廣泛的應(yīng)用。

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