網(wǎng)絡(luò)三維虛擬實驗系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

【摘要】根據(jù)虛擬現(xiàn)實技術(shù)特性，結(jié)合代表性的案例，分析網(wǎng)絡(luò)三維虛擬實驗系統(tǒng)的基本構(gòu)成框架。依據(jù)虛擬實驗系統(tǒng)的開發(fā)流程，以化學虛擬實驗《實驗室制取氣體》的開發(fā)為例，介紹了基于Virtools開發(fā)網(wǎng)絡(luò)三維虛擬實驗系統(tǒng)的方法和過程。最后，對網(wǎng)絡(luò)三維虛擬實驗系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)用進行了總結(jié)與展望。

【關(guān)鍵詞】網(wǎng)絡(luò)三維；虛擬實驗；虛擬現(xiàn)實實驗

【中圖分類號】G40-057 【文獻標識碼】B 【論文編號】1009—8097（2011）07—0114—07

一 前言

隨著教育信息化的推進，遠程教育應(yīng)用實踐不斷更新變革，不斷涌現(xiàn)出的新興技術(shù)得以推廣應(yīng)用，取得了切實的教學與學習效果。虛擬現(xiàn)實技術(shù)支持下的虛擬實驗系統(tǒng)就是近年來其中一個重要的新興技術(shù)應(yīng)用實踐。相關(guān)研究證實虛擬現(xiàn)實技術(shù)利于提高學生的學習興趣，強化理解能力和開拓創(chuàng)造性學習[1]。虛擬現(xiàn)實源自于信息科學技術(shù)，在信息化實踐中自然有其特有的優(yōu)勢，第一是其獨特的視角，顯示的是實時的三維影像，包含了更多的連續(xù)的、直觀的信息，能夠以不同的視圖操作和觀察，產(chǎn)生逼真的臨場感；第二是支持交互式任務(wù)，自然直觀的操作強化了用戶的參與體驗；第三是虛擬化的場景和對象蘊含了更加豐富的抽象信息，實現(xiàn)理論學習到實踐操作的轉(zhuǎn)化。計算機3D圖形學、人工智能、人機接口等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，也為虛擬現(xiàn)實的實踐應(yīng)用打下了堅實的基礎(chǔ)。

建構(gòu)主義理論認為，學習者是在一定學習情境中，借助與他人之間的協(xié)作、交流、利用必要的信息等，構(gòu)建有意義的學習。并且根據(jù)學習者學習類型的差異，通過自我反省或者與他人之間的商榷、討論和辯論，以認識和強化個人及團隊的心智模式。建構(gòu)主義理論支持下的基于虛擬現(xiàn)實的學習環(huán)境就是一個動態(tài)的虛擬仿真學習環(huán)境，可以延伸學習者觀察事物的視角，引導他們探索科學世界的思考和行為的方式，發(fā)展學生不完整的前概念和經(jīng)歷完整的科學探究過程，并且能為學習者提供在現(xiàn)實世界中無法實現(xiàn)的體驗，如原子微觀世界[1]、無法隨意重復(fù)的實訓（V-Frog [2]）等。

根據(jù)相關(guān)文獻研究，目前為止虛擬現(xiàn)實教育應(yīng)用主要涉及的是科學、技術(shù)和數(shù)學教育，用于概念改變、抽象思維的發(fā)展和促進認知發(fā)展[3] [4]?？紤]到經(jīng)濟因素，有網(wǎng)絡(luò)特征的桌面式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)， 是目前虛擬現(xiàn)實科學教育實驗系統(tǒng)最為可行的方式。虛擬現(xiàn)實科學教育實驗系統(tǒng)的開發(fā)，首先要根據(jù)科學學科實驗教育的目的和學習者的認知水平，分析學習者的需求；然后根據(jù)具體學科實驗任務(wù)及步驟，結(jié)合實驗操作的特點，提出虛擬實驗系統(tǒng)執(zhí)行這些操作所學的功能及其子模塊，構(gòu)建虛擬實驗系統(tǒng)的基本構(gòu)成框架；據(jù)此，可確定實驗系統(tǒng)的軟硬件配置，最后，選擇合適的三維建模工具（如3DMAX、MAYA）和虛擬現(xiàn)實編程工具（Virtools、EON）實現(xiàn)系統(tǒng)的制作和發(fā)布[5]。

二 網(wǎng)絡(luò)三維虛擬實驗系統(tǒng)的基本構(gòu)成框架

一個實驗完整實施的工作流程分為實驗準備階段、實驗儀器組裝測試階段、實驗操作階段、數(shù)據(jù)處理階段和實驗總結(jié)評價階段。與傳統(tǒng)實驗系統(tǒng)相比較，有網(wǎng)絡(luò)特征的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)該遵循開放性、易用性原則，能夠重復(fù)實驗以獲取正確數(shù)據(jù)，提示實驗操作正確性等。通過實驗工作流程的分析，結(jié)合虛擬現(xiàn)實技術(shù)3I特性，網(wǎng)絡(luò)三維虛擬實驗系統(tǒng)的基本構(gòu)成框架如圖2所示：

1 輸入/輸出設(shè)備

人類的七大感覺系統(tǒng)包括視覺、聽覺、觸覺、味覺、嗅覺、前庭系統(tǒng)和本體覺。人類就是通過感知來獲取信息。在相關(guān)的科學教育應(yīng)用研究中使用的既有專用設(shè)備，如ImmersaDesk和PHANToM[10][11]，也有PC支持的周邊設(shè)備，如三維鼠標、數(shù)據(jù)手套和頭盔跟蹤器、三維顯示器等。到目前為止，教育應(yīng)用領(lǐng)域的交互設(shè)備主要是鼠標、鍵盤、操縱桿和攝像頭[3] [7]。

2 交互界面

實現(xiàn)實時的人機交互，按照實驗任務(wù)的要求提供一系列的用戶操作和反饋，以支持用戶有意義的學習活動，強化用戶在動態(tài)3D場景中的參與程度。通過鏡頭控制，以第一人稱的視角，用戶借助化身（avatar）進入3D場景，用戶可以將身體變大或者變小，實現(xiàn)宏觀或者微觀世界的漫游，延伸用戶感知信息的能力。

（1） 3D / 2D懸浮操作欄：漫游和自由度（DOFs）操作是懸浮操作欄基本功能項，實現(xiàn)3D對象選擇和3D對象方位變換。這樣用戶可以及時、沒有限制地觀察三維空間內(nèi)的事物，有利于培養(yǎng)空間想象能力。另外，用戶化身通過自然的交互操作還可以強化抽象知識學習和實踐運用。

（2） 系統(tǒng)控制：懸浮式下拉菜單/屬性面板，用于改變實驗環(huán)境參數(shù)，動態(tài)呈現(xiàn)虛擬對象的信息。

（3） 模型庫操作：連接模型數(shù)據(jù)庫，在實驗過程中提供3D對象模型的呈現(xiàn)，提供虛擬模型的描述信息，輔助實施虛擬實驗裝置組裝，生成合適的實驗場景。

（4） 數(shù)據(jù)向?qū)В禾幚韺嶒炦^程中涉及的各種數(shù)據(jù)；記錄學習者的操作過程，并根據(jù)實驗操作指南，自動為學習者評分。連接實驗數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)外部文檔導入，或者實驗數(shù)據(jù)的導出，記錄虛擬學習對象的相關(guān)數(shù)據(jù)集。

（5） 智能向?qū)В簽橛脩艋硖崾静僮鞑襟E，檢驗操作的正確性。如果出現(xiàn)操作失誤，會禁止下一步驟的執(zhí)行，并給出錯誤提示信息[9]。智能向?qū)б部梢杂谢恚ㄟ^會話的方式與用戶交流。

3 虛擬模型數(shù)據(jù)庫

一類是虛擬儀器元件、虛擬對象（如原子、藥品等）作為虛擬學習對象，包括可視化的3D模型及對象的描述信息。學習對象的知識結(jié)構(gòu)是科學教育中知識學習的基本內(nèi)容。另一類是場景模型，包含不同實驗要求所需的虛擬場景。學習者可以依據(jù)具體的實驗要求，調(diào)用適用的虛擬儀器和虛擬對象進行組裝。

4 虛擬實驗演示系統(tǒng)

可視化的流程有助于更好的理解科學概念[14]。如數(shù)學和物理教學中的內(nèi)容大多是抽象的公式，用傳統(tǒng)的說教式教學方法很難解釋清楚，虛擬的實驗流程演示使得學習者一看就能觀察出動態(tài)逼近的科學本質(zhì)。如此以來，抽象的內(nèi)容變得更為形象、更為直觀。

另外，具有網(wǎng)絡(luò)特征的虛擬實驗系統(tǒng)，應(yīng)包含有實驗共享功能，如實驗結(jié)果和感想的交流，幫助，提示實驗常見故障和問題的解決辦法等等。如組建實驗在線學習共同體，就是推進虛擬實驗系統(tǒng)平臺應(yīng)用的有效措施[10]。系統(tǒng)可采用三層結(jié)構(gòu)體系，即客戶端、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器和數(shù)據(jù)服務(wù)器，一般硬件設(shè)備要求不高的情況下，優(yōu)先考慮B/S應(yīng)用模式，即借助瀏覽器配置相應(yīng)插件支持客戶端的運行。

三 《實驗室制取氣體》化學虛擬實驗開發(fā)實例

化學是一門以實驗教學為基礎(chǔ)的學科，通過實驗可以更加形象地描述化學現(xiàn)象，深化學生對知識的理解和掌握。虛擬化學實驗創(chuàng)設(shè)了仿真的實驗環(huán)境，提供了豐富生動的實驗儀器，實現(xiàn)形象化教學，為學習者創(chuàng)建互動的、可重復(fù)使用的實驗場景，不僅有利于培養(yǎng)學生的設(shè)計能力、創(chuàng)新思維能力，而且解決了實驗資源浪費、實驗時間和實驗地點限制等化學實驗教學中問題，提高實驗教學質(zhì)量。

實例利用三維建模軟件3ds Max和虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)開發(fā)工具Virtools開發(fā)一個實驗室制取氣體專題的桌面式虛擬化學實驗系統(tǒng)，如圖4所示，主要實現(xiàn)功能模塊有：系統(tǒng)操作說明介紹、化學實驗儀器自動組裝演示、實驗儀器組裝、化學實驗藥品添加化學實驗現(xiàn)象觀察。

本虛擬實驗系統(tǒng)旨在使學習者了解儀器的組裝、拆分順序，藥品添加方法，了解實驗反應(yīng)過程，分析實驗現(xiàn)象等。在實驗過程中通過本系統(tǒng)提高實驗者的學習興趣，使其掌握實驗儀器的組裝和拆分順序；通過對實驗現(xiàn)象的觀察、對比和分析，鞏固所學化學知識，理解相關(guān)化學原理；培養(yǎng)學生分析問題和解決問題能力。

為了便于儀器的準確組裝和實驗現(xiàn)象的多角度觀察，通過鏡頭（Camera）進行了交互設(shè)置，使用鍵盤按鍵來切換攝像機視角并利用鼠標右鍵對其進行旋轉(zhuǎn)。如圖5所示為相應(yīng)的BB及參數(shù)設(shè)置。實驗系統(tǒng)的實驗元器件的操控包括兩類工具，一類是利用自由度（DOF）操作工具，以觀察和變換虛擬模型方位。一類是選擇和添加元器件，按照實驗要求，完成系統(tǒng)組裝。

Virtools中提供的粒子系統(tǒng)(Particle System)，為虛擬化學實驗中產(chǎn)生的各種現(xiàn)象提供了豐富的設(shè)計內(nèi)容，使虛擬實驗更加形象和逼真。酒精燈火焰特效主要使用Point Particle System（點粒子系統(tǒng)），對于氣泡特效設(shè)計使用Spherical Particle System（球形粒子系統(tǒng)），液體傾倒采用Curve Particle System（曲線粒子系統(tǒng)）。

對于虛擬模型和實驗數(shù)據(jù)的導入，Virtools連接數(shù)據(jù)庫除了使用自帶的服務(wù)器形式連接外，也可以自定義BB（Building Block）來連接數(shù)據(jù)庫，這里選擇的是自定義連接MySQL數(shù)據(jù)庫。以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)三維虛擬實驗系統(tǒng)的數(shù)據(jù)后臺更新與維護，這是實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗系統(tǒng)開放性和通用性的關(guān)鍵技術(shù)。

最后應(yīng)用Virtools開發(fā)的網(wǎng)絡(luò)三維虛擬實驗發(fā)布成應(yīng)用在B/ S 或C/ S 模式的兩種格式文件。前者發(fā)布為vmo格式，嵌入到網(wǎng)頁中，適于網(wǎng)絡(luò)瀏覽器傳輸; 后者需要應(yīng)用VirtoolsMakeExe插件將其轉(zhuǎn)換成exe格式，并應(yīng)用軟件封裝工具制成客戶端可執(zhí)行程序，可安裝在用戶的計算機中，避免網(wǎng)絡(luò)傳輸帶寬的影響， 以提升網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗的流暢性。

四 總結(jié)

一個得到普遍接受的虛擬現(xiàn)實實驗系統(tǒng)，需要提供最簡便的控制方式，以及一些基本的物理體驗。觸控設(shè)備擁有輸入和反饋所需的相關(guān)元素。

有網(wǎng)絡(luò)特征的桌面式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)對于硬件系統(tǒng)要求并不高，在個人微型電腦上都能很好的體驗到實驗過程，系統(tǒng)逼真的虛擬場景制作和詳盡的過程解釋，為用戶呈現(xiàn)了一種視覺上的沖擊效果。自然真實的感官體驗， 能將那些抽象的結(jié)構(gòu)原理實現(xiàn)可視化，加深概念的理解，針對無法隨意重組的設(shè)備作仿真實訓，獲得與真實實驗一樣的體驗，從而豐富感性認識。根據(jù)混合式學習理論，虛擬實驗系統(tǒng)可以成為與課堂教學相結(jié)合的有效在線學習中心，實現(xiàn)空間和時間上的延伸，充分體現(xiàn)教師和學生的實驗參與程度。

另外，從安全和環(huán)保角度考慮，虛擬現(xiàn)實實驗系統(tǒng)既不需要化學物品和危險的實驗工具如炸藥，也不要提供實驗樣本如動物，更不會對生態(tài)環(huán)境造成破壞。

制約虛擬現(xiàn)實實驗系統(tǒng)發(fā)展的瓶頸是虛擬現(xiàn)實相關(guān)的建模，如幾何建模、運動建模、物理建模等需具備一定專業(yè)技能的人員制作，對于精細的實驗儀器和化學現(xiàn)象的建模離預(yù)期的效果還有相當差距等。當下也存在相關(guān)實驗資源不足的問題，如實驗元器件模型缺乏。但隨著一系列實用開發(fā)工具，如Virtools、EON等不斷推出，上述的問題得到了很好的解決，使得虛擬實驗系統(tǒng)從實驗室研究轉(zhuǎn)入教學實踐成為現(xiàn)實。

從經(jīng)濟角度講，虛擬現(xiàn)實實驗系統(tǒng)給科學實驗教育節(jié)省了開支。但對于虛擬實驗系統(tǒng)來說，最大的挑戰(zhàn)是在實踐應(yīng)用中，在課堂和教學過程究竟會產(chǎn)生什么樣的效果，因為教師的要求、課程目標和學生的認知水平等都是必須考慮的影響因素。這就要求老師和學生都需參與到設(shè)計滿足自己要求的虛擬實驗項目里。

五 趨勢

如果將虛擬現(xiàn)實實驗系統(tǒng)加上“增強現(xiàn)實”技術(shù)（Augmented Reality），通過真實環(huán)境和虛擬現(xiàn)實景象的結(jié)合，既能減少生成復(fù)雜實驗環(huán)境的開銷，又便于對虛擬場景中的對象進行操作通過增強現(xiàn)實技術(shù)，人們不僅能夠有視覺和觸覺的體驗，還能夠有感覺的新體驗，那么其應(yīng)用范圍也就更加廣闊了。

引入分布式發(fā)布，支持多用戶協(xié)作實驗，創(chuàng)建學習共同體，使用戶聯(lián)合在一起成為一個虛擬實驗社區(qū)，將把實驗系統(tǒng)提升到一個新的境界。

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Designing and Implementing of Web 3D Virtual Lab System

SUN Jiang-shan YU Lan

(Department of education Information Technology， East China Normal University， Shanghai 200062，China)

Abstract: By analyzing classic cases at home and abroad， expounding the techniques and theory of virtual reality and making the classification and characteristics of virtual Lab， summarizing the advantages and strategy that were used to construct the framework of Web 3D virtual Lab system. In order to support the framework effectively， designing an example of “gas making in laboratory” with virtools software， summarizing key methods and key techniques in virtools modeling and virtools interaction. Finally， furthermore show off a summary and outlook.

Keywords: Web 3D; virtual lab; virtual experiment; virtual reality

收稿日期：2011年5月15日 編輯：小禾