基于VRP的研究性虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

陳 莉，趙一鳴

（1.寧波大學(xué) 教師教育學(xué)院，浙江 寧波315211；2.寧波大學(xué) 科技學(xué)院，浙江 寧波315211）

引言

新課改實(shí)施后，高中信息技術(shù)課程體系發(fā)生了很大的變化，選修模塊增加了很多實(shí)驗(yàn)性的課程內(nèi)容，例如計(jì)算機(jī)硬件組裝、網(wǎng)線的制作、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)配置、機(jī)器人裝配與調(diào)試等都具有很強(qiáng)的操作性，其目的是要培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力。但目前很多學(xué)校由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備的缺乏學(xué)生無法真正動手進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，為了解決實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境缺失這一難題，我們設(shè)計(jì)與開發(fā)了虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

近年來隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)外的學(xué)者在虛擬實(shí)驗(yàn)這方面做了大量的研究和開發(fā)工作，但主要面向的是高等教育理工科實(shí)驗(yàn)教學(xué)，基礎(chǔ)教育中的研究比較少，主要也是針對物理、化學(xué)、生物等主科，作為副科的信息技術(shù)長期不受重視，在虛擬實(shí)驗(yàn)方面的研究屈指可數(shù)：有文獻(xiàn)介紹了用虛擬機(jī)技術(shù)搭建虛擬實(shí)驗(yàn)平臺的方法；[1]也有文獻(xiàn)介紹了用3DsMax和VR-Platform（以下簡稱VRP）開發(fā)一個(gè)可交互的課件。[2]從技術(shù)實(shí)現(xiàn)的角度來看，采用虛擬機(jī)技術(shù)能夠解決硬件設(shè)施不足的問題，方便硬件設(shè)備的管理，但是平臺缺乏交互性；[1]也有的給高中信息技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)帶來了新思路，卻僅僅是一個(gè)單獨(dú)的虛擬實(shí)驗(yàn)實(shí)例，不具有擴(kuò)展性。[2]

本文針對上述不足，提出利用VRP構(gòu)建研究性虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的方案，即以VRP作為虛擬場景的開發(fā)工具，以研究性學(xué)習(xí)理論為基礎(chǔ)指導(dǎo)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)教學(xué)設(shè)計(jì)。該方案能夠克服上述方法中技術(shù)實(shí)現(xiàn)的不足，同時(shí)注重系統(tǒng)的教學(xué)特性，具有交互性、平臺擴(kuò)展性，易于實(shí)現(xiàn)和自主性、探究性等特征。

一、研究性虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

本文以高中信息技術(shù)選修課程《網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用》為例，依據(jù)《網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用》課程實(shí)驗(yàn)要求設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)基于VRP的研究性虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總目標(biāo)是要改善目前實(shí)驗(yàn)設(shè)備缺乏的現(xiàn)狀以及培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力。其中研究性虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的“研究性”，指的是以研究性學(xué)習(xí)理論為指導(dǎo)思想，設(shè)計(jì)出來的虛擬實(shí)驗(yàn)具有研究性學(xué)習(xí)的特點(diǎn)，能使學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)增強(qiáng)實(shí)踐探究能力和創(chuàng)新意識。目前對研究性學(xué)習(xí)的定義沒有統(tǒng)一的界定，《普通高中研究性學(xué)習(xí)實(shí)施指南（試行）》給出的定義是：研究性學(xué)習(xí)特指學(xué)生在教師指導(dǎo)下，從自然、社會和生活中選擇和確定專題進(jìn)行研究，并在研究過程中主動地獲取知識、應(yīng)用知識、解決問題的學(xué)習(xí)活動。[3]根據(jù)此定義，這里將研究性學(xué)習(xí)理解為一種學(xué)習(xí)方式，它相對應(yīng)于接受性學(xué)習(xí)，學(xué)生的學(xué)習(xí)是一個(gè)主動探究問題、創(chuàng)造性地解決問題的過程。具有自主性、開放性、主題性、實(shí)踐性、探究性和創(chuàng)造性等特點(diǎn)。[4]

1.教學(xué)設(shè)計(jì)

（1）學(xué)習(xí)者分析

學(xué)生是虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)使用的主體，因此在系統(tǒng)開發(fā)前必須充分考慮學(xué)生的特點(diǎn)、認(rèn)知水平和認(rèn)知風(fēng)格等基本特征，為后續(xù)的開發(fā)工作提供依據(jù)。高中生的生理和心理都進(jìn)入成熟期，思維具有創(chuàng)造性和靈活性，喜歡新事物和創(chuàng)造性的活動，因此在新穎而有趣的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境中進(jìn)行自主探究學(xué)習(xí)，能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，滿足學(xué)生的求知欲和探索精神。

（2）研究性教學(xué)內(nèi)容與學(xué)習(xí)資源設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中包含《網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用》教材中大部分的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，通過對實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的整合，選取能夠體現(xiàn)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)教學(xué)優(yōu)勢、實(shí)踐體驗(yàn)性強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，每個(gè)實(shí)驗(yàn)都是以問題的形式呈現(xiàn)，學(xué)生在這個(gè)問題情境下，可以提出具體的研究問題作為實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)目標(biāo)。為輔助學(xué)生自主實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)提供理論豐富的學(xué)習(xí)資源，如文本學(xué)習(xí)資料、圖片、動畫及視頻案例等，學(xué)生可以自由地組織和獲取各種學(xué)習(xí)資源。

以上設(shè)計(jì)體現(xiàn)了研究性學(xué)習(xí)開放性的特點(diǎn)，學(xué)生可以自主選擇實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與學(xué)習(xí)資源進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，另外，虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)能夠使學(xué)生不受時(shí)間和空間的限制隨時(shí)隨地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，體現(xiàn)了整個(gè)研究性虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的開放性。

（3）教學(xué)目標(biāo)分析

教學(xué)目標(biāo)是教學(xué)的出發(fā)點(diǎn)和歸宿，也是對學(xué)生學(xué)習(xí)效果評價(jià)的依據(jù)。虛擬實(shí)驗(yàn)的具體目標(biāo)分為兩個(gè)：知識、技能目標(biāo)和實(shí)驗(yàn)活動目標(biāo)，其中實(shí)驗(yàn)活動目標(biāo)中包含情感態(tài)度、精神素養(yǎng)方面的要求。

（4）自主實(shí)驗(yàn)策略制定

研究性學(xué)習(xí)強(qiáng)調(diào)學(xué)生的主體地位，要充分發(fā)揮學(xué)生的主動性，因此自主實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)應(yīng)以學(xué)生為中心，學(xué)生自主對實(shí)驗(yàn)引導(dǎo)的問題進(jìn)行探索，從實(shí)驗(yàn)儀器的選擇、實(shí)驗(yàn)操作步驟的確定、學(xué)習(xí)資源的利用到實(shí)驗(yàn)報(bào)告的填寫，都是由學(xué)生自主安排，教師不參與實(shí)驗(yàn)過程，而是給出相關(guān)知識點(diǎn)解析、視頻或PPT演示示例供學(xué)生參考，學(xué)生可以根據(jù)自己的學(xué)習(xí)情況安排自己實(shí)驗(yàn)進(jìn)度。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程具有自主性、探究性和實(shí)踐性，同時(shí)學(xué)生探究實(shí)驗(yàn)的過程也是一個(gè)創(chuàng)造性的過程。

（5）反饋評價(jià)設(shè)計(jì)

研究性虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的反饋評價(jià)設(shè)計(jì)，主要是通過填寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告進(jìn)行的，同時(shí)也注重學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程的評價(jià)與學(xué)生的自我評價(jià)。目的在于讓學(xué)生及時(shí)了解自己的實(shí)驗(yàn)情況，反復(fù)修正和探索實(shí)驗(yàn)問題，教師也可以通過學(xué)生的實(shí)驗(yàn)反饋了解學(xué)生的學(xué)習(xí)情況。

2.系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括簡介、儀器庫、實(shí)驗(yàn)列表、背景音樂、幫助和退出系統(tǒng)六個(gè)組成部分，其中最核心的部分是虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)K，每個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)功能設(shè)計(jì)大致一樣，主要由實(shí)驗(yàn)介紹、演示示例、儀器選擇、自主實(shí)驗(yàn)及反饋?zhàn)詼y五大功能模塊組成。系統(tǒng)的框架設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 《網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用》虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)介紹模塊：介紹每個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)背景概述、教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)。示例演示模塊：包括視頻教程和PPT動畫演示文稿，通過鼠標(biāo)點(diǎn)擊虛擬投影屏幕模型上的按鈕進(jìn)行播放。儀器選擇模塊：虛擬儀器桌上主要有水晶頭、雙絞線、網(wǎng)線測試儀、壓線鉗、路由器、交換機(jī)等虛擬儀器，通過鼠標(biāo)點(diǎn)擊虛擬儀器模型實(shí)現(xiàn)交互，從而選擇實(shí)驗(yàn)所需要的儀器設(shè)備。自主實(shí)驗(yàn)?zāi)K：這是學(xué)生進(jìn)行自主虛擬實(shí)驗(yàn)的開放性場所，學(xué)生在虛擬小女孩角色的引導(dǎo)下進(jìn)入虛擬實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行自主實(shí)驗(yàn)探究。本模塊中提供的資源包括動畫漫游、問題引導(dǎo)、知識點(diǎn)解析、操作內(nèi)容和實(shí)踐拓展，學(xué)生實(shí)驗(yàn)前可以通過動畫漫游熟悉整個(gè)實(shí)驗(yàn)環(huán)境，然后根據(jù)給出的操作內(nèi)容，自主進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，實(shí)驗(yàn)中有疑惑可查看教師給出的問題引導(dǎo)及相關(guān)知識點(diǎn)解析，學(xué)有余力的學(xué)生還可以完成實(shí)踐拓展中的內(nèi)容，進(jìn)一步提高自己能力。反饋?zhàn)詼y模塊：附有實(shí)驗(yàn)記錄表、實(shí)驗(yàn)中問題分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)論填寫。

3.流程設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的先后順序，虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)流程圖包括前期準(zhǔn)備階段、3D建模階段和交互設(shè)置階段三個(gè)步驟，如圖2所示。

圖2 虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)流程圖

（1）素材收集

在系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的前期準(zhǔn)備階段，除了對教學(xué)設(shè)計(jì)“軟”素材的準(zhǔn)備，還要對虛擬場景制作的“硬”素材進(jìn)行收集。由于虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是以實(shí)體實(shí)驗(yàn)室為基礎(chǔ)進(jìn)行仿真構(gòu)建的，因此要對實(shí)驗(yàn)室的外形構(gòu)造信息和紋理材質(zhì)、貼圖照片等進(jìn)行采集。

（2）三維模型建立

本文采用功能強(qiáng)大、界面友好的3dsMax2010進(jìn)行《網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用》虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境的構(gòu)建，主要包括虛擬實(shí)驗(yàn)室、虛擬實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備如水晶頭、雙絞線、壓線鉗、PC機(jī)、路由器等模型的構(gòu)建。模型框架創(chuàng)建后，為模型添加材質(zhì)和貼圖、布置燈光及場景烘焙，其效果如圖3所示。

圖3 《網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用》虛擬實(shí)驗(yàn)室場景示意圖

（3）交互設(shè)計(jì)

在3dsMax2010中完成虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境建模后，通過安裝好的VRP-for-Max插件導(dǎo)入VRP編輯器中，導(dǎo)出的時(shí)候可以進(jìn)行預(yù)覽。成功導(dǎo)入VRP編輯器后便可對虛擬實(shí)驗(yàn)場景進(jìn)行編輯和調(diào)整，進(jìn)行交互設(shè)計(jì)。本文所實(shí)現(xiàn)的是桌面式虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，學(xué)習(xí)者與系統(tǒng)的交互主要是通過鼠標(biāo)、鍵盤及界面的按鈕進(jìn)行，通過設(shè)置模型或按鈕的事件觸發(fā)腳本命令實(shí)現(xiàn)與場景中對象的各種互動，如實(shí)現(xiàn)對模型的平移、縮放、旋轉(zhuǎn)及在場景中進(jìn)行漫游、行走等。

（4）虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)發(fā)布

VRP虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的發(fā)布比較簡單靈活，既可以將文件編譯成單機(jī)可獨(dú)立執(zhí)行的*.exe文件，也可以輸出為Vrpie文件通過互聯(lián)網(wǎng)在線瀏覽交互。

二、具體實(shí)現(xiàn)案例

1.開發(fā)環(huán)境介紹

VR-Platform(VirtualRealityPlatform，簡稱VRP)是北京中視典數(shù)字科技有限公司獨(dú)立開發(fā)的虛擬現(xiàn)實(shí)軟件，VRP軟件的適用性比較強(qiáng)，操作簡單，軟件功能強(qiáng)大，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于城市規(guī)劃、室內(nèi)設(shè)計(jì)、教育科研、古跡復(fù)原、工業(yè)仿真及軍事模擬等領(lǐng)域。

本文采用VRP軟件最新版本VRP12.1212作為虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)開發(fā)平臺，選擇的理由：一是VRP軟件是全中文界面，高度可視化，所見即所得，最大的特點(diǎn)就是易學(xué)易用，可以說在目前虛擬現(xiàn)實(shí)軟件中是最容易上手的。[5]對編程基礎(chǔ)沒有大的要求，這可以打消很多高中信息技術(shù)一線教師“想做虛擬現(xiàn)實(shí)卻苦于編程基礎(chǔ)一般”的疑慮，激勵(lì)更多一線教師參與進(jìn)來，設(shè)計(jì)出更多符合高中生學(xué)習(xí)特點(diǎn)的虛擬實(shí)驗(yàn)。二是交互性良好，在VRP中模型和二維界面都可以進(jìn)行鼠標(biāo)事件或距離觸發(fā)事件的腳本編寫，簡單設(shè)置參數(shù)后，就可以實(shí)現(xiàn)功能強(qiáng)大的交互。三是與3DsMax無縫集成，支持3DsMax中絕大多數(shù)的燈光、材質(zhì)、貼圖，支持3dsMax中的相機(jī)動畫、骨骼動畫、位移動畫和變形動畫，這些模型和動畫都可以很方便快捷地導(dǎo)入到VRP中，導(dǎo)出時(shí)還可以進(jìn)行預(yù)覽。[6]四是VRP具有良好的兼容性，能夠兼容大多數(shù)Windows系統(tǒng)，VRP中還提供了ActiveX插件方式、基于腳本方式和基于C++源碼的SDK三種強(qiáng)大的二次開發(fā)接口，具有良好的擴(kuò)展性。

2.具體實(shí)現(xiàn)

下面通過部分實(shí)例來說明如何利用VRP實(shí)現(xiàn)研究性虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)：

（1）演示示例的實(shí)現(xiàn)

當(dāng)用鼠標(biāo)單擊二維界面“演示示例”按鈕時(shí)，虛擬實(shí)驗(yàn)場景切換到投影儀屏幕，用鼠標(biāo)單擊屏幕上的開始播放按鈕，即可播放虛擬實(shí)驗(yàn)的演示示例視頻或PPT動畫演示文稿。圖4為實(shí)驗(yàn)案例一“網(wǎng)線的制作”演示示例效果。

圖4 “網(wǎng)線的制作”演示示例圖

其中“演示示例”按鈕的腳本代碼設(shè)置為：

切換相機(jī)（通過名稱），定點(diǎn)－投影屏幕，1

開始播放按鈕腳本設(shè)置為：加載視頻,E:li實(shí)驗(yàn) 例子VRP文件網(wǎng)線的制作.avi,0

應(yīng)用視頻到模型,網(wǎng)線視頻按鈕,1視頻播放控制,網(wǎng)線視頻按鈕,1

變量賦值,視頻顯示,1

（2）虛擬儀器選擇的實(shí)現(xiàn)

單擊“儀器選擇”按鈕，系統(tǒng)通過定點(diǎn)相機(jī)切換場景到儀器桌，儀器桌上的儀器設(shè)備信息都記錄在連接的Access數(shù)據(jù)庫中，鼠標(biāo)左鍵雙擊儀器可以調(diào)出數(shù)據(jù)庫顯示面板查看儀器信息，如圖5所示。學(xué)習(xí)者根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要自主選擇儀器，單擊鼠標(biāo)中鍵可選擇所需儀器，當(dāng)選擇錯(cuò)誤儀器時(shí)，系統(tǒng)會給出溫馨提示，學(xué)生自己考慮選擇或取消，取消選擇點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵即可。

圖5 儀器選擇場景圖

“儀器選擇”按鈕腳本設(shè)置如下：

切換相機(jī)（通過名稱），定點(diǎn)－儀器桌，1時(shí)間軸播放，儀器操作時(shí)間軸

更改時(shí)間軸播放方式，儀器操作時(shí)間軸，0，1激活時(shí)間軸，儀器操作時(shí)間軸，1，1

（3）自主實(shí)驗(yàn)的實(shí)現(xiàn)

學(xué)生進(jìn)行自主實(shí)驗(yàn)是虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的核心部分，單擊二維界面上“自主實(shí)驗(yàn)”按鈕，進(jìn)入自主實(shí)驗(yàn)開始場景，其界面如圖6所示。學(xué)生通過小女孩角色引導(dǎo)進(jìn)入虛擬實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)探索，如圖7所示為學(xué)生正在通過ping命令測試網(wǎng)絡(luò)連接，界面用大窗口實(shí)現(xiàn)電腦桌面內(nèi)容便于觀看和操作，使用到的是VRP12版新增加的“渲染到貼圖”功能。[7]

“自主實(shí)驗(yàn)”按鈕腳本設(shè)置為：切換相機(jī)(通過名稱),定點(diǎn)-室外,1。

“漫游”按鈕腳本：切換相機(jī)（通過名稱），動畫相機(jī)漫游，1。

小女孩角色腳本設(shè)置為：時(shí)間軸播放,室外行走動畫。

切換相機(jī)（通過名稱），角色控制－小女孩，1。

開門動作腳本：播放剛體動畫，vrp_rigid開門，0，0，1。

三、結(jié)束語

本文以高中信息技術(shù)選修課《網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用》為例，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)研究性的虛擬實(shí)驗(yàn)，打破了傳統(tǒng)的教學(xué)方式，為高中信息技術(shù)實(shí)驗(yàn)課程提供了新的教學(xué)模式和學(xué)習(xí)方式。注重實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的研究性教學(xué)設(shè)計(jì)和界面設(shè)計(jì)，可以提高學(xué)生的興趣，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力。選用VRP作為虛擬實(shí)驗(yàn)的開發(fā)工具，并且給出了整個(gè)開發(fā)流程，為高中信息技術(shù)一線教師自主研究開發(fā)提供參考。只有信息技術(shù)教師首先重視學(xué)科教學(xué)，信息技術(shù)學(xué)科的地位才能得到有效提升。

圖6 自主實(shí)驗(yàn)開始界面圖

圖7 自主實(shí)驗(yàn)效果圖

[1]陳萬倫.虛擬機(jī)技術(shù)在高中信息技術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)光盤軟件與應(yīng)用,2012(7):254-256.

[2]劉力.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在高中人工智能教學(xué)中的應(yīng)用研究[D].沈陽:沈陽師范大學(xué),2009:28-32.

[3]中華人民共和國教育部.普通高中研究性學(xué)習(xí)實(shí)施指南(試行)[EB/OL].http://wenku.baidu.com/view/0c5ae71aff00bed5b9f31d84.html.

[4]袁維新.論研究性學(xué)習(xí)活動方式的特征[J].浙江教育科學(xué)，2001(2).

[5]王正盛,陳征.VRP10/3dsMax虛擬現(xiàn)實(shí)制作技能實(shí)訓(xùn)教程[M].北京:科學(xué)出版社,2010:12-18.

[6]VR-Platform中視典三維互動虛擬平臺幫助教程[EB/OL].http://help.vrp3d.com/.

[7]馬浩,馬靜波.虛擬現(xiàn)實(shí)VRP深度交互實(shí)例精解[M].北京:印刷工業(yè)出版社,2012:132-137.