淺談VRML虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)在現(xiàn)代教育技術(shù)課程的應(yīng)用

馬阿曼

（武夷學(xué)院數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)學(xué)院，福建武夷山354300）

淺談VRML虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)在現(xiàn)代教育技術(shù)課程的應(yīng)用

馬阿曼

（武夷學(xué)院數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)學(xué)院，福建武夷山354300）

虛擬實(shí)驗(yàn)室是借助網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，多媒體技術(shù)、VR技術(shù)建立的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)模塊包括，場(chǎng)景模型，虛擬軟件部分，用戶界面部分；技術(shù)要點(diǎn)包括場(chǎng)景建模，功能設(shè)計(jì)，用戶交互設(shè)計(jì)。在這個(gè)虛擬的實(shí)驗(yàn)室里，學(xué)生可以自主的控制實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)時(shí)間和地點(diǎn)，在保證實(shí)驗(yàn)效果的基礎(chǔ)上，可以很大限度降低建立實(shí)驗(yàn)室的難度與實(shí)驗(yàn)室資金的投入。作為現(xiàn)代教育技術(shù)這門課程實(shí)驗(yàn)是其一個(gè)重要組成部分，所以開發(fā)基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)并與物理真實(shí)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，能更好的開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作。

虛擬現(xiàn)實(shí)；虛擬實(shí)驗(yàn)；投影媒體

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)自二十世紀(jì)六十年代起步，八十年代虛擬現(xiàn)實(shí)的研究開始進(jìn)入到實(shí)用化階斷，九十年代以來(lái)，計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展使得虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)作為教學(xué)領(lǐng)域的一種創(chuàng)新技術(shù)[1]。1989年美國(guó)的wiiliamwolfWiiliamW教授首次提出虛擬實(shí)驗(yàn)室的概念，并把它描述成一個(gè)“沒有圍墻的研究中心”。雖然在我國(guó)虛擬現(xiàn)實(shí)教育應(yīng)用發(fā)展和國(guó)外相比還是有一定的差距，但是現(xiàn)在已經(jīng)引起了政府及相關(guān)部門的重視，虛擬現(xiàn)實(shí)的研究會(huì)逐步延伸到教育教學(xué)領(lǐng)域的各個(gè)方面。而虛擬實(shí)驗(yàn)室技術(shù)的應(yīng)用前景誘人，也是我們實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式的研究和改革的熱點(diǎn)[2]。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教學(xué)上的應(yīng)用，促進(jìn)了教育教學(xué)手段的現(xiàn)代化和信息化[3]。近些年國(guó)內(nèi)在虛擬實(shí)驗(yàn)室的研究方面取得了很大的發(fā)展，特別出現(xiàn)了很多專業(yè)化、應(yīng)用性強(qiáng)的產(chǎn)品，尤其是在教育領(lǐng)域，虛擬實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)也得到了很多的重視和發(fā)展，目前已有部分學(xué)校建立了虛擬實(shí)驗(yàn)室。在國(guó)內(nèi)已經(jīng)有些大學(xué)組建了與自己學(xué)校教育教學(xué)、學(xué)科研究等領(lǐng)域相關(guān)的虛擬實(shí)驗(yàn)室，[2-3]這些實(shí)驗(yàn)室也己經(jīng)應(yīng)用于教育教學(xué)之中，實(shí)現(xiàn)了教學(xué)方法的改革和創(chuàng)新。

1 虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的基本流程

1.1 技術(shù)流程

虛擬實(shí)驗(yàn)室的建立過(guò)程主要技術(shù)流程三部分組成：場(chǎng)景建模、功能設(shè)計(jì)、用戶交互設(shè)計(jì)。主要技術(shù)流程如下圖1所示：

圖1 技術(shù)流程圖

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與框架

虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)主要由以下三部分組成：

1.2.1 場(chǎng)景模型部分

這部分主要是紋理材質(zhì)的選擇處理、幾何場(chǎng)景模型的建立及最后場(chǎng)景的紋理貼圖建模。

1.2.2 虛擬軟件平臺(tái)

這部分通過(guò)虛擬軟件平臺(tái)獲取場(chǎng)景數(shù)據(jù)，對(duì)場(chǎng)景的優(yōu)化、漫游控制等從而搭建虛擬實(shí)景空間。

1.2.3 用戶界面

用戶使用的界面，用戶通過(guò)用戶界面進(jìn)行學(xué)習(xí)模式的選擇從而進(jìn)行學(xué)習(xí)，具體結(jié)構(gòu)如下圖2所示：

圖2 虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與框架

2 建立虛擬實(shí)驗(yàn)室的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 建模問(wèn)題

模型的創(chuàng)建一直是虛擬實(shí)驗(yàn)室建立中最基本的工作，也是工作量最大的部分。所以在虛擬實(shí)驗(yàn)室的建模過(guò)程中，我們可以采用VRML語(yǔ)言進(jìn)行建模再結(jié)合其他專用的建模工具（如3DSMAX）提高建模效率，最后生成VRML文件與VRML其它場(chǎng)景文件整合在一起。因?yàn)橐粋€(gè)場(chǎng)景的模型比較多所以在建模的過(guò)程中要對(duì)需要的模型先進(jìn)行分類，如有交互要求的，沒交互要求的，背景模型等等。分類之后建模，這樣也便于我們后期管理和編輯。在現(xiàn)代教育技術(shù)課程多媒體投影的使用實(shí)驗(yàn)中，虛擬實(shí)驗(yàn)室建模主要集中在以下方面：實(shí)驗(yàn)環(huán)境(場(chǎng)景建模，多媒體教室，多媒體控制臺(tái))，實(shí)驗(yàn)道具(多媒體投影儀)。

2.2 交互問(wèn)題

交互性是指用戶對(duì)虛擬環(huán)境內(nèi)物體的可操作程度和從環(huán)境得到反饋的自然程度。交互問(wèn)題一直是虛擬實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)的難點(diǎn)問(wèn)題。在現(xiàn)代教育技術(shù)課程多媒體投影的使用實(shí)驗(yàn)中，交互問(wèn)題主要涉及到的對(duì)象為多媒體教室，實(shí)驗(yàn)道具（投影儀）。交互問(wèn)題的主要內(nèi)容為，多媒體教室的開門關(guān)門，教室的瀏覽，燈的開關(guān)。多媒體投影儀的操作控制，多媒體控制臺(tái)的交互等等。

2.3 實(shí)時(shí)顯示問(wèn)題

在虛擬實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)的操作都是在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中進(jìn)行的，那么在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，三維的場(chǎng)景數(shù)據(jù)量比較大，所以三維場(chǎng)景的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示問(wèn)題就顯得格外重要。如果學(xué)生在虛擬實(shí)驗(yàn)操作中等待的時(shí)間比較長(zhǎng)就會(huì)造成當(dāng)視點(diǎn)發(fā)生移動(dòng)變化時(shí)，新的視點(diǎn)場(chǎng)景不能及時(shí)更新，那么就會(huì)出現(xiàn)人動(dòng)而場(chǎng)景未動(dòng)的情況。當(dāng)學(xué)生視點(diǎn)停止移動(dòng)變化的時(shí)候，虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)卻將剛才延遲顯示的場(chǎng)景顯示出來(lái)，從而產(chǎn)生場(chǎng)景交叉錯(cuò)位。這樣學(xué)生覺得虛擬實(shí)驗(yàn)不夠流暢，降低了實(shí)驗(yàn)的沉浸感，從而對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)這種學(xué)習(xí)方式降低了學(xué)習(xí)興趣。在現(xiàn)代教育技術(shù)課程多媒體投影的使用實(shí)驗(yàn)中，為了解決這個(gè)問(wèn)題采用對(duì)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景進(jìn)行分塊處理，可見消隱處理及細(xì)節(jié)選擇的方法。虛擬場(chǎng)景圖像的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示問(wèn)題采用圖像差值及視圖變換技術(shù)來(lái)解決[4-5]。這樣虛擬實(shí)驗(yàn)的場(chǎng)景就更加的真實(shí)，學(xué)生在學(xué)習(xí)時(shí)沉浸感更強(qiáng)，增加了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。

3 虛擬實(shí)驗(yàn)室在教學(xué)中的應(yīng)用特點(diǎn)

近年來(lái)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、信息處理技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、多媒體技術(shù)的飛速發(fā)展。在教育領(lǐng)域出現(xiàn)了虛擬教室、虛擬實(shí)驗(yàn)室、虛擬圖書館、虛擬校園等。它們?yōu)榻逃虒W(xué)的發(fā)展注入了新的空氣。基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬實(shí)驗(yàn)室可以有效地將現(xiàn)代信息新技術(shù)引入教學(xué)和實(shí)驗(yàn)中為學(xué)生營(yíng)造一個(gè)全新的學(xué)習(xí)環(huán)境，發(fā)揮現(xiàn)有的教育資源的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)教育資源的共享。近年來(lái)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、信息處理技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、多媒體技術(shù)的飛速發(fā)展。在教育領(lǐng)域出現(xiàn)了虛擬教室、虛擬實(shí)驗(yàn)室、虛擬圖書館、虛擬校園等。它們?yōu)榻逃虒W(xué)的發(fā)展注入了新的空氣?；诰W(wǎng)絡(luò)的虛擬實(shí)驗(yàn)室可以有效地將現(xiàn)代信息新技術(shù)引入教學(xué)和實(shí)驗(yàn)中為學(xué)生營(yíng)造一個(gè)全新的學(xué)習(xí)環(huán)境，發(fā)揮現(xiàn)有的教育資源的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)教育資源的共享。建立網(wǎng)上虛擬現(xiàn)代教育技術(shù)課程多媒體投影的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)有許多優(yōu)點(diǎn)。

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備的節(jié)約

對(duì)于一個(gè)普通的地方性應(yīng)用型高等院校來(lái)說(shuō)，在校期間要注重培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力，可是由于我校資金不足，在實(shí)驗(yàn)設(shè)備以及實(shí)驗(yàn)環(huán)境搭建方面的投入明顯不足。而對(duì)與現(xiàn)代教育技術(shù)課程中的多媒體投影的實(shí)驗(yàn)，投影儀的使用無(wú)疑是一個(gè)制約。虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境的搭建，可是實(shí)現(xiàn)學(xué)生在虛擬的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中操作多媒體投影儀，增強(qiáng)了操作性，減少了投影儀的使用以及設(shè)備損壞率，節(jié)約了設(shè)備的投入。

3.2 學(xué)習(xí)主體個(gè)別化自主性

在虛擬的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，學(xué)生的學(xué)習(xí)不受傳統(tǒng)的教學(xué)模式限制。學(xué)生可以自主學(xué)習(xí)，反復(fù)多次操作實(shí)驗(yàn)，同時(shí)還可以和同學(xué)互相討論學(xué)習(xí)與老師進(jìn)行互動(dòng)，還可以進(jìn)行測(cè)試。學(xué)生在虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境中學(xué)習(xí)可以做到我的實(shí)驗(yàn)我做主，自主的安排自己的學(xué)習(xí)計(jì)劃和學(xué)習(xí)模式，調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，提高學(xué)習(xí)質(zhì)量。

3.3 打破時(shí)間的限制

在實(shí)驗(yàn)時(shí)間的安排上，虛擬的實(shí)驗(yàn)室里學(xué)生可以自由的控制實(shí)驗(yàn)的時(shí)間和地點(diǎn)，隨時(shí)都可以登陸網(wǎng)站進(jìn)行學(xué)習(xí)。

[1]汪成為.靈境技術(shù)的理論、實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社,1996：34.

[2]閆青.基于VRML的網(wǎng)上虛擬實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].西安：電子科技大學(xué),2007:10-25.

[3]姚文月.基于VRML的計(jì)算機(jī)原理虛擬實(shí)驗(yàn)室的研究與設(shè)計(jì)[D].南京：南京信息工程大學(xué),2011:8-28.

[4]陳敏.基X3D技術(shù)構(gòu)建機(jī)械制造技術(shù)虛擬裝配實(shí)驗(yàn)室研究[D].南昌：南昌大學(xué),2009:43-71.

[5]項(xiàng)慨.基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的研究[D].武漢：華中師范大學(xué),2006:6-13.

（責(zé)任編輯：夏婷婷）

Discussion on the Application of VRM L Virtual Experiment Technology in Modern Educational Technology Course

MA Aman
(School of Mathematics and Computer Science,Wuyi University，Wuyi Shan,Fujian 354300)

The study of virtual experiment is beneficial to the smooth progress of classroom teaching,and it also helps students to master the skills of the students.In this virtual lab,students can independently control the time and place of learning,in which based on the experimental results,can greatly minimize the establishment of laboratory and the difficulty of laboratory funds input.As amodern educational technology course experiment is one of the most important parts,so the development of virtual experiment system of the network and combined with the physical test based on experiment teaching can better carry out the work.Is analyzed in this paper the characteristics of the virtual experiment technology and in modern educational technology experiment teaching application,the basic process of analysis and implementation of virtual experiment system,the technical points,and students with the advantages of virtual experimental system for studying.Virtual laboratory is with the aid of network technology,multimedia technology,VR technology to establish experimental system.Including the implementation of virtual laboratory system module,scene model,virtual software part of the user interface part;Main technical points including the scene modeling,function design,user interaction design.In this virtual lab,the student can be independent control experimental study time and place,in the guarantee on the basis of experimental results,to a large extent reduce the difficulty of the laboratory and laboratory capital investment.As the course for the modern education technology experiment is an important component of the development of virtual experiment system based on network and so combined with physical real experiment,can better carry out the experimental teaching work.

virtual reality；virtual experiment；projection media

TP391.9

A

1674－2109(2016)09－0104－03

2016-04-20

福建省武夷學(xué)院教學(xué)建設(shè)與改革項(xiàng)目項(xiàng)目編號(hào)（xj2014020）。

馬阿曼（1981-），女，漢族，講師，主要從事圖形圖像的研究。