摘要:本文对虚拟实验系统的特点做了介绍,指出了虚拟技术在实验教学中的优势,并给出虚拟实验系统构建的基本思想以及系统结构,阐述虚拟现实技术在实验教学中的应用手段和方法。
关键词:虚拟现实 教学 交互
实验一直都是与教学息息相关的重要活动之一。它可以使学生更好地感受、理解知识的产生和发展过程,让枯燥的理论知识变得形象,易于理解。实验不仅能帮助学生巩固理论知识,提高通过实验手段探索科学知识的能力,还能激发学生探索未知世界的兴趣,增强创新能力。然而,当前实验方面存在的诸多难题却严重限制了教学质量的提高。如实验成本过高,进行实验的仪器和设备往往代价昂贵,实验材料也比较贵,而且有些实验仪器损耗较大,需要经常更新。而许多学校在实验经费上又捉襟见肘,要么是实验配套的设备和仪器不完善,要么就是仪器设备陈旧过时。即使有完善的较新的实验设备,传统实验在空间和时间上的限制也可能无法满足大量学生同时进行实验的需要。为了缓解实验教学的压力,提高实验教学的质量,可以采用虚拟实验系统来辅助实验教学的开展。
一、虚拟现实技术
虚拟现实技术 (ⅵrnjal reaj时,简称 vr技术)出现于 20世纪 60年代,随着处理器技术的大幅度提高以及图形绘制技术、数字信号处理技术、传感技术的发展,近几十年来在国内外形成了对虚拟现实的研究热潮。
虚拟现实系统提供了一种先进的人机界面,它通过为用户提供视觉、听觉、触觉等直观而自然的实时感知交互的方法和手段,最大程度地方便用户的操作,从而减轻了用户的负担,提高了系统的工作效率。虚拟现实技术具有 3个突出特征:沉浸性、交互性、想象性。
虚拟现实系统由两部分组成:一部分为创建的虚拟环境,另一部分为介入者。虚拟现实的核心是强调两者之间的交互操作,即反映出人在虚拟环境中的体验。我们可以给出如图 1的虚拟现实的概念模型。
二、虚拟实验系统
1.虚拟实验系统的特点
(1)共享程度高。虚拟实验系统不同于传统实验在地域和时间上的限制,它不仅可以接受本地用户的访问,有访问权限的异地用户也可以使用系统。并且也无需考虑使用时间的问题,实验者可以随时进行实验。虚拟实验系统为用户提供了一个可以在任何时间、任何地点访问的实验环境,极大地提高了信息与实验资源的共享程度。
(2)强大的交互能力。为了向用户提供一个逼真的实验环境,虚拟实验系统往往都具有强大的交互能力,实验者和虚拟实验对象之间可以通过鼠标的点击或者拖曳操作进行交互,实验者可以实时地观看实验现象和实验结果。
(3)支持协作。虚拟实验系统提供了多种方式来完成用户间的信息交流。
2.虚拟实验系统的建模
如何构建教学型虚拟实验系统,使其能够拥有丰富的实验内容表现方式、提供形象生动的实验内容,让让学生实现从感知到理解的过程,一直是研究教学型虚拟实验系统的热点问题之一。
虚拟实验系统的构建是将多种技术综合运用,首先构建实验过程所需要的各种仪器设备,对于场景进行建模。三维虚拟场景模块的建立是以某一实景为基础的,因此在虚拟场景建模之前需要对实验室环境进行实地考察并对建筑物进行筛选,从而构建具有真实感的实验环境。对于仪器设备完全用ⅵ ml语言建立复杂的三维模型是相当烦琐的,而且建模方法缺乏直观性,而3dsmax强大的三维建模功能以及对具有转换为v文件格式输出的功能,使其在三维虚拟场景中广泛应用。我们在实际的建模过程中根据要建立模型的特点选择建模方法。简单模型,直接采用vrml中简单几何体拼贴纹理的方法,对于复杂场景则采用3dsmax建模后以vrmi,文件格式输出。当然在虚拟实验的建模过程中的庞大建模工作量对软件的建模效率以提出了很高的要求,于是,在该建模过程中我还采用了高效的照片建模软件canoma,canoma是metacreations公司 (即现在的vie、vpoint公司)的软件产品,利用它可以让我们无需建模,即可直接从一张或几张照片制作三维模型,因为使用真实照片直接生成三维模型,所以效果非常真实;而且cailoma可生成网络使
用的vrm,文件格式。为了能够反映真实仪器设备的特性,有时还采用flash技术来达到仪器设备外观的逼真性,并提供一些基本的交互。
3.虚拟实验系统中的交互
交互性是虚拟实验系统中的一个重要问题。一类是用户在浏览场景的时候,主要的输入设备就是鼠标,这时候检测器实际上是检测用户对于鼠标的各种操作动作,如鼠标的单击、指向、拖动等等,从而场景做出相应的反应。检测这类动作的监测器是接触型监测器。描述这类监测器的节点有接触监测器节点touchsensor以及planesensor节点、spheresensor节点、cylindersens0r节点;另一类是用户和场景中某对象接近的程度,对象做出相应的反应,使得用户和虚拟对象之间形成交互。
将所有仪器设备成功地加入到场景当中之后,用户应该可以随意地拿起自己需要的实验器材进行实验,所以要提供用户选取实验器材的接口。当用户在选择某件仪器,为了提供给用户选择的接口,我们在实验仪器原型中设计了供用户选择的按钮。如果选中时就可以点击按钮“tal(e ,无需使用就只要点击“放回”按钮。由于用户需要与系统进行交互,同时系统需要根据用户的选择与后台数据库进行通信,因此我们使用java applet。applet具有 良好的网络传输透明性,图2显示了浏览器通过appl 访问数据库的整个过程 。
三、虚拟实验集成的系统结构
1.软件程序集成
软件程序是虚拟实验系统的重要内容,是系统的灵魂所在。在虚拟实验系统中,我们将软件程序部分按照层次化和模块化的设计模式进行集成。集成化的软件程序依据集成度的大小分为不同层次的模块,分属不同层次的模块充分体现了整体和部分的关系,各模块都可以看成是下一层次多个模块集成的整体,每一个模块又都可以看成是上一层次模块中的一部分,各层次之间互为整体和部分的关系为系统结构构架提供了灵活的方式。
2.系统功能集成
系统功能集成是建立在软件程序集成的基础之上的,系统功能集成是系统结构集成的重要体现,系统结构的有效集成度是系统功能集成的重要基础。在虚拟实验系统中,软件程序的集成保证了系统功能在不同层面上的集成度和在各层面之间的灵活性。以不同集成度来形成的系统功能整体在系统构建、修改、维护等方面起到了重要的结构化支持作用。
3.仪器软面板集成
仪器软面板是虚拟实验系统的重要特色之一。在传统实验系统中,仪器设备一般会自带一个显示屏,以及相关的操作组件和按钮来形成一个操作面板,这个面板的形式以及各组件和按钮的功能是固定的,不能修改和设置。在虚拟实验系统中,各种仪器设备的操作面板集中显示在计算机的显示屏幕上,这种面板由软件程序来形成和设置,由键盘、鼠标以及其他的外部输入设备来控制,面板的形式以及各组件和按钮的功能可以根据需要自定义,可以将多个仪器的面板组合在一起,也可以将某一个仪器的面板简化。仪器软面板形式和功能上的这种灵活性正是系统集成度的体现。
4。网络集成
网络的出现使得分布式结构成为可能。在虚拟实验系统中,我们通过网络可以突破时间和空间的限制,将更多的协议方和操作方以一定的集成度集成在一起,共同完成实验项目。我们在谈集成性的问题的时候,一定是和相应的分散度联系在一起的,就如同整体和部分之间的关系,每一个整体都可以看作更大的整体的一部分,而每一个部分又都可以看成更多小部分的整体。网络的分布式保证了系统结构的集成性。
四、虚拟实验教学应用的优势
从虚拟实验的技术优势和实验教学的现状需求出发,其优势主要体现在以下几个方面:
1.资源开放
从虚拟实验的技术实现角度来看,实验教学中的有效资源全部开放,这使得实验项目从开发到操作,再到后期数据处理与实验课程的复习全部开放给学生,学生可以利用系统软件程序模块和实验项目设计模板等帮助实验设计方案的形成与开发;利用数据分析与处理工具包进行实验数据的分析与处理,获得规律性认识:教师的指导性意见、学生的交流信息和实验故障和误差分析等信息资料,可以帮助学
生在实验课程总结和复习中取长补短、巩固知识。
2.组织形式开放
虚拟实验将实验资源、实验项目开发和实验操作等网络化、平台化,因此实验内容、时间以及地点等组织形式是开放的具备可选择性。针对目前实验教学需要跨学科、跨地域、多项实验同时开展等现状要求,虚拟实验所具备的组织形式开放性为实验教学模式的扩展提供了技术准备。
3.对象开放
虚拟实验的网络功能能够根据不同的对象设置不同权限的系统身份,实验参与人员各取所需,实现学习和交流的目的。在实验教学中,对象的身份基本分为三种层次和三种身份。三种层次指的是系统管理员、教师和技术人员、学生。三种身份是针对学习者而言的:实验课程参与者、远程实验课程学习者、实验爱好和探索者。
五、总结
本文将虚拟现实技术引入到实验教学环节中,这在一定得程度上提高了实验的开放程度,降低了实验的成本,较好地激发了学生对于实验环节的兴趣和主观能动性,但在虚拟实验设置过程中的交互问题仍是一个值得探讨和研究的主要问题。
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