摘要：在當(dāng)代教育中，實驗教學(xué)占有非常重要的地位。它是教學(xué)活動中一個必不可少的環(huán)節(jié)，同時實驗對于培養(yǎng)學(xué)生的實際操作能力、創(chuàng)新能力和解決問題的能力也是至關(guān)重要的手段。隨著計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、多媒體技術(shù)和VRML技術(shù)的快速發(fā)展，基于Internet的網(wǎng)上虛擬實驗應(yīng)用在遠(yuǎn)程教育中得到越來越多的關(guān)注。

關(guān)鍵詞：虛擬實驗；虛擬實驗環(huán)境；虛擬現(xiàn)實建模語言

中圖分類號：TP39 文獻標(biāo)識碼：A文章編號：1009-3044(2008)19-30039-02

Based on VRML Network Hypothesized Laboratory Design

YAN Qing

(Sichuan College of Architectural Technology， Deyang 618000， China)

Abstract: In contemporary higher education， the teaching experiment occupies a very important position. It is an indispensable teaching activities in the part of training students for experiments at the same time the actual operation capability; innovation and problem-solving skills are also essential tools. With the computer network technology， multimedia technology and the rapid development of Virtual Reality Modeling Language technology， Internet-based Virtual experimental application in higher education are more and more attention.

Key words: Virtual Experiment; Virtual Experiment environment; Virtual Reality Modeling Language

1 基本概念

虛擬現(xiàn)實技術(shù)（Virtual Reality）融合了數(shù)字圖像處理、計算機圖形學(xué)、多媒體技術(shù)、傳感器技術(shù)等多個信息技術(shù)分支，它用計算機模擬的三維環(huán)境對現(xiàn)場真實環(huán)境進行仿真，用戶可以走進這個環(huán)境，控制瀏覽方向，并操縱場景中的對象進行人機交互。

虛擬實驗是指利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)在計算機上所營造的可輔助、部分替代甚至全部替代傳統(tǒng)實驗各操作環(huán)節(jié)的相關(guān)操作環(huán)境。

隨著Internet在全世界內(nèi)迅速普及，遠(yuǎn)程教育也隨之開始逐步流行，而網(wǎng)上虛擬實驗系統(tǒng)作為遠(yuǎn)程教育的一種方式可以有效地發(fā)揮現(xiàn)有的各種教育資源優(yōu)勢，優(yōu)化資源配置，實現(xiàn)教育資源的廣泛共享。

2 虛擬實驗室系統(tǒng)分析與設(shè)計

2.1 系統(tǒng)總體分析

2.1.1 系統(tǒng)目標(biāo)

虛擬實驗系統(tǒng)應(yīng)能使學(xué)生通過網(wǎng)上虛擬實驗系統(tǒng)與教師進行交流，并能進行實驗前預(yù)習(xí)、實驗后對實驗結(jié)果分析并提交實驗報告。因此，系統(tǒng)必須具有以下基本功能：

1) 學(xué)生實驗功能：通過虛擬實驗系統(tǒng)實現(xiàn)實驗前預(yù)習(xí)、實驗設(shè)計、實驗操作以及實驗提交等主動性學(xué)習(xí)；

2) 教學(xué)功能：實驗講授、實驗演示、問題解答等功能；

3) 實驗報告評閱功能：對學(xué)生提交的實驗進行分析、批改和講評等功能。

2.1.2 系統(tǒng)功能要求

結(jié)合虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)、實驗環(huán)境和網(wǎng)絡(luò)教育的綜合要求，虛擬實驗室功能劃分為兩大主要部分。

1) 虛擬實驗環(huán)境的構(gòu)建

構(gòu)建具有逼真三維效果的空間場景和實體，這些場景和實體與真實世界的幾何特征和物理特性基本相同，提供實驗環(huán)境和實驗者參與的虛擬空間。使用戶進行實驗時，能夠體驗到具有基本真實感的三維視覺空間。

2) 虛擬實驗的構(gòu)建

虛擬實驗的構(gòu)建包括三個方面：

a) 器材功能的構(gòu)建。所有器材不但有與實際相同的外觀和動態(tài)效果，也具備相應(yīng)特定的功能；

b) 實驗過程的控制。在虛擬現(xiàn)實的實驗空間里，系統(tǒng)對實驗過程提供了一定的管理功能；

c) 結(jié)果反饋。實驗過程同時也對應(yīng)著后臺的邏輯處理過程，與其它以虛擬現(xiàn)實顯示為主的系統(tǒng)相比，這是虛擬實驗系統(tǒng)最主要的特征。

2.2 系統(tǒng)總體設(shè)計

網(wǎng)上虛擬實驗室系統(tǒng)構(gòu)架在局域網(wǎng)上，進而連入校園網(wǎng)和Internet。根據(jù)VRML的訪問方式，虛擬實驗室采用的是基于客戶/服務(wù)器模式，其中服務(wù)器提供VRML文件(后綴為.WRL)及支持資源，客戶通過網(wǎng)絡(luò)下載希望訪問的文件，并通過本地平臺上的VRML瀏覽器（Browse）交互式訪問該文件描述的虛擬世界。

2.2.1 虛擬實驗系統(tǒng)服務(wù)器模塊

服務(wù)器模塊結(jié)構(gòu)如圖1所示。

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圖1 服務(wù)器端模塊結(jié)構(gòu)

主要模塊描述如下：

1) Web Server是服務(wù)器端基礎(chǔ)模塊，接受客戶機請求并響應(yīng)，返回虛擬實驗場景；

2) 虛擬實驗物品庫：在虛擬實驗物品庫中，建立一個虛擬實驗中所涉及的實驗器材庫，并且附帶簡要的文字說明，以幫助實驗者在開始實驗以前熟悉虛擬實驗中出現(xiàn)的器材；

3) 虛擬實驗：虛擬實驗是本系統(tǒng)的最主要部分，包括了實驗場景模塊和實驗介紹模塊。實驗場景為每個實驗提供了各自所需的實驗流程，動畫和器材對象，實驗介紹模塊提供了相關(guān)的介紹材料，以供實驗者在實驗之前了解實驗所需的知識。

2.2.2 虛擬實驗系統(tǒng)客戶端模塊

虛擬實驗系統(tǒng)客戶端模塊結(jié)構(gòu)如圖2所示。

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圖2 虛擬實驗系統(tǒng)客戶端模塊

模塊描述如下：

1) 瀏覽器：虛擬實驗所有的操作都在此進行。一般選擇IE5.0以上即可；

2) 用戶交互模塊：用戶交互模塊包括鼠標(biāo)、鍵盤等。通過用戶交互設(shè)備，實驗者可以自由的在虛擬場景中切換視點和視角，單擊按鈕等操作；

3) VRML插件：VRML插件是建立在瀏覽器基礎(chǔ)上的模塊。它是虛擬實驗的基礎(chǔ)，所有的實驗場景都通過插件解釋并渲染在瀏覽器之中。目前，系統(tǒng)使用了Cortona VRML插件，Cortona是目前最出色的VRML解釋器之一。

3 VRML與3DSMAX語言的運用

VRML(Virtual reality modeling language，虛擬現(xiàn)實建模語言)。它類似Web超級鏈接所使用的HTML語言，是一種基于文本的、描述圖形的三維造型和渲染的語言。VRML把一個虛擬世界看作一個場景，而場景中的一切都看作對象(節(jié)點node)。節(jié)點用來描述模型、光源、聲音等，而節(jié)點的屬性由域和值來描述，對每一個對象的描述就構(gòu)成了WRL文件(*.wrl)。VRML的訪問方式是基于用戶/服務(wù)器模式，其中服務(wù)器提供VRML文件(后綴為.wrl)及支持資源客戶通過網(wǎng)絡(luò)下載希望訪問的文件。當(dāng)用戶向服務(wù)器發(fā)送請求，通知所需文件的URL，服務(wù)器接收到后，傳送服務(wù)器上的VRML文件給用戶，并通過本地平臺上的VRML瀏覽器(browse)交互式訪問該文件描述的虛擬境界。

由于虛擬試驗環(huán)境相當(dāng)復(fù)雜，如果全部采用VRML來建模，工作量將非常大，而現(xiàn)在有很多專業(yè)的三維軟件中可以安裝VRML插件，將建立好的場景導(dǎo)入VRML的格式，這樣就比較直觀而且可以很大程度減輕建模的工作量。3DSMAX是在建模過程中使用較多的一個軟件，可以在3DSMAX中建立場景然后利用它的導(dǎo)出功能直接把場景輸出成VRML文件，另外還可以在3DSMAX中建立VRML節(jié)點，其實現(xiàn)的效果和用VRML語言編寫的效果是一樣的。

在建立虛擬實驗環(huán)境時，3DSMAX與VRML結(jié)合的步驟是：先在3DSMAX中建立一個三維場景的造型、材質(zhì)、貼圖、動畫和視點等，再利用3DSMAX的Export功能導(dǎo)出為VRML97文件格式，最后再編輯生成的.wrl源文件，對其進行修改和編輯等。

虛擬現(xiàn)實建模語言VRML與3DSMAX建模語言相結(jié)合的應(yīng)用，實現(xiàn)了真正意義的三維立體網(wǎng)絡(luò)世界、動態(tài)交互與智能感知，尤其是它的低用戶配置需求、低網(wǎng)絡(luò)帶寬要求、開放式國際標(biāo)準(zhǔn)、多媒體集成、境界逼真等諸多優(yōu)越特征，非常適合于設(shè)計網(wǎng)上三維虛擬實驗。

4 結(jié)束語

本文提出了一套基于B/S結(jié)構(gòu)的虛擬實驗室系統(tǒng)。并運用VRML、3DSMAX語言進行建模。從研究虛擬系統(tǒng)的服務(wù)器模塊構(gòu)建和客服端模塊構(gòu)建出發(fā)，設(shè)計了虛擬實驗環(huán)境和虛擬實驗兩部分。網(wǎng)上虛擬實驗系統(tǒng)建成后，學(xué)生可以登陸網(wǎng)站進入虛擬實驗系統(tǒng)，操作設(shè)備，進行各種實驗。不僅可以節(jié)約在實驗教學(xué)方面的投入，更能促進學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性，培養(yǎng)和提高學(xué)生的動手能力和創(chuàng)新能力。目前的不足主要在于實驗內(nèi)容的還不夠豐富，在仿真環(huán)境的逼真程度上，還需要有進一步的改進。

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注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請以PDF格式閱讀原文