劉靜霞

(成都電子機械高等專科學校,四川 成都610031)

虛擬現實技術是一門交叉學科，近年來隨著網絡技術、圖形技術、傳感器技術的飛速發(fā)展，虛擬現實技術的優(yōu)勢再次體現。虛擬現實世界可以表現宏觀世界，也可以表現微觀世界，可以表現客觀世界存在的物體，也可以虛擬客觀世界中不存在的，大腦中想象的場景。虛擬現實技術豐富的表現手段可以為學習者提供多種學習渠道，讓學習者從多個角度理解同一事物，提供多種表現知識的手段，目前大多數網上學習環(huán)境都是二維的，學習者無法與學習環(huán)境以及環(huán)境中的對象進行自然和諧的交互，更不能操作其中的學習對象，只能被動接受學習內容，整個學習過程仍然是灌輸式的，枯燥無味而且效率不高。應用虛擬現實技術并結合傳統網絡課程設計技術構建的虛擬學習環(huán)境具有良好的交互性，能讓學習者產生很強的沉浸感，學習者可以操作其中的學習對象，觀察現實生活中無法看見的事物和無法到達的場景，更好地理解抽象概念和現象從而降低認知難度，提高學習效率。

由計算機硬件資源和軟件資源生成的三維模擬虛擬現實系統是高級的人機交互界面。Grigore Burdea提出了一個虛擬現實的“3I”[1]特性：沉浸性(Immersion)、交互性(Interaction)和構想性(Imagination)。這三個特性是虛擬現實系統的本質特征，具備這三個特性的虛擬現實系統可以與人友好地進行交互。虛擬現實技術為學習者提供生動、逼真的虛擬學習環(huán)境，對調動學習者的積極性，突破教學中的重點、難點起到了非常重要作用。要實現高沉浸度的三維空間環(huán)境通常需要高性能圖形工作站、頭盔顯示器、數據手套等昂貴設備，目前一般的教育單位還無法承受。普通虛擬現實系統大多運行在PC機,學習者可以用鍵盤和鼠標通過計算機屏幕與虛擬環(huán)境中的實體進行交互，雖然這種虛擬現實系統對學習者在真實環(huán)境中與虛擬情境是有區(qū)別的，易受到周圍環(huán)境的干擾，不能完全沉浸在虛擬情境中，但是這種系統利用三維空間建模軟件和仿真軟件仿真客觀世界，用編程技術為三維場景中的實體添加交互行為,開發(fā)成本相對較低，易于在基礎教學領域和各種培訓機構教學過程中推廣應用。

1分光計調節(jié)的虛擬系統

通過調研發(fā)現，光學實驗是大學物理實驗中的基礎實驗，實驗設備靈敏度高，調節(jié)方法不易掌握，實驗中出現的許多現象較難描述清楚，實驗中有眾多知識難點、內容比較抽象。實驗設備有嚴格的調節(jié)步驟，單靠教師講授學生較難完全理解。虛擬現實技術良好的三維表現手段能夠將抽象現象具體化,真實再現抽象的實驗現象，良好的交互方式能夠讓學生體驗操作過程，加深理解和記憶。設計分光計調節(jié)仿真實驗，利用仿真技術和建模技術在計算機系統中構建出仿真的客觀現實場景，讓學習者在模擬真實的學習環(huán)境中完成實驗操作，并獲得在實驗室學習的效果，因此這類實驗適合用三維場景表現，能夠很好地體現虛擬學習環(huán)境的三維特性。系統是由多種學習資源集成的，各種學習資源按照表現形式和功能可以分為不同類型，本文將網絡教學資源主要劃分為課件資源、多媒體視頻資源、答疑回復、討論交流、資料上傳、資源下載等模塊，如圖1所示。

圖1系統功能模塊

在已有的網絡教學資源設計中，三維虛擬學習環(huán)境模塊是隨著虛擬現實技術的出現引入到教學設計過程中的，其他模塊的研究和開發(fā)已經較為成熟，這里主要討論3D虛擬學習環(huán)境中學習資源的開發(fā)，該模塊包括3D學習環(huán)境、知識點描述、3D建模和VRML場景實現功能，如圖2所示。

圖2 3D虛擬學習環(huán)境功能模塊

2系統建模

在設計和實現虛擬環(huán)境下分光計實驗的各模塊功能時，使用了虛擬場景、虛擬設備建模技術和虛擬學習環(huán)境集成技術等。要構建三維虛擬學習環(huán)境必須為分光計的各個重要組成部分建模，分光計主要由四大部分組成：平行光管、望遠鏡、載物臺和讀數裝置。平行光管是發(fā)光源，發(fā)出平行光，望遠鏡觀察平行光，載物臺用來放置要觀察的光學器件，讀數裝置測量光線偏轉角度。為分光計調節(jié)過程中用到的部分進行建模，建模所用工具為3D Max。圖3為3D建模過程圖。

建模只是構建三維虛擬學習環(huán)境的一部分，要實現良好交互的三維虛擬學習環(huán)境還需要通過虛擬現實建模語言VRML在虛擬現實編輯器VRMLPad中將各個場景和三維模型整合，并在虛擬現實瀏覽器中觀看場景和操作物體。先用3D Max進行建模，然后將這些模型導入VRML編輯器中，只需要在導入時設置相應的空間向量坐標和單位，對于同一類型的設備只需要一次建模就可以多次重復使用。多媒體電教室中的主要設備是多媒體教學電腦以及投影設備。這些主要是靜態(tài)場景建模，用建模軟件建模之后再導入VRML即可。

3系統實現

交互是三維虛擬學習環(huán)境的重要特征之一，良好的交互性是三維虛擬學習環(huán)境構建成功與否的關鍵。VRML語言提供的傳感器節(jié)點[5]就可以實現學習者與場景中物體的交互。VRML主要提供七種傳感器，這七種傳感器是虛擬現實技術中交互實現的關鍵所在，通過為這些傳感器設置路由信息，學習者可以與虛擬場景中的物體進行交互[4]。

接觸傳感器(TouchSensor)用來感知用戶接觸和鼠標輸入的節(jié)點，是比較常用的節(jié)點，檢測用戶的接觸并將相應的事件輸出。

平面?zhèn)鞲衅?PlaneSensor)、圓柱體傳感器(CylinderSensor)、球體傳感器(SphereSensor)這三種傳感器統稱為環(huán)境檢測器，它們都是用來檢測用戶在三維空間中所做的動作，并將這些動作以合適的空間造型輸出。當瀏覽者接觸到PlaneSensor時，系統的反饋使他感覺是在二維平面上觀察世界，當瀏覽者接觸到CylinderSensor時，就會感覺是在圍繞圓柱體中的軸觀察世界，當瀏覽者接觸到SphereSensor時，他就能以球心為原點從各個角度觀察物體。

接近傳感器(ProximitySensor)，可以作為任何組的子節(jié)點。在ProximitySensor節(jié)點中有一個size閾值，該閾值可以定義瀏覽者的接近范圍，這個接近范圍是一個長方形區(qū)域，當瀏覽者進入、退出、移動到定義的范圍之內時，被作用物體就可以做出相應的反饋。

可視傳感器(VisibilitySensor)，合理定義該節(jié)點可以節(jié)省系統資源，加快瀏覽速度。size閾值定義了瀏覽者在所處的位置和角度所能看到的景物，并且能夠定義該區(qū)域中的物體何時可見，可以用于場景優(yōu)化。

碰撞傳感器(Collision),用來檢測瀏覽者和其他物體是否發(fā)生了碰撞，bboxsize閾值指定了碰撞范圍和collide閾值的布爾值一起決定碰撞是否應該發(fā)生，當collide閾值為FALSE，碰撞檢測無效，瀏覽者可以穿過碰撞物體，否則瀏覽者就無法移動，只能繞行通過。

在采用VRML和3D Max構建的三維虛擬學習場景中，交互性主要體現在兩個方面，即學習者與瀏覽場景的交互，以及學習者與場景內物體的交互。

(1)與場景的交互

學習者與場景的交互[6]主要包括開關門的操作，以及對多媒體的操作。

①開關門實現代碼：

②多媒體操作實現

(2)與物體的交互

在分光計的調節(jié)與使用的試驗中，對分光計的調節(jié)主要包括對調焦手輪的調節(jié)、對調平螺絲、鎖緊螺絲、微調螺絲的調節(jié)、對狹縫裝置的調節(jié)。調節(jié)過程異曲同工，都是通過路由將不同傳感器的入事件和出事件聯系起來響應學習者的操作。具體實現代碼如下：

虛擬現實技術是新興的交叉學科，有著廣闊的應用前景，尤其在教育領域。目前虛擬現實技術的應用還屬于起步階段。雖然各高校和科研單位已經取得了一些成果，但是尚未廣泛應用，對虛擬現實技術在教育中的應用也還停留在理論研究階段?；谝延械难芯砍晒?，探討如何將虛擬現實技術更好地應用在學習者的自主學習和輔助教學中，具有重要研究意義。研究通過用虛擬現實技術再現教學中的重點、難點和關鍵知識點的方法，將虛擬現實技術與教學有機結合起來，有助于教學效果的有效提高。

[1]錢麗娜．三維虛擬學習環(huán)境的設計研究[D]．上海：上海師范大學，2007.

[2]惲如偉．虛擬現實的教學應用及簡易虛擬學習環(huán)境設計[D]．南京：南京師范大學,2005.

[3]Cosmo Player插件簡要使用說明.http：//museum.sdu.edu.cn/exhibition/model/help/help.htm，2009.1.18

[4]XU Hong Zhen,LU Ling，SONG Wen Lin，et al．The distance education system based on VRML[J]．2008 International Conference on Computer Science and Software Engineering，2008，5：879-881.

[5]XUE Han,ZHANG Jing．Applying virtual reality to Webbased education[C]．First International Multi-Symposiums on Computer and Computational Sciences，2006，1(IMSCCS′06)：789-791.

[6]BOYLES M，ROGERS J，GOREHAM K，et al.Virtual simulation for Lighting&Design Education[C]．2009 IEEE Virtual Reality Conference，2009：275-276.