文/楊俊珂 馬德俊

全新角度構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)室

文/楊俊珂 馬德俊

從“第二人生”中得到啟示，從全新的視角提出虛擬實(shí)驗(yàn)室的構(gòu)建模型。該模型從硬件環(huán)境、軟件體系和教學(xué)管理三個(gè)方面實(shí)現(xiàn)沉浸性、交互性、自主性、開(kāi)放性等特點(diǎn)，從而既能改善虛擬實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備的不足，節(jié)約大量的教育經(jīng)費(fèi)的任務(wù)，又能解決傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的機(jī)械重復(fù)問(wèn)題。

“第二人生”中的“公民”不但可以看到想看到的東西，最重要的是，他們還可以完全參與進(jìn)去做任何想做的事情。這給構(gòu)建更好的虛擬實(shí)驗(yàn)室?guī)?lái)啟示。

目前在線教育絕大多數(shù)都是沉悶乏味的，與傳統(tǒng)教學(xué)類(lèi)似，網(wǎng)絡(luò)課件制作的重點(diǎn)幾乎都放在素材內(nèi)容本身的制作與呈現(xiàn)，卻忽略了提供學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)過(guò)程的趣味性、主動(dòng)思考意識(shí)、動(dòng)手和體驗(yàn)等機(jī)會(huì)。美國(guó)在線多媒體教材界的一位專(zhuān)家也曾指出，現(xiàn)在絕大部分在線教育方式偏重在內(nèi)容記憶上，學(xué)習(xí)過(guò)程里缺少有創(chuàng)意的互動(dòng)或能讓學(xué)生親自參與的活動(dòng)，以致于學(xué)生感覺(jué)無(wú)聊，造成中途離場(chǎng)率高達(dá)七成。因此，人們?yōu)榱颂岣邔W(xué)習(xí)者的體驗(yàn)和參與度，構(gòu)建了各種虛擬實(shí)驗(yàn)室。目前建設(shè)的虛擬實(shí)驗(yàn)室基本上能夠完成實(shí)驗(yàn)，但仍存在很多問(wèn)題，如傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的機(jī)械重復(fù)、學(xué)生因沉悶乏味而感到無(wú)聊、開(kāi)放自主流于形式等。

“第二人生”的啟示

“第二人生”（Second Life）是由美國(guó)林登實(shí)驗(yàn)室于2003年首次推出的一個(gè)模擬真實(shí)的大型多用戶(hù)在線三維網(wǎng)絡(luò)虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)。當(dāng)時(shí)，這個(gè)嶄新的虛擬世界完全可以用“荒無(wú)人煙”加以形容，但時(shí)至今日，紅遍全世界，幾年的時(shí)間注冊(cè)人數(shù)已超過(guò)10億多。“第二人生”不是一款游戲，而是一個(gè)互動(dòng)的虛擬平臺(tái)，它的“公民”不但可以在該平臺(tái)上看到想看的東西，最重要的是，他們還可以完全參與進(jìn)去，公民們可以做任何他們想做的事情。它為用戶(hù)提供一個(gè)類(lèi)似真實(shí)的環(huán)境，它成功之處就在于其沉浸性、交互性、自主性和開(kāi)放性的特點(diǎn)。

“第二人生”融合了桌面虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的眾多優(yōu)點(diǎn)。首先，“第二人生”具有沉浸性特點(diǎn)。它以化身為基礎(chǔ)，通過(guò)對(duì)化身的操作與控制，用戶(hù)可以沉浸于逼真的虛擬環(huán)境中。其次，“第二人生”具有較強(qiáng)的交互性。它不僅支持實(shí)時(shí)的文本和語(yǔ)音交流，同時(shí)用戶(hù)可以通過(guò)化身的動(dòng)作、表情來(lái)傳遞更多的信息。再次，“第二人生”具有自主性特點(diǎn)。它支持和鼓勵(lì)用戶(hù)建造自己的物品，創(chuàng)建屬于自己的虛擬環(huán)境。最后，“第二人生”具有很強(qiáng)的開(kāi)放性。它整合眾多優(yōu)勢(shì)資源，實(shí)現(xiàn)資源的開(kāi)放與共享?！暗诙松弊鳛橐豁?xiàng)新技術(shù)，為教育發(fā)展提供新的形式和技術(shù)支持[1]。

由“第二人生”的成功經(jīng)驗(yàn)告訴我們，一個(gè)理想的虛擬實(shí)驗(yàn)室也應(yīng)該具有沉浸性、交互性、自主性和開(kāi)放性。

理想的虛擬實(shí)驗(yàn)室

本質(zhì)是無(wú)墻實(shí)驗(yàn)室

虛擬實(shí)驗(yàn)室是一個(gè)基于網(wǎng)絡(luò)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)、技術(shù)交流、共同研究、協(xié)同工作的平臺(tái)，是利用虛擬現(xiàn)實(shí)及仿真技術(shù)進(jìn)行科學(xué)研究與工程設(shè)計(jì)的方法，也是目前除理論與實(shí)驗(yàn)之外的第三種研究設(shè)計(jì)手段和形式[2]。虛擬實(shí)驗(yàn)室的定義主要有兩種：一是指在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的各種虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境， 實(shí)驗(yàn)者可以如同在真實(shí)的環(huán)境中一樣完成各種預(yù)定的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目， 所取得的學(xué)習(xí)或訓(xùn)練效果等值于甚至優(yōu)于在真實(shí)環(huán)境中所取得的效果；二是指一個(gè)創(chuàng)造和引導(dǎo)模擬實(shí)驗(yàn)的交互環(huán)境， 即實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所， 它由實(shí)驗(yàn)所依賴(lài)的模擬程序、實(shí)驗(yàn)單元、工具和參考資料組成，用戶(hù)可以通過(guò)增加新的物體， 建立新的實(shí)驗(yàn)，并把它們轉(zhuǎn)換成超文本文件來(lái)擴(kuò)充實(shí)驗(yàn)室。兩種定義側(cè)重不同方向， 但都指出虛擬實(shí)驗(yàn)室本質(zhì)上是一個(gè)無(wú)墻實(shí)驗(yàn)室， 它通過(guò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制與交互系統(tǒng)， 使用者將不受時(shí)空限制， 能隨時(shí)隨地進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)操作， 共享儀器設(shè)備、數(shù)據(jù)和計(jì)算機(jī)資源，進(jìn)行協(xié)作或得到遠(yuǎn)程指導(dǎo)等。

四大特點(diǎn)

理想的虛擬實(shí)驗(yàn)室應(yīng)具備如下特點(diǎn)：

1. 沉浸性：是指實(shí)驗(yàn)者對(duì)虛擬世界的情感反映，這種感覺(jué)能使用戶(hù)全方位地投入這個(gè)虛擬世界，通俗地說(shuō)沉浸性就是身臨其境感。虛擬實(shí)驗(yàn)室為學(xué)生提供逼真的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，使學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作效果接近或超過(guò)真實(shí)實(shí)驗(yàn)。

2. 交互性：指虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境中對(duì)象的可操作程度和從環(huán)境得到反饋的自然程度，這種自然程度也包括實(shí)時(shí)性。在虛擬實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，學(xué)生可以隨意改變實(shí)驗(yàn)條件、實(shí)驗(yàn)狀態(tài)，觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果。虛擬軟件可以根據(jù)學(xué)生要求任意放慢或加快實(shí)驗(yàn)進(jìn)程，從而使學(xué)生看到傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)條件下觀測(cè)不到的結(jié)果，從而使學(xué)生在實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中加深對(duì)知識(shí)的理解和對(duì)知識(shí)的創(chuàng)新。

3. 擴(kuò)展性：虛擬儀器的功能可由用戶(hù)自定義產(chǎn)生，而不是像傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備那樣，出廠時(shí)由廠家來(lái)設(shè)定。用戶(hù)只需要在軟件中加入一些通用模塊，就可以根據(jù)自己的需要對(duì)虛擬儀器功能進(jìn)行設(shè)定和升級(jí)。

圖1 沉浸式虛擬實(shí)驗(yàn)室的硬件環(huán)境

虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)：第二人生

“第二人生”（Second Life）是由美國(guó)林登實(shí)驗(yàn)室于2003年首次推出的一個(gè)模擬真實(shí)的大型多用戶(hù)在線三維網(wǎng)絡(luò)虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)?！暗诙松钡拿浇椴皇菫g覽器，而是提供逼真三維圖像的客戶(hù)端軟件，用戶(hù)只要從“第二人生”的官方網(wǎng)站（secondlife.com）下載一個(gè)客戶(hù)端軟件，就可以進(jìn)入這個(gè)栩栩如生的三維虛擬世界進(jìn)行三維模型的搭建。“第二人生”里只有游戲規(guī)則，沒(méi)有計(jì)算機(jī)預(yù)設(shè)好的情節(jié)，所有情節(jié)完全由居民自己創(chuàng)造，甚至游戲場(chǎng)景都是由個(gè)人制作的，如在游戲中可隨時(shí)打開(kāi)控制面板來(lái)修改自己的模樣——從著裝到身材、從面部表情到走路姿態(tài)、從左邊眼影的漸變色彩到腳下鞋子的跟部長(zhǎng)度。

4. 開(kāi)放性：指虛擬實(shí)驗(yàn)室是一個(gè)開(kāi)放的平臺(tái)，學(xué)生可以不受時(shí)間、空間和實(shí)驗(yàn)次數(shù)、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和試驗(yàn)方式的嚴(yán)格限制，可以隨時(shí)隨地進(jìn)入虛擬實(shí)驗(yàn)室，根據(jù)自己的想法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

實(shí)現(xiàn)的功能[3]

1. 教育功能

學(xué)生通過(guò)使用虛擬或真實(shí)儀器、裝置或系統(tǒng)的模擬裝置熟悉實(shí)驗(yàn)過(guò)程， 掌握相關(guān)技術(shù)；能滿(mǎn)足不同知識(shí)背景下的學(xué)生的要求， 根據(jù)其能力、實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)等調(diào)整資源模塊(如設(shè)備、組件、儀器、生成器、數(shù)據(jù)采集板等) ， 保證學(xué)生在單獨(dú)使用模擬環(huán)境時(shí)能進(jìn)行各種實(shí)驗(yàn)操作。

學(xué)生可以根據(jù)自己的需求和想法改變實(shí)驗(yàn)方式、參數(shù)；可以根據(jù)學(xué)生要求任意放慢或加快實(shí)驗(yàn)進(jìn)程，從而使學(xué)生看到在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)條件下觀測(cè)不到的結(jié)果，實(shí)現(xiàn)知識(shí)創(chuàng)新。

3. 協(xié)同實(shí)驗(yàn)和研究功能

虛擬實(shí)驗(yàn)室利用當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和設(shè)施，使參與實(shí)驗(yàn)的人員在遠(yuǎn)程相互合作以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究， 為分布在世界各地的研究人員提供共同從事一個(gè)項(xiàng)目的分布式問(wèn)題解決環(huán)境。

4. 仿真研究功能

虛擬實(shí)驗(yàn)室可根據(jù)人們的設(shè)想完成現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)無(wú)法完成或者成本很高的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

引入虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以幫助虛擬實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)上文所述的教育功能。

何良諸也覺(jué)得餓了。井上大概發(fā)生了重大變故，如果小勺酒店被圍抄，警方將趙集、小勺、駝子帶走，他們會(huì)活活餓死。何良諸將上面的情況，告訴了兩位難兄難弟。

虛擬現(xiàn)實(shí)，又稱(chēng)靈境技術(shù)，它是利用三維圖形生成技術(shù)、多傳感交互技術(shù)以及高分辨顯示技術(shù)，生成三維逼真的虛擬環(huán)境，通過(guò)運(yùn)用多種傳感器和可視化設(shè)備，將視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)等作用于用戶(hù)，使用戶(hù)融入到特殊的環(huán)境中去感知和操作虛擬世界中的各種對(duì)象及對(duì)環(huán)境進(jìn)行控制，成為虛擬環(huán)境的一員，從而獲得身臨其境的感受和體會(huì)[3]。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有3個(gè)基本特征：

1. 沉浸性，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是根據(jù)人類(lèi)的視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)的生理心理特點(diǎn)，由計(jì)算機(jī)產(chǎn)生逼真的三維立體圖像。使用者戴上頭盔顯示器和數(shù)據(jù)手套等交互設(shè)備便可將自己置身于虛擬環(huán)境中，成為虛擬環(huán)境中的一員。使用者與虛擬環(huán)境中的各種對(duì)象的相互作用，就如同在現(xiàn)實(shí)世界中。當(dāng)使用者移動(dòng)頭部時(shí)，虛擬環(huán)境中的圖像也實(shí)時(shí)地跟隨變化，比如，拿起物體時(shí)，物體會(huì)隨著手部的移動(dòng)而運(yùn)動(dòng)，而且還可以聽(tīng)到三維仿真聲音。使用者在虛擬環(huán)境中，一切感覺(jué)都是那么逼真，有一種身臨其境的感覺(jué)。

2. 交互性，虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中的人機(jī)交互是一種近乎自然的交互，使用者不僅可以利用計(jì)算機(jī)鍵盤(pán)、鼠標(biāo)進(jìn)行交互，而且能夠通過(guò)特殊頭盔、數(shù)據(jù)手套等傳感設(shè)備進(jìn)行交互，計(jì)算機(jī)能根據(jù)使用者的頭、手、眼、語(yǔ)言及身體的運(yùn)動(dòng)，來(lái)調(diào)整系統(tǒng)呈現(xiàn)的圖像及聲音，使用者通過(guò)自身的語(yǔ)言、身體運(yùn)動(dòng)或動(dòng)作等自然技能，就能對(duì)虛擬環(huán)境中的對(duì)象進(jìn)行考察或操作。

3. 多感知性，由于虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中裝有視、聽(tīng)、觸、動(dòng)覺(jué)的傳感及反應(yīng)裝置，因此，使用者在虛擬環(huán)境中可獲得視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)、動(dòng)覺(jué)等多種感知，從而達(dá)到身臨其境的感受。

圖2 虛擬實(shí)驗(yàn)室的軟件體系結(jié)構(gòu)

圖3 虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理模型

虛擬實(shí)驗(yàn)室的建構(gòu)新模型

構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)室，就是根據(jù)虛擬實(shí)驗(yàn)室的需求搭建一個(gè)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)系統(tǒng)，其主要包括硬件環(huán)境、軟件體系和教學(xué)管理三個(gè)方面。

硬件環(huán)境

全方位的硬件系統(tǒng)支持是實(shí)現(xiàn)虛擬世界沉浸性的基礎(chǔ)，它可以保證實(shí)驗(yàn)者以自然和諧的方式與虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境進(jìn)行交互，這類(lèi)用于輸入與輸出的硬件設(shè)備共同構(gòu)成虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的交互界面，從不同的方面促進(jìn)沉浸感的形成，主要有視覺(jué)感知設(shè)備、聽(tīng)覺(jué)感知設(shè)備、觸覺(jué)反饋設(shè)備、數(shù)據(jù)手套、數(shù)據(jù)衣、空間位置跟蹤器、輸入設(shè)備。用于沉浸式虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的視覺(jué)感知設(shè)備主要有頭盔式顯示器和洞穴(Cave)式立體顯示裝置等。通過(guò)這類(lèi)顯示裝置，為實(shí)驗(yàn)者呈現(xiàn)三維的逼真場(chǎng)景，并且可以使用戶(hù)在視覺(jué)上與外界隔離開(kāi)來(lái)，保證系統(tǒng)的沉浸性需要。當(dāng)然，完全沉浸的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)目前只能處于設(shè)想階段。此外，高性能的計(jì)算機(jī)是整個(gè)虛擬系統(tǒng)的核心，由于要并行地處理來(lái)自多個(gè)感知通道的信息，這就要求計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)有高速的數(shù)據(jù)處理和計(jì)算能力。硬件環(huán)境的結(jié)構(gòu)[4]如圖1所示。

軟件體系結(jié)構(gòu)

沉浸式虛擬實(shí)驗(yàn)室的軟件部分是保證系統(tǒng)成功的又一關(guān)鍵因素，硬件設(shè)備是基礎(chǔ)，而軟件部分則負(fù)責(zé)對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的科學(xué)性、精確性以及實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)進(jìn)行控制，此外還負(fù)責(zé)對(duì)各種底層硬件設(shè)備的驅(qū)動(dòng)和控制以及各種媒體信息的復(fù)雜處理以形成沉浸感。虛擬實(shí)驗(yàn)室的軟件系統(tǒng)所包含的各個(gè)模塊及其相互關(guān)系[4]，如圖2所示。

虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理

虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理是整個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的目的，虛擬實(shí)驗(yàn)室的沉浸性、交互性、自主性、開(kāi)放性都會(huì)在這里得以展現(xiàn)和實(shí)施。這個(gè)模塊包括學(xué)生學(xué)習(xí)管理、教師教學(xué)管理和實(shí)驗(yàn)管理員管理。虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理模塊如圖3所示。

在實(shí)際構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)時(shí)的我們應(yīng)根據(jù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的特點(diǎn)和人才培養(yǎng)的需要，綜合考慮各方面的因素來(lái)開(kāi)發(fā)一個(gè)合適的虛擬實(shí)驗(yàn)室，由于開(kāi)發(fā)一個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)室需要投入很大的人力和物力，所以在開(kāi)發(fā)之前一定要先進(jìn)行需求分析，根據(jù)不同的實(shí)際情況來(lái)建構(gòu)不同的硬件環(huán)境、軟件體系結(jié)構(gòu)和教學(xué)管理模塊，但總體來(lái)說(shuō)我們還是要在堅(jiān)持虛擬實(shí)驗(yàn)的真實(shí)模擬性原則的同時(shí)進(jìn)一步追求其沉浸性、交互性、自主性和開(kāi)放性，從而使虛擬實(shí)驗(yàn)室在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中起到更好的效果。

目前該模型已被相關(guān)研究人員借鑒并應(yīng)用于某一個(gè)高校的虛擬實(shí)現(xiàn)技術(shù)課程的教學(xué)實(shí)驗(yàn)中。據(jù)相關(guān)研究人員介紹，學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)課教學(xué)能夠更好地學(xué)習(xí)和掌握相關(guān)知識(shí)，學(xué)生在這個(gè)逼真的、強(qiáng)交互性的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，通過(guò)鼠標(biāo)和鍵盤(pán)的操作進(jìn)行各種實(shí)驗(yàn)，由于學(xué)生自己動(dòng)手搭建人機(jī)交互的虛擬場(chǎng)景，使學(xué)生能夠成為虛擬環(huán)境的一名參與者，在虛擬環(huán)境中扮演一個(gè)角色，獲得與真實(shí)實(shí)驗(yàn)相同的感受，滿(mǎn)足了學(xué)生的好奇心和求知欲，更調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，激發(fā)了學(xué)生無(wú)限的學(xué)習(xí)興趣、開(kāi)發(fā)創(chuàng)新意識(shí)，對(duì)突破教學(xué)的重點(diǎn)、難點(diǎn)，培養(yǎng)學(xué)生的技能起到積極的作用?？傊?，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)開(kāi)發(fā)的具有沉浸性、交互性、自主性、開(kāi)放性等特點(diǎn)的虛擬實(shí)驗(yàn)室在實(shí)驗(yàn)改革教學(xué)中有著廣闊的應(yīng)用前景。

（作者單位為徐州師范大學(xué)信息傳播學(xué)院）

擴(kuò)展閱讀：

[1] 劉學(xué)勤，郭寧. 亞利桑那大學(xué)“第二人生”教育應(yīng)用實(shí)踐及其啟示.河北大學(xué)成人教育學(xué)院學(xué)報(bào)，2009.12（第11卷第4期）.

[2] 劉筱蘭等. 虛擬實(shí)驗(yàn)室的類(lèi)型及發(fā)展趨勢(shì).計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究，2004年第11期.

[3] 張艷，樊莉，方秦.基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的虛擬實(shí)驗(yàn)室建設(shè).科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2008年第20期.

[4] 呂耀中.沉浸式虛擬實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)構(gòu)想.現(xiàn)代遠(yuǎn)距離教育，2008年第3期.