吳 迪 ,張文勝,劉 軍,徐 朋,部德才,王 蔚,李學(xué)慧

(大連大學(xué),遼寧 大連 116622)

VRML 在CAI課件設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究

吳 迪 ,張文勝,劉 軍,徐 朋,部德才,王 蔚,李學(xué)慧

(大連大學(xué),遼寧 大連 116622)

通過利用VRML制作NaCl分子晶體模型和機(jī)械橫波傳播模型,研究了VRML在計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)中的應(yīng)用。體現(xiàn)出虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在CAI教育中應(yīng)用的優(yōu)勢。

VRML;實(shí)驗(yàn);課件

隨著社會(huì)科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展,信息技術(shù)逐漸滲透到人們的生活和學(xué)習(xí)之中。特別是在中國教育改革和新課程改革的今天,計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)在變革傳統(tǒng)教學(xué)模式過程中起到了積極的作用。而課件又是計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)的靈魂,因此,制作出好的課件,才能使得計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)的作用得到更大的發(fā)揮。虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtural Reality簡稱VR)技術(shù)作為一種集視、聽等多種直觀而又自然的現(xiàn)代教學(xué)媒體技術(shù),在教學(xué)中越來越占據(jù)著重要的位置[1-2]。目前CAI課件多半是文字?jǐn)⑹黾由蟽x器圖片展示,或有動(dòng)畫描述實(shí)驗(yàn)過程,這一過程也是事先由程序編制者設(shè)定好的,與實(shí)際相差甚遠(yuǎn)?，F(xiàn)有的三維模擬實(shí)驗(yàn)因其開發(fā)工具及生成圖像存在文件較大等原因,很難在互聯(lián)網(wǎng)上推廣使用。而VRML開發(fā)的虛擬實(shí)驗(yàn)不僅做到生成文件小,還可實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)場景的動(dòng)態(tài)仿真控制,在一定程度上彌補(bǔ)了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的不足,其發(fā)展前景十分誘人,特別是與互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合,更是人們所夢寐以求的。因此,把虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)中必將對教育、教學(xué)質(zhì)量的提高,學(xué)生學(xué)習(xí)興趣及能力的培養(yǎng)起到重要作用。

VR的三維圖像在生動(dòng)直觀性上優(yōu)于二維圖像,所包含信息也多于二維圖像,并且具有強(qiáng)大的交互能力和虛擬現(xiàn)實(shí)能力,實(shí)現(xiàn)以人為中心、更具人性化的教學(xué)。VRML在CAI中的應(yīng)用必將帶來教學(xué)領(lǐng)域新的潮流[3]。

1 VRML簡介

VR技術(shù)是20世紀(jì)90年代以來興起的一種新型信息技術(shù),是一種新的人——機(jī)界面形式。它追求將傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)從一種需要人用鍵盤、鼠標(biāo)對其進(jìn)行操作的設(shè)備變成了人處于計(jì)算機(jī)創(chuàng)造的人工虛擬環(huán)境中,以自然方式與虛擬環(huán)境交互作用、相互影響。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有三個(gè)基本特征[4]:(1)沉浸性。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是根據(jù)人類的視覺、聽覺的生理心理特點(diǎn),由計(jì)算機(jī)產(chǎn)生逼真的三維立體圖像,使用者如同置身于虛擬環(huán)境中,使用者體驗(yàn)現(xiàn)實(shí)世界等同的感受以及在現(xiàn)實(shí)世界中難以經(jīng)歷的體驗(yàn)。(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電腦鍵盤、鼠標(biāo)進(jìn)行交互,而且能夠通過特殊頭盔、數(shù)據(jù)手套等傳感設(shè)備進(jìn)交互。使用者通過自身的語言、身體運(yùn)動(dòng)或動(dòng)作等自然技能,就能對虛擬環(huán)境中的對象進(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、觸覺的傳感及反應(yīng)裝置,因此,使用者在虛擬環(huán)境中可獲得視覺、聽覺、觸覺等多種感知,從而達(dá)到身臨其境的感受。

VRML是一個(gè)三維造型和渲染的圖形描述性語言,它把一個(gè)“虛擬世界”視為一個(gè)“場景”,而場景中的一切都視為“對象”,對每一個(gè)對象的描述就構(gòu)成了 WRL文件[5]。在運(yùn)行時(shí),由VRML瀏覽器解釋并通過圖形卡實(shí)時(shí)繪制生成一個(gè)動(dòng)態(tài)的虛擬世界。VRML是面向網(wǎng)絡(luò)的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。由于VRML是一種三維造型和渲染的圖形描述性語言,因此其生成的WRL文件是記錄虛擬場景的描述,而不是實(shí)際創(chuàng)建的模型,這樣由VRML的文件相對于其它圖形媒體就非常小,適合于網(wǎng)絡(luò)傳輸。VRML的圖形是“實(shí)時(shí)”渲染的,場景渲染的實(shí)時(shí)性導(dǎo)致了在虛擬場景中的人機(jī)可交互性。VRML可以通過視點(diǎn)變換實(shí)現(xiàn)用戶在虛擬場景中漫游,可以全方位觀測虛擬物體。VRML提供了多種的內(nèi)插節(jié)點(diǎn)和傳感器節(jié)點(diǎn)來提高它的交互性。

VR技術(shù)能夠?yàn)閷W(xué)生提供生動(dòng)、逼真的學(xué)習(xí)環(huán)境,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,這對調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性,突破教學(xué)的重點(diǎn)、難點(diǎn),培養(yǎng)學(xué)生的技能都將起到積極的作用。VR很好的改善了教育環(huán)境和手段,使得學(xué)生可以直接接觸當(dāng)代最先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)成果,同時(shí)也為學(xué)生發(fā)揮自己的創(chuàng)造性提供了一個(gè)良好的場所。

目前VRML在教育領(lǐng)域中的應(yīng)用已成為VRML應(yīng)用的熱點(diǎn)。本文的動(dòng)態(tài)模型就是利用VRML制作的機(jī)械波動(dòng)態(tài)傳播演示實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?幫助學(xué)生更好的理解波傳播的實(shí)質(zhì),更好的激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,方便老師的講解,提高教學(xué)質(zhì)量。傳統(tǒng)的學(xué)習(xí)情境的是教師事先安排好的,學(xué)生只能被動(dòng)接受,而虛擬實(shí)驗(yàn)則不然。學(xué)習(xí)者能自主地選擇或重組虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境,自我控制實(shí)驗(yàn)過程。在教師的引導(dǎo)下,自行完成學(xué)習(xí)內(nèi)容,充分激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情,提高學(xué)習(xí)效率;同時(shí)也有效地提高學(xué)生的動(dòng)手能力,培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的能力。

2 CAI課件設(shè)計(jì)實(shí)例

2.1 NaCl分子晶體模型事例設(shè)計(jì)

為了視覺效果更好,要?jiǎng)?chuàng)建背景顏色,黑色更容易襯托,因此多采用黑色為背影顏色,其次,創(chuàng)建一個(gè)邊長為2個(gè)VRML單位的立方體BOX,為了使整體看起來更方便,設(shè)定立方體的顏色及透明度。定義紅色球體代表Na離子,綠色球體代表Cl離子,根據(jù)NaCl分子晶體的空間點(diǎn)陣結(jié)構(gòu),確定不同離子的空間坐標(biāo)位置,完成整個(gè)模型的設(shè)計(jì)。

(1)創(chuàng)建背景節(jié)點(diǎn),天空色為黑色,R/G/B都為0;

(2)定義一個(gè)邊長為2個(gè)單位的Box,同時(shí)設(shè)置它的材料顏色、透明度等;

(3)創(chuàng)建大小球體來表示氯和鈉離子,確定坐標(biāo)、顏色、透明度及半徑;

(4)確定球的坐標(biāo),通過引用 USE就可以完成整個(gè)NaCl晶體模型設(shè)計(jì)。

要想觀看VRML文件生成的三維交互世界,需要VRML播放器[6,7]。常見的VRML播放器有MicrosoftVRML播放器和CosmoPlayer播放器,這兩種播放器的功能差不多。若計(jì)算機(jī)系統(tǒng)用的是Internet Explorer4.0以上版本,則有可能已經(jīng)內(nèi)置了VRML播放器。如果計(jì)算機(jī)系統(tǒng)不能打開VRML文件,可以從網(wǎng)上下載VRML播放器插件,安裝到瀏覽器上。本文使用 CosmoPlayer播放器,操作界面如圖1所示,是從不同角度觀察的結(jié)果。

圖1 NaCl晶體模型操作界面

VR能夠以較低的成本改善教育環(huán)境和手段,也為學(xué)生發(fā)揮自己的創(chuàng)造性提供了一個(gè)良好的實(shí)驗(yàn)場所。例如學(xué)生在學(xué)習(xí)NaCl分子晶體模型時(shí),可以根據(jù)自己的需要,從前后左右上下,甚至從內(nèi)部來觀察NaCl晶體模型的構(gòu)造,仿佛置身其中(見圖1)。學(xué)習(xí)者自始至終處于主體地位,充分激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情,提高了學(xué)習(xí)效率;同時(shí)也有效地提高學(xué)生的動(dòng)手能力,培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的能力。

2.2 動(dòng)態(tài)機(jī)械波傳播模型事例設(shè)計(jì)

機(jī)械橫波的傳播理論是通過波源的振動(dòng)依次帶動(dòng)附近質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng),從而形成波,傳播出去。

設(shè)計(jì)過程:

(1)創(chuàng)建背景節(jié)點(diǎn),添加一個(gè)時(shí)鐘傳感器;

(2)創(chuàng)建水平軸及尺寸大小等參數(shù),創(chuàng)建垂直軸 ,分別取 -20、-10、0、10、20 并確定各項(xiàng)參數(shù)。創(chuàng)建節(jié)點(diǎn),分別從-20到20取偶數(shù)創(chuàng)建21個(gè)柱體,確定他們尺寸的大小及透明度等參數(shù);

(3)創(chuàng)建JavaScript程序,定義振幅、波長,描述函數(shù)的映射關(guān)系;

(4)確定開始及其他分階段,創(chuàng)建開始運(yùn)動(dòng)、后續(xù)運(yùn)動(dòng)。創(chuàng)建路線把時(shí)鐘傳感器和程序通過函數(shù)形成映射[8]。通過時(shí)鐘的走動(dòng)來帶動(dòng)柱體的上下運(yùn)動(dòng),從而實(shí)現(xiàn)波的傳播,見圖2。

ROU TE Clock.cycleTime TOProgram.set_start Time ####begin motion####

ROU TE Clock.fraction_changed TOProgram.set_fraction ####continue motion####

圖2 動(dòng)態(tài)機(jī)械橫波運(yùn)行界面

學(xué)生能夠自行操作,從不同的角度進(jìn)行觀察,鍛煉自己的觀察能力,通過實(shí)驗(yàn)(如圖2所示),讓學(xué)生更好的理解振幅、波長等相關(guān)的概念。能夠讓學(xué)生更加形象、具體的理解:波是由質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)引起的,傳播的是質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),而不是質(zhì)點(diǎn)本身。能夠用事實(shí)來說服困惑學(xué)生的知識點(diǎn),把難點(diǎn)、重點(diǎn)變得簡單易懂,使教學(xué)信息變得更加豐富,為學(xué)生提供更廣泛的視野,達(dá)到良好的教學(xué)效果。

3 結(jié) 論

本文在深入學(xué)習(xí)和研究VRML的基本概念及發(fā)展方向和課件制作方法的基礎(chǔ)上,對VRML在計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)中的應(yīng)用作了深刻的研究和探討。成功地完成了NaCl的晶體模型和動(dòng)態(tài)機(jī)械波傳播模型的設(shè)計(jì)及運(yùn)行,并對靜態(tài)和動(dòng)態(tài)模型的制作過程作了論述,模型在教學(xué)中應(yīng)用的可行性及優(yōu)越性也進(jìn)行了深入的探討,傳統(tǒng)教學(xué)中存在的不足之處,通過虛擬現(xiàn)實(shí)彌補(bǔ),更好的完成教學(xué)過程,實(shí)現(xiàn)教育新的飛躍。

[1]郭天太,王引童.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)[J].機(jī)械制造,2003,41(6):7-9.

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Study on Design of CAI Courseware with VRML

WU Di,ZHANG Wen-sheng,LIU Jun,XU Peng,BU De-cai,WANG Wei,LI Xue-hui

(Dalian University,Dalian 116622)

The courseware of computer-aided teaching under VRML was studied through the use of VRML model of molecular crystal NaCl and mechanical wave propagation model.Reflect the advantage of virtual reality technology in the application of CAI.

VRML;experiments;courseware

O4-39

A

1007-2934(2011)03-0085-04

2010-07-03

遼寧省教育廳高等學(xué)?？茖W(xué)研究項(xiàng)目資助(2008039).