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分子晶體模型和機械橫波傳播模型,研究了VRML在計算機輔助教學(xué)中的應(yīng)用。體現(xiàn)出虛擬現(xiàn)實技術(shù)在CAI教育中應(yīng)用的優(yōu)勢。

VRML;實驗;課件

隨著社會科學(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,計算機輔助教學(xué)在變革傳統(tǒng)教學(xué)模式過程中起到了積極的作用。而課件又是計算機輔助教學(xué)的靈魂,因此,制作出好的課件,才能使得計算機輔助教學(xué)的作用得到更大的發(fā)揮。虛擬現(xiàn)實(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課件多半是文字敘述加上儀器圖片展示,或有動畫描述實驗過程,這一過程也是事先由程序編制者設(shè)定好的,與實際相差甚遠。現(xiàn)有的三維模擬實驗因其開發(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)的虛擬實驗不僅做到生成文件小,還可實現(xiàn)實驗場景的動態(tài)仿真控制,在一定程度上彌補了傳統(tǒng)實驗中出現(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,并且具有強大的交互能力和虛擬現(xiàn)實能力,實現(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90年代以來興起的一種新型信息技術(shù),是一種新的人——機界面形式。它追求將傳統(tǒng)的計算機從一種需要人用鍵盤、鼠標對其進行操作的設(shè)備變成了人處于計算機創(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)實技術(shù)具有三個基本特征[4]:(1)沉浸性。虛擬現(xiàn)實技術(shù)是根據(jù)人類的視覺、聽覺的生理心理特點,由計算機產(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,使用者體驗現(xiàn)實世界等同的感受以及在現(xiàn)實世界中難以經(jīng)歷的體驗。(2)交互性。虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中的人機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、鼠標進行交互,而且能夠通過特殊頭盔、數(shù)據(jù)手套等傳感設(shè)備進交互。使用者通過自身的語言、身體運動或動作等自然技能,就能對虛擬環(huán)境中的對象進行考察或操作。(3)多感知性。由于虛擬現(xiàn)實系統(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,從而達到身臨其境的感受。

VRML是一個三維造型和渲染的圖形描述性語言,它把一個“虛擬世界”視為一個“場景”,而場景中的一切都視為“對象”,對每一個對象的描述就構(gòu)成了 WRL文件[5]。在運行時,由VRML瀏覽器解釋并通過圖形卡實時繪制生成一個動態(tài)的虛擬世界。VRML是面向網(wǎng)絡(luò)的虛擬現(xiàn)實技術(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“實時”渲染的,場景渲染的實時性導(dǎo)致了在虛擬場景中的人機可交互性。VRML可以通過視點變換實現(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)點和傳感器節(jié)點來提高它的交互性。

VR技術(shù)能夠為學(xué)生提供生動、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)境中扮演一個角色,這對調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性,突破教學(xué)的重點、難點,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)生可以直接接觸當代最先進的科學(xué)技術(shù)成果,同時也為學(xué)生發(fā)揮自己的創(chuàng)造性提供了一個良好的場所。

目前VRML在教育領(lǐng)域中的應(yīng)用已成為VRML應(yīng)用的熱點。本文的動態(tài)模型就是利用VRML制作的機械波動態(tài)傳播演示實驗?zāi)Ｐ?幫助學(xué)生更好的理解波傳播的實質(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)生只能被動接受,而虛擬實驗則不然。學(xué)習(xí)者能自主地選擇或重組虛擬實驗環(huán)境,自我控制實驗過程。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;同時也有效地提高學(xué)生的動手能力,培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的能力。

2 CAI課件設(shè)計實例

2.1 NaCl分子晶體模型事例設(shè)計

為了視覺效果更好,要創(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)建一個邊長為2個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分子晶體的空間點陣結(jié)構(gòu),確定不同離子的空間坐標位置,完成整個模型的設(shè)計。

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

(2)定義一個邊長為2個單位的Box,同時設(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、顏色、透明度及半徑;

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

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。若計算機系統(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。如果計算機系統(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)造性提供了一個良好的實驗場所。例如學(xué)生在學(xué)習(xí)NaCl分子晶體模型時,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;同時也有效地提高學(xué)生的動手能力,培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的能力。

2.2 動態(tài)機械波傳播模型事例設(shè)計

機械橫波的傳播理論是通過波源的振動依次帶動附近質(zhì)點的振動,從而形成波,傳播出去。

設(shè)計過程:

(1)創(chuàng)建背景節(jié)點,添加一個時鐘傳感器;

(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 并確定各項參數(shù)。創(chuàng)建節(jié)點,分別從-20到20取偶數(shù)創(chuàng)建21個柱體,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)建開始運動、后續(xù)運動。創(chuàng)建路線把時鐘傳感器和程序通過函數(shù)形成映射[8]。通過時鐘的走動來帶動柱體的上下運動,從而實現(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 動態(tài)機械橫波運行界面

學(xué)生能夠自行操作,從不同的角度進行觀察,鍛煉自己的觀察能力,通過實驗(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)點的振動引起的,傳播的是質(zhì)點的運動狀態(tài),而不是質(zhì)點本身。能夠用事實來說服困惑學(xué)生的知識點,把難點、重點變得簡單易懂,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在計算機輔助教學(xué)中的應(yīng)用作了深刻的研究和探討。成功地完成了NaCl的晶體模型和動態(tài)機械波傳播模型的設(shè)計及運行,并對靜態(tài)和動態(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)實彌補,更好的完成教學(xué)過程,實現(xiàn)教育新的飛躍。

[1]郭天太,王引童.虛擬現(xiàn)實技術(shù)與增強現(xiàn)實技術(shù)[J].機械制造,2003,41(6):7-9.

[2]陳仕品.VRML在多媒體課件中的應(yīng)用[J].中國醫(yī)學(xué)教育技術(shù),2005,19(4).

[3]王興建,李麗,陳雪菱,等.基于 VRML和JAVA的交互式工程制圖Web模型庫的建立[J].四川師范大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2005(28):250-252.

[4]黃文麗,盧碧紅,楊志剛,等.VRML語言入門與應(yīng)用[M].北京:中國鐵道出版社,2003.

[5]陸昌輝.VRML入門與提高[M].北京.北京大學(xué)出版社,2003:201-202.

[6]吳北新.虛擬現(xiàn)實建模語言VRML[M].北京:高等教育出版社,2004.

[7]孟祥東,華中.VRML語言及其在固體物理教學(xué)中的應(yīng)用[J].吉林師范大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2004(5):402.

[8]劉海霞,李仁旺,楊貴,等.基于VRML與Java3D的交互式虛擬物流系統(tǒng)[J].計算機工程,2008,(34):259-261

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)校科學(xué)研究項目資助(2008039).