馬阿曼

（武夷學院數(shù)學與計算機學院，福建武夷山354300）

淺談VRML虛擬實驗技術(shù)在現(xiàn)代教育技術(shù)課程的應(yīng)用

馬阿曼

（武夷學院數(shù)學與計算機學院，福建武夷山354300）

虛擬實驗室是借助網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，多媒體技術(shù)、VR技術(shù)建立的實驗系統(tǒng)。虛擬實驗室系統(tǒng)的實現(xiàn)模塊包括，場景模型，虛擬軟件部分，用戶界面部分；技術(shù)要點包括場景建模，功能設(shè)計，用戶交互設(shè)計。在這個虛擬的實驗室里，學生可以自主的控制實驗的學習時間和地點，在保證實驗效果的基礎(chǔ)上，可以很大限度降低建立實驗室的難度與實驗室資金的投入。作為現(xiàn)代教育技術(shù)這門課程實驗是其一個重要組成部分，所以開發(fā)基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬實驗系統(tǒng)并與物理真實實驗相結(jié)合，能更好的開展實驗教學工作。

虛擬現(xiàn)實；虛擬實驗；投影媒體

虛擬現(xiàn)實技術(shù)自二十世紀六十年代起步，八十年代虛擬現(xiàn)實的研究開始進入到實用化階斷，九十年代以來，計算機技術(shù)的快速發(fā)展使得虛擬現(xiàn)實技術(shù)作為教學領(lǐng)域的一種創(chuàng)新技術(shù)[1]。1989年美國的wiiliamwolfWiiliamW教授首次提出虛擬實驗室的概念，并把它描述成一個“沒有圍墻的研究中心”。雖然在我國虛擬現(xiàn)實教育應(yīng)用發(fā)展和國外相比還是有一定的差距，但是現(xiàn)在已經(jīng)引起了政府及相關(guān)部門的重視，虛擬現(xiàn)實的研究會逐步延伸到教育教學領(lǐng)域的各個方面。而虛擬實驗室技術(shù)的應(yīng)用前景誘人，也是我們實驗教學方式的研究和改革的熱點[2]。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)在教學上的應(yīng)用，促進了教育教學手段的現(xiàn)代化和信息化[3]。近些年國內(nèi)在虛擬實驗室的研究方面取得了很大的發(fā)展，特別出現(xiàn)了很多專業(yè)化、應(yīng)用性強的產(chǎn)品，尤其是在教育領(lǐng)域，虛擬實驗室的建設(shè)也得到了很多的重視和發(fā)展，目前已有部分學校建立了虛擬實驗室。在國內(nèi)已經(jīng)有些大學組建了與自己學校教育教學、學科研究等領(lǐng)域相關(guān)的虛擬實驗室，[2-3]這些實驗室也己經(jīng)應(yīng)用于教育教學之中，實現(xiàn)了教學方法的改革和創(chuàng)新。

1 虛擬實驗室系統(tǒng)實現(xiàn)的基本流程

1.1 技術(shù)流程

虛擬實驗室的建立過程主要技術(shù)流程三部分組成：場景建模、功能設(shè)計、用戶交互設(shè)計。主要技術(shù)流程如下圖1所示：

圖1 技術(shù)流程圖

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與框架

虛擬實驗教學系統(tǒng)的實現(xiàn)主要由以下三部分組成：

1.2.1 場景模型部分

這部分主要是紋理材質(zhì)的選擇處理、幾何場景模型的建立及最后場景的紋理貼圖建模。

1.2.2 虛擬軟件平臺

這部分通過虛擬軟件平臺獲取場景數(shù)據(jù)，對場景的優(yōu)化、漫游控制等從而搭建虛擬實景空間。

1.2.3 用戶界面

用戶使用的界面，用戶通過用戶界面進行學習模式的選擇從而進行學習，具體結(jié)構(gòu)如下圖2所示：

圖2 虛擬實驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與框架

2 建立虛擬實驗室的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 建模問題

模型的創(chuàng)建一直是虛擬實驗室建立中最基本的工作，也是工作量最大的部分。所以在虛擬實驗室的建模過程中，我們可以采用VRML語言進行建模再結(jié)合其他專用的建模工具（如3DSMAX）提高建模效率，最后生成VRML文件與VRML其它場景文件整合在一起。因為一個場景的模型比較多所以在建模的過程中要對需要的模型先進行分類，如有交互要求的，沒交互要求的，背景模型等等。分類之后建模，這樣也便于我們后期管理和編輯。在現(xiàn)代教育技術(shù)課程多媒體投影的使用實驗中，虛擬實驗室建模主要集中在以下方面：實驗環(huán)境(場景建模，多媒體教室，多媒體控制臺)，實驗道具(多媒體投影儀)。

2.2 交互問題

交互性是指用戶對虛擬環(huán)境內(nèi)物體的可操作程度和從環(huán)境得到反饋的自然程度。交互問題一直是虛擬實驗室設(shè)計的難點問題。在現(xiàn)代教育技術(shù)課程多媒體投影的使用實驗中，交互問題主要涉及到的對象為多媒體教室，實驗道具（投影儀）。交互問題的主要內(nèi)容為，多媒體教室的開門關(guān)門，教室的瀏覽，燈的開關(guān)。多媒體投影儀的操作控制，多媒體控制臺的交互等等。

2.3 實時顯示問題

在虛擬實驗室進行虛擬實驗的操作都是在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中進行的，那么在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，三維的場景數(shù)據(jù)量比較大，所以三維場景的實時動態(tài)顯示問題就顯得格外重要。如果學生在虛擬實驗操作中等待的時間比較長就會造成當視點發(fā)生移動變化時，新的視點場景不能及時更新，那么就會出現(xiàn)人動而場景未動的情況。當學生視點停止移動變化的時候，虛擬實驗系統(tǒng)卻將剛才延遲顯示的場景顯示出來，從而產(chǎn)生場景交叉錯位。這樣學生覺得虛擬實驗不夠流暢，降低了實驗的沉浸感，從而對虛擬實驗這種學習方式降低了學習興趣。在現(xiàn)代教育技術(shù)課程多媒體投影的使用實驗中，為了解決這個問題采用對實驗場景進行分塊處理，可見消隱處理及細節(jié)選擇的方法。虛擬場景圖像的實時動態(tài)顯示問題采用圖像差值及視圖變換技術(shù)來解決[4-5]。這樣虛擬實驗的場景就更加的真實，學生在學習時沉浸感更強，增加了學生學習的興趣。

3 虛擬實驗室在教學中的應(yīng)用特點

近年來虛擬現(xiàn)實技術(shù)、信息處理技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、多媒體技術(shù)的飛速發(fā)展。在教育領(lǐng)域出現(xiàn)了虛擬教室、虛擬實驗室、虛擬圖書館、虛擬校園等。它們?yōu)榻逃虒W的發(fā)展注入了新的空氣?；诰W(wǎng)絡(luò)的虛擬實驗室可以有效地將現(xiàn)代信息新技術(shù)引入教學和實驗中為學生營造一個全新的學習環(huán)境，發(fā)揮現(xiàn)有的教育資源的優(yōu)勢，實現(xiàn)教育資源的共享。近年來虛擬現(xiàn)實技術(shù)、信息處理技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、多媒體技術(shù)的飛速發(fā)展。在教育領(lǐng)域出現(xiàn)了虛擬教室、虛擬實驗室、虛擬圖書館、虛擬校園等。它們?yōu)榻逃虒W的發(fā)展注入了新的空氣?；诰W(wǎng)絡(luò)的虛擬實驗室可以有效地將現(xiàn)代信息新技術(shù)引入教學和實驗中為學生營造一個全新的學習環(huán)境，發(fā)揮現(xiàn)有的教育資源的優(yōu)勢，實現(xiàn)教育資源的共享。建立網(wǎng)上虛擬現(xiàn)代教育技術(shù)課程多媒體投影的實驗系統(tǒng)有許多優(yōu)點。

3.1 實驗設(shè)備的節(jié)約

對于一個普通的地方性應(yīng)用型高等院校來說，在校期間要注重培養(yǎng)學生的實際動手能力，可是由于我校資金不足，在實驗設(shè)備以及實驗環(huán)境搭建方面的投入明顯不足。而對與現(xiàn)代教育技術(shù)課程中的多媒體投影的實驗，投影儀的使用無疑是一個制約。虛擬實驗環(huán)境的搭建，可是實現(xiàn)學生在虛擬的實驗環(huán)境中操作多媒體投影儀，增強了操作性，減少了投影儀的使用以及設(shè)備損壞率，節(jié)約了設(shè)備的投入。

3.2 學習主體個別化自主性

在虛擬的實驗環(huán)境中，學生的學習不受傳統(tǒng)的教學模式限制。學生可以自主學習，反復多次操作實驗，同時還可以和同學互相討論學習與老師進行互動，還可以進行測試。學生在虛擬實驗環(huán)境中學習可以做到我的實驗我做主，自主的安排自己的學習計劃和學習模式，調(diào)動學生的學習積極性，提高學習質(zhì)量。

3.3 打破時間的限制

在實驗時間的安排上，虛擬的實驗室里學生可以自由的控制實驗的時間和地點，隨時都可以登陸網(wǎng)站進行學習。

[1]汪成為.靈境技術(shù)的理論、實現(xiàn)及應(yīng)用[M].北京：清華大學出版社,1996：34.

[2]閆青.基于VRML的網(wǎng)上虛擬實驗室設(shè)計與實現(xiàn)[D].西安：電子科技大學,2007:10-25.

[3]姚文月.基于VRML的計算機原理虛擬實驗室的研究與設(shè)計[D].南京：南京信息工程大學,2011:8-28.

[4]陳敏.基X3D技術(shù)構(gòu)建機械制造技術(shù)虛擬裝配實驗室研究[D].南昌：南昌大學,2009:43-71.

[5]項慨.基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬實驗系統(tǒng)的研究[D].武漢：華中師范大學,2006:6-13.

（責任編輯：夏婷婷）

Discussion on the Application of VRM L Virtual Experiment Technology in Modern Educational Technology Course

MA Aman
(School of Mathematics and Computer Science,Wuyi University，Wuyi Shan,Fujian 354300)

The study of virtual experiment is beneficial to the smooth progress of classroom teaching,and it also helps students to master the skills of the students.In this virtual lab,students can independently control the time and place of learning,in which based on the experimental results,can greatly minimize the establishment of laboratory and the difficulty of laboratory funds input.As amodern educational technology course experiment is one of the most important parts,so the development of virtual experiment system of the network and combined with the physical test based on experiment teaching can better carry out the work.Is analyzed in this paper the characteristics of the virtual experiment technology and in modern educational technology experiment teaching application,the basic process of analysis and implementation of virtual experiment system,the technical points,and students with the advantages of virtual experimental system for studying.Virtual laboratory is with the aid of network technology,multimedia technology,VR technology to establish experimental system.Including the implementation of virtual laboratory system module,scene model,virtual software part of the user interface part;Main technical points including the scene modeling,function design,user interaction design.In this virtual lab,the student can be independent control experimental study time and place,in the guarantee on the basis of experimental results,to a large extent reduce the difficulty of the laboratory and laboratory capital investment.As the course for the modern education technology experiment is an important component of the development of virtual experiment system based on network and so combined with physical real experiment,can better carry out the experimental teaching work.

virtual reality；virtual experiment；projection media

TP391.9

A

1674－2109(2016)09－0104－03

2016-04-20

福建省武夷學院教學建設(shè)與改革項目項目編號（xj2014020）。

馬阿曼（1981-），女，漢族，講師，主要從事圖形圖像的研究。