虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)范文
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實(shí)驗(yàn)一直都是與教學(xué)息息相關(guān)的重要活動(dòng)之一。它可以使學(xué)生更好地感受、理解知識(shí)的產(chǎn)生和發(fā)展過程，讓枯燥的理論知識(shí)變得形象，易于理解。實(shí)驗(yàn)不僅能幫助學(xué)生鞏固理論知識(shí)，提高通過實(shí)驗(yàn)手段探索科學(xué)知識(shí)的能力，還能激發(fā)學(xué)生探索未知世界的興趣，增強(qiáng)創(chuàng)新能力。然而，當(dāng)前實(shí)驗(yàn)方面存在的諸多難題卻嚴(yán)重限制了教學(xué)質(zhì)量的提高。如實(shí)驗(yàn)成本過高，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的儀器和設(shè)備往往代價(jià)昂貴，實(shí)驗(yàn)材料也比較貴，而且有些實(shí)驗(yàn)儀器損耗較大，需要經(jīng)常更新。而許多學(xué)校在實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)上又捉襟見肘，要么是實(shí)驗(yàn)配套的設(shè)備和儀器不完善，要么就是儀器設(shè)備陳舊過時(shí)。即使有完善的較新的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)在空間和時(shí)間上的限制也可能無法滿足大量學(xué)生同時(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的需要。為了緩解實(shí)驗(yàn)教學(xué)的壓力，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量，可以采用虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)來輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開展。
虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)(ⅥrnJalReaJ時(shí)，簡稱vR技術(shù))出現(xiàn)于20世紀(jì)60年代，隨著處理器技術(shù)的大幅度提高以及圖形繪制技術(shù)、數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)、傳感技術(shù)的發(fā)展，近幾十年來在國內(nèi)外形成了對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)的研究熱潮。
虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)提供了一種先進(jìn)的人機(jī)界面，它通過為用戶提供視覺、聽覺、觸覺等直觀而自然的實(shí)時(shí)感知交互的方法和手段，最大程度地方便用戶的操作，從而減輕了用戶的負(fù)擔(dān)，提高了系統(tǒng)的工作效率。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有3個(gè)突出特征：沉浸性、交互性、想象性。
虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)由兩部分組成：一部分為創(chuàng)建的虛擬環(huán)境，另一部分為介入者。虛擬現(xiàn)實(shí)的核心是強(qiáng)調(diào)兩者之間的交互操作，即反映出人在虛擬環(huán)境中的體驗(yàn)。我們可以給出如圖1的虛擬現(xiàn)實(shí)的概念模型。
二、虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)
1．虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的特點(diǎn)
(1)共享程度高。虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)不同于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)在地域和時(shí)間上的限制，它不僅可以接受本地用戶的訪問，有訪問權(quán)限的異地用戶也可以使用系統(tǒng)。并且也無需考慮使用時(shí)間的問題，實(shí)驗(yàn)者可以隨時(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)為用戶提供了一個(gè)可以在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)訪問的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，極大地提高了信息與實(shí)驗(yàn)資源的共享程度。
(2)強(qiáng)大的交互能力。為了向用戶提供一個(gè)逼真的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)往往都具有強(qiáng)大的交互能力，實(shí)驗(yàn)者和虛擬實(shí)驗(yàn)對(duì)象之間可以通過鼠標(biāo)的點(diǎn)擊或者拖曳操作進(jìn)行交互，實(shí)驗(yàn)者可以實(shí)時(shí)地觀看實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
(3)支持協(xié)作。虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)提供了多種方式來完成用戶間的信息交流。
2．虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的建模
如何構(gòu)建教學(xué)型虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，使其能夠擁有豐富的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容表現(xiàn)方式、提供形象生動(dòng)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，讓讓學(xué)生實(shí)現(xiàn)從感知到理解的過程，一直是研究教學(xué)型虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的熱點(diǎn)問題之一。
虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的構(gòu)建是將多種技術(shù)綜合運(yùn)用，首先構(gòu)建實(shí)驗(yàn)過程所需要的各種儀器設(shè)備，對(duì)于場景進(jìn)行建模。三維虛擬場景模塊的建立是以某一實(shí)景為基礎(chǔ)的，因此在虛擬場景建模之前需要對(duì)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境進(jìn)行實(shí)地考察并對(duì)建筑物進(jìn)行篩選，從而構(gòu)建具有真實(shí)感的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。對(duì)于儀器設(shè)備完全用ⅥML語言建立復(fù)雜的三維模型是相當(dāng)煩瑣的，而且建模方法缺乏直觀性，而3DSMAX強(qiáng)大的三維建模功能以及對(duì)具有轉(zhuǎn)換為V文件格式輸出的功能，使其在三維虛擬場景中廣泛應(yīng)用。我們?cè)趯?shí)際的建模過程中根據(jù)要建立模型的特點(diǎn)選擇建模方法。簡單模型，直接采用VRML中簡單幾何體拼貼紋理的方法，對(duì)于復(fù)雜場景則采用3DsMAx建模后以VRMI，文件格式輸出。當(dāng)然在虛擬實(shí)驗(yàn)的建模過程中的龐大建模工作量對(duì)軟件的建模效率以提出了很高的要求，于是，在該建模過程中我還采用了高效的照片建模軟件Canoma，Canoma是MetaCreations公司(即現(xiàn)在的Vie、vpoint公司)的軟件產(chǎn)品，利用它可以讓我們無需建模，即可直接從一張或幾張照片制作三維模型，因?yàn)槭褂谜鎸?shí)照片直接生成三維模型，所以效果非常真實(shí)；而且CaIloma可生成網(wǎng)絡(luò)使用的VRM，文件格式。為了能夠反映真實(shí)儀器設(shè)備的特性，有時(shí)還采用FLASH技術(shù)來達(dá)到儀器設(shè)備外觀的逼真性，并提供一些基本的交互。
3．虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的交互
交互性是虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的一個(gè)重要問題。一類是用戶在瀏覽場景的時(shí)候，主要的輸入設(shè)備就是鼠標(biāo)，這時(shí)候檢測(cè)器實(shí)際上是檢測(cè)用戶對(duì)于鼠標(biāo)的各種操作動(dòng)作，如鼠標(biāo)的單擊、指向、拖動(dòng)等等，從而場景做出相應(yīng)的反應(yīng)。檢測(cè)這類動(dòng)作的監(jiān)測(cè)器是接觸型監(jiān)測(cè)器。描述這類監(jiān)測(cè)器的節(jié)點(diǎn)有接觸監(jiān)測(cè)器節(jié)點(diǎn)TouchSensor以及PlaneSensor節(jié)點(diǎn)、SphereSensor節(jié)點(diǎn)、CylinderSenS0r節(jié)點(diǎn)；另一類是用戶和場景中某對(duì)象接近的程度，對(duì)象做出相應(yīng)的反應(yīng)，使得用戶和虛擬對(duì)象之間形成交互。
將所有儀器設(shè)備成功地加入到場景當(dāng)中之后，用戶應(yīng)該可以隨意地拿起自己需要的實(shí)驗(yàn)器材進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，所以要提供用戶選取實(shí)驗(yàn)器材的接口。當(dāng)用戶在選擇某件儀器，為了提供給用戶選擇的接口，我們?cè)趯?shí)驗(yàn)儀器原型中設(shè)計(jì)了供用戶選擇的按鈕。如果選中時(shí)就可以點(diǎn)擊按鈕“tal(e，無需使用就只要點(diǎn)擊“放回”按鈕。由于用戶需要與系統(tǒng)進(jìn)行交互，同時(shí)系統(tǒng)需要根據(jù)用戶的選擇與后臺(tái)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行通信，因此我們使用JavaApplet。Applet具有良好的網(wǎng)絡(luò)傳輸透明性，圖2顯示了瀏覽器通過Appl訪問數(shù)據(jù)庫的整個(gè)過程。
三、虛擬實(shí)驗(yàn)集成的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
1．軟件程序集成
軟件程序是虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的重要內(nèi)容，是系統(tǒng)的靈魂所在。在虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，我們將軟件程序部分按照層次化和模塊化的設(shè)計(jì)模式進(jìn)行集成。集成化的軟件程序依據(jù)集成度的大小分為不同層次的模塊，分屬不同層次的模塊充分體現(xiàn)了整體和部分的關(guān)系，各模塊都可以看成是下一層次多個(gè)模塊集成的整體，每一個(gè)模塊又都可以看成是上一層次模塊中的一部分，各層次之間互為整體和部分的關(guān)系為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)構(gòu)架提供了靈活的方式。
2．系統(tǒng)功能集成
系統(tǒng)功能集成是建立在軟件程序集成的基礎(chǔ)之上的，系統(tǒng)功能集成是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)集成的重要體現(xiàn)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的有效集成度是系統(tǒng)功能集成的重要基礎(chǔ)。在虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，軟件程序的集成保證了系統(tǒng)功能在不同層面上的集成度和在各層面之間的靈活性。以不同集成度來形成的系統(tǒng)功能整體在系統(tǒng)構(gòu)建、修改、維護(hù)等方面起到了重要的結(jié)構(gòu)化支持作用。
3．儀器軟面板集成
儀器軟面板是虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的重要特色之一。在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，儀器設(shè)備一般會(huì)自帶一個(gè)顯示屏，以及相關(guān)的操作組件和按鈕來形成一個(gè)操作面板，這個(gè)面板的形式以及各組件和按鈕的功能是固定的，不能修改和設(shè)置。在虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，各種儀器設(shè)備的操作面板集中顯示在計(jì)算機(jī)的顯示屏幕上，這種面板由軟件程序來形成和設(shè)置，由鍵盤、鼠標(biāo)以及其他的外部輸入設(shè)備來控制，面板的形式以及各組件和按鈕的功能可以根據(jù)需要自定義，可以將多個(gè)儀器的面板組合在一起，也可以將某一個(gè)儀器的面板簡化。儀器軟面板形式和功能上的這種靈活性正是系統(tǒng)集成度的體現(xiàn)。
4。網(wǎng)絡(luò)集成
網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)使得分布式結(jié)構(gòu)成為可能。在虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，我們通過網(wǎng)絡(luò)可以突破時(shí)間和空間的限制，將更多的協(xié)議方和操作方以一定的集成度集成在一起，共同完成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。我們?cè)谡劶尚缘膯栴}的時(shí)候，一定是和相應(yīng)的分散度聯(lián)系在一起的，就如同整體和部分之間的關(guān)系，每一個(gè)整體都可以看作更大的整體的一部分，而每一個(gè)部分又都可以看成更多小部分的整體。網(wǎng)絡(luò)的分布式保證了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的集成性。
四、虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)
從虛擬實(shí)驗(yàn)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)狀需求出發(fā)，其優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
1．資源開放
從虛擬實(shí)驗(yàn)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)角度來看，實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的有效資源全部開放，這使得實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目從開發(fā)到操作，再到后期數(shù)據(jù)處理與實(shí)驗(yàn)課程的復(fù)習(xí)全部開放給學(xué)生，學(xué)生可以利用系統(tǒng)軟件程序模塊和實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)模板等幫助實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案的形成與開發(fā)；利用數(shù)據(jù)分析與處理工具包進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析與處理，獲得規(guī)律性認(rèn)識(shí)：教師的指導(dǎo)性意見、學(xué)生的交流信息和實(shí)驗(yàn)故障和誤差分析等信息資料，可以幫助學(xué)生在實(shí)驗(yàn)課程總結(jié)和復(fù)習(xí)中取長補(bǔ)短、鞏固知識(shí)。
2．組織形式開放
虛擬實(shí)驗(yàn)將實(shí)驗(yàn)資源、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目開發(fā)和實(shí)驗(yàn)操作等網(wǎng)絡(luò)化、平臺(tái)化，因此實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、時(shí)間以及地點(diǎn)等組織形式是開放的具備可選擇性。針對(duì)目前實(shí)驗(yàn)教學(xué)需要跨學(xué)科、跨地域、多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)同時(shí)開展等現(xiàn)狀要求，虛擬實(shí)驗(yàn)所具備的組織形式開放性為實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的擴(kuò)展提供了技術(shù)準(zhǔn)備。
3．對(duì)象開放
虛擬實(shí)驗(yàn)的網(wǎng)絡(luò)功能能夠根據(jù)不同的對(duì)象設(shè)置不同權(quán)限的系統(tǒng)身份，實(shí)驗(yàn)參與人員各取所需，實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)和交流的目的。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，對(duì)象的身份基本分為三種層次和三種身份。三種層次指的是系統(tǒng)管理員、教師和技術(shù)人員、學(xué)生。三種身份是針對(duì)學(xué)習(xí)者而言的：實(shí)驗(yàn)課程參與者、遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)課程學(xué)習(xí)者、實(shí)驗(yàn)愛好和探索者。
五、總結(jié)
本文將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)引入到實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)中，這在一定得程度上提高了實(shí)驗(yàn)的開放程度，降低了實(shí)驗(yàn)的成本，較好地激發(fā)了學(xué)生對(duì)于實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的興趣和主觀能動(dòng)性，但在虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)置過程中的交互問題仍是一個(gè)值得探討和研究的主要問題。