VRML的虛擬現(xiàn)實(shí)對(duì)遠(yuǎn)程教學(xué)的意義范文

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虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在遠(yuǎn)程教育中的具體應(yīng)用

1vrml在工程圖學(xué)課程遠(yuǎn)程教學(xué)中的應(yīng)用

工程圖學(xué)課程是工科院校一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，是培養(yǎng)學(xué)生的空間思維能力、空間想象能力、形體構(gòu)形能力以及閱讀和繪制工程圖樣能力的一門應(yīng)用性學(xué)科。其研究的主要對(duì)象是圖形，教學(xué)中心是解決畫圖和讀圖的問題，教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)是培養(yǎng)學(xué)生的空間想象和構(gòu)思能力。在傳統(tǒng)的工程圖學(xué)教學(xué)中，常用直觀的教具來輔助教學(xué)，但在遠(yuǎn)程教育中，學(xué)生主要依靠工程圖學(xué)課程網(wǎng)站來輔助學(xué)習(xí)。目前的許多工程圖學(xué)課程網(wǎng)站主要是由靜態(tài)網(wǎng)頁組成，網(wǎng)頁內(nèi)容主要是文字、圖形和圖像，表現(xiàn)形式單一。網(wǎng)頁里也用到了一些動(dòng)畫，但主要是GIF和Flash等二維平面動(dòng)畫，這些動(dòng)畫缺乏直觀表達(dá)能力，這樣就限制了遠(yuǎn)程教學(xué)的教學(xué)效果。為此，可以在網(wǎng)頁中插入一些具有三維表現(xiàn)力的圖形和動(dòng)畫文件。（1）基于VRML的模型展示在工程圖學(xué)的教學(xué)過程中，經(jīng)常會(huì)講解各種不同形體的表達(dá)。

在以前的遠(yuǎn)程教學(xué)中主要是結(jié)合形體的圖片來說明，但圖片的表現(xiàn)力有限，對(duì)于復(fù)雜的形體，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)不能很好的表達(dá)。為此，可在網(wǎng)頁中加入VRML模型，這些模型可以嵌入網(wǎng)頁，如圖1所示，也可以采用鏈接的方式單獨(dú)打開，如圖2所示。學(xué)生只需在瀏覽器中安裝有關(guān)的插件就可以瀏覽到網(wǎng)頁上的虛擬模型，并且可以利用鼠標(biāo)對(duì)模型進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、移動(dòng)、縮放等多種操作，對(duì)模型進(jìn)行全方位的觀察。（2）基于VRML的三維動(dòng)畫在工程圖學(xué)課程的遠(yuǎn)程教學(xué)中，還可以利用三維動(dòng)畫來形象的展示其中的一些內(nèi)容。例如，在介紹立體的截交線和相貫線時(shí)，可以利用截切的動(dòng)畫來展示截交線的形成，如圖3所示；在介紹用形體分析法來分析組合體時(shí)，也可以利用三維動(dòng)畫來展示，如圖4所示。（4）基于VRML的裝配演示裝配圖是工程圖學(xué)中的重要內(nèi)容之一。在講授裝配體的表達(dá)時(shí)，需要講解裝配體的安裝與拆卸過程，利用靜態(tài)圖片不能展示該過程，基于VRML的虛擬模型可以全方位的展示整個(gè)拆裝過程，如圖5所示。

2VRML在機(jī)械原理課程遠(yuǎn)程教學(xué)中的應(yīng)用

機(jī)械原理課程是機(jī)械類專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，在課程中會(huì)介紹到各種不同的機(jī)構(gòu)。在傳統(tǒng)的教學(xué)中，會(huì)利用實(shí)驗(yàn)室的陳列柜來展示不同的機(jī)構(gòu)，然后安排學(xué)生去學(xué)習(xí)了解。但這種教學(xué)方法在遠(yuǎn)程教學(xué)中無法實(shí)現(xiàn)，如果直接用文字來解釋有很難將各種機(jī)構(gòu)的工作原理解釋清楚，為此，可以利用VRML動(dòng)畫模型來進(jìn)行展示，非常直觀，學(xué)生也能很快接受，如圖6所示。

系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)

1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)在設(shè)計(jì)中選用以瀏覽器/服務(wù)器(Brows-er/Server)模式為基礎(chǔ)的體系結(jié)構(gòu)，如圖7所示。瀏覽器端需安裝VRML插件才能顯示虛擬模型；Web服務(wù)器接收瀏覽器HTTP請(qǐng)求并傳給應(yīng)用服務(wù)器；應(yīng)用服務(wù)器將請(qǐng)求轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)庫能辨識(shí)的SQL語句，再向數(shù)據(jù)庫服務(wù)器發(fā)出請(qǐng)求；數(shù)據(jù)庫服務(wù)器負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、維護(hù)、處理等，并將結(jié)果返回應(yīng)用服務(wù)器；應(yīng)用服務(wù)器對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析處理后發(fā)送給Web服務(wù)器；最后由Web服務(wù)器返回給Web瀏覽器。基于此結(jié)構(gòu)，用戶可通過帶有VRML插件的瀏覽器查看網(wǎng)頁中的虛擬模型。

2VRML中的建模方法

根據(jù)模型的復(fù)雜程度,可以采用不同的建模方法。對(duì)于簡(jiǎn)單的模型,可以直接編程建模。編程的方法有兩種：第一種是直接利用記事本編寫程序，然后將文件保存為.wrl格式文件；第二種方法是利用vrml-pad軟件編程。對(duì)于復(fù)雜的模型,可先利用專業(yè)的三維設(shè)計(jì)軟件(如UG、Solidworks、Catia、Pro/E、Solid-Edge等)建立模型,然后再將其導(dǎo)出為VRML格式的文件。導(dǎo)出的文件采用的是默認(rèn)的背景和視點(diǎn)，可利用記事本對(duì)導(dǎo)出文件進(jìn)行編輯，增加視點(diǎn)和背景，得到所需要的模型文件。一般都采用第二種建模方法。

3VRML中動(dòng)畫與交互的實(shí)現(xiàn)

VRML中的動(dòng)畫是依靠一個(gè)給定的時(shí)間傳感器和一系列各種各樣的內(nèi)插節(jié)點(diǎn)來控制場(chǎng)景中的各種動(dòng)作。其基本的方法就是：時(shí)間傳感器給出一個(gè)控制動(dòng)畫效果的時(shí)鐘，時(shí)鐘包含了動(dòng)畫效果的開始時(shí)間、停止時(shí)間、時(shí)間間隔和是否循環(huán)等動(dòng)畫控制參數(shù)。然后通過時(shí)鐘的輸出在虛擬世界中驅(qū)動(dòng)各種內(nèi)插節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生各種相應(yīng)的動(dòng)畫效果，而內(nèi)插節(jié)點(diǎn)中將給出各種動(dòng)畫效果的關(guān)鍵點(diǎn)和關(guān)鍵值，VRML瀏覽器將自動(dòng)地根據(jù)這些關(guān)鍵點(diǎn)通過線性插值的方法來完成整個(gè)動(dòng)畫過程。讓用戶參與動(dòng)畫的過程就是交互，VRML的交互通過檢測(cè)器(sensor，或稱感應(yīng)器)實(shí)現(xiàn)。在VRML中，有一組具有動(dòng)態(tài)、交互和感知特性的節(jié)點(diǎn)，可用于交互和動(dòng)畫的實(shí)現(xiàn)。其中包括：

（1）TimeSensor時(shí)間傳感器節(jié)點(diǎn)：時(shí)間傳感器作為動(dòng)畫行為的驅(qū)動(dòng)，創(chuàng)建一個(gè)虛擬時(shí)鐘，并對(duì)其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送時(shí)間值，控制VRML立體空間的動(dòng)態(tài)對(duì)象的開始、變化和結(jié)束過程的時(shí)間，實(shí)現(xiàn)空間物體造型的移動(dòng)、變色、變形等自動(dòng)變化。

（2）PositionInterpolator位置插補(bǔ)器節(jié)點(diǎn)：位置插補(bǔ)器中定義了關(guān)鍵點(diǎn)(Key)和對(duì)應(yīng)的關(guān)鍵值(KeyVal-ue)，然后執(zhí)行簡(jiǎn)單的動(dòng)態(tài)計(jì)算，形成平滑的動(dòng)畫軌跡，而后在時(shí)間傳感器和位置傳感器之間添加路由，在位置傳感器和模型之間添加路由，從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)畫設(shè)計(jì)。

（3）觸動(dòng)檢測(cè)器節(jié)點(diǎn)：接觸檢測(cè)器(touchSensor)創(chuàng)建用戶感應(yīng)物體功能；鄰近檢測(cè)器(proximitySensor)自動(dòng)感應(yīng)用戶進(jìn)入的特定區(qū)域；時(shí)間檢測(cè)器(timeSen-sor)控制事件的啟動(dòng)和停止。

（4）感知節(jié)點(diǎn)：當(dāng)特定部分變成用戶可見時(shí)，可見性檢測(cè)器(visibilitySensor)自動(dòng)察覺，用來感應(yīng)觀察者和虛擬現(xiàn)實(shí)的接觸程度。在VRML中的行為和交互性是通過事件驅(qū)動(dòng)機(jī)制工作的，用戶與場(chǎng)景的交互、動(dòng)畫的運(yùn)行等都是通過各種事件的發(fā)送來完成的。通過在幾個(gè)節(jié)點(diǎn)之間事件流的傳送，可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)畫過程。

在簡(jiǎn)單的VRML動(dòng)畫中，TimeSensor不斷地發(fā)送出時(shí)間片信息，Interpolator節(jié)點(diǎn)接收到時(shí)間片后根據(jù)設(shè)定好的關(guān)鍵點(diǎn)，通過插值計(jì)算送出動(dòng)畫數(shù)據(jù)，這種動(dòng)畫數(shù)據(jù)被送給對(duì)象節(jié)點(diǎn)去改變某些對(duì)象屬性，如空間位置、旋轉(zhuǎn)角度等，從而生成所需要的動(dòng)畫。但遇到復(fù)雜的動(dòng)畫設(shè)計(jì)時(shí)，單用插值器是不能實(shí)現(xiàn)的，所以VRML提供了另一種機(jī)制，即用Script節(jié)點(diǎn)取代插值器節(jié)點(diǎn)，在Script節(jié)點(diǎn)中可以加入代碼，這些代碼可以根據(jù)不同動(dòng)畫的需求生成并輸出動(dòng)畫數(shù)據(jù)。

結(jié)束語

利用基于VRML的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)來開發(fā)一些遠(yuǎn)程教育教學(xué)資源，極大的增強(qiáng)了遠(yuǎn)程教育中學(xué)生身臨其境的參與感，可以大大的激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)習(xí)效率。

作者：張向華董曉英葉霞蔣琴仙畢偉單位：江蘇技術(shù)師范學(xué)院機(jī)械與汽車工程學(xué)院