論文摘要:本文對虛擬實驗系統的特點做了介紹,指出了虛擬技術在實驗教學中的優勢,并給出虛擬實驗系統構建的基本思想以及系統結構,闡述虛擬現實技術在實驗教學中的應用手段和方法。
實驗一直都是與教學息息相關的重要活動之一。它可以使學生更好地感受、理解知識的產生和發展過程,讓枯燥的理論知識變得形象,易于理解。實驗不僅能幫助學生鞏固理論知識,提高通過實驗手段探索科學知識的能力,還能激發學生探索未知世界的興趣,增強創新能力。然而,當前實驗方面存在的諸多難題卻嚴重限制了教學質量的提高。如實驗成本過高,進行實驗的儀器和設備往往代價昂貴,實驗材料也比較貴,而且有些實驗儀器損耗較大,需要經常更新。而許多學校在實驗經費上又捉襟見肘,要么是實驗配套的設備和儀器不完善,要么就是儀器設備陳舊過時。即使有完善的較新的實驗設備,傳統實驗在空間和時間上的限制也可能無法滿足大量學生同時進行實驗的需要。為了緩解實驗教學的壓力,提高實驗教學的質量,可以采用虛擬實驗系統來輔助實驗教學的開展。
虛擬現實技術 (ⅵrnjal reaj時,簡稱 vr技術)出現于 20世紀 60年代,隨著處理器技術的大幅度提高以及圖形繪制技術、數字信號處理技術、傳感技術的發展,近幾十年來在國內外形成了對虛擬現實的研究熱潮。
虛擬現實系統提供了一種先進的人機界面,它通過為用戶提供視覺、聽覺、觸覺等直觀而自然的實時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擔,提高了系統的工作效率。虛擬現實技術具有 3個突出特征:沉浸性、交互性、想象性。
虛擬現實系統由兩部分組成:一部分為創建的虛擬環境,另一部分為介入者。虛擬現實的核心是強調兩者之間的交互操作,即反映出人在虛擬環境中的體驗。我們可以給出如圖 1的虛擬現實的概念模型。
(1)共享程度高。虛擬實驗系統不同于傳統實驗在地域和時間上的限制,它不僅可以接受本地用戶的訪問,有訪問權限的異地用戶也可以使用系統。并且也無需考慮使用時間的問題,實驗者可以隨時進行實驗。虛擬實驗系統為用戶提供了一個可以在任何時間、任何地點訪問的實驗環境,極大地提高了信息與實驗資源的共享程度。
(2)強大的交互能力。為了向用戶提供一個逼真的實驗環境,虛擬實驗系統往往都具有強大的交互能力,實驗者和虛擬實驗對象之間可以通過鼠標的點擊或者拖曳操作進行交互,實驗者可以實時地觀看實驗現象和實驗結果。
如何構建教學型虛擬實驗系統,使其能夠擁有豐富的實驗內容表現方式、提供形象生動的實驗內容,讓讓學生實現從感知到理解的過程,一直是研究教學型虛擬實驗系統的熱點問題之一。
虛擬實驗系統的構建是將多種技術綜合運用,首先構建實驗過程所需要的各種儀器設備,對于場景進行建模。三維虛擬場景模塊的建立是以某一實景為基礎的,因此在虛擬場景建模之前需要對實驗室環境進行實地考察并對建筑物進行篩選,從而構建具有真實感的實驗環境。對于儀器設備完全用ⅵ ml語言建立復雜的三維模型是相當煩瑣的,而且建模方法缺乏直觀性,而3dsmax強大的三維建模功能以及對具有轉換為v文件格式輸出的功能,使其在三維虛擬場景中廣泛應用。我們在實際的建模過程中根據要建立模型的特點選擇建模方法。簡單模型,直接采用vrml中簡單幾何體拼貼紋理的方法,對于復雜場景則采用3dsmax建模后以vrmi,文件格式輸出。當然在虛擬實驗的建模過程中的龐大建模工作量對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 (即現在的vie、vpoint)的軟件產品,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,因為使用真實照片直接生成三維模型,所以效果非常真實;而且cailoma可生成網絡使用的vrm,文件格式。為了能夠反映真實儀器設備的特性,有時還采用flash技術來達到儀器設備外觀的逼真性,并提供一些基本的交互。
交互性是虛擬實驗系統中的一個重要問題。一類是用戶在瀏覽場景的時候,主要的輸入設備就是鼠標,這時候檢測器實際上是檢測用戶對于鼠標的各種操作動作,如鼠標的單擊、指向、拖動等等,從而場景做出相應的反應。檢測這類動作的監測器是接觸型監測器。描述這類監測器的節點有接觸監測器節點touchsensor以及planesensor節點、spheresensor節點、cylindersens0r節點;另一類是用戶和場景中某對象接近的程度,對象做出相應的反應,使得用戶和虛擬對象之間形成交互。
將所有儀器設備成功地加入到場景當中之后,用戶應該可以隨意地拿起自己需要的實驗器材進行實驗,所以要提供用戶選取實驗器材的接口。當用戶在選擇某件儀器,為了提供給用戶選擇的接口,我們在實驗儀器原型中設計了供用戶選擇的按鈕。如果選中時就可以點擊按鈕“tal(e ,無需使用就只要點擊“放回”按鈕。由于用戶需要與系統進行交互,同時系統需要根據用戶的選擇與后臺數據庫進行通信,因此我們使用java applet。applet具有 良好的網絡傳輸透明性,圖2顯示了瀏覽器通過appl 訪問數據庫的整個過程 。
軟件程序是虛擬實驗系統的重要內容,是系統的靈魂所在。在虛擬實驗系統中,我們將軟件程序部分按照層次化和模塊化的設計模式進行集成。集成化的軟件程序依據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了整體和部分的關系,各模塊都可以看成是下一層次多個模塊集成的整體,每一個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系為系統結構構架提供了靈活的方式。
系統功能集成是建立在軟件程序集成的基礎之上的,系統功能集成是系統結構集成的重要體現,系統結構的有效集成度是系統功能集成的重要基礎。在虛擬實驗系統中,軟件程序的集成保證了系統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功能整體在系統構建、修改、維護等方面起到了重要的結構化支持作用。
儀器軟面板是虛擬實驗系統的重要特色之一。在傳統實驗系統中,儀器設備一般會自帶一個顯示屏,以及相關的操作組件和按鈕來形成一個操作面板,這個面板的形式以及各組件和按鈕的功能是固定的,不能修改和設置。在虛擬實驗系統中,各種儀器設備的操作面板集中顯示在計算機的顯示屏幕上,這種面板由軟件程序來形成和設置,由鍵盤、鼠標以及其他的外部輸入設備來控制,面板的形式以及各組件和按鈕的功能可以根據需要自定義,可以將多個儀器的面板組合在一起,也可以將某一個儀器的面板簡化。儀器軟面板形式和功能上的這種靈活性正是系統集成度的體現。
網絡的出現使得分布式結構成為可能。在虛擬實驗系統中,我們通過網絡可以突破時間和空間的限制,將更多的協議方和操作方以一定的集成度集成在一起,共同完成實驗項目。我們在談集成性的問題的時候,一定是和相應的分散度聯系在一起的,就如同整體和部分之間的關系,每一個整體都可以看作更大的整體的一部分,而每一個部分又都可以看成更多小部分的整體。網絡的分布式保證了系統結構的集成性。
從虛擬實驗的技術實現角度來看,實驗教學中的有效資源全部開放,這使得實驗項目從開發到操作,再到后期數據處理與實驗課程的復習全部開放給學生,學生可以利用系統軟件程序模塊和實驗項目設計模板等幫助實驗設計方案的形成與開發;利用數據分析與處理工具包進行實驗數據的分析與處理,獲得規律性認識:教師的指導性意見、學生的交流信息和實驗故障和誤差分析等信息資料,可以幫助學生在實驗課程總結和復習中取長補短、鞏固知識。
虛擬實驗將實驗資源、實驗項目開發和實驗操作等網絡化、平臺化,因此實驗內容、時間以及地點等組織形式是開放的具備可選擇性。針對目前實驗教學需要跨學科、跨地域、多項實驗同時開展等現狀要求,虛擬實驗所具備的組織形式開放性為實驗教學模式的擴展提供了技術準備。
虛擬實驗的網絡功能能夠根據不同的對象設置不同權限的系統身份,實驗參與人員各取所需,實現學習和交流的目的。在實驗教學中,對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管理員、教師和技術人員、學生。三種身份是針對學習者而言的:實驗課程參與者、遠程實驗課程學習者、實驗愛好和探索者。
本文將虛擬現實技術引入到實驗教學環節中,這在一定得程度上提高了實驗的開放程度,降低了實驗的成本,較好地激發了學生對于實驗環節的興趣和主觀能動性,但在虛擬實驗設置過程中的交互問題仍是一個值得探討和研究的主要問題。
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