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[摘要]虚拟实验室由于其特有的诸多优势,使其在实践教学中越来越凸显出明显优势,本项目组开发的多媒体计算机虚拟实验室具有虚拟实验和游戏教学的双重属性,在实践教学中发挥了良好的作用,文章对此虚拟实验室的设计目标、架构与实现等方面进行了阐述。
[关键词]虚拟现实 虚拟实验室 人机交互
[作者简介]杨丽(1977- ),女,辽宁沈阳人、苏州科技学院传媒与视觉艺术学院传媒科学与技术系主任,讲师,硕士,主要研究方向为多媒体、虚拟现实与教育游戏;顾邦军(1973- ),男,江苏盐城人,苏州科技学院传媒与视觉艺术学院,讲师,硕士,主要研究方向为虚拟现实与教育游戏;蒋雪明(1970- ),男,江苏苏州人,苏州科技学院传媒与视觉艺术学院,工程师,主要研究方向为影视制作、虚拟现实。(江苏 苏州 215009)
[基金项目]本文系江苏省教育厅2008年度高校哲学社会科学基金指导项目“虚拟现实与教育游戏在实践教学中的应用研究”的阶段性成果。(项目编号:08SJD8800043)
[中图分类号]G434[文献标识码]A[文章编号]1004-3985(2010)30-0155-03
教育学者指出,崭新的技术会带给我们崭新的教育思维,解决我们以前无法解决的问题,将给我们的教育带来一系列的重大变革。虚拟现实技术在教育领域的应用使上述观点得到了完美的印证,因为,虚拟现实技术的临场感和沉浸感让空洞抽象的说教望尘莫及。虚拟实验室是虚拟现实技术在教育领域应用的重要阵地,它是指利用虚拟现实技术创建出一个可视化的环境,仿真或虚构真实实验情景。在虚拟情境中,每一个可视化的物体代表一种实验对象,供学习者观察、控制,构建,学习者可通过鼠标的点击以及拖曳等操作进行虚拟实验。基于Web的虚拟实验室使学习者可以通过网络进行虚拟实验。
目前,用于实验教学的计算机虚拟实验室软件非常丰富,加之高校的计算机及网络资源为虚拟实验的开设提供了必要的基础条件,虚拟实验室在高校实验教学中的应用空间越来越广泛。它不仅仅能够提高实验教学效果,更重要的是它可以使缺乏实验条件的学生通过网络同样能够身临其境地进行实验操作,观察实验现象,甚至和异地的学生合作进行实验。
一、虚拟实验室的基本特征
虚拟实验室一般情况下可具有如下基本特征:
1.与现实的一致性。虚拟实验室必须做到真实模拟传统实验室,真实客观反映传统的实验过程和实验结果,这是虚拟实验室的功能核心和技术核心,这种虚拟环境使学习者在视觉上产生一种沉浸于真实实验环境的感觉。理想的实验室模拟环境应该使学习者难以分辨真假,使其能全身心地投入到计算机创建的三维虚拟环境中,使学习者听觉、视觉、味觉等各种感官所产生的感觉都如同现实世界一样。
2.高度的交互性。交互性是指学习者对虚拟环境内物体的可操作程度和从环境得到反馈的自然程度(包括实时性)。在虚拟实验室中,交互性是必备的基本特征,没有交互就没有操作,没有操作,虚拟实验就无从谈起。
3.信息反馈的实时性。传统实验中,步进实验操作带来步进实验结果。在虚拟实验室中,必须能够模拟这种步进实验过程,因此,与学习者的实验操作并行的实时信息反馈尤为重要,只有这样才能保证虚拟实验顺利进行。
4.实验对象的可视性。虚拟实验中的每一个实验对象都应由可视化的三维物体来表示,实验对象应是实际物体的仿真。用户与虚拟实验环境之间的交互应该通过这些可视化的实验对象来完成。实验对象的设计应该有效地突出实验目标,相关的场景应该详细描述,对于实验目标以外的场景应以抽象描绘为主。
二、多媒体计算机虚拟实验室的设计目标
“多媒体计算机构成”这一教学内容科普性较强,对大多数专业的学生来说属于普及型知识。传统的课堂教学一般采取两种方法进行:其一,把计算机硬件拿到课堂上展示;其二,让学生以小组形式在实验室进行多媒体计算机硬件的认识与组装实验。上述两种方法都存在弊端:第一种方法硬件展示缺少立体感,学生受视角的限制,不能全方位了解硬件;第二种方法耗费资源,受教学单位实验资源的限制严重。针对上述弊端,我们研发多媒体计算机虚拟实验室系统,该系统设计目标如下:
1.减少实验耗材,降低办学成本。相当数量的多媒体计算机及其各种构成硬件是传统实验开设的前提条件,设备价格昂贵,损耗大,实验成本高。而多媒体计算机虚拟实验室系统的虚拟设备不存在着磨损、破坏,既满足了教学要求,又能提高办学效益。
2.激发学习兴趣,提高实验质量。虚拟实验室采用先进的虚拟现实技术真实模拟传统实验的情景,表现手法新颖,教学手段先进,可以在一定程度上激发学习者的学习兴趣,进而提高实验教学的质量。
3.打破时空限制,随时随地实验。传统实验受实验场地和其他实验资源的条件限制,学习者不能随时随地进入实验室进行实验。在多媒体计算机虚拟实验室系统中,学习者不再受时间和空间的制约,可随时随地进入实验室系统网站进行实验。
4.减少实验危险,保证实验安全。在多媒体计算机实验中,有的时候会因为学习者的不正当操作而对计算机系统、计算机各硬件造成损害,实验设备安全无法保障。在虚拟实验室系统中学习者的任何操作对虚拟计算机各硬件无任何影响和损害,进而保证实验顺利进行,具有安全性。
5.教学性与游戏性并存。本项目研发的虚拟实验室系统集虚拟现实技术和教育游戏特色于一身,既能够解决传统实验教学的不足,具有教学性;又在以虚拟现实技术为依托的教育游戏软件的研发方面作了一定的探索,具有游戏性和娱乐性。
三、多媒体计算机虚拟实验室的架构
如前所述,多媒体计算机虚拟实验室系统具有教学和游戏双重属性,这就决定了该系统主要由实验教学和教育游戏两大部分构成。具体包括“硬件知识讲解”“多媒体计算机构成与组装视频演示”和“游戏娱乐”三大模块,其架构如图1所示:
1.硬件知识讲解模块。本模块主要是以立体化、多视角的方式呈现多媒体计算机相关知识,如图2所示。在传统的教学中,教学信息多是以文字、图片、视频、动画等二维形式呈现,略显单调、乏味。在本模块内,我们将采用虚拟现实技术实现三维漫游效果,使学习者以真实世界的感受完成实验学习,熟悉多媒体计算机的构成及各组成硬件的功能特性。学习者可以自主漫游,随意点击,拖动、旋转各种硬件,通过交互接口浏览各硬件知识点。
2.多媒体计算机构成与组装视频演示模块。本模块主要包含认识多媒体计算机、多媒体计算机硬件构成和多媒体计算机硬件组装三部分逐级递进的视频内容,如图3所示。学习者可以根据需要选择,控制各视频素材播放,此模块是对知识讲解模块教学内容的补充和扩展,目的是为个别学生提供扩展学习的机会,创建个性化学习环境。
3.游戏娱乐模块。“寓教于乐”一直是教育者追求的最高境界,在该平台内我们根据实验教学内容的难度递进级别设计制定了游戏的内容、关卡、规约和激励机制,以游戏的方式促使学习者学习多媒体计算机硬件的相关内容。该游戏模块按难易程度共包含三关:其一,要求学习者能够正确识别多媒体计算机各组成硬件;其二,要求学习者能够完成多媒体计算机的相关知识问答;其三,要求学习者能够把多媒体计算机的各组成硬件正确地拖动到主板上的相应位置,如图4所示:
四、多媒体计算机虚拟实验室的技术实现
多媒体计算机虚拟实验室系统的技术实现主要有多媒体计算机硬件与场景的建模、多媒体计算机虚拟实验室的漫游实现和人机互动的构建三部分组成。
1.多媒体计算机虚拟实验室的建模。在虚拟漫游系统设计中,三维模型是整个实时漫游系统的基础①,模型的好坏直接影响运行的效果和场景的逼真度。模型的构建可以使用OpenGL和DirectX图形函数库从底层建立,但高效的方法是使用专业的建模工具。本系统采用3DSMAX进行建模,用它建立的模型有很强的仿真立体效果,如图5所示。
首先,确定模型的层次。通过对场景的分析和现场需求,确定需建模型的层次,将场景分割为区块,这样有助于对模型的管理与组织。然后根据漫游系统的侧重点将场景划分为粗建模、次精细建模和精细建模。
其次,创建几何模型。遵循由下到上的原则,利用建模软件3DSMAX提供的点、线、面、体创建和修改工具,进行几何模型的创建。对于需要精细建模的模型尽量使用精确的几何形体创建模型细节,对于要粗建模的模型要尽量使用面数较少的几何体构建。这时创建的模型还只是未加任何修饰的模型,这个过程完成了几何建模的基础工作,但是并没有层次感和立体感。
再次,去除冗余多边形。在模型构建中,利用最少的多边形获得相同的真实感是最理想的模型构建效果。但在建好的模型中一般都存在不必要的和冗余的多边形,他们会使模型面数大量增加,直接导致数据量加大,因此在建好的模型中去除冗余的多边形是不可或缺的技术步骤。
最后,纹理贴图。为了提高三维模型的逼真度,同时减少模型的多边形数量,可以使用一些平面图形文件作为纹理文件贴在形体上。使用贴图可以改善材质的外观和真实感,而且还可以表示极难构建而又不是特别重要的模型。例如,对计算机主板建模,如果把主板上各电子元件的细节构建出来不仅使多边形数量激增,而且是没必要的,这时就可以使用贴图来代替模型构建。
2.系统漫游引擎的实现。多媒体计算机虚拟实验室采用Virtools软件实现系统漫游与交互。在该系统中,为了方便学习者与虚拟实验室场景之间的交互,通常需要提供多种漫游控制功能,如前进、后退、左右平移、仰视、俯视等。一般在场景中建立用户的观测点,当观测点和视线方向发生改变时,场景也会发生变化,以满足实时性的要求。
一是自由漫游。自由漫游主要是根据学习者的输入实现不同角度和方位的漫游,一般靠键盘或者鼠标来进行控制。当键盘或者鼠标的信息传输给系统后,系统会根据信息改变相应的参数设置,重新绘制相应的三维场景。本系统实现了通过键盘的操作达到学习者自由漫游的效果,如图6所示。
二是场景漫游的碰撞检测。在虚拟环境中碰撞检测始终是值得探讨的问题。好的碰撞检测要求漫游者可以平滑移动,遇到一定高度的物体可以自动越过,而过高的物体则把漫游者挡住;遇到斜率较小的斜坡可以越过,斜率过大的斜坡也会把漫游者挡住。在各种前进方向被挡住的情况下都要尽可能地让漫游者沿合理的方向漫游而不是被迫停下。在满足这些要求的同时还要做到足够精确和稳定,防止漫游者在特殊情况下出现穿墙而过的尴尬。在Virtools,可以利用它提供的CollisionManager行为模块来顺利处理碰撞问题。
3.人机交互的实现。多媒体计算机虚拟实验室的人机交互操作都是通过Virtools的行为交互模块来实现的。这些行为交互模块定义事件的发送与接收方式,是模块与模块之间的一种特定关联,或称路由机制。图7是多媒体计算机虚拟实验室实现人机交互的部分路由机制。
五、结束语
虚拟现实技术进入高校教学的研究将对探索、发展现代教育思想,提高教育技术水平,改善实验实训环境,优化教学过程产生深远的影响。虚拟实验室给教学带来的诸多效益使得人们对它的研发越来越热衷,我们应该推广运用虚拟、仿真等实验技术手段加速实验教学现代化的步伐。②笔者认为虚拟实验室系统的建设要从实验项目本身的性质和实验实际需要出发,尽量采用“平民化”的技术实现教学型虚拟实验室的建设和应用,不宜夸大事实,在技术和设备上给自己多出负担。
[注释]
①尹轶华.大范围虚拟场景几何建模方法的研究[J].重庆教育学院学报,2007(11):52.
②朱海.谈虚拟现实技术及实践教学的虚拟化[J].现代远距离教育,2005(3):64.
[参考文献]
[1]邹湘军,孙健.虚拟现实技术的演变发展与展望[J].系统仿真学报,2004(9).
[2]郭根生.现代教育技术中的虚拟现实[J].中国成人教育,2005(9).
[关键词]虚拟现实 虚拟实验室 人机交互
[作者简介]杨丽(1977- ),女,辽宁沈阳人、苏州科技学院传媒与视觉艺术学院传媒科学与技术系主任,讲师,硕士,主要研究方向为多媒体、虚拟现实与教育游戏;顾邦军(1973- ),男,江苏盐城人,苏州科技学院传媒与视觉艺术学院,讲师,硕士,主要研究方向为虚拟现实与教育游戏;蒋雪明(1970- ),男,江苏苏州人,苏州科技学院传媒与视觉艺术学院,工程师,主要研究方向为影视制作、虚拟现实。(江苏 苏州 215009)
[基金项目]本文系江苏省教育厅2008年度高校哲学社会科学基金指导项目“虚拟现实与教育游戏在实践教学中的应用研究”的阶段性成果。(项目编号:08SJD8800043)
[中图分类号]G434[文献标识码]A[文章编号]1004-3985(2010)30-0155-03
教育学者指出,崭新的技术会带给我们崭新的教育思维,解决我们以前无法解决的问题,将给我们的教育带来一系列的重大变革。虚拟现实技术在教育领域的应用使上述观点得到了完美的印证,因为,虚拟现实技术的临场感和沉浸感让空洞抽象的说教望尘莫及。虚拟实验室是虚拟现实技术在教育领域应用的重要阵地,它是指利用虚拟现实技术创建出一个可视化的环境,仿真或虚构真实实验情景。在虚拟情境中,每一个可视化的物体代表一种实验对象,供学习者观察、控制,构建,学习者可通过鼠标的点击以及拖曳等操作进行虚拟实验。基于Web的虚拟实验室使学习者可以通过网络进行虚拟实验。
目前,用于实验教学的计算机虚拟实验室软件非常丰富,加之高校的计算机及网络资源为虚拟实验的开设提供了必要的基础条件,虚拟实验室在高校实验教学中的应用空间越来越广泛。它不仅仅能够提高实验教学效果,更重要的是它可以使缺乏实验条件的学生通过网络同样能够身临其境地进行实验操作,观察实验现象,甚至和异地的学生合作进行实验。
一、虚拟实验室的基本特征
虚拟实验室一般情况下可具有如下基本特征:
1.与现实的一致性。虚拟实验室必须做到真实模拟传统实验室,真实客观反映传统的实验过程和实验结果,这是虚拟实验室的功能核心和技术核心,这种虚拟环境使学习者在视觉上产生一种沉浸于真实实验环境的感觉。理想的实验室模拟环境应该使学习者难以分辨真假,使其能全身心地投入到计算机创建的三维虚拟环境中,使学习者听觉、视觉、味觉等各种感官所产生的感觉都如同现实世界一样。
2.高度的交互性。交互性是指学习者对虚拟环境内物体的可操作程度和从环境得到反馈的自然程度(包括实时性)。在虚拟实验室中,交互性是必备的基本特征,没有交互就没有操作,没有操作,虚拟实验就无从谈起。
3.信息反馈的实时性。传统实验中,步进实验操作带来步进实验结果。在虚拟实验室中,必须能够模拟这种步进实验过程,因此,与学习者的实验操作并行的实时信息反馈尤为重要,只有这样才能保证虚拟实验顺利进行。
4.实验对象的可视性。虚拟实验中的每一个实验对象都应由可视化的三维物体来表示,实验对象应是实际物体的仿真。用户与虚拟实验环境之间的交互应该通过这些可视化的实验对象来完成。实验对象的设计应该有效地突出实验目标,相关的场景应该详细描述,对于实验目标以外的场景应以抽象描绘为主。
二、多媒体计算机虚拟实验室的设计目标
“多媒体计算机构成”这一教学内容科普性较强,对大多数专业的学生来说属于普及型知识。传统的课堂教学一般采取两种方法进行:其一,把计算机硬件拿到课堂上展示;其二,让学生以小组形式在实验室进行多媒体计算机硬件的认识与组装实验。上述两种方法都存在弊端:第一种方法硬件展示缺少立体感,学生受视角的限制,不能全方位了解硬件;第二种方法耗费资源,受教学单位实验资源的限制严重。针对上述弊端,我们研发多媒体计算机虚拟实验室系统,该系统设计目标如下:
1.减少实验耗材,降低办学成本。相当数量的多媒体计算机及其各种构成硬件是传统实验开设的前提条件,设备价格昂贵,损耗大,实验成本高。而多媒体计算机虚拟实验室系统的虚拟设备不存在着磨损、破坏,既满足了教学要求,又能提高办学效益。
2.激发学习兴趣,提高实验质量。虚拟实验室采用先进的虚拟现实技术真实模拟传统实验的情景,表现手法新颖,教学手段先进,可以在一定程度上激发学习者的学习兴趣,进而提高实验教学的质量。
3.打破时空限制,随时随地实验。传统实验受实验场地和其他实验资源的条件限制,学习者不能随时随地进入实验室进行实验。在多媒体计算机虚拟实验室系统中,学习者不再受时间和空间的制约,可随时随地进入实验室系统网站进行实验。
4.减少实验危险,保证实验安全。在多媒体计算机实验中,有的时候会因为学习者的不正当操作而对计算机系统、计算机各硬件造成损害,实验设备安全无法保障。在虚拟实验室系统中学习者的任何操作对虚拟计算机各硬件无任何影响和损害,进而保证实验顺利进行,具有安全性。
5.教学性与游戏性并存。本项目研发的虚拟实验室系统集虚拟现实技术和教育游戏特色于一身,既能够解决传统实验教学的不足,具有教学性;又在以虚拟现实技术为依托的教育游戏软件的研发方面作了一定的探索,具有游戏性和娱乐性。
三、多媒体计算机虚拟实验室的架构
如前所述,多媒体计算机虚拟实验室系统具有教学和游戏双重属性,这就决定了该系统主要由实验教学和教育游戏两大部分构成。具体包括“硬件知识讲解”“多媒体计算机构成与组装视频演示”和“游戏娱乐”三大模块,其架构如图1所示:
1.硬件知识讲解模块。本模块主要是以立体化、多视角的方式呈现多媒体计算机相关知识,如图2所示。在传统的教学中,教学信息多是以文字、图片、视频、动画等二维形式呈现,略显单调、乏味。在本模块内,我们将采用虚拟现实技术实现三维漫游效果,使学习者以真实世界的感受完成实验学习,熟悉多媒体计算机的构成及各组成硬件的功能特性。学习者可以自主漫游,随意点击,拖动、旋转各种硬件,通过交互接口浏览各硬件知识点。
2.多媒体计算机构成与组装视频演示模块。本模块主要包含认识多媒体计算机、多媒体计算机硬件构成和多媒体计算机硬件组装三部分逐级递进的视频内容,如图3所示。学习者可以根据需要选择,控制各视频素材播放,此模块是对知识讲解模块教学内容的补充和扩展,目的是为个别学生提供扩展学习的机会,创建个性化学习环境。
3.游戏娱乐模块。“寓教于乐”一直是教育者追求的最高境界,在该平台内我们根据实验教学内容的难度递进级别设计制定了游戏的内容、关卡、规约和激励机制,以游戏的方式促使学习者学习多媒体计算机硬件的相关内容。该游戏模块按难易程度共包含三关:其一,要求学习者能够正确识别多媒体计算机各组成硬件;其二,要求学习者能够完成多媒体计算机的相关知识问答;其三,要求学习者能够把多媒体计算机的各组成硬件正确地拖动到主板上的相应位置,如图4所示:
四、多媒体计算机虚拟实验室的技术实现
多媒体计算机虚拟实验室系统的技术实现主要有多媒体计算机硬件与场景的建模、多媒体计算机虚拟实验室的漫游实现和人机互动的构建三部分组成。
1.多媒体计算机虚拟实验室的建模。在虚拟漫游系统设计中,三维模型是整个实时漫游系统的基础①,模型的好坏直接影响运行的效果和场景的逼真度。模型的构建可以使用OpenGL和DirectX图形函数库从底层建立,但高效的方法是使用专业的建模工具。本系统采用3DSMAX进行建模,用它建立的模型有很强的仿真立体效果,如图5所示。
首先,确定模型的层次。通过对场景的分析和现场需求,确定需建模型的层次,将场景分割为区块,这样有助于对模型的管理与组织。然后根据漫游系统的侧重点将场景划分为粗建模、次精细建模和精细建模。
其次,创建几何模型。遵循由下到上的原则,利用建模软件3DSMAX提供的点、线、面、体创建和修改工具,进行几何模型的创建。对于需要精细建模的模型尽量使用精确的几何形体创建模型细节,对于要粗建模的模型要尽量使用面数较少的几何体构建。这时创建的模型还只是未加任何修饰的模型,这个过程完成了几何建模的基础工作,但是并没有层次感和立体感。
再次,去除冗余多边形。在模型构建中,利用最少的多边形获得相同的真实感是最理想的模型构建效果。但在建好的模型中一般都存在不必要的和冗余的多边形,他们会使模型面数大量增加,直接导致数据量加大,因此在建好的模型中去除冗余的多边形是不可或缺的技术步骤。
最后,纹理贴图。为了提高三维模型的逼真度,同时减少模型的多边形数量,可以使用一些平面图形文件作为纹理文件贴在形体上。使用贴图可以改善材质的外观和真实感,而且还可以表示极难构建而又不是特别重要的模型。例如,对计算机主板建模,如果把主板上各电子元件的细节构建出来不仅使多边形数量激增,而且是没必要的,这时就可以使用贴图来代替模型构建。
2.系统漫游引擎的实现。多媒体计算机虚拟实验室采用Virtools软件实现系统漫游与交互。在该系统中,为了方便学习者与虚拟实验室场景之间的交互,通常需要提供多种漫游控制功能,如前进、后退、左右平移、仰视、俯视等。一般在场景中建立用户的观测点,当观测点和视线方向发生改变时,场景也会发生变化,以满足实时性的要求。
一是自由漫游。自由漫游主要是根据学习者的输入实现不同角度和方位的漫游,一般靠键盘或者鼠标来进行控制。当键盘或者鼠标的信息传输给系统后,系统会根据信息改变相应的参数设置,重新绘制相应的三维场景。本系统实现了通过键盘的操作达到学习者自由漫游的效果,如图6所示。
二是场景漫游的碰撞检测。在虚拟环境中碰撞检测始终是值得探讨的问题。好的碰撞检测要求漫游者可以平滑移动,遇到一定高度的物体可以自动越过,而过高的物体则把漫游者挡住;遇到斜率较小的斜坡可以越过,斜率过大的斜坡也会把漫游者挡住。在各种前进方向被挡住的情况下都要尽可能地让漫游者沿合理的方向漫游而不是被迫停下。在满足这些要求的同时还要做到足够精确和稳定,防止漫游者在特殊情况下出现穿墙而过的尴尬。在Virtools,可以利用它提供的CollisionManager行为模块来顺利处理碰撞问题。
3.人机交互的实现。多媒体计算机虚拟实验室的人机交互操作都是通过Virtools的行为交互模块来实现的。这些行为交互模块定义事件的发送与接收方式,是模块与模块之间的一种特定关联,或称路由机制。图7是多媒体计算机虚拟实验室实现人机交互的部分路由机制。
五、结束语
虚拟现实技术进入高校教学的研究将对探索、发展现代教育思想,提高教育技术水平,改善实验实训环境,优化教学过程产生深远的影响。虚拟实验室给教学带来的诸多效益使得人们对它的研发越来越热衷,我们应该推广运用虚拟、仿真等实验技术手段加速实验教学现代化的步伐。②笔者认为虚拟实验室系统的建设要从实验项目本身的性质和实验实际需要出发,尽量采用“平民化”的技术实现教学型虚拟实验室的建设和应用,不宜夸大事实,在技术和设备上给自己多出负担。
[注释]
①尹轶华.大范围虚拟场景几何建模方法的研究[J].重庆教育学院学报,2007(11):52.
②朱海.谈虚拟现实技术及实践教学的虚拟化[J].现代远距离教育,2005(3):64.
[参考文献]
[1]邹湘军,孙健.虚拟现实技术的演变发展与展望[J].系统仿真学报,2004(9).
[2]郭根生.现代教育技术中的虚拟现实[J].中国成人教育,2005(9).