虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)教學(xué)中的研究與應(yīng)用

【摘要】通過簡要介紹了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、VRML及虛擬技術(shù)應(yīng)用于教育教學(xué)的必要性，并結(jié)合虛擬機(jī)械零部件實(shí)例，闡述了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)教學(xué)中應(yīng)用的基本方法與實(shí)現(xiàn)途徑。先通過三維造型軟件完成實(shí)體建模，然后利用VRML語言進(jìn)行位置、動(dòng)作、空間背景、空間視點(diǎn)、傳感器等設(shè)置，以實(shí)現(xiàn)虛擬機(jī)械零部件的運(yùn)動(dòng)仿真效果，從而達(dá)到讓學(xué)生在網(wǎng)絡(luò)教學(xué)環(huán)境下了解機(jī)械零部件結(jié)構(gòu)、實(shí)體形狀和運(yùn)動(dòng)特征的目的。

【關(guān)鍵詞】虛擬現(xiàn)實(shí)，VRML，網(wǎng)絡(luò)教學(xué)，三維建模

【中圖分類號(hào)】G434【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】B 【論文編號(hào)】1009—8097（2006）01—0029—03

隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，新的教學(xué)媒體不斷涌現(xiàn)，繼多媒體教學(xué)之后，教育技術(shù)領(lǐng)域又出現(xiàn)了一個(gè)新型教學(xué)媒體，它就是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)(Virtual Reality Technology)。由于網(wǎng)絡(luò)教學(xué)強(qiáng)調(diào)在真實(shí)情境下學(xué)習(xí)，但它不能始終實(shí)現(xiàn)，所以在不能實(shí)現(xiàn)的情況下，虛擬現(xiàn)實(shí)是最佳的選擇。目前，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已廣泛應(yīng)用于航空航天、醫(yī)學(xué)實(shí)習(xí)、建筑設(shè)計(jì)、軍事訓(xùn)練、娛樂游戲等許多領(lǐng)域。在國外，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)也已廣泛應(yīng)用于課堂教學(xué)，它作為新的教學(xué)媒體，無疑將對(duì)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響，會(huì)帶給我們嶄新的教育思維，同時(shí)還將給我們的教育帶來一系列的重大變革。

一、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一種有效的模擬人在自然環(huán)境中視、聽、動(dòng)等行為的高級(jí)人機(jī)交互技術(shù)；它采用計(jì)算機(jī)技術(shù)生成一個(gè)逼真的虛擬環(huán)境，使置身于該環(huán)境中的人能通過各種傳感交互設(shè)備與這一虛擬環(huán)境進(jìn)行相互操作，達(dá)到彼此交換更迭，融為一體的程度。

（一） 虛擬現(xiàn)實(shí)特征

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有以下四個(gè)重要特征：

（1）多感知性（Multi-Sensory）所謂多感知就是說除了一般計(jì)算機(jī)技術(shù)所具有的視覺感知之外，還有聽覺感知、力覺感知、觸覺感知、運(yùn)動(dòng)感知、甚至應(yīng)該包括味覺感知、嗅覺感知等。

（2）存在性（Presence）又稱為臨場感（Immersion），它是指用戶感到作為主角存在于模擬環(huán)境中的真實(shí)程度。

（3）交互性（Interaction）交互性是指用戶對(duì)模擬環(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（包括實(shí)時(shí)性）。

（4）自主性（Autonomy）自主性是指虛擬環(huán)境中物體依據(jù)物理定律動(dòng)作的程度。

（二） 虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)組成

用戶通過傳感裝置直接對(duì)虛擬環(huán)境進(jìn)行操作，并得到實(shí)時(shí)三維顯示和其它反饋信息（如觸覺、力覺反饋等）。當(dāng)系統(tǒng)與外部世界通過傳感裝置構(gòu)成反饋閉環(huán)時(shí)，在用戶的控制下，用戶與虛擬環(huán)境間的交互可以對(duì)外部世界產(chǎn)生作用(見圖1)。

（三） VRML

VRML(Virtual Reality Modeling Language 虛擬現(xiàn)實(shí)建模語言)，是描述虛擬環(huán)境中場景的一種標(biāo)準(zhǔn)。它定義了虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中幾乎全部的常用屬性，如層次變換、光源、視點(diǎn)、幾何、運(yùn)動(dòng)、霧、材料特性和紋理影射等，并提供了簡單的行為特征描述功能。VRML本質(zhì)上可以說是一種面向?qū)ο蟮恼Z言^[1]。對(duì)象可以包括任何東西， 如三維幾何體、MIDI數(shù)據(jù)、MPEG 圖像等。VRML定義了一系列對(duì)象用來實(shí)現(xiàn)三維場景、多媒體以及交互性，這些對(duì)象稱作“節(jié)點(diǎn)”(Node)。

節(jié)點(diǎn)包含的基本元素有“域”(Field)和“事件”(Event)。域是節(jié)點(diǎn)中包含的參數(shù)，事件用于參數(shù)的傳遞。一個(gè)三維場景由具有層次結(jié)構(gòu)的多個(gè)子節(jié)點(diǎn)組成，子節(jié)點(diǎn)的集合可以構(gòu)成復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，這使得幾何對(duì)象中被指定的部分成為可控制的整體；傳感器(Sensor)則提供了人機(jī)交互及節(jié)點(diǎn)間路由的能力，這使得VR世界的真實(shí)感大大增強(qiáng)；在VRML中可以嵌入程序腳本，Java、JavaScript等擴(kuò)展接口極大地提高了應(yīng)用擴(kuò)展能力。

二、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用

在信息飛速發(fā)展的今天，網(wǎng)絡(luò)教學(xué)是一種完全不同于傳統(tǒng)方式的教學(xué)手段。它可以實(shí)現(xiàn)不受時(shí)空限制的、交互式的、圖文并茂的、智能型的、分布式的教學(xué)。網(wǎng)絡(luò)教學(xué)已成為教育科學(xué)與教育技術(shù)的重要組成部分，是教學(xué)革新的重要方向^[2]。

就教育理論而言，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了人的臨場化，參與者與虛擬環(huán)境是互相作用、互相影響的一個(gè)整體的兩個(gè)方面，它營造了“自主學(xué)習(xí)”的環(huán)境，由傳統(tǒng)的“以教促學(xué)”的學(xué)習(xí)方式代之為學(xué)習(xí)者通過自身與信息和環(huán)境的相互作用來得到知識(shí)、技能的新型學(xué)習(xí)方式。虛擬實(shí)驗(yàn)既可縮短訓(xùn)練的時(shí)間，又可獲得直觀、真實(shí)的效果，還能對(duì)那些不可視的結(jié)構(gòu)原理和不可重組的精密設(shè)備作仿真實(shí)訓(xùn)，一方面培養(yǎng)學(xué)生操作、維護(hù)和檢修的技能，另一方面培養(yǎng)學(xué)生自我訓(xùn)練的意識(shí)和創(chuàng)新能力。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)有以下優(yōu)點(diǎn)：

1、建設(shè)“常新”型的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)基地

采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，學(xué)生不必真正把他們?cè)O(shè)計(jì)出來的機(jī)械零件、電氣設(shè)備、傳輸線路或車間建造起來就可以“親身體驗(yàn)”。這種虛擬現(xiàn)實(shí)與半實(shí)物仿真可以滿足大部分教學(xué)和訓(xùn)練的要求，大大減少經(jīng)費(fèi)的投入，并可向網(wǎng)絡(luò)學(xué)校、虛擬教育延伸。利用多媒體技術(shù)、半實(shí)物仿真與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)相結(jié)合的方法，建造虛擬演練的現(xiàn)代化實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)基地，其“設(shè)備”或“部件”多是“虛擬”的，可根據(jù)發(fā)展需要重新“生成”新設(shè)備，也可使“設(shè)備”和教學(xué)內(nèi)容在虛擬環(huán)境中不斷更新，使實(shí)踐訓(xùn)練及時(shí)跟上技術(shù)的發(fā)展，以培養(yǎng)高素質(zhì)的畢業(yè)生，保證知識(shí)型的技術(shù)人才和管理人才能滿足經(jīng)濟(jì)發(fā)展的要求。

2、促進(jìn)數(shù)字化校園的建設(shè)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)所需的超高速、多媒體的數(shù)據(jù)傳輸，大容量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，以及數(shù)據(jù)處理的分布式與并行化無疑是促進(jìn)高校信息化建設(shè)的催化劑。它能為教育技術(shù)專業(yè)隊(duì)伍提供一個(gè)高起點(diǎn)的科研環(huán)境，促進(jìn)教育技術(shù)學(xué)的學(xué)科建設(shè)更上一個(gè)新層次。

3、發(fā)展虛擬教學(xué)

課堂教學(xué)不再局限于有形的教室中，教學(xué)活動(dòng)的空間和時(shí)間得到了無形擴(kuò)展，將進(jìn)一步向虛擬課堂、虛擬大學(xué)發(fā)展。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)也將為高校擴(kuò)大招生后設(shè)置的分校和遠(yuǎn)程教育教學(xué)點(diǎn)提供可移動(dòng)的電子教學(xué)場所，使資源由一校“獨(dú)占”變?yōu)槎嘈！肮蚕怼薄Ｍㄟ^交互式遠(yuǎn)程教學(xué)的課程目錄和網(wǎng)站，由局域網(wǎng)工具作校園網(wǎng)站的鏈接，可對(duì)各個(gè)行業(yè)提供開放性的、遠(yuǎn)距離的繼續(xù)教育及其急需的課程教學(xué)，還可為社會(huì)提供新技術(shù)和高等職業(yè)培訓(xùn)的機(jī)會(huì)，促進(jìn)全國教育水平的提高。

三、實(shí)例設(shè)計(jì)及應(yīng)用

下面是利用三維造型軟件AutoCAD和VRML語言完成虛擬機(jī)械零部件的設(shè)計(jì)實(shí)例，其交互性和沉浸感有利于學(xué)生從各個(gè)角度觀察和學(xué)習(xí)，從而達(dá)到讓學(xué)生在網(wǎng)絡(luò)教學(xué)環(huán)境下了解機(jī)械零部件結(jié)構(gòu)、實(shí)體形狀和運(yùn)動(dòng)特征的目的。具體的設(shè)計(jì)方法和實(shí)現(xiàn)途徑如下：

(一)三維建模及格式轉(zhuǎn)換

在通過三維造型軟件AutoCAD環(huán)境下，根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)完成實(shí)體建模(見圖2)。然后將生成的DXF格式文件利用RSVRMLED、3DS Max或TGS 3D Tool中的VRML輸出口生成VRML文件，一般這些軟件會(huì)提供VRML1.0或VRML2.0兩種文件格式，選擇使用VRML2.0格式，這樣可以使虛擬效果更逼真^[3]。以下是通過3DS Max的輸出口導(dǎo)出(Export)的齒輪幾何外觀圖和VRML文件內(nèi)容。由于數(shù)據(jù)量較大，僅給出簡化了的WRL文件，并添加了理解性注釋。生成的WRL文件的總體框架和齒輪外觀圖(見圖3)。

# VRML V2.0 utf8

# utf8是比ASCII碼更新的國際字符集，支持多國語言

Viewpoint {# 定義視點(diǎn)

position 0 0 100

description \"gears\"

}

Background { # 定義背景

skyAngle[ 1.571，2 ]

skyColor[ 1 1 1，

0.2 0.2 0.6，

0.2 0.6 0.2 ]

}

DEFGears1 Transform {# 一個(gè)齒輪的幾何特征，其簡化代碼如下

children DEF Gears Group {

children [

Shape { …

}

]

}

} …# 其他齒輪的程序結(jié)構(gòu)與上類似，在此省略。

以上代碼主要是實(shí)現(xiàn)機(jī)械零部件的三維實(shí)體建模，生成齒輪的各部分結(jié)構(gòu)，并定義虛擬環(huán)境中的視點(diǎn)、場景背景等特征，完成實(shí)體建模階段。

(二) 修改WRL文件

齒輪的幾何形狀及場景特征已經(jīng)定義好后，可以利用VRML瀏覽器選擇任何視點(diǎn)來觀察靜態(tài)的齒輪。至此，還沒有任何動(dòng)態(tài)效果及可控因素。下面擬用鼠標(biāo)接觸來控制齒輪傳動(dòng)，來說明如何形成動(dòng)態(tài)效果及控制流。

1、加入動(dòng)態(tài)節(jié)點(diǎn)

DEF Touch TouchSensor{ # 接觸傳感器

}

DEFTime1 TimeSensor { # 動(dòng)畫時(shí)鐘

CycleInterval8

loopTRUE

}

DEFGearPath1 OrientationInterpolator{

# 旋轉(zhuǎn)動(dòng)畫路徑

key[ 0，0.5，1 ]

keyValue [ 0 0 1 0，

0 1 0 3.14，

0 1 0 6.28002 ]

}

上述代碼通過接觸傳感器節(jié)點(diǎn)(TouchSensor)、時(shí)間感測器節(jié)點(diǎn)(TimeSensor)、變換方位動(dòng)態(tài)節(jié)點(diǎn)(OrientationInter

polator)等功能節(jié)點(diǎn)，為實(shí)現(xiàn)齒輪傳動(dòng)過程做準(zhǔn)備。

2、建立控制流

為了使控制流能準(zhǔn)確地傳遞，必須建立事件路由，來實(shí)現(xiàn)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)過程(由ROUTE節(jié)點(diǎn)完成)。在已生成的VRML文件的末尾加入以下代碼，建立實(shí)際的控制機(jī)制^[4]。

ROUTE Time1.fraction_changed TO GearPath1.set_fraction # 建立控制機(jī)制，實(shí)現(xiàn)齒輪傳動(dòng)

ROUTE GearPath1.value_changed TO Gears1.set_rotation

四、結(jié)論與展望

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)是教育技術(shù)發(fā)展的一個(gè)飛躍。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的日趨成熟，基于Web的虛擬教室或虛擬校園，將會(huì)成為未來教育的一種全新的教學(xué)方式。開發(fā)網(wǎng)上教學(xué)資源，建立結(jié)合虛擬技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)環(huán)境，利用Web實(shí)施遠(yuǎn)程教學(xué)，已成為當(dāng)前世界各國教育科技界的研究熱點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)

[1] 吳小華．VRML從入門到精通[M]．北京：國防工業(yè)出版社，2002

[2] 何克抗.教學(xué)設(shè)計(jì)理論與方法研究評(píng)論[J]．電化教育研究，1998，（2）

[3] 陽化冰，劉忠麗．虛擬現(xiàn)實(shí)構(gòu)造語言VRML[M]．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2000

[4] 汪興謙．VRML虛擬造型實(shí)戰(zhàn)演練[M]．北京：中國水利水電出版社，2001

*本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文