全新角度構建虛擬實驗室

文/楊俊珂 馬德俊

全新角度構建虛擬實驗室

文/楊俊珂 馬德俊

從“第二人生”中得到啟示，從全新的視角提出虛擬實驗室的構建模型。該模型從硬件環境、軟件體系和教學管理三個方面實現沉浸性、交互性、自主性、開放性等特點，從而既能改善虛擬實驗室儀器設備的不足，節約大量的教育經費的任務，又能解決傳統實驗的機械重復問題。

“第二人生”中的“公民”不但可以看到想看到的東西，最重要的是，他們還可以完全參與進去做任何想做的事情。這給構建更好的虛擬實驗室帶來啟示。

目前在線教育絕大多數都是沉悶乏味的，與傳統教學類似，網絡課件制作的重點幾乎都放在素材內容本身的制作與呈現，卻忽略了提供學習者學習過程的趣味性、主動思考意識、動手和體驗等機會。美國在線多媒體教材界的一位專家也曾指出，現在絕大部分在線教育方式偏重在內容記憶上，學習過程里缺少有創意的互動或能讓學生親自參與的活動，以致于學生感覺無聊，造成中途離場率高達七成。因此，人們為了提高學習者的體驗和參與度，構建了各種虛擬實驗室。目前建設的虛擬實驗室基本上能夠完成實驗，但仍存在很多問題，如傳統實驗的機械重復、學生因沉悶乏味而感到無聊、開放自主流于形式等。

“第二人生”的啟示

“第二人生”（Second Life）是由美國林登實驗室于2003年首次推出的一個模擬真實的大型多用戶在線三維網絡虛擬現實平臺。當時，這個嶄新的虛擬世界完全可以用“荒無人煙”加以形容，但時至今日，紅遍全世界，幾年的時間注冊人數已超過10億多。“第二人生”不是一款游戲，而是一個互動的虛擬平臺，它的“公民”不但可以在該平臺上看到想看的東西，最重要的是，他們還可以完全參與進去，公民們可以做任何他們想做的事情。它為用戶提供一個類似真實的環境，它成功之處就在于其沉浸性、交互性、自主性和開放性的特點。

“第二人生”融合了桌面虛擬現實技術與網絡技術的眾多優點。首先，“第二人生”具有沉浸性特點。它以化身為基礎，通過對化身的操作與控制，用戶可以沉浸于逼真的虛擬環境中。其次，“第二人生”具有較強的交互性。它不僅支持實時的文本和語音交流，同時用戶可以通過化身的動作、表情來傳遞更多的信息。再次，“第二人生”具有自主性特點。它支持和鼓勵用戶建造自己的物品，創建屬于自己的虛擬環境。最后，“第二人生”具有很強的開放性。它整合眾多優勢資源，實現資源的開放與共享。“第二人生”作為一項新技術，為教育發展提供新的形式和技術支持[1]。

由“第二人生”的成功經驗告訴我們，一個理想的虛擬實驗室也應該具有沉浸性、交互性、自主性和開放性。

理想的虛擬實驗室

本質是無墻實驗室

虛擬實驗室是一個基于網絡的實驗教學、技術交流、共同研究、協同工作的平臺，是利用虛擬現實及仿真技術進行科學研究與工程設計的方法，也是目前除理論與實驗之外的第三種研究設計手段和形式[2]。虛擬實驗室的定義主要有兩種：一是指在計算機系統中采用虛擬現實技術實現的各種虛擬實驗環境， 實驗者可以如同在真實的環境中一樣完成各種預定的實驗項目， 所取得的學習或訓練效果等值于甚至優于在真實環境中所取得的效果；二是指一個創造和引導模擬實驗的交互環境， 即實驗場所， 它由實驗所依賴的模擬程序、實驗單元、工具和參考資料組成，用戶可以通過增加新的物體， 建立新的實驗，并把它們轉換成超文本文件來擴充實驗室。兩種定義側重不同方向， 但都指出虛擬實驗室本質上是一個無墻實驗室， 它通過計算機網絡系統遠程控制與交互系統， 使用者將不受時空限制， 能隨時隨地進行虛擬實驗操作， 共享儀器設備、數據和計算機資源，進行協作或得到遠程指導等。

四大特點

理想的虛擬實驗室應具備如下特點：

1. 沉浸性：是指實驗者對虛擬世界的情感反映，這種感覺能使用戶全方位地投入這個虛擬世界，通俗地說沉浸性就是身臨其境感。虛擬實驗室為學生提供逼真的實驗環境，使學生的實驗操作效果接近或超過真實實驗。

2. 交互性：指虛擬實驗環境中對象的可操作程度和從環境得到反饋的自然程度，這種自然程度也包括實時性。在虛擬實驗的過程中，學生可以隨意改變實驗條件、實驗狀態，觀察實驗結果。虛擬軟件可以根據學生要求任意放慢或加快實驗進程，從而使學生看到傳統實驗條件下觀測不到的結果，從而使學生在實驗的過程中加深對知識的理解和對知識的創新。

3. 擴展性：虛擬儀器的功能可由用戶自定義產生，而不是像傳統實驗設備那樣，出廠時由廠家來設定。用戶只需要在軟件中加入一些通用模塊，就可以根據自己的需要對虛擬儀器功能進行設定和升級。

圖1 沉浸式虛擬實驗室的硬件環境

虛擬現實平臺：第二人生

“第二人生”（Second Life）是由美國林登實驗室于2003年首次推出的一個模擬真實的大型多用戶在線三維網絡虛擬現實平臺。“第二人生”的媒介不是瀏覽器，而是提供逼真三維圖像的客戶端軟件，用戶只要從“第二人生”的官方網站（secondlife.com）下載一個客戶端軟件，就可以進入這個栩栩如生的三維虛擬世界進行三維模型的搭建。“第二人生”里只有游戲規則，沒有計算機預設好的情節，所有情節完全由居民自己創造，甚至游戲場景都是由個人制作的，如在游戲中可隨時打開控制面板來修改自己的模樣——從著裝到身材、從面部表情到走路姿態、從左邊眼影的漸變色彩到腳下鞋子的跟部長度。

4. 開放性：指虛擬實驗室是一個開放的平臺，學生可以不受時間、空間和實驗次數、實驗內容和試驗方式的嚴格限制，可以隨時隨地進入虛擬實驗室，根據自己的想法進行實驗。

實現的功能[3]

1. 教育功能

學生通過使用虛擬或真實儀器、裝置或系統的模擬裝置熟悉實驗過程， 掌握相關技術；能滿足不同知識背景下的學生的要求， 根據其能力、實驗經驗等調整資源模塊(如設備、組件、儀器、生成器、數據采集板等) ， 保證學生在單獨使用模擬環境時能進行各種實驗操作。

學生可以根據自己的需求和想法改變實驗方式、參數；可以根據學生要求任意放慢或加快實驗進程，從而使學生看到在傳統實驗條件下觀測不到的結果，實現知識創新。

3. 協同實驗和研究功能

虛擬實驗室利用當前網絡技術和設施，使參與實驗的人員在遠程相互合作以進行實驗研究， 為分布在世界各地的研究人員提供共同從事一個項目的分布式問題解決環境。

4. 仿真研究功能

虛擬實驗室可根據人們的設想完成現實實驗無法完成或者成本很高的實驗項目。

引入虛擬現實技術

虛擬現實技術可以幫助虛擬實驗室實現上文所述的教育功能。

何良諸也覺得餓了。井上大概發生了重大變故，如果小勺酒店被圍抄，警方將趙集、小勺、駝子帶走，他們會活活餓死。何良諸將上面的情況，告訴了兩位難兄難弟。

虛擬現實，又稱靈境技術，它是利用三維圖形生成技術、多傳感交互技術以及高分辨顯示技術，生成三維逼真的虛擬環境，通過運用多種傳感器和可視化設備，將視覺、聽覺、觸覺等作用于用戶，使用戶融入到特殊的環境中去感知和操作虛擬世界中的各種對象及對環境進行控制，成為虛擬環境的一員，從而獲得身臨其境的感受和體會[3]。

虛擬現實技術具有3個基本特征：

1. 沉浸性，虛擬現實技術是根據人類的視覺、聽覺的生理心理特點，由計算機產生逼真的三維立體圖像。使用者戴上頭盔顯示器和數據手套等交互設備便可將自己置身于虛擬環境中，成為虛擬環境中的一員。使用者與虛擬環境中的各種對象的相互作用，就如同在現實世界中。當使用者移動頭部時，虛擬環境中的圖像也實時地跟隨變化，比如，拿起物體時，物體會隨著手部的移動而運動，而且還可以聽到三維仿真聲音。使用者在虛擬環境中，一切感覺都是那么逼真，有一種身臨其境的感覺。

2. 交互性，虛擬現實系統中的人機交互是一種近乎自然的交互，使用者不僅可以利用計算機鍵盤、鼠標進行交互，而且能夠通過特殊頭盔、數據手套等傳感設備進行交互，計算機能根據使用者的頭、手、眼、語言及身體的運動，來調整系統呈現的圖像及聲音，使用者通過自身的語言、身體運動或動作等自然技能，就能對虛擬環境中的對象進行考察或操作。

3. 多感知性，由于虛擬現實系統中裝有視、聽、觸、動覺的傳感及反應裝置，因此，使用者在虛擬環境中可獲得視覺、聽覺、觸覺、動覺等多種感知，從而達到身臨其境的感受。

圖2 虛擬實驗室的軟件體系結構

圖3 虛擬實驗教學管理模型

虛擬實驗室的建構新模型

構建虛擬實驗室，就是根據虛擬實驗室的需求搭建一個網絡平臺系統，其主要包括硬件環境、軟件體系和教學管理三個方面。

硬件環境

全方位的硬件系統支持是實現虛擬世界沉浸性的基礎，它可以保證實驗者以自然和諧的方式與虛擬實驗環境進行交互，這類用于輸入與輸出的硬件設備共同構成虛擬實驗系統的交互界面，從不同的方面促進沉浸感的形成，主要有視覺感知設備、聽覺感知設備、觸覺反饋設備、數據手套、數據衣、空間位置跟蹤器、輸入設備。用于沉浸式虛擬實驗系統的視覺感知設備主要有頭盔式顯示器和洞穴(Cave)式立體顯示裝置等。通過這類顯示裝置，為實驗者呈現三維的逼真場景，并且可以使用戶在視覺上與外界隔離開來，保證系統的沉浸性需要。當然，完全沉浸的虛擬現實系統目前只能處于設想階段。此外，高性能的計算機是整個虛擬系統的核心，由于要并行地處理來自多個感知通道的信息，這就要求計算機系統應有高速的數據處理和計算能力。硬件環境的結構[4]如圖1所示。

軟件體系結構

沉浸式虛擬實驗室的軟件部分是保證系統成功的又一關鍵因素，硬件設備是基礎，而軟件部分則負責對實驗過程和實驗結果的科學性、精確性以及實驗評價進行控制，此外還負責對各種底層硬件設備的驅動和控制以及各種媒體信息的復雜處理以形成沉浸感。虛擬實驗室的軟件系統所包含的各個模塊及其相互關系[4]，如圖2所示。

虛擬實驗教學管理

虛擬實驗教學管理是整個虛擬實驗室建設的目的，虛擬實驗室的沉浸性、交互性、自主性、開放性都會在這里得以展現和實施。這個模塊包括學生學習管理、教師教學管理和實驗管理員管理。虛擬實驗教學管理模塊如圖3所示。

在實際構建虛擬實驗時的我們應根據實驗教學的特點和人才培養的需要，綜合考慮各方面的因素來開發一個合適的虛擬實驗室，由于開發一個虛擬實驗室需要投入很大的人力和物力，所以在開發之前一定要先進行需求分析，根據不同的實際情況來建構不同的硬件環境、軟件體系結構和教學管理模塊，但總體來說我們還是要在堅持虛擬實驗的真實模擬性原則的同時進一步追求其沉浸性、交互性、自主性和開放性，從而使虛擬實驗室在實驗教學中起到更好的效果。

目前該模型已被相關研究人員借鑒并應用于某一個高校的虛擬實現技術課程的教學實驗中。據相關研究人員介紹，學生通過實驗課教學能夠更好地學習和掌握相關知識，學生在這個逼真的、強交互性的虛擬實驗環境中，通過鼠標和鍵盤的操作進行各種實驗，由于學生自己動手搭建人機交互的虛擬場景，使學生能夠成為虛擬環境的一名參與者，在虛擬環境中扮演一個角色，獲得與真實實驗相同的感受，滿足了學生的好奇心和求知欲，更調動了學生的學習積極性，激發了學生無限的學習興趣、開發創新意識，對突破教學的重點、難點，培養學生的技能起到積極的作用。總之，利用虛擬現實技術開發的具有沉浸性、交互性、自主性、開放性等特點的虛擬實驗室在實驗改革教學中有著廣闊的應用前景。

（作者單位為徐州師范大學信息傳播學院）

擴展閱讀：

[1] 劉學勤，郭寧. 亞利桑那大學“第二人生”教育應用實踐及其啟示.河北大學成人教育學院學報，2009.12（第11卷第4期）.

[2] 劉筱蘭等. 虛擬實驗室的類型及發展趨勢.計算機應用研究，2004年第11期.

[3] 張艷，樊莉，方秦.基于虛擬現實技術的虛擬實驗室建設.科技創新導報，2008年第20期.

[4] 呂耀中.沉浸式虛擬實驗室的建設構想.現代遠距離教育，2008年第3期.