構(gòu)建基于WEB的運動生理學桌面虛擬基礎(chǔ)實驗室

　　摘 要： 將虛擬現(xiàn)實技術(shù)融入運動生理學課程實驗中，能夠極大地改善運動生理學的實驗條件與教學質(zhì)量。本文以虛擬現(xiàn)實建模語言（VRML）和QTVR為基礎(chǔ)，重點討論了運動生理學虛擬實驗室的構(gòu)建過程，并指出了一些在構(gòu)建虛擬實驗室過程中需要注意的問題。
　　關(guān)鍵詞： 構(gòu)建基于WEB的運動生理學桌面虛擬基礎(chǔ)實驗室 體系結(jié)構(gòu) 關(guān)鍵技術(shù) 實施重點
　　
　　運動生理學是研究人體運動能力和對運動的反應與適應過程的科學，是體育科學中重要的應用基礎(chǔ)理論學科。運動生理學實驗是聯(lián)系課堂理論教學的橋梁，是理論與實踐相結(jié)合的重要環(huán)節(jié)。教育部《關(guān)于加強高等學校本科教學工作提高教學質(zhì)量的若干意見》（2001年）4號文件特別強調(diào)了“實驗教學對于提高學生綜合素質(zhì)、培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神與實踐能力具有特殊的作用”的重要性。實驗課教學是關(guān)系到教學質(zhì)量優(yōu)劣的一個重要環(huán)節(jié)，好的教學方法能充分調(diào)動學生學習的積極性，提高教學質(zhì)量，強化學生的實驗技能，促進學生綜合能力的發(fā)展。但在運動生理學實驗中，存在實驗內(nèi)容多而實驗課時少，一些傳統(tǒng)經(jīng)典實驗成本高、耗時長、難度大、失敗率高等現(xiàn)象，已經(jīng)成為制約運動生理學教育質(zhì)量的一個重要因素。
　　本研究的目的是通過WEB構(gòu)建運動生理學桌面虛擬基礎(chǔ)實驗室環(huán)境，使得一些實驗現(xiàn)象能夠通過計算機在網(wǎng)絡(luò)中模擬，學生不必擔心缺乏實驗條件，也不必為做實驗到處奔波，這對運動生理學實驗教學改革具有十分重要的意義。
　　1.基于WEB的運動生理學桌面虛擬基礎(chǔ)實驗室體系結(jié)構(gòu)
　　基于WEB的運動生理學桌面虛擬基礎(chǔ)實驗室（以下簡稱虛擬實驗室），其實就是構(gòu)建一個網(wǎng)絡(luò)平臺系統(tǒng)，它包括接入了互聯(lián)網(wǎng)的校園網(wǎng)絡(luò)、開發(fā)運動生理學桌面虛擬基礎(chǔ)實驗室平臺軟件系統(tǒng)和相應虛擬實驗管理監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)由六大模塊構(gòu)成［１］。
　　1.1虛擬實驗管理模塊
　　由學生管理、教師管理、虛擬儀器管理和學生成績管理等組成。在學生管理方面，學生通過瀏覽器進行注冊登錄，登陸成功后可瀏覽實驗項目、閱讀實驗指導、查看實驗的詳細資料、在線發(fā)送和接收消息、進行問題討論、進行實驗登記，以及實驗完成后可通過網(wǎng)絡(luò)寫實驗報告并提交報告。在教師管理方面，教師可對實驗內(nèi)容添加、修改、整理、刪除，批改學生提交的實驗報告，填寫評語和成績，提交批改結(jié)果，與學生進行討論。在虛擬儀器管理方面，對新設(shè)計開發(fā)的虛擬儀器上傳并進行分類整理，以圖形的方式直觀呈現(xiàn)出來，供學生在實驗時進行選擇使用。在成績管理方面，對學生的實驗情況（實驗次數(shù)、實驗報告及完成情況）給出成績，并進行統(tǒng)計分析及提供查詢，等等。
　　1.2實驗指導模塊
　　包括實驗介紹、實驗原理、實驗目的、實驗準備、實驗方法及步驟、實驗的重點及難點、實驗報告的要求及實驗應注意的事項等。
　　1.3實驗報告模塊
　　主要對學生完成實驗后，提供相關(guān)的實驗報告模板，供學生下載，由學生填寫相關(guān)內(nèi)容及實驗的結(jié)果，完成后上傳電子版實驗報告，由教師進行批閱，并進行記載。
　　1.4實驗答疑模塊
　　對學生實驗中出現(xiàn)的疑難問題，由專業(yè)教師進行及時解答，幫助學生順利通過實驗。同時，教師和學生可以通過該模塊進行充分的交流，學生可以將實驗中的收獲、經(jīng)驗和體會及問題發(fā)布到論壇上，供教師和其他同學探討。學生在這樣寬松的環(huán)境下發(fā)表自己的見解，教師從中可以得到及時的實驗教學反饋信息，以便整改。
　　1.5虛擬實驗環(huán)境與虛擬實驗模塊
　　該模塊是虛擬實驗室建設(shè)的重要部分。利用多媒體計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與虛擬儀器技術(shù)的結(jié)合，通過WEB在客戶端模擬實驗現(xiàn)象和仿真實驗環(huán)境，即在WEB中創(chuàng)建出一個可視化的三維環(huán)境和一個個可視化的三維物體（代表一種實驗對象），學生通過鼠標的點擊及拖曳等操作三維物體，就可以進行虛擬實驗。
　　1.6實驗幫助模塊
　　創(chuàng)建一個三維造型作為幫助按鈕，當用戶點擊它的時候在空間相應位置就會出現(xiàn)文字說明，再次點擊將文字說明從空間中移除，以免妨礙虛擬實驗室的使用。
　　2.構(gòu)建基于WEB的運動生理學桌面虛擬基礎(chǔ)實驗室的關(guān)鍵技術(shù)
　　2.1VRML技術(shù)
　　VRML（Virtual Reality Modeling Language，即虛擬現(xiàn)實建模語言）是第二代WWW的標準語言，一種用于在WEB上構(gòu)筑3D多媒體和共享虛擬世界的開放式語言標準。VRML的基本原理是：用文本信息描述三維場景，在Internet網(wǎng)上傳輸，并在本地機上由VRML的瀏覽器解釋生成三維場景。正是這種思想使得其在Internet上傳輸很少的數(shù)據(jù)，就可以在WEB上實現(xiàn)三維虛擬場景瀏覽成為可能。由于用VRML能豐富媒體表現(xiàn)形式、協(xié)同工作角色的可視化管理、改善協(xié)同環(huán)境的用戶接口、增強協(xié)同環(huán)境的交互性，因此將VRML融合到基于WEB虛擬實驗室的開發(fā)過程中，既可增強表現(xiàn)力和用戶的接受力，又可實現(xiàn)較好的協(xié)同工作虛擬化環(huán)境。國內(nèi)外一些高等院校利用VRML2.0語言，已成功開發(fā)了基于集成聲音、圖像及其它多媒體技術(shù)的三維空間的虛擬實驗中心，它制造了一個完全立體化的模型，虛擬出真實的實驗室環(huán)境，用戶進入其中如同進入真正的實驗室一樣。［2］
　　2.2QTVR技術(shù)
　　QTVR（Quick Time Virtual Reality）是由美國蘋果公司所開發(fā)的跨平臺多媒體套件，支持各種格式的影片、圖片、流媒體、動畫、聲音、虛擬現(xiàn)實，以及具有互動效果的文件的虛擬實境技術(shù)。它不需要傳統(tǒng)虛擬現(xiàn)實技術(shù)所要求的特殊硬件和附屬設(shè)備（如圖形工作站或者資料手套等）支持，在普通的PC機或Mac機上就可產(chǎn)生相當程度的虛擬現(xiàn)實的體驗。QTVR不必進行任何幾何造型，只需通過圖像采集系統(tǒng)采集真實世界的圖像、QTVR系統(tǒng)軟件處理離散的圖像，即可完成三維空間、三維物體的造型；然后操縱普通鼠標、鍵盤即可實現(xiàn)對三維造型的全方位觀察。QTVR可應用照片、錄像或數(shù)字圖像來創(chuàng)建虛擬環(huán)境，使它較之多媒體技術(shù)、傳統(tǒng)虛擬現(xiàn)實技術(shù)有著更高的真實感、更豐富的圖像和更鮮明的細節(jié)特征。此外，QTVR制作簡單，制作周期較短，制作的可控性也很強。對于體育教師這類非計算機專業(yè)人士來說，比較容易掌握其技術(shù)，據(jù)此要開發(fā)一些簡單的網(wǎng)絡(luò)實驗教學軟件，也不至于難度太大。［3］
　　3.基于WEB的運動生理學桌面虛擬基礎(chǔ)實驗室構(gòu)建的實施
　　利用VRML較強的用戶交互功能和QTVR實景建模的功能結(jié)合起來實現(xiàn)基于WEB虛擬實驗室。QTVR基于靜態(tài)圖像的三維實景建模特性，使得它特別適合于對虛擬實驗室中的儀器設(shè)備或?qū)μ摂M實驗室環(huán)境進行展示，這樣可以增加實驗者的臨場感和沉浸感；與VRML相比，它的交互能力差了一些。而VRML雖然可以利用靜態(tài)圖像進行紋理映像，也可以用來介紹虛擬儀器設(shè)備和虛擬實驗室場景，但是它最為廣泛的應用還在于三維物體的創(chuàng)建和與虛擬空間中的物體進行交互，二者互補，從而可實現(xiàn)構(gòu)建真實感很強的、具有良好交互性的虛擬實驗室。
　　3.1制作運動生理學實驗中虛擬實驗儀器
　　實驗教學離不開實驗儀器，運動生理學實驗也不例外，這就需要對實驗儀器詳細介紹和說明用法。比如為運動跑臺創(chuàng)作有解說詞和文字說明的三維旋轉(zhuǎn)體圖片，讓學生在虛擬實驗室中對該虛擬運動跑臺進行隨意地旋轉(zhuǎn)和任何視覺角度的觀察，從而詳盡了解它的構(gòu)造、功能和使用方法，同時達到預習實驗、復習實驗的目的。通過對實驗儀器實物的拍攝，借助QTVR在立體空間的展示的獨特的優(yōu)勢，制作QTVR物體電影即可虛擬出相應的實驗儀器。使用這種物體電影就可以對實驗儀器進行360°查看，這一過程需要用QTVR物體電影自帶的縫合軟件來完成。
　　
　　3.2制作三維的運動生理學實驗場景
　　使用VRML可視化編輯軟件來制作三維的運動生理學實驗場景并進行交互過程的開發(fā)。如果要使空間具有交互性，可以在VRML中，將傳感器附在一個造型上，該傳感器使用定點設(shè)備來感知學生實驗中的動作，用來檢測學生的移動、點擊和拖動。當學生點擊到一個附帶有傳感器的儀器部位時，傳感器就輸出一個事件，該事件就被路由到其它的節(jié)點來開始一個動畫。當學生與可感知的儀器部位相互作用時，就可以把傳感器的輸出連入一個線路中，從而引起儀器的移動和動畫的播放。這些傳感器對于實現(xiàn)與VRML空間的交互來說是最為基礎(chǔ)的，但卻遠遠不能達到創(chuàng)建虛擬實驗室的要求。因此在VRML中還提供了Script節(jié)點，它專門用于對基本交互節(jié)點的擴展，描述用戶制作的感應器和內(nèi)插器。Script節(jié)點可以看作是一個節(jié)點的外殼，它擁有域、eventIn事件、eventOut事件，其本身沒有任何動作，然而設(shè)計者可以通過程序腳本來賦予腳本的動作。這里的程序腳本一般是使用JavaScript或Java來編寫成。
　　3.3系統(tǒng)整合形成終端瀏覽網(wǎng)頁
　　將前面完成的QTVR物體電影和VRML場景用JavaScript和VRMLScript相結(jié)合，整合成具有交互效果的整個虛擬實驗系統(tǒng)，這樣就完成了對整個虛擬實驗室的創(chuàng)建。教師和學生在這個虛擬現(xiàn)實環(huán)境中，可以沉浸其中，全身心地投入實驗的教與學的過程，既生動了教學情景，又提高了學生的學習效率與積極性。
　　4.網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室開發(fā)過程當中應注意的要點
　　4.1模擬聲音
　　要使實驗達到逼真，除了模擬控制臺實物景象外，還要模擬它們實驗環(huán)境中的各種聲音，如按鈕按動聲、內(nèi)部機械動作聲等。這樣才能使學生在實驗室有身臨其境的感覺，全身心地投入。
　　4.2模擬臺面各種動作的結(jié)果
　　臺面上每個控件的動作都會觸發(fā)一定的事件，這些事件在實物設(shè)備中是靠機械、電路等去完成，而現(xiàn)在將這些機械及電子邏輯關(guān)系使用計算機軟件實現(xiàn)。
　　4.3實驗儀器的差異
　　在虛擬實驗中，智能化程度比較高，當操作不正確時，會彈出提示窗口。而實際實驗中，學生首先要掌握實驗中所有實驗儀器的使用，只有規(guī)范熟練地掌握實驗儀器的操作技巧，才能順利完成實驗。［4］
　　4.4實驗環(huán)境的差異
　　設(shè)計者要對虛擬環(huán)境中的學習資源要素及其布局特征能夠正確把握。VRML不是一種造型語言，而是一種建模語言。在應用VRML構(gòu)建虛擬環(huán)境時，設(shè)計者必須通過已有視頻、圖片等獲得虛擬環(huán)境的原型。雖然VRML能夠提供功能完整的三維虛擬現(xiàn)實場景，并具有較強的交互功能，但這只是一個桌面系統(tǒng)而非完整意義上的虛擬現(xiàn)實，鼠標和鍵盤很多時候并不能實現(xiàn)某些實踐操作功能。要組建高端沉浸式系統(tǒng)，需要借助立體頭盔顯示、數(shù)據(jù)手套、位置和方向跟蹤等設(shè)備。
　　4.5虛擬實驗環(huán)境的互動
　　虛擬實驗環(huán)境的互動并非是對人們現(xiàn)實實驗環(huán)境中互動的恰當模擬，并不符合學習者的互動習慣。設(shè)計者應綜合考慮各種技術(shù)手段選擇符合現(xiàn)實場景的互動方式。
　　5.結(jié)語
　　虛擬實驗室技術(shù)是未來高校實驗教學模式發(fā)展的必然趨勢，它能夠充分利用現(xiàn)有資源和網(wǎng)絡(luò)帶來的益處，實現(xiàn)各種資源合理有效的配置，為運動生理學實驗課程的教學改革提供了條件和技術(shù)支持，具有現(xiàn)實的使用意義，其優(yōu)越性會被越來越多的人認識［5］。但要使運動生理學桌面虛擬實驗技術(shù)真正得到推廣應用，關(guān)鍵是運動生理學專業(yè)教師及實驗師觀念的改變，除了具有創(chuàng)新精神和能力外，還應不斷地進行有關(guān)虛擬現(xiàn)實技術(shù)知識學習和更新，從而為建設(shè)更好的虛擬運動生理學實驗室打好堅實的基礎(chǔ)。
　　
　　參考文獻：
　　［1］胡禮廣，謝海燕.基于WEB的虛擬金相實驗室構(gòu)建.實驗室研究與探索［J］.2010，29，（1）：69-70.
　　［2］張翰峰.第二代WWW標準語言VRML.［EB/OL］.http：//www.chinavideoonline.com/vrml/vrml_042.htm，2009-5-16.
　　［3］何童.Quick Time VR （QTVR）之簡介.［EB/OL］.http：//www.archvip.com/BBS/viewthread.php?tid=9099，2009-1-22.
　　［4］王元娟.基于高校虛擬實驗室發(fā)展若干問題的建［J］議.科技信息，2009，（7）：130.
　　［5］薛得鳳.基于圖形化編程語言Labview的一種虛擬儀器的實現(xiàn)［J］.自動化與儀器儀表［J］.2003，109，（5）：24-26.