慕課環境下虛擬實驗室建設研究

劉萍萍

摘要：三維虛擬實驗系統營造高度真實的學習情境，“慕課”的興起為虛擬實驗教學提供了技術支持，使其具有實驗資源共享和異地協作的特點。“慕課”環境下虛擬實驗系統，支持多用戶同時在線操作，在一定程度上改善了傳統實驗資源匱乏的弊端。通過使用虛擬儀器、模擬裝置實現遠程實踐教學過程，形成知識、學習和實踐環節一體化的教育新體系。

Abstract： The virtual experiment system of three dimensions creates a highly authentic learning environment. The rise of "MOOC" provides technical support for virtual experiment teaching， which makes it has the characteristics of experiment resource sharing and cooperation in different places. In the course of "MOOC"， the virtual laboratory system， which supports multi-user simultaneous online operation， improves the shortcomings of traditional experimental resources to a certain extent. Through using the virtual instrument， the remote practice teaching process is realized to form the new education system which takes the knowledge， learning and practice as a macrocosm.

關鍵詞：MOOC；虛擬實驗室；三維場景建模

Key words： MOOC；virtual laboratory；3D scenes mode

中圖分類號：G640 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）09-0191-03

0 引言

近幾年來隨著科技的迅猛發展，傳統實驗教學模式已經不能滿足當前需要，而虛擬實驗技術的成熟發展成為一種強有力的教學輔助手段。它既解決了傳統實驗模式下實驗資源不足的約束，共享教學資源，節約了教育成本，又能使學生可以不受地域空間和時間限制進行課程實驗，更直觀、方便的進行信息展示及交互。將虛擬現實技術引入實踐教學環節已成為一種必然改革趨勢，有利于培養學生的實踐能力和創造能力，加快學生對知識的掌握與理解。

1 虛擬現實技術研究

虛擬現實技術（Virtual Reality，簡稱VR）是通過計算機集成技術模擬虛擬三維空間，提供一個實時虛擬環境，具有“沉浸”、“交互”和“構想”3個基本特征[1]。虛擬世界里存在眾多的對象，層次結構較為繁雜，通過對捕獲的各類現實數據建模，以三維可視化和虛擬現實場景呈現。

1.1 三維環境建模

三維建模需要利用獲取的數據對整個系統涉及到的所有場景進行建模[2]。數據采集階段在CAD繪制對象的標準圖紙的基礎上進行物體建模，之后導入3DMAX，采用這種方式降低對復雜物體建模的時候產生的誤差，不僅可以提高建模的效率，而且可以達到既精確并且效果好的目的。虛擬場景的模型建立好之后，就要進行物理建模，包括模型的形狀、材質、紋理、運動等。

1.2 實時渲染技術

對虛擬現實的場景和模型渲染的精細程度決定了虛擬現實場景的真實感的大小，虛擬場景呈現的幀率直接影響了用戶體驗，要做到虛擬場景和模型渲染程度盡量高的情況下做到用戶瀏覽無卡頓，場景刷新幀率應該高于20幀/秒。

1.3 碰撞檢測

碰撞檢測技術是在場景當中的物體上增加碰撞體，防止出現人物穿墻而過，增加真實感。可以檢測兩個物體之間的碰撞，也可以檢測特定碰撞器之間的碰撞，甚至可以使用光線投射預先檢測碰撞。常用的碰撞檢測策略包括基本碰撞檢測、觸發器碰撞檢測、光線投射等。

目前，虛擬現實技術已廣泛應用在航空模擬、軍事訓練、游戲娛樂、教育等領域。利用虛擬現實技術建立虛擬實驗室，提供網絡實驗教學一體化管理功能，實現虛擬儀器及實驗操作流程演示，使學生在互聯網上完成相關實驗，虛擬實驗改善了傳統實驗由于條件的限制而導致的結果偏差。虛擬實驗以其良好靈活的交互性以及對硬件資源要求的簡易性等優點倍受網絡實驗教學的青睞，教師可構建有學生廣泛參與的、隨時更新的專業動態資源庫，實現異地資源共享，還可以實現在線交流、考核測評等教學活動。

2 基于慕課的虛擬實驗教學改革

慕課教育理念是把優質教育資源通過網絡在線的方式低成本地展現。慕課教育具有規模性、開放性、在線性、參與自主性等特點[3]。借助網絡教學平臺，將實踐教學內容、考核等環節從實驗室解放出來，從而最大程度的降低教學投入、提高教學質量。實踐教學網絡化改革的建設也促進了“慕課”平臺建設的完善，避免在線教學平臺出現教學過程“斷點”的現象，實現實驗課程優質教學資源共享。

2.1 虛擬實驗教學資源開發框架研究

實驗教學是學生獲取知識必不可少的重要環節，是培養學生動手能力的重要手段，慕課平臺下的遠程虛擬實驗室系統，實現支持多用戶同時在線操作的遠程實踐教學。其總體架構如圖1所示。

①用戶界面：與用戶交互的主要平臺，也是虛擬實驗信息展示平臺。

②事件監聽/處理器：根據系統特點的不同邏輯請求，通過觸發各類事件進行處理。

③綜合數據庫：對需要展示的實驗信息進行存儲，提供用戶信息查詢的功能。

④圖形引擎：對系統中需要的各種圖形圖像進行繪制，這個子系統通常都是集成在開發環境當中。

⑤物理引擎：在虛擬場景中模擬現實生活中的重力，會對碰撞運動、跳躍運動等產生影響。

⑥燈光引擎：需要給虛擬場景添加模擬燈光，計算出光線在場景中會產生的效果，人物的影子等。

⑦邏輯處理引擎：系統的核心，進行各種的邏輯判斷，計算和推理。

虛擬實驗教學系統為用戶提供網絡化和開放式的實驗環境，模擬真實的實驗器材和設備，具有對硬件資源要求低及良好的交互性等優點，倍受網絡實驗教學的青睞。虛擬實驗教師可構建有學生廣泛參與的、隨時更新的資源庫，實現異地資源共享，還可以實現在線交流、考核測評等教學活動。

2.2 構建開放式虛擬實驗教學平臺

結合慕課理念充分利用實驗室資源建設一個開放、互動、共享的虛擬實驗教學平臺。在完成實驗目標的整個過程中，學習沉浸感更強，更為直觀，有助于學生對實驗過程的理解，學習體驗有較大改善。

①虛擬實驗教學平臺設計與實現。

虛擬實驗室教學系統由虛擬實驗室、自主學習、實驗報告評閱等主要模塊組成，如圖 2所示。

系統平臺由控制系統、虛擬實驗室管理系統、實驗接入系統及各類獨立的實驗系統組成。系統針對大學計算機基礎課程開發配套三維虛擬實驗，模擬真實實驗中用到的器材與設備 17 種，提供與真實實驗相似的實驗環境以及8個典型實驗案例。學生利用實驗虛擬實驗室平臺提供的虛擬儀器管理進行虛擬儀器的使用和回收，完成典型實驗的配置和調節。用戶通過互聯網訪問系統，現場實驗數據通過寬帶專用網接入系統，提供給用戶共享，并進行交流。

②碰撞檢測功能。

虛擬實驗教學系統場景中存在許多運動和靜止的物體，用戶在交互過程中為防止出現“穿物而過”、“穿土而入”等現象降低模擬仿真的可信度，系統需要及時檢測出碰撞的發生。具體流程圖如3所示。

明確碰撞路徑并選定好正確的碰撞對象是碰撞檢測技術的關鍵。這里采用AABB包圍盒的方式實現碰撞檢測，取斜邊的兩個頂點，算出其中間點，然后讓中點向上或下稍微偏移，利用這三個點可以確定一個圓，通過計算攝像機與圓心的距離來判斷是否發生碰撞。

通過碰撞檢測，如果為真，則攝像機位置返回上一次的位置，如果為假，則繼續漫游，這樣就完成了三維漫游中的碰撞檢測。如圖4所示。

3 結語

虛擬儀器技術、網絡通訊技術、遠程控制等技術的發展構成了虛擬實驗室實現的基礎[4]。慕課環境下虛擬現實技術與實驗認知模擬的結合改善了實踐教學環境，優化了實踐教學過程，能激發學生的實驗興趣和參與熱情。使學生在教師指導下，借助慕課氛圍進行個別學習、自主學習、協作學習、多維反饋、多元發展。一方面促進實驗教學改革，積極引導學生接觸新技術、新知識，開發學生的智能，更好地實現應用型工科人才培養目標；另一方面讓更多學生間接地參與實驗課程，增強跨學科研究的意識和創新能力，最大限度地實現實驗室教學資源的共享。

參考文獻：

[1]陳琳.基于VRML的教學媒體仿真系統的設計與實現[D].成都：西南交通大學，2010，5：41.

[2]賈義敏，詹春青.情境學習：一種新的學習范式[J].開放教育研究，2011（10）：29-39.

[3]楊玉芹.MOOC學習者個性化學習模型建構[J].中國電化教育，2014（6）.

[4]馬思群，李莎莎.基于3DsMax及VRP的高速列車VR系統設計[J].計算機仿真，2013（1）：1-4。