范 敏,岳延兵,張龍改
(山西水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院,山西 運(yùn)城 044004)
虛擬實(shí)驗(yàn)是真實(shí)空間的一種映射[1],與真實(shí)環(huán)境中的實(shí)驗(yàn)相比,有以下幾個(gè)方面的特點(diǎn):
1)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的虛擬性
在虛擬實(shí)驗(yàn)中操作的設(shè)備雖然能看到感覺到,但它們事實(shí)上并不存在,是由計(jì)算機(jī)所模擬的,是虛擬的。虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)備能減少設(shè)備與空間,節(jié)約資金,改善實(shí)驗(yàn)條件。追求真實(shí)性是科學(xué)實(shí)驗(yàn)的首要條件,因此,虛擬實(shí)驗(yàn)本身就要創(chuàng)建一種虛擬的“真實(shí)性”,為科學(xué)認(rèn)識提供一條途徑[2]。
2)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的多目標(biāo)、多層次性
在虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境中,教師的輔導(dǎo)作用主要通過軟件自身實(shí)現(xiàn),另外,考慮到實(shí)驗(yàn)者客觀存在的水平差異性,因此所提供的實(shí)驗(yàn)應(yīng)該滿足各個(gè)層次的實(shí)驗(yàn)者的要求。虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的多目標(biāo)、多層次性有助于學(xué)生把科學(xué)的理性與邏輯、自我想象力與創(chuàng)造性相結(jié)合起來,有效地發(fā)揮自身的能動性。
3)實(shí)驗(yàn)過程的靈活性
實(shí)驗(yàn)過程的靈活性主要表現(xiàn)為:在虛擬實(shí)驗(yàn)的過程中,學(xué)生能方便地改變事物的條件以觀察所發(fā)生的變化,有利于學(xué)生獲得豐富的感性認(rèn)識,便于學(xué)生根據(jù)自己的假設(shè)分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)[3]。在此環(huán)節(jié)中并不一定需要一種理論或假設(shè)做指導(dǎo),但卻可能會為某一理論提出某些觀點(diǎn)或意見。實(shí)驗(yàn)過程的靈活性使得學(xué)生能從實(shí)驗(yàn)過程中學(xué)習(xí),不僅知道實(shí)驗(yàn)的結(jié)果,而且能體驗(yàn)知識的發(fā)現(xiàn)過程,激發(fā)學(xué)生進(jìn)一步提出問題與尋求解決問題的興趣。另外,在虛擬實(shí)驗(yàn)中,評價(jià)的側(cè)重點(diǎn)不僅僅是實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理和結(jié)果,更重要的是學(xué)生是否掌握了相關(guān)領(lǐng)域的概念、解決問題的基本技能及從虛擬向真實(shí)情境遷移的能力。
虛擬實(shí)驗(yàn)的出現(xiàn)有助于培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,拓寬學(xué)生的知識面,有效地支持理論學(xué)習(xí)。在虛擬實(shí)驗(yàn)中如果學(xué)生能把虛擬環(huán)境與真實(shí)的相比較、在合作的基礎(chǔ)上進(jìn)行探究,必將產(chǎn)生很大的教育價(jià)值。
虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)的過程是建立在一般實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動過程、學(xué)生的認(rèn)知過程和實(shí)踐活動,以及教學(xué)的基本規(guī)律的基礎(chǔ)之上的[4]。因此,可將虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程概括為用戶界面、情境設(shè)置、過程模擬、總結(jié)評價(jià)4個(gè)步驟。
虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)不同于真實(shí)的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境,實(shí)驗(yàn)者是通過用戶界面與之交互作用的。因此,界面的設(shè)計(jì)既要方便友好、易于操作,又要使實(shí)驗(yàn)者感覺處于一種解決實(shí)際問題的情境中,即使面對的可能是科學(xué)家們早已熟知的資料或已有確定答案的問題,隨著問題的逐步進(jìn)展,學(xué)生仍然會體驗(yàn)到發(fā)現(xiàn)知識、尋求解決問題方案過程的成就感。虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的真實(shí)性可以豐富學(xué)生在虛擬情境中的體驗(yàn),智能化主要表現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)過程中跟蹤學(xué)生的實(shí)驗(yàn)進(jìn)度,并適時(shí)地為其提出指導(dǎo)性建議。
實(shí)驗(yàn)輔導(dǎo)員(教師或系統(tǒng) Agent 等)依據(jù)學(xué)生的經(jīng)驗(yàn)、知識背景及需求,提出具體的實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo),呈現(xiàn)融于模擬過程中的概念。另外,在利用虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)的過程中,應(yīng)有意識地安排一些省略(這種省略可以是1個(gè)實(shí)驗(yàn)的計(jì)劃,可以是某一實(shí)驗(yàn)中控制某一因素的方法,可以是從所給資料中得出的結(jié)論,也可以是用來解釋所給資料的1個(gè)假設(shè))、空白或者令人感到奇怪之處,讓學(xué)生把它們填補(bǔ)出來,以激發(fā)學(xué)生的興趣。
虛擬實(shí)驗(yàn)過程模擬階段,通過觀察、分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),并根據(jù)反饋調(diào)整策略、澄清錯(cuò)誤概念,檢驗(yàn)自己的假設(shè)和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案,這有助于提高對反饋的反應(yīng)能力及對因果關(guān)系的敏感性。另一方面,在虛擬實(shí)驗(yàn)過程中,學(xué)生必須有意識地關(guān)注自己的經(jīng)驗(yàn),明確地?cái)⑹鰧?shí)驗(yàn)結(jié)果并用現(xiàn)有的思想綜合它們,通過這種方式,使自己的想法被重新組合成新的、更強(qiáng)有力的形式。
分析虛擬實(shí)驗(yàn)的進(jìn)程,描述自己的感覺和反應(yīng),以判斷自己概念掌握及問題分析、解決能力,意識到自己存在的問題和不足,并尋求新的解決問題的方法;同時(shí),把虛擬情境與真實(shí)世界相比較,把虛擬實(shí)驗(yàn)和實(shí)際應(yīng)用聯(lián)系起來,使得在虛擬情境中掌握的概念和解決問題的方法運(yùn)用于實(shí)際中,提高學(xué)生的自信心和靈活性。
另外,虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)的數(shù)據(jù)共享也存在一定問題[5],在使用虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)還要注意以下幾個(gè)因素:注重培養(yǎng)學(xué)生的獨(dú)立能動性;盡可能地采用課題探索策略;在團(tuán)體合作過程中學(xué)習(xí);虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境的豐富性程度對學(xué)生能力的影響。
虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境并不能完全代替真實(shí)環(huán)境,因此,我們需要認(rèn)識虛擬與真實(shí)2者之間的共同之處,并研究我們能做些什么來幫助學(xué)生很好地處理虛實(shí)2者間的關(guān)系。虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)的過程模型如圖1所示。
圖1 虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)的過程模型
構(gòu)建虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的目的是為了開發(fā)虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用,所以任何一個(gè)完整的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)都需要有一套功能完備的虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用開發(fā)平臺,一般包括2個(gè)部分:1)硬件開發(fā)平臺,即高性能圖像生成及處理系統(tǒng),通常為高性能的圖形計(jì)算機(jī)或虛擬現(xiàn)實(shí)工作站;2)軟件開發(fā)平臺,即面向應(yīng)用對象的虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用軟件開發(fā)平臺[6]。這其中面向應(yīng)用對象的虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用軟件開發(fā)平臺是最主要的,它在虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用開發(fā)過程中承擔(dān)著三維圖形場景驅(qū)動的建立和應(yīng)用功能的2次開發(fā),是虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用開發(fā)的高層 API,同時(shí)也是連接 VR 外設(shè)、建立數(shù)學(xué)模型和應(yīng)用數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)平臺,沒有它將無法開發(fā)出功能完善的虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用程序。因此,開發(fā)平臺部分是整個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的核心部分,負(fù)責(zé)整個(gè) VR 場景的開發(fā)、運(yùn)算、生成,是整個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)最基本的物理平臺,同時(shí)連接和協(xié)調(diào)整個(gè)系統(tǒng)的其它各個(gè)子系統(tǒng)的工作和運(yùn)轉(zhuǎn),并與它們共同組成完整的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。
虛擬三維投影顯示系統(tǒng)是整個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)中最重要的 3D/VR 圖形顯示輸出系統(tǒng),其核心部分是立體版的高亮度投影機(jī)及相關(guān)組件,它將 VR 工作站生成的高分辨率 3D/VR 場景以大幅立體投影的方式顯示出來,讓要交互的三維虛擬世界高度逼真地浮現(xiàn)于參與者的眼前,從而為 VR 用戶提供一個(gè)團(tuán)體式參與,集體觀看,具有高度臨場感的投入型虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境,并結(jié)合必要的虛擬外設(shè)(如數(shù)據(jù)手套、6自由度位置跟蹤系統(tǒng)或其他交互設(shè)備),參與者可從不同的角度和方位自由地進(jìn)行交互、操縱,實(shí)現(xiàn)三維虛擬世界的實(shí)時(shí)交互和漫游。在虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用系統(tǒng)中,通常有多種顯示系統(tǒng)或設(shè)備,比如:大屏幕監(jiān)視器、頭盔顯示器、立體顯示器和虛擬三維投影顯示系統(tǒng),而虛擬三維投影顯示系統(tǒng)則是目前應(yīng)用最為廣泛的系統(tǒng),因?yàn)樘摂M現(xiàn)實(shí)技術(shù)要求應(yīng)用系統(tǒng)具備沉浸性,而在這些所有的顯示系統(tǒng)或設(shè)備中,虛擬三維投影顯示系統(tǒng)是最能滿足這項(xiàng)功能要求的系統(tǒng),因此,該種系統(tǒng)也最受廣大專業(yè)仿真用戶的歡迎。虛擬三維投影顯示系統(tǒng)是目前國際上普遍采用的虛擬現(xiàn)實(shí)和視景仿真實(shí)現(xiàn)手段和方式,也是一種最典型、實(shí)用、高級別的投入型虛擬現(xiàn)實(shí)顯示系統(tǒng)。
6自由度實(shí)時(shí)交互是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)最本質(zhì)的特征和要求之一,也是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的精髓,離開實(shí)時(shí)交互,虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用將失去其存在的價(jià)值和意義,這也是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與三維動畫和多媒體應(yīng)用的最根本的區(qū)別。在虛擬現(xiàn)實(shí)交互應(yīng)用中通常會借助于一些面向特定應(yīng)用的特殊虛擬外設(shè),它們主要是6自由度虛擬交互系統(tǒng),比如:力或觸覺反饋系統(tǒng)、數(shù)據(jù)手套、位置跟蹤器或6自由度空間鼠標(biāo)、操縱桿等。
一個(gè)大型的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)包括很多組成部分,比如多臺投影機(jī)、音響系統(tǒng)及多路視頻的輸入和切換系統(tǒng),甚至是輔助的燈光和窗簾,這些都需要方便的控制和管理,每個(gè)部分又包括很多產(chǎn)品和設(shè)備,這些產(chǎn)品設(shè)備之間需要相互連接、依賴,彼此之間協(xié)同工作。然而,這樣一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)要順利地運(yùn)行并能夠協(xié)同工作,就需要進(jìn)行管理,集成控制系統(tǒng)便是承擔(dān)該項(xiàng)工作的載體,它是整個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)有效管理和運(yùn)行的基本保障。虛擬實(shí)驗(yàn)室集成控制系統(tǒng)如圖2所示。
虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的研究與開發(fā)是一項(xiàng)技術(shù)要求比較高的工作,它需要有相應(yīng)的系統(tǒng)環(huán)境和完善的技術(shù)解決方案配套進(jìn)行。虛擬實(shí)驗(yàn)室技術(shù)的應(yīng)用如圖3所示。
圖2 虛擬實(shí)驗(yàn)室集成控制系統(tǒng)
一個(gè)完善的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)通常需要解決的技術(shù)問題包括:數(shù)字圖像邊緣融合與無縫拼接;通道間的色彩與亮度平衡;數(shù)字幾何矯正(即非線性失真矯正)、多通道視景同步控制;新一代立體成像與顯示、虛擬現(xiàn)實(shí)集成控制等技術(shù)。
充分認(rèn)識虛擬技術(shù)在水文教學(xué)中的重要性、研究網(wǎng)絡(luò)虛擬技術(shù)的特點(diǎn)及其應(yīng)用規(guī)律,從而進(jìn)一步促進(jìn)水文教學(xué)的發(fā)展,是本研究的重要目標(biāo)。
用 QuickTime VR 實(shí)現(xiàn)對水文預(yù)報(bào)教學(xué)內(nèi)容的表達(dá)(舉例觀察1次暴雨洪水形成過程)。
教學(xué)要點(diǎn):通過全方位仔細(xì)觀察產(chǎn)流、匯流過程,加深理解和認(rèn)識蓄滿、超滲產(chǎn)流的形成過程。
教學(xué)設(shè)計(jì):根據(jù)此暴雨須觀察的時(shí)空分布特點(diǎn),在實(shí)施網(wǎng)絡(luò)教學(xué)時(shí)應(yīng)可使用學(xué)生在 360°全方位轉(zhuǎn)動、縮放和移動感受器,實(shí)現(xiàn)如同直接觀察暴雨的教學(xué)效果。
VR 數(shù)據(jù)開發(fā)[7]:根據(jù)教學(xué)設(shè)計(jì)的要求,采用QuickTime VR 技術(shù)開發(fā)此項(xiàng) VR 數(shù)據(jù),可使 VR 效果最為逼真。開發(fā)過程要點(diǎn)是:
1)用數(shù)碼照相機(jī)每隔 10°拍攝1張暴雨圖像;
2)用 Photoshop 對攝取的圖像進(jìn)行處理;
圖3 虛擬實(shí)驗(yàn)室技術(shù)應(yīng)用示意圖
3)在 VR ToolBox 中導(dǎo)入經(jīng)處理的36幅圖像,根據(jù)網(wǎng)絡(luò)帶寬將壓縮率設(shè)定為 JPEG 的80%,最后導(dǎo)出 VR 影視的 *.mov 文件。
實(shí)施網(wǎng)絡(luò)教學(xué):將 VR 數(shù)據(jù)文件嵌入到相應(yīng)的網(wǎng)頁中,并設(shè)計(jì)其在網(wǎng)絡(luò)課程中的鏈接,將相關(guān)網(wǎng)頁和 VR 數(shù)據(jù)文件上傳至服務(wù)器,在機(jī)瀏覽器上安裝 QuickTime 播放插件(3.0以上版本)。學(xué)生即可上網(wǎng)瀏覽相應(yīng)的 VR 內(nèi)容并通過交互控制 VR影視中的各種運(yùn)動,達(dá)到仔細(xì)觀察暴雨各部位的目的。
由于此例 VR 表達(dá)的是暴雨,其整全角狀極不規(guī)則,因此不宜采用基于幾何模型的 VR 技術(shù)[8]。采用基于圖像的 QuickTime VR 技術(shù)可非常好地滿足教學(xué)設(shè)計(jì)的要求,并可逼真地表達(dá)教學(xué)內(nèi)容。
用 Cult3D[9]實(shí)現(xiàn)對水文模型教學(xué)內(nèi)容的表達(dá)。
教學(xué)內(nèi)容:水文模型結(jié)構(gòu)。主要內(nèi)容包括降水、產(chǎn)流和匯流等。
教學(xué)要點(diǎn):對研究流域大體結(jié)構(gòu)中的各部位的認(rèn)識、掌握各部位的相互關(guān)系。
教學(xué)設(shè)計(jì):在網(wǎng)絡(luò)教學(xué)中,可對流域進(jìn)行 3D 空間任意角度的變換,并可依據(jù)其大體結(jié)構(gòu)將流域從外至內(nèi)逐層打開進(jìn)行仔細(xì)觀察,所有部位均可任意旋轉(zhuǎn)、縮放和移動。
VR 數(shù)據(jù)開發(fā):采用 Cult3D 技術(shù)開發(fā)此例 VR 數(shù)據(jù),可高質(zhì)量的實(shí)現(xiàn)教學(xué)設(shè)計(jì)的要求。
開發(fā)過程要點(diǎn)是:
1)在 3DS MAX 中分別對研究流域各層結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模并賦予相應(yīng)材質(zhì),按照流域各層結(jié)構(gòu)將建立的物體鏈接在一起。通過 Cult3D 在 3DS MAX 中的插件 Cult3D Exporter 導(dǎo)出模型文件(*.c3d)。
2)在 Cult3D Designer 中導(dǎo)入模型文件,在其中加入交互功能和運(yùn)動控制,最后導(dǎo)出經(jīng)壓縮的 VR 數(shù)據(jù)文件(*.co)。
實(shí)施網(wǎng)絡(luò)教學(xué):將 VR 數(shù)據(jù)文件嵌入到相應(yīng)的網(wǎng)頁中,并設(shè)計(jì)其在網(wǎng)絡(luò)課程中的鏈接,將相關(guān)網(wǎng)頁和 VR 數(shù)據(jù)文件上傳至服務(wù)器,在瀏覽器上安裝 Cult3D 播放插件。通過上網(wǎng)在瀏覽器中觀察此 VR 內(nèi)容并可通過交互逐層打開此虛擬的流域研究,仔細(xì)觀察研究相應(yīng)教學(xué)內(nèi)容。
由于此例教學(xué)設(shè)計(jì)要求流域大體結(jié)構(gòu)的各層可分別打開并能在任意角度旋轉(zhuǎn),而流域外形及內(nèi)壁各層結(jié)構(gòu)造型相對規(guī)則,可在 3DS MAX 中建模實(shí)現(xiàn),因此可采用 Cult3D 技術(shù)開發(fā) VR 數(shù)據(jù)文件[10]。Cult3D 是基于幾何模型進(jìn)行動態(tài)顯示的,其 VR 文件數(shù)據(jù)量小,顯示效果也非常好,其中的交互控制可設(shè)計(jì)得非常細(xì)致,所以此例 VR 應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)效果很好。
通過教學(xué)實(shí)踐和相關(guān)研究可以看到,針對不同的教學(xué)內(nèi)容和設(shè)計(jì),應(yīng)采用相適應(yīng)的網(wǎng)絡(luò) VR技術(shù),才能夠充分發(fā)揮出其技術(shù)特點(diǎn),實(shí)現(xiàn)預(yù)期的教學(xué)目標(biāo)。盡管網(wǎng)絡(luò) VR 技術(shù)對于提高網(wǎng)絡(luò)教學(xué)質(zhì)量有很大的作用,但目前網(wǎng)絡(luò) VR 技術(shù)的應(yīng)用還遠(yuǎn)不如流式視頻的矢量動畫那樣普及,從事網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的教育工作者應(yīng)充分認(rèn)識網(wǎng)絡(luò) VR 技術(shù)的優(yōu)勢及其在網(wǎng)絡(luò)教學(xué)中的作用,雖然目前離理想的 VR 境界仍有較大差距,但交互性強(qiáng)、觸發(fā)事件種類多、動態(tài)渲染及顯示質(zhì)量高、可任意鏈接URL 或其它 3D 空間、適宜網(wǎng)上應(yīng)用、VR 數(shù)據(jù)文件共享性強(qiáng)、開發(fā)效率高等技術(shù)特征使成為網(wǎng)絡(luò) VR 技術(shù)發(fā)展的趨勢。
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