胡 偉，李勇帆，李 兵

（1.湖南第一師范學(xué)院學(xué)報編輯部，湖南長沙 410205；2.湖南第一師范學(xué)院科研處，湖南長沙 410205；3.湖南第一師范學(xué)院人事和，湖南長沙 410205）

隨著計算機技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展與普及，人們已經(jīng)可以從互聯(lián)網(wǎng)中獲取信息和知識，遠(yuǎn)程教育的方式和方法也發(fā)生了翻天覆地的改變，已從早期僅靠廣播電視的播放模式變?yōu)楫?dāng)今主要利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進行互動性的網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程教學(xué)模式。利用互聯(lián)網(wǎng)進行遠(yuǎn)程教育實現(xiàn)了教學(xué)資源的共享和優(yōu)化配置，提高了遠(yuǎn)程教學(xué)效果和教學(xué)質(zhì)量，有利于人們的文化素質(zhì)提高和知識的更新。一些課程，尤其是具有很強實踐性和操作性的理工類課程的相關(guān)實驗是教學(xué)過程中必不可少的教學(xué)環(huán)節(jié)，不斷發(fā)展和完善的網(wǎng)絡(luò)虛擬技術(shù)為虛擬實驗提供了廣闊的發(fā)展空間，虛擬實驗對于實驗教學(xué)具有重要意義。

1 遠(yuǎn)程虛擬實驗開發(fā)原則

根據(jù)不同科目的教學(xué)要求以及各個實驗?zāi)康牟煌?，虛擬實驗?zāi)Ｊ街饕醒菔拘吞摂M實驗、交互性虛擬實驗和分布式虛擬實驗3種模式。不管何種虛擬實驗?zāi)Ｊ?，其開發(fā)過程均應(yīng)遵循以下基本原則［1－2］:

（1）一致性原則。任何虛擬仿真實驗必須以真實實驗為藍(lán)本，既要與真實實驗的屬性一致，又要與學(xué)習(xí)者的認(rèn)知規(guī)律相一致，這是虛擬仿真實驗所必須遵循的最基本原則。否則的話，將會給遠(yuǎn)程教學(xué)帶來錯誤的教學(xué)效果。

（2）交互性原則。交互性包括學(xué)習(xí)者與虛擬實驗系統(tǒng)間的交互，以及學(xué)習(xí)者與教師之間的交互。如果遠(yuǎn)程虛擬實驗沒有交互性，只能進行單純的演示，則與早期的廣播電視視頻教學(xué)的效果沒有本質(zhì)的區(qū)別。虛擬實驗的交互功能才能使學(xué)生從模擬真實環(huán)境的實驗過程中有效地進行學(xué)習(xí)，才能提高實驗操作技能，達(dá)到實驗教學(xué)的目的。

學(xué)習(xí)者與教師進行互動，甚至能得到教師的實時在線指導(dǎo)，并對實驗結(jié)果和實驗報告進行批閱指導(dǎo)，這有利于提高教學(xué)效果。因此，交互性是達(dá)到教學(xué)目標(biāo)，提高遠(yuǎn)程教學(xué)效果的重要保證。

（3）開放性原則。開放性不但是指時間和空間的開放，而且包括實驗內(nèi)容、實驗過程和實驗組織的開放。學(xué)習(xí)者在開放的虛擬實驗過程中，能按照自己的學(xué)習(xí)方法進行各種操作，即使進行了錯誤的操作，也不會損壞儀器設(shè)備或產(chǎn)生危險。開放的虛擬實驗才能滿足實驗者的多樣化的實驗需求，讓學(xué)習(xí)者體現(xiàn)研究性和探索性的學(xué)習(xí)過程。開放性不但是虛擬實驗開放設(shè)計的原則，也是虛擬實驗較真實實驗所優(yōu)越之處。

（4）數(shù)據(jù)優(yōu)化原則?；赪eb3D 遠(yuǎn)程虛擬實驗需通過網(wǎng)絡(luò)供學(xué)習(xí)者進行交換學(xué)習(xí)，為了保證學(xué)習(xí)交換的實時性，除了良好的網(wǎng)絡(luò)帶寬外，虛擬實驗的數(shù)據(jù)優(yōu)化也必不可少。試想，如果學(xué)習(xí)者是在斷斷續(xù)續(xù)的等待系統(tǒng)響應(yīng)的過程中學(xué)習(xí)，思緒不斷被打斷，其學(xué)習(xí)效果是可想而知的。

除了以上基本原則外，我們還需要考慮遠(yuǎn)程虛擬實驗的直觀性、通用性和易于維護，虛擬實驗系統(tǒng)要簡單易用，便于維護管理、功能擴展和更新，并能在各平臺和系統(tǒng)中穩(wěn)定運行。

2 遠(yuǎn)程虛擬實驗的開發(fā)過程

遠(yuǎn)程虛擬實驗的開發(fā)過程大致可分為實驗分析、場景模型建構(gòu)、實驗編程、測試發(fā)布4個階段，如圖1所示［3］。

在實驗分析過程中，主要對實驗?zāi)康?、實驗過程、實驗步驟以及實驗環(huán)境進行分析，了解所需實驗器材的特征和屬性，并設(shè)計出該虛擬實驗的流程。在場景模型建構(gòu)階段，主要是運用技術(shù)手段建構(gòu)出逼真的虛擬實驗場景和虛擬儀器設(shè)備。建模過程要有針對性地進行，簡單的、輔助性的建?？梢酝ㄟ^VRML 或X3D直接進行代碼編寫構(gòu)建，復(fù)雜的模型構(gòu)建可通過3D MAX 等工具建模后導(dǎo)入。在實驗代碼編程階段，主要針對實驗步驟和過程、實驗原理和實驗現(xiàn)象等進行交互分析，確定并設(shè)計其虛擬仿真的方式和方法。測試發(fā)布階段主要是將開發(fā)過程中所完成的各種文件進行測試和數(shù)據(jù)整合，然后通過DreamWaver等軟件發(fā)布和配置，使得教師和學(xué)生都能通過瀏覽器進行學(xué)習(xí)和教學(xué)。

圖1 遠(yuǎn)程虛擬實驗開發(fā)流程圖

3 開發(fā)遠(yuǎn)程虛擬實驗的關(guān)鍵技術(shù)

基于上述遠(yuǎn)程虛擬實驗的設(shè)計原則，在開發(fā)過程中，其場景建模技術(shù)、交互技術(shù)以及監(jiān)控、評價技術(shù)是實現(xiàn)以上原則的關(guān)鍵技術(shù)。筆者在對這些關(guān)鍵技術(shù)的常規(guī)使用基礎(chǔ)上，結(jié)合開發(fā)經(jīng)驗，提出了對這些關(guān)鍵技術(shù)的優(yōu)化方法，希望有利于遠(yuǎn)程虛擬實驗的更好實現(xiàn)。

3.1 場景建模技術(shù)優(yōu)化

在虛擬實驗中，常常需要構(gòu)建大的實驗場景和復(fù)雜的實驗儀器，這些場景和實驗儀器的構(gòu)建將直接決定虛擬實驗文件的大小，因此需要將場景和復(fù)雜儀器進行優(yōu)化處理。優(yōu)化處理主要要應(yīng)用到二次建模優(yōu)化技術(shù)、動態(tài)生成三維實體技術(shù)和代碼重用和封裝技術(shù)［4］。

（1）二次建模優(yōu)化技術(shù)。對于復(fù)雜的虛擬儀器，可以利用3D MAX 或其他的建模工具進行造型后導(dǎo)入。如若在建模過程中追求操作的精細(xì)化程度，就會使文件過大，勢必制約網(wǎng)絡(luò)傳輸速度；如若將數(shù)碼相機拍攝后取得的圖像作為紋理在建模上進行映射，又會影響文件的真實感。因此，可采用二次建模技術(shù)兼顧文件大小和圖像質(zhì)量兩方面的因素［5］。

首先利用3D 建模軟件對虛擬儀器進行精細(xì)建模，并且賦以材質(zhì)和紋理進行渲染輸出；然后利用photoshop或其他相應(yīng)軟件進行圖像細(xì)化處理，得到包含細(xì)節(jié)的紋理；再將原對象進行結(jié)構(gòu)分解處理，采用放樣或外輪廓線與拉伸的方法生成簡單的幾何體，這些幾何體都是單段數(shù)的；最后將前面生成的紋理映射其上，完成復(fù)雜虛擬儀器的二次建模。采用二次建模優(yōu)化技術(shù)，不但對虛擬儀器的外觀無較大影響，同時大量減少了幾何模型的三角面片，減小了其文件大?。?－8］。

（2）動態(tài)生成三維實體技術(shù)。在虛擬實驗中，為了減少實驗網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)量，并不需要在系統(tǒng)初始化階段將所用的三維實體生成后傳輸，而可根據(jù)學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)方式的不同進行動態(tài)生成，以加快虛擬實驗遠(yuǎn)程加載速度［9］。

為此，可利用switch結(jié)點定義一個附加了多個子結(jié)點的群結(jié)點進行三維實體的動態(tài)生成，當(dāng)滿足條件事件被觸發(fā)后，觸發(fā)三維實體結(jié)點語句運行，在瀏覽器的虛擬場景中動態(tài)產(chǎn)生三維實體［10］。其定義方法為

子結(jié)點包含在Choice中，通過事件動態(tài)觸發(fā)哪個子結(jié)點則通過whichChoice字段后的數(shù)字具體指明。

（3）代碼重用和封裝技術(shù)。在實驗中，有些儀器需要反復(fù)用到多次。為了避免大量的重復(fù)代碼出現(xiàn)，可采用DEF／USE的實例引用法進行復(fù)制，減少冗余數(shù)據(jù)。其方法如下:

另外，還可以利用原型的封裝機制，在原型的基礎(chǔ)上自定義某結(jié)點模型，通過外部原型可跨越Internet，引用自定義的結(jié)點模型并在場景中將結(jié)點模型實例化，產(chǎn)生三維虛擬模型。因此，可在原型的基礎(chǔ)上，通過自定義產(chǎn)生一些外形相似的三維模型，為場景構(gòu)建提供方便，同時也有利于減少文件大小和數(shù)據(jù)冗余。

3.2 交互技術(shù)優(yōu)化

在虛擬實驗中，交互式功能是進行虛擬實驗的基礎(chǔ)和關(guān)鍵，大部分的交互操作可通過內(nèi)部傳感器結(jié)點、觸動檢測器結(jié)點、感知檢測器結(jié)點、插補器結(jié)點來實現(xiàn)，但是有些交互則無法通過內(nèi)部結(jié)點實現(xiàn)，此時則需要一些其他交互技術(shù)，例如瀏覽方式交互技術(shù)、動態(tài)設(shè)計和修改三維實體技術(shù)等［11］。

（1）瀏覽方式交互技術(shù)。面對虛擬實驗環(huán)境，不同的學(xué)習(xí)者可能會從不同的角度，采用不同的方式進行瀏覽，如平視行走或俯視飛翔等方式，以便能多視角、全方位瀏覽。因此，需要根據(jù)學(xué)習(xí)者的具體情況確定相應(yīng)的瀏覽路徑。方法如下:

首先進行i個位置節(jié)點的定義，以對應(yīng)i條瀏覽路徑來供學(xué)習(xí)者選擇，這可使用PositionInterpolato節(jié)點來完成；再進行i個相應(yīng)域值空間的定義，以便傳送這i條瀏覽路徑的地址指針到Java程序中，這可利用Script程序來完成；最后在Java文件中進行i 個node類對象的定義，再利用getField（）函數(shù)得到指向各條路徑與場景的指針，利用函數(shù)getBrowser（）獲得當(dāng)前瀏覽器，使用其addRoute（）及deleteRoute（）函數(shù)增加或刪除路徑，再根據(jù)if或switch語句的邏輯判斷結(jié)果選擇相應(yīng)的瀏覽路徑［12］。

（2）動態(tài)設(shè)計和修改三維實體技術(shù)。在虛擬實驗過程中，為了進行探究性研究，可能需要修改虛擬實驗中的某些實體屬性，如大小、位置、形狀或顏色等，也有可能需要將實驗中的某些實體進行移除或添加操作。動態(tài)設(shè)計和修改三維實體技術(shù)的主要思路是:首先，在X3D 程序中定義一個觸發(fā)器，利用Script節(jié)點啟動Java程序，利用Java程序代碼構(gòu)造出一個三維實體；然后利用函數(shù)CreatVrtnlFromURL（）連接到X3D 文件；最后通過eventOut域?qū)a(chǎn)生的實體送回至場景中，這樣便動態(tài)產(chǎn)生了一個三維實體。

3.3 監(jiān)控、指導(dǎo)和評價技術(shù)優(yōu)化

基于Web3D 的網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗強調(diào)動手操作、探究問題的自主學(xué)習(xí)。因此，在學(xué)習(xí)者進行實驗操作時，需要一個能實時監(jiān)控學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)情況并能提供有針對性指導(dǎo)的監(jiān)控體系，該監(jiān)控體系不但能幫助學(xué)習(xí)者順利完成實驗，而且能為教師的在線指導(dǎo)和評價提供依據(jù)，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 監(jiān)控、指導(dǎo)和評價系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

從圖2中可以看出，關(guān)鍵是對學(xué)習(xí)者的實驗過程進行監(jiān)控并記錄、感知虛擬實驗環(huán)境的變換，并根據(jù)知識源提供相應(yīng)的指導(dǎo)。為此，需要采集實驗數(shù)據(jù)和實驗過程控制數(shù)據(jù)。其實現(xiàn)過程:

（1）利用Virtools的BrowserScrip模塊將虛擬實驗儀器的步驟編號和實驗數(shù)據(jù)通過JavaScrip函數(shù)傳送至服務(wù)器并保存；

（2）利用Virtools的Fire Virtools Event模塊和模塊庫事件函數(shù)（ATL）將虛擬的實驗過程數(shù)據(jù)傳送至服務(wù)器并保存；

（3）將實時的實驗數(shù)據(jù)和實驗過程數(shù)據(jù)與系統(tǒng)中知識源數(shù)據(jù)對比，根據(jù)對比結(jié)果，通過JavaScrip函數(shù)觸發(fā)相應(yīng)事件結(jié)點，提供監(jiān)視指導(dǎo)信息，學(xué)習(xí)者可根據(jù)指導(dǎo)信息進行實驗；

（4）實驗完成后，教師可連接服務(wù)器讀取實驗者的實驗數(shù)據(jù)和實驗過程數(shù)據(jù)，對其實驗過程進行回放，并給定評價和成績評定。

4 結(jié)束語

基于Web3D 的遠(yuǎn)程虛擬實驗無論是在遠(yuǎn)程教學(xué)過程中，還是在校園數(shù)字化建設(shè)以及課程建設(shè)中都日益得到青睞和發(fā)展，協(xié)作式虛擬實驗和自適應(yīng)虛擬實驗將是其發(fā)展方向［13］。但無論如何，一致性、交互性、開放性和數(shù)據(jù)優(yōu)化是所有虛擬實驗所必須遵循的基本原則，因此，對場景建模技術(shù)、交互技術(shù)以及監(jiān)控、評價技術(shù)的研究和開發(fā)應(yīng)得到進一步的重視和加強。

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［1］成軍.基于WEB3D的虛擬實驗及其教學(xué)應(yīng)用研［D］.杭州:浙江師范大學(xué)，2007.

［2］汪航，孫琪.教學(xué)型虛擬實驗室的應(yīng)用研究［J］.現(xiàn)代遠(yuǎn)距離教育，2010（4）:39－41.

［3］孫江山，余蘭.網(wǎng)絡(luò)三維虛擬實驗系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)［J］.現(xiàn)代教育技術(shù)，2011（7）:114－117.

［4］徐超，葛紅美，錢俊.虛擬實驗教學(xué)可視化設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)研究［J］.湖北大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2009（4）:363－366.

［5］張暉.網(wǎng)上虛擬實驗若干關(guān)鍵技術(shù)研究［D］.杭州:浙江大學(xué)，2002.

［6］黃正軍，周建.基于X3D的虛擬場景動態(tài)交互技術(shù)研究［J］.計算機工程與科學(xué)，2007（7）:55－57.

［7］楊雪，王倩，黃海林，等.虛擬實驗的反饋設(shè)計與實現(xiàn)［J］.中國電化教育，2011（7）:136－140.

［8］唐遠(yuǎn)東，楊雪，王洪旭，等.網(wǎng)絡(luò)三維虛擬實驗的遠(yuǎn)程教學(xué)監(jiān)控系統(tǒng)研究［J］.遠(yuǎn)程教育，2009（5）:46－47.

［9］趙俊蘭.基于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)虛擬實驗的研究［J］.實驗技術(shù)與管理，2011，28（3）:220－223.

［10］李勇帆，李里程.論情感計算和Web3D技術(shù)支持的網(wǎng)絡(luò)自主在線學(xué)習(xí)模式的設(shè)計與構(gòu)建［J］.中國電化教育，2011（8）:129－133.

［11］李遠(yuǎn)鑫，蔣海鷗，徐亦飛，等.基于Web3D的交互式虛擬社區(qū)［J］.計算機工程，2011（11）:288－291.

［12］李凌云，王海軍.大學(xué)物理網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗系統(tǒng)研究［J］.實驗技術(shù)與管理，2011，28（11）:71－74.

［13］胡偉，李兵.基于Web3D的虛擬現(xiàn)實技術(shù)的對比研究與分析［J］.湖南第一師范學(xué)院學(xué)報，2012（4）:121－124.