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摘 要:本文主要研究如何运用现代教育和教学理论、计算机及网络通讯技术,设计和开发沉浸式网络教学实验,提高实验教学效果的方法。论述了以VRML作为网络虚拟实验开发工具的优越性,并以计算机组网实验的开发为例,介绍了一个基于VRML的沉浸式虚拟实验的构建过程。
关键词:VRML;虚拟实验;计算机组网
中图分类号:G434文献标识码:A文章编号:1673-8454(2010)13-0083-03
一、简介
教学实验是教学活动过程中一个必不可少的重要环节,它能很好地辅助日常教学活动,提高学生的学习质量。随着计算机和通讯技术的发展,基于B/S架构的教学实验逐渐成为远程教学实验的主流架构模式,而能让学生有身临其境感觉的沉浸式虚拟实验更是研究和开发的重点。本文以计算机组网实验为例,详细说明构建基于VRML的沉浸式虚拟实验的过程。
1.VRML
Internet主要显现二维平面世界,虚拟现实技术的发展进一步拓宽了人们的思维,要求建立三维立体网络空间。VRML(Virtual Reality Modeling Language)的目标就是利用Internet平台建立三维交互的网络空间,它可以在低带宽网络环境中实时进行三维信息的远程传输和远程指令的接受,是专门用于互联网上实现虚拟现实的计算机语言,可以创建一个真实、生动、逼真的立体世界。
2.网络虚拟实验
目前,实际的实验教学仍然存在着因受各种硬件条件的限制而难以开展的问题。沉浸式网络虚拟实验是指用虚拟现实技术生成的三维互动虚拟实验,包括相应实验环境,实验仪器以及实验过程等,即三维、动态、交互性的网上虚拟实验,展示了一幅立体实验环境,是对教学的有力支持。随着远程教育的不断发展,应用网络进行的沉浸式教学实验正在快速发展。同普通的教学实验相比,网络虚拟实验具有成本低、效率高、功能全、协作性等特点。
二、构建过程
1.整体功能的规划
(1)实验策略规划
教学策略是在教学过程中为达到一定教学目标而采取的行为,而要完成特定的实验目标也需要采用一定的教学策略,实验教学策略是对实验方法、实验活动和实验器材及对实验结果进行分析和总结等因素的总体考虑。此外,还要充分考虑学生的心理特征及实验的内容和所要达到的目标,以学生为主体,让学生在整个实验过程中充分发挥其主观能动性,自主学习。教学实验策略的规划对于整个系统的设计起总的指导作用,是教学实验设计中不可缺少的组成部分。
(2)操作功能规划
在进行真实实验操作时,必须充分了解实验的操作方法,才能保证实验过程的顺利进行。而在网络虚拟实验设计过程中,应结合计算机和通讯技术发展的实际水平,对虚拟实验的操作方法进行规划,只有这样才能使实验的开发更具人性化并真实可行,下面以计算机组网为例说明对虚拟实验操作方法的设计。
如图1所示,学生可以直接进入虚拟实验场景进行实验,也可以先进行必要的学习,对实验有一定的了解之后再进行操作。学生进入虚拟环境后就可以查看实验的操作方法,可以点击电子屏播放关于实验原理的相关视频,电脑、交换机、路由器等仪器可根据实验需要动态地添加到场景。仪器添加完成以后,电脑等仪器的各项配置可以通过点击相关的仪器进行设置,当点击仪器上两个不同的端口后,再点击双绞线图标,会在它们之间建立连接。当场景配置完成以后,可以点击外部的测试按钮,将连接结果显示在网页上,对于连接不正确的地方,可以再次进入场景进行修改,并可以重复实验。
2.三维模型的建立
(1)简单仪器的创建
虚拟实验仪器要以真实仪器为依据,创建近似真实的三维形体。对于比较简单的形体,可以用VRML内的造型语句(Box、Cylinder、Sphere、Cone、Extrusion、ElevationGrid等)创建。
(2)复杂仪器的创建
对于比较复杂的形体,首先,用3dsMax或其他可视三维软件创建模型并进行格式转换,例如电脑仪器就是在3dsMax中创建,后导出为VRML97格式。其次,对生成的VRML文件进行再编辑,把各个实验仪器定义为一个proto,并在其中定义field、exposedfield、eventIn、eventOut域值,以方便以后与其他实验仪器的交互。然后,是在生成的文件中加入动画、声音、传感器等功能,给仪器加上交互效果。最后,把生成的仪器原型加入虚拟实验场景中的指定位置,并用ECMAScript或Java建立起实验仪器之间的交互。
3.交互功能的实现
交互设计是虚拟实验构建中一个重要的环节,利用VRML可以实现网络虚拟实验中的交互与动画,实现虚拟实验场景的交互性、实时性、生动性和逼真性。
(1)VRML交互功能
动画效果和交互功能是VRML最具魅力的特色,VRML中含有六种插补器节点和八种传感器节点,通过路由在各个造型节点和场景环境节点之间传递事件,为浏览者创建一个身临其境、动态、逼真的虚拟环境,如场景中门的控制可以通过TouchSensor与朝向插补器实现。
(2)扩展交互功能
虽然VRML中提供了通过传感器进行交互响应的形式,但有时还需要能动态响应用户的输入、外部事件和场景等,VRML本身不具备与外部复杂逻辑交互的能力,也不可能独立完成普通程序设计中的转折、分支以及循环等功能,它必须和其他语言相结合才能构造具备复杂交互能力的三维场景。但VRML提供了对Script节点的扩展功能,通过它VRML可以实现与外部程序通讯。最常用的与VRML进行通讯的语言为Vrmlscript、Javascript和Java。
其中,Java语言对VRML场景的控制有两种方式,EAI方式(External Authoring Interface)和SAI方式(Script Authoring Interface)。通过应用Java强大的图形界面功能,把Java的图形界面交互功能和VRML三维虚拟场景表现结合起来,只要为场景中的物体写相应的脚本代码,就可以实现许多VRML本身不能实现的复杂逻辑场景。图2为用这两种方式对虚拟场景进行交互控制的过程。
(3)交互举例
计算机组网虚拟实验中,以电脑图标为例,电脑图标是为了在虚拟实验室中添加电脑,当鼠标移动到电脑图标的上方时,颜色会发生变化,点击后,就在场景中添加一台电脑,这个过程主要是运用ProximitySensor传感器和touchSensor传感器实现。其中ProximitySensor可感知浏览者在虚拟场景中的观察位置,当学习者的视点与造型在一定范围时,触发并输出事件,实现人机交互功能,实现视角转变时,电脑图标位置保持不变。图3是电脑图标的交互功能的实现方式。
4.文件压缩
为了使三维场景在网络上快速传输,场景中的三维模型文件应尽可能小,这就需要在不影响显示效果的情况下,对文件进行压缩。由于VRML的WRL格式文件是一个文本文件,因此有非常大的可压缩空间,压缩后的文件会比原来小很多。目前,专门用于VRML的压缩软件很多,并且操作简单,经过压缩后的文件更容易在网上传输。
5.总体效果
在计算机组网实验中,Web客户端是一个VRML场景,场景中的实验室、电脑桌、电脑等都是由VRML制作,场景的通信功能是利用路由和扩展Script节点实现。三维空间的虚拟实验使学习者获得现场操作的沉浸感和临场感,可以提高学生的动手能力。实验的整体场景如图4所示。
通过以上过程,就可以建立一个功能比较完整,具有一定实验教学效果的沉浸式虚拟实验,它将对课堂教学起到一定的辅助作用,可以更好地提高教学质量。
三、总结
网络虚拟实验可以解决由于各种原因导致的进行真实实验困难的问题,并具有成本低、可反复操作、交互性等特点,是一种新颖的网络实验教学模式,它可以让学生产生一种身临其境的感觉,更好地提高实验效果。
参考文献:
[1]刘筱兰等.虚拟实验室的类型及发展趋势[J].计算机应用研究,2004(11).
[2]吴春华.虚拟实验教学在现代远程教育中的应用研究[D].中南大学,2006.
[3]冯佩佩,傅钢善,张瑞.基于VRML和Java的网络虚拟协同环境研究[J].电子科技,2008,21(12).
(编辑:金冉)
关键词:VRML;虚拟实验;计算机组网
中图分类号:G434文献标识码:A文章编号:1673-8454(2010)13-0083-03
一、简介
教学实验是教学活动过程中一个必不可少的重要环节,它能很好地辅助日常教学活动,提高学生的学习质量。随着计算机和通讯技术的发展,基于B/S架构的教学实验逐渐成为远程教学实验的主流架构模式,而能让学生有身临其境感觉的沉浸式虚拟实验更是研究和开发的重点。本文以计算机组网实验为例,详细说明构建基于VRML的沉浸式虚拟实验的过程。
1.VRML
Internet主要显现二维平面世界,虚拟现实技术的发展进一步拓宽了人们的思维,要求建立三维立体网络空间。VRML(Virtual Reality Modeling Language)的目标就是利用Internet平台建立三维交互的网络空间,它可以在低带宽网络环境中实时进行三维信息的远程传输和远程指令的接受,是专门用于互联网上实现虚拟现实的计算机语言,可以创建一个真实、生动、逼真的立体世界。
2.网络虚拟实验
目前,实际的实验教学仍然存在着因受各种硬件条件的限制而难以开展的问题。沉浸式网络虚拟实验是指用虚拟现实技术生成的三维互动虚拟实验,包括相应实验环境,实验仪器以及实验过程等,即三维、动态、交互性的网上虚拟实验,展示了一幅立体实验环境,是对教学的有力支持。随着远程教育的不断发展,应用网络进行的沉浸式教学实验正在快速发展。同普通的教学实验相比,网络虚拟实验具有成本低、效率高、功能全、协作性等特点。
二、构建过程
1.整体功能的规划
(1)实验策略规划
教学策略是在教学过程中为达到一定教学目标而采取的行为,而要完成特定的实验目标也需要采用一定的教学策略,实验教学策略是对实验方法、实验活动和实验器材及对实验结果进行分析和总结等因素的总体考虑。此外,还要充分考虑学生的心理特征及实验的内容和所要达到的目标,以学生为主体,让学生在整个实验过程中充分发挥其主观能动性,自主学习。教学实验策略的规划对于整个系统的设计起总的指导作用,是教学实验设计中不可缺少的组成部分。
(2)操作功能规划
在进行真实实验操作时,必须充分了解实验的操作方法,才能保证实验过程的顺利进行。而在网络虚拟实验设计过程中,应结合计算机和通讯技术发展的实际水平,对虚拟实验的操作方法进行规划,只有这样才能使实验的开发更具人性化并真实可行,下面以计算机组网为例说明对虚拟实验操作方法的设计。
如图1所示,学生可以直接进入虚拟实验场景进行实验,也可以先进行必要的学习,对实验有一定的了解之后再进行操作。学生进入虚拟环境后就可以查看实验的操作方法,可以点击电子屏播放关于实验原理的相关视频,电脑、交换机、路由器等仪器可根据实验需要动态地添加到场景。仪器添加完成以后,电脑等仪器的各项配置可以通过点击相关的仪器进行设置,当点击仪器上两个不同的端口后,再点击双绞线图标,会在它们之间建立连接。当场景配置完成以后,可以点击外部的测试按钮,将连接结果显示在网页上,对于连接不正确的地方,可以再次进入场景进行修改,并可以重复实验。
2.三维模型的建立
(1)简单仪器的创建
虚拟实验仪器要以真实仪器为依据,创建近似真实的三维形体。对于比较简单的形体,可以用VRML内的造型语句(Box、Cylinder、Sphere、Cone、Extrusion、ElevationGrid等)创建。
(2)复杂仪器的创建
对于比较复杂的形体,首先,用3dsMax或其他可视三维软件创建模型并进行格式转换,例如电脑仪器就是在3dsMax中创建,后导出为VRML97格式。其次,对生成的VRML文件进行再编辑,把各个实验仪器定义为一个proto,并在其中定义field、exposedfield、eventIn、eventOut域值,以方便以后与其他实验仪器的交互。然后,是在生成的文件中加入动画、声音、传感器等功能,给仪器加上交互效果。最后,把生成的仪器原型加入虚拟实验场景中的指定位置,并用ECMAScript或Java建立起实验仪器之间的交互。
3.交互功能的实现
交互设计是虚拟实验构建中一个重要的环节,利用VRML可以实现网络虚拟实验中的交互与动画,实现虚拟实验场景的交互性、实时性、生动性和逼真性。
(1)VRML交互功能
动画效果和交互功能是VRML最具魅力的特色,VRML中含有六种插补器节点和八种传感器节点,通过路由在各个造型节点和场景环境节点之间传递事件,为浏览者创建一个身临其境、动态、逼真的虚拟环境,如场景中门的控制可以通过TouchSensor与朝向插补器实现。
(2)扩展交互功能
虽然VRML中提供了通过传感器进行交互响应的形式,但有时还需要能动态响应用户的输入、外部事件和场景等,VRML本身不具备与外部复杂逻辑交互的能力,也不可能独立完成普通程序设计中的转折、分支以及循环等功能,它必须和其他语言相结合才能构造具备复杂交互能力的三维场景。但VRML提供了对Script节点的扩展功能,通过它VRML可以实现与外部程序通讯。最常用的与VRML进行通讯的语言为Vrmlscript、Javascript和Java。
其中,Java语言对VRML场景的控制有两种方式,EAI方式(External Authoring Interface)和SAI方式(Script Authoring Interface)。通过应用Java强大的图形界面功能,把Java的图形界面交互功能和VRML三维虚拟场景表现结合起来,只要为场景中的物体写相应的脚本代码,就可以实现许多VRML本身不能实现的复杂逻辑场景。图2为用这两种方式对虚拟场景进行交互控制的过程。
(3)交互举例
计算机组网虚拟实验中,以电脑图标为例,电脑图标是为了在虚拟实验室中添加电脑,当鼠标移动到电脑图标的上方时,颜色会发生变化,点击后,就在场景中添加一台电脑,这个过程主要是运用ProximitySensor传感器和touchSensor传感器实现。其中ProximitySensor可感知浏览者在虚拟场景中的观察位置,当学习者的视点与造型在一定范围时,触发并输出事件,实现人机交互功能,实现视角转变时,电脑图标位置保持不变。图3是电脑图标的交互功能的实现方式。
4.文件压缩
为了使三维场景在网络上快速传输,场景中的三维模型文件应尽可能小,这就需要在不影响显示效果的情况下,对文件进行压缩。由于VRML的WRL格式文件是一个文本文件,因此有非常大的可压缩空间,压缩后的文件会比原来小很多。目前,专门用于VRML的压缩软件很多,并且操作简单,经过压缩后的文件更容易在网上传输。
5.总体效果
在计算机组网实验中,Web客户端是一个VRML场景,场景中的实验室、电脑桌、电脑等都是由VRML制作,场景的通信功能是利用路由和扩展Script节点实现。三维空间的虚拟实验使学习者获得现场操作的沉浸感和临场感,可以提高学生的动手能力。实验的整体场景如图4所示。
通过以上过程,就可以建立一个功能比较完整,具有一定实验教学效果的沉浸式虚拟实验,它将对课堂教学起到一定的辅助作用,可以更好地提高教学质量。
三、总结
网络虚拟实验可以解决由于各种原因导致的进行真实实验困难的问题,并具有成本低、可反复操作、交互性等特点,是一种新颖的网络实验教学模式,它可以让学生产生一种身临其境的感觉,更好地提高实验效果。
参考文献:
[1]刘筱兰等.虚拟实验室的类型及发展趋势[J].计算机应用研究,2004(11).
[2]吴春华.虚拟实验教学在现代远程教育中的应用研究[D].中南大学,2006.
[3]冯佩佩,傅钢善,张瑞.基于VRML和Java的网络虚拟协同环境研究[J].电子科技,2008,21(12).
(编辑:金冉)