1 绪论

1.1 选题背景

    虚拟现实技术是21世纪计算机领域最重要的研究方向之一。虚拟现实是在计算机环境下，创建能对人的感觉和器官产生作用的虚拟世界，即利用三维图形生成技术、多传感交互技术和高分辨显示技术等，生成视、听、触觉一体化的、逼真的三维虚拟环境，用户可通过基本行为，利用具有传感、显示的设备，方便、直观、自然的进入虚拟空间，可自然、真实地体验、感知、操作虚拟世界的各种对象，进行实时交互。沉浸性、交互性、构想性是虚拟现实技术的主要特征。随着计算机科学技术的迅猛发展，虚拟现实技术在互联网上的应用越来越广泛。

    与此同时，现代远程教育进入了一个新的发展阶段，各种新兴教学媒体不断涌现。现代远程教育是一种随着现代信息技术、多媒体技术的不断成熟与进步而发展起来的一种新型教育形式，其主要以Internet为主要教学媒体，教学方式灵活开放，在很大程度上解决了教与学在时间上和空间上的矛盾，可帮助人们随时随地学习，让更多学习者共享优秀的教学资源，深受教师和学习者的喜爱。教育部在“十五”规划中明确提出，要大力发展远程教育，促使各级教育、各类教育协调发展，“十一五”规划中，再次明确了远程教育在现代教育中的地位，要求全面推进农村中小学现代远程教育工程建设，在高等教育方面，也要求发展现代远程教育，落实自学考试制度，积极发展继续教育和终身教育。目前，我国教育改革逐步深化，在信息化时代，教育改革重要目标之一是从传统的以教师为中心的教学模式和行为主义理论向以学生为中心的教学模式和认知注意理论转变，以实现教育公平。虚拟现实技术具有传输数据量小、可虚拟真实的实验和教学情景，生成逼真的图形和三维动画，能较好解决以上问题，而且远程教育提供了多层的分布式应用模型、一致化的安全模型和一致化的事务控制，可伸缩性、灵活性较强，为现代远程教育平台的构建和发展提供了良好机制。

    鉴于此，本课题立足于虚拟现实技术和远程教学理论，对如何实现虚拟现实技术与远程教育的结合进行理论与实践研究。

1.2 国内外研究现状

1.2.1 国外研究现状

    国外基于虚拟现实技术的远程教育的研究比较成熟，研究范围涉及科技研究、虚拟实验室的创建、虚拟教学等[1]。20世纪80年代中期，西方的一些科技先进的国家开始利用Internet进行远程教育[2]。在此方面，美国首开先河，并取得了巨大的成功，不仅给教育模式带来了历史性转变，还使人们迎来了一场网上远程教学技术上的革命，此后，越来越多的国家开始关注并进行远程教育，并且有越来越多的国家开始利用迅速普及的互联网进行教学[3]。在近些年，从高等教育方面出发，发达国家早已推行了网上远程教学，学习者只需在远程的多媒体教室、家中就可学习所点播的课程，还能与教师进行交流，在网上进行解题或考试，直到拿到文凭[4]。

    在虚拟实验室和虚拟教学方面，1989年，Central Florida大学教育训练研究院建立了VSL（Visual Systems Laboratory）虚拟系统实验室，旨在提高计算机图形的艺术表现力，改进仿真过程中的人机接口。美国卡罗来纳州立大学的LAAP（LearnAnytimeAnywhere Physics)利用JAVA技术建立了基于Web的探索式虚拟物理实验室。意大利帕瓦大学建立了远程虚拟教育实验室。新加坡国立大学开发了远程示波器实验和压力容器实验。澳大利亚皇家墨尔本理工大学的JohnBall和KatePatrick设计的虚拟实验用于进行热传递过程的教学，可帮助学生快速掌握热传递这一抽象概念，不仅能让学生以实验的方式描述、测试他们对热传递的期望，教师也能了解学生所面临的困境。美国密执根大学采用 虚拟现实技术开发了“艺术博物馆”，学习者可以遨游于其中，研究它的构造，品味它的陈设。美国计算机科学联盟发现用虚拟现实技术创设情境能帮助儿童学习汉语知识[5-11]。

    在科技研究方面，美国宇航局运用虚拟现实技术开发了可供全国使用的教育系统。日本NEC公司研制出让操作者使用手与三维实体模型交互的系统。2004年日本研发出一种有关心理和生理的嗅觉仿真器。2009 年美国基于虚拟现实技术研制出供感觉的原型虚拟茧[12-14]。

1.2.2 国内研究现状

    虚拟现实技术与远程教育结合的相关问题备受关注，相关理论研究也不少。通过检索中国期刊网发现，关于虚拟现实技术的研究自2000年开始逐渐成为热点，到2003年步入研究高峰。杨世军[15]指出，实物虚化、虚物实化、高性能计算处理技术、智能技术是虚拟现实中的关键技术，其学习理论包括虚拟现实与行为主义、虚拟现实与建构主义，只有把握以上要点，才能更好地将其应用于远程教育中，建立虚拟实验室，进行知识学习，进行虚拟技能培训。

    杨丽芳[16]研究了云计算背景下虚拟现实技术在远程教育中的应用，认为可以把教育资源整合到云端里，通过虚拟现实技术实现远程教育的环境模拟和知识学习。张辉[17]认为，虚拟现实技术作为一种新的教学媒体，其出现无疑将对现代远程教育教学产生深远的影响，但虚拟现实技术也面临着虚拟现实设备“贵族化”、三维建模繁琐化、数据量大的发展瓶颈，这是未来进行虚拟现实技术与远程教育结合时不可忽视的问题。亓传伟、任艳斐[18]在其《基于虚拟现实技术的远程教育平台设计与研究》指出现代远程教育的发展趋势是网络化、智能化、虚拟化，指出虚拟现实技术具备多感知性、浸没感、交互性和构想性等特点，所以将虚拟现实技术与远程教育结合起来具有强大的潜力，虚拟现实技术在远程教育中的主要应用包括虚拟学习社区、仿真实验室和数字教学场所，进而构建一个基于虚拟现实技术的远程教育平台。杨韬、刁永锋[19]基于虚拟现实与多Agent系统设计了远程教育系统，包括学习系统、智能教学系统、管理系统，实现关键技术包括建模技术、显示技术、Avatar技术、交互技术等。钱峰[20]在其《利用虚拟现实技术提高现代远程教育质量》中提出把虚拟现实技术引入远程教育，创建虚拟教室，以让学习者产生临场感，弥补网络教学的不足，从而提高教学效果。孙伟强、宋巍[21]的《利用虚拟现实技术提升远程教育效果初探》对虚拟现实技术在远程教育中的应用进行了阐述和分析，并在此基础上给出了远程教育中虚拟现实技术应用模型。

    我国在虚拟实验教学方面起步较晚，但也逐步得到了重视，取得了显著成绩，目前，国内一些重点院校开始陆续在网上建成虚拟实验室，从网上可查到的信息和各院校开放的对外服务情况，在网上设立了自己的电子教室的大学包括清华大学、北京大学、四川联合大学、淮海工学院、上海交通大学、中国科技大学、中国农业大学等。清华大学利用虚拟仪器，构建了汽车发动机检测系统。四川联合大学基于虚拟仪器的设计思想研制了集8台仪器于一体的航空电台二线综合测试仪。淮海工学院电子工程系创建了用于辅助实验教学的虚拟实验室，在虚拟实验室中，学生通过浏览器可进行相关资料的查阅和学习，还能检索到与实验仪器相关的仪器件的使用方法、实验项目、实验报告等，而教师则可通过Internet对学生所上传的实验报告进行评阅。上海交通大学电子信息学院研制了一套机器人远程控制系统，该系统基于C/S模式的远程控制，实现对机器人运动及产品加工控制。中国科技大学运用虚拟现实技术进行物理实验的经验比较丰富，目前已经形成较为成熟的产品。中国农业大学进行了虚拟植物研究，主要利用计算机来模拟植物在三维空间中的生长发育情况。

    对于我国的远程教育来说，1999年11月，中国教育部在《现代远程教育资源建设指南》中指出：现代远程教育是利用网络技术、多媒体技术等现代信息技术手段开展起来的新型教育形式，发展现代远程教育是扩大教育规模、提高教育质量、增强办学效益、建立终身教育体系、办好大教育的重大战略措施。。

    2000年4月，教育部发出通告指出，未经国家教育行政部门批准，任何单位和机构不得冠以“网络大学”的名义或在网上以学校名义注册域名，建立相应的网站，进行招生和开展相应的教学活动；不得以远程教育的名义建立和利用卫星网络开展远程教育。已经和正在开展上述工作的，要重新办理报批手续；未经批准的应立即停止网上教学和其他有关活动。那么这种形式的教育对于我国现代的教育发展有什么样的优点和缺点呢?

    优点在于，与远程教育可以量的减少学校对于人力物力财力等资本的运用，减少教学成本，也可以在很大程度上方便同学的自主学习，帮助中国的大学建立起自由学习的氛围。不至于禁锢学生的时间和思想，推进其像更宽阔的方向发展。而有点则体现在，远程教育无法带来面授教育带来的利益，盈利模式不明确，再次现代的教育模式已经定型，很难在改变，这对于远程教育来说是一个非常大的挑战，同时资源的匮乏使得远程教育技术一直处于低等水平，无法向上发展，概念落后，重复建设也让远程教育负担重重。

    总的来说，目前国内大多数研究主要集中在理论概述上以及远程教育系统比如虚拟实验、虚拟情境的开发与实现上，侧重于描述系统平台的开发方案、关键技术，少数集中在虚拟现实技术作用和远程教育模式优劣的探讨上、虚拟实验教学模式与真实实验关系的论述上、虚拟现实技术在远程教育中的应用前景上以及系统的应用效果上，对远程教育系统的优化设计、促进、评价方面的研究少之又少。这充分说明受理论和技术限制，国内基于虚拟现实技术的远程教育系统尚处在积极开发和简单应用上，有待于更深入、系统的研究和实践。

1.3 研究目的和意义

    本课题研究的目的旨在以建构主义中情景化学习理论为依据，结合虚拟现实的最新技术标准和现阶段我国各级学校现有的教育信息化发展水平，通过运用网络多媒体技术和虚拟现实技术，结合程序语言和源代码，寻求一个充分发挥学生自主性的交互式的网络化远程教育方式，从而达到提供全新教育方式、提高远程教学效果、拓宽远程教育新的发展空间的目的，以期实现虚拟现实技术与远程教育的更好结合，为我国远程教育建设、发展和进步提供一个新的方法途径，使虚拟现实技术和远程教育为国民经济和现代化建设发挥更大的作用。  

    本课题对拓展虚拟现实技术的应用领域、进一步开发适合当前国情的远程教育系统有着重要的现实意义。

1.4 主要研究内容及创新之处

    笔者广泛深入阅读相关文献，结合自身实践经验，并紧紧围绕课题对国内外研究动态进行分析，在此基础上，对虚拟现实技术与远程教育的有机结合进行研究，主要研究内容为：

（1）虚拟现实技术概述，包括虚拟现实技术内涵和基本特征、构成、应用领域及其在远程教育必要性和可行性。

（2）以现代教育理论和教学理论为切入点，阐述基于虚拟现实技术的远程教育平台的建设目标、系统设计思路、设计的原则，并对基于虚拟现实技术的远程教育平台体系结构进行论述。通过虚拟仿真实验室的应用，来为教育提供一个应用基础和平台。

（3）以虚拟现实技术为支撑，借助教学理论，通过对虚拟仿真实验室的运用，重点探讨了远程教育系统的优化设计和开发，分析了系统设计原则、系统框架结构、功能模块和系统实现的关键技术。

创新之处在于：

（1）本文强调将虚拟现实学习理论与远程教育系统结合在一起，探索出一种新的教育模式和方法，并且指出这种方法中存在的可取之处和有待改善的地方。对这种方法做出了仔细的研究个分析。

（2）本文在提出新的观点之后，对这种观点进行深入的调查和研究，发现虚拟学习理论和远程教育理论是符合现代社会发展的，但是需要有一定的改变，以此，提出了符合现代远程教育规律的系统设计框架和方法。

2 虚拟现实技术与远程教育概述

2.1 虚拟现实技术

2.1.1 虚拟现实技术内涵

    虚拟现实（Virtual Reality，VR）技术又称临镜技术，是一种利用计算机系统、三维图形生成技术、多传感交互技术、高分辨显示技术来制造逼真的人工模拟环境，并能有效模拟人在自然环境中各种感知系统行为的高级人机交互技术，多源信息融合的交互式的三维动态视景和实体行为的系统仿真可使用户通过各种传感设备或输入设备进行实时交互，感知和操作虚拟世界中的各种对象，可以说，在这样的虚拟环境中与在现实环境中是没有显著差别的[22]。虚拟现实系统的组成见图2-1。

图2-1 虚拟现实系统的组成

Fig.2-1 Composition Virtual Reality System

2.1.2 虚拟现实技术的基本特征

（1）交互性。指的是参与者对虚拟环境中物体的可操作程度以及从环境中得到反馈的自然程度。参与者通过输入设备比如3D位置跟踪器、传感手套、数据衣、三维鼠标等向虚拟现实软件发出指令，软件接收指令并智能的给予解释，之后对虚拟世界进行更新，将更新的视图及其他信息比如声音、触觉等送至输出设备，参与者利用自身语言、身体运动或动作等自然技能对虚拟环境中的对象进行触摸和操作。

（2）沉浸性。指的是参与者作为主角存在于虚拟环境中的真实程度。虚拟现实根据人类视觉、听觉等生理、心理特点，由计算机生成逼真的三维立体图像，参与者使用头盔、数据手套等交互设备可将自己置身于虚拟环境中，成为虚拟环境中的一员，沉浸其中并参与虚拟世界的各种活动。理想的虚拟环境应达到令参与者难辨真假的程度，甚至超越真实。目前，视觉、听觉、触觉、嗅觉沉浸的感知技术比较成熟，身体感觉沉浸和味觉沉浸则有待进一步开发。

（3）多感知性。指的是参与者沉浸在多维信息空间中，依靠自己的感知能力、认知能力全方位地获取知识，通过充分发挥主观能动性，进行问题解答，得到新的概念。由于虚拟现实系统中装有视觉、听觉、动觉、触觉的传感器和反应装置，所以参与者在虚拟环境中可获得多种感知，亲身去体验、感受、操作。

2.1.3 虚拟现实系统的构成

    虚拟现实系统包括软件和硬件这两大部分的支持，也就是说虚拟现实系统需要计算机软件、硬件共同实现[23]。一方面，在虚拟现实中，离不开硬件的支持，虚拟现实软件及建模工具的虚拟环境只有在硬件辅助下才能显得更加逼真，而参与者也能真正沉浸到虚拟环境中，自然地感受、体验和操作；从硬件支持的角度，主要是计算机与周边设备的组合关系，虚拟现实系统需要有更大容量的存储设备、图像显示设备、数据采集与处理系统等。另一方面，人机交互式虚拟现实技术的主要特征之一，为了更好地实现人与机之间的自然交互，需设计特殊的I/O设备，利用虚拟现实软件，通过参与者进行操作和发送指令，提供各种反馈信息，真正实现自然交互；从软件角度来讲，虚拟现实系统应具备以下功能：逻辑控制功能、实时模拟功能、模拟人脑的智能行为、模拟复杂的时空关系、表达涉及时间与空间同步等问题的感觉、支持与虚拟环境交互的定位、操纵、导航等操作。  

    虚拟现实系统的软硬件由开发平台、交互系统、显示系统、三维模型库等构成。

    虚拟现实应用开发平台是整个系统的核心，通常包括硬件开发平台和软件开发平台两个部分。硬件开发平台是虚拟现实工作站，其运算速度快，图形处理能力强，支持复杂图像的实时处理，同时也支持缩短参与者的视觉延迟，主要作用是生产、处理高性能图像。为增强系统交互性和沉浸性，对硬件设备有着较高要求，价格相对来说也比较昂贵，限制了虚拟现实技术的应用和普及。虚拟现实应用开发平台中的软件开发平台是以虚拟现实软件为基础，在计算机中生成直观、逼真的三维场景，无需硬件投入即可实现虚拟现实的动态交互效果，其主要作用是构建三维图形场景驱动，二次开发应用功能，没有软件开发平台，就无法开发虚拟现实应用程序。

    显示系统作为虚拟现实系统的重要构成，主要作用是显示输出三维图像，即以大幅立体投影方式将3D场景显示出来，并逼真地展现在参与者面前，可实现多人参与。虚拟现实系统中有多种显示系统或设备，包括头盔式显示器、立体眼镜、立体显示器、立体投影仪、虚拟三维投影显示系统等，见图2-2。

头盔式显示器 立体显示器 立体投影仪

单通道虚拟三维投影显示系统    多通道虚拟三维投影显示系统

图2-2 虚拟现实显示设备和系统

Fig.2-2 Virtual reality display equipment and systems

    虚拟现实的主要特征是实时交互，离开自然实时的交互，虚拟现实也将会失去自身价值意义，在交互系统中，通常会依靠面向特定应用的虚拟外设（6自由度虚拟交互系统），比如三维空间跟踪定位器，其可用于空间定位，一般与数字手套、数据衣等配合使用，在虚拟空间中，参与者可自由移动和旋转，不会受到空间限制，保证了操作的灵活自如；数字手套是一种多模式的硬件设备，内部安装了许多光纤传感器，具有感知手指玩去程度的作用，参与者可通过手指抓取、移动、旋转等动作实现与虚拟环境之间的交互；三维空间交互球、力觉和触觉反馈系统也是主要的虚拟现实设备，前者可用户虚拟现实场景的模拟交互，并可作3D鼠标和跟踪定位器，后者则能为参与者提供一个更加逼真的人机交互界面。

2.1.4 虚拟现实的类型

根据功能高低，即交互感、沉浸感不同，虚拟现实可分为四种类型[24]。

（1）桌面虚拟现实

    桌面虚拟现实是利用个人计算机和低级别工作站，进行图形、图像仿真，并将计算机屏幕作为用户观察虚拟境界的窗口，参与者使用输入设备与虚拟场景进行交互，操纵其中的物体。由于桌面虚拟现实平台容易受周围现实环境干扰，参与者缺乏真实的现实体验。但桌面虚拟现实技术较简单，需投入的成本较低，通过一些低成本的辅助设备比如立体观察期、液晶显示光闸眼镜等即可达到比较理想的模拟现实的效果，在教育领域中的应用范围很广。

（2） 沉浸式虚拟现实

    沉浸式虚拟现实系统能为参与者提供完全沉浸的体验，使参与者有一种置身于虚拟境界中的感觉。主要是利用头盔显示器、数据手套等交互设备，把参与者视觉、听觉以及其他感觉封闭起来，使其完全置身于计算机生成的虚拟环境中，产生一种身临其境的感觉。沉浸式虚拟现实系统实时性强，有高度的沉浸感，能支持多种I/O交互设备并行工作，但相较于桌面虚拟现实系统，沉浸式虚拟现实系统建设的投资成本过高，限制了该系统的推广应用。

（3）增强现实型虚拟现实

    增强现实型虚拟现实系统又称混合现实系统，有机结合了真实环境和虚拟环境，不仅可减少生成复杂真实环境的开销，而且在虚拟环境中进行操作也比较方便，真正达到了亦真亦幻的境界，增强了在现实中无法被感知或难以被感知的感受以及参与者对真实环境的感受。增强现实型虚拟现实具有实时人机交互功能，真实世界与虚拟环境是在三维空间中加以整合的，其中的“增强”可适用于包括虚拟图像、声音等虚拟对象在内的所有感知通道。这种系统在现实生活中有着比较广泛的应用，比如应用于外科手术中，医生可用另外来源得到的3D虚拟图像与病人患病部位的实际图像进行对比，这样以来可大大增加手术成功率，增强手术治疗效果。教育领域，一般在实验室对增强现实技术进行应用，相较于其他虚拟现实技术，该技术能为教学提供更多好处。

（4）分布式虚拟现实

    分布式虚拟现实是多个相对独立的用户，实时地通过计算机连接在一起，从而同时参与同一个虚拟空间，共同体验虚拟经历，使虚拟现实提升到更高的境界。在分布虚拟现系统中，充分利用了计算机强大的计算功能和网络功能，共同领域的特长专家学者可在该系统中进行信息共享，不同地域的设计人员可实现协同设计。但应用时，需要解决两方面的问题，首先，网络带宽必须满足一定要求，其次，由于各个主机之间软硬件配置不同，应采取一系列手段使不同用户之间相互协调动作。

2.1.5虚拟现实的应用领域

    过去，虚拟现实技术主要应用于军事领域和航空领域，随着该技术的发展，逐渐渗透到我们工作和生活的每个角落，目前，虚拟现实技术在科学、建筑、产品设计、远程教育、工程、娱乐、医学、文化、虚拟制造、能源开发、电子商务等领域都获得了很好的发展，比如在智能化住宅的建筑设计与规划、城市规划、城市管理、大型工程管理、数字化酒店展示、虚拟房地产推销中，虚拟现实技术的应用可为其提供新的服务手段。虽然当前与发达国家相比，我国虚拟现实技术以及对该技术的应用还处于探索之中，但相关部门、科学家、专家学者等早已对该问题给予了高度重视，根据我国具体国情，陆续开展了关于虚拟现实技术方面的研究。

    随着科学技术的迅猛发展，新兴教学媒体不断涌现，继多媒体技术在教育领域中的应用与普及之后，现如今，受教育信息化推广的影响，虚拟现实技术在教育领域亦具有广泛的作用和影响。在教育领域，虚拟现实技术在科技研究、虚拟校园、虚拟教学、教育娱乐等方面的应用比较广泛，而在远程教学中的应用，主要包括知识学习、探索学习、技能训练、虚拟实验等几个方面，虚拟现实技术在远程教育的应用模型见图2-3。

图2-3 基于虚拟现实技术的远程教育应用模型

Fig.2-3 Virtual reality technology application model based on distance education

    虚拟现实技术应用于教育领域不仅是虚拟现实自身发展的要求，也是教育发展的需要，这主要是亲身经历、亲身感受往往比空洞抽象的说教更有说服力，主动交互也与被动观看存在质的差别，而虚拟现实技术恰恰能够提供视觉、听觉、触觉等多种感觉信息，参与者能够身临其境地参与到虚拟环境中，感受事件的发展变化过程，从而获得最大的控制以及操作整个事件的自由度，有利于促使学习者自主完成正确的知识建构。  

2.2远程教育系统

2.2.1 远程教育系统的含义

    远程教育培训系统，可以为企业或组织在实施"人才战略"及构建"学习型组织"中提供重要的网络技术方面的支持，适应企业的发展需要，是加强培训能力建设的重要举措。该系统建成后，能加强企业员工继续教育和岗位培训工作提高保险业队伍的整体素质，解决工作和学习之间的矛盾，提高培训工作效率十分必要，与传统面授培训结合，合理减低培训成本。

2.2.2 远程教育系统的发展历程

    远程教育由于信息传送方式和手段不同，其发展经历了三个阶段，第一是以邮件传输的纸介质为主的函授教育阶段;第二是以广播电视、录音录像为主的广播电视教学阶段;第三是通过计算机、多媒体与远程通讯技术相结合的网上远程教育阶段。

2.2.3 远程教育系统的功能

    远程教育系统是一个整体的网络化学习解决方案。一般包括:在线学习及管理系统、课件制作系统、虚拟教室系统、录播室、配套的网络设备及服务器等，可以完成在线学习课程、学习管理、资源管理、课件制作、在线培训实时课堂、录课等功能。

    Gensee网络视频教学系统是一种将现场直播的视频信号同步传输到网络互动平台，从而形成现场与网络、网络与网络实时互动的全新技术。特别是在实时互动和大规模并发方面技术做得很突出。此外还能适应国内普遍的网络环境，能让各地的培训都可以在现有的网络环境下流畅清晰的实现。老师和学生间的互动讨论，在线问答，问卷调查，桌面共享等等这些更实用和强大的技术使得Gensee能够满足从中小规模的学校、企业级远程教学网络到大规模的商务级远程沟通的需要。

2.3 虚拟现实技术在远程教育中应用的必要性

    如今流行的虚拟教师、虚拟校园、虚拟图书馆等都是虚拟现实技术在远程教育中的实际应用。实践表明，虚拟现实技术应用于现代远程教育中，有利于改善学习条件，丰富学习资源，优化学习环境，具有应用的必要性。

    首先，对于学校来说，教学主要目标之一是巩固学生理论知识，培养学生动手实践能力和创新精神，这就决定了实验教学是不可缺少的教学环节，然而传统的远程教育面临实验场地、设备以及教学经费等方面问题，导致实验教学的顺利开展受到限制。利用虚拟现实技术，则能很好解决以上问题，学习者足不出户，便能在虚拟的环境中进行各种是的实验，获得真实感受，学习条件由此大大提高。而且在实验教学中应用虚拟现实技术是在虚拟环境中进行各项操作的，无任何危险，可避免由操作失误带来的安全问题，学习者可以不厌其烦地反复练习，另一方面，学习者的观察行为和实验行为可不受时间和空间限制，比如学习者可登陆火星表面进行观察，可观察化石的形成过程、蝇的繁殖过程等，并且在短时间内，就能将变化过程完整、清晰、逼真地呈现在学习者面前，比如在虚拟的化学实验室里，可利用各种化学药品和天平、温度计、砝码等工具做各种不同的化学实验，观察燃烧、爆炸等反应现象。

    其次，在学习过程中，学生要有效利用各种学习资源来获得知识。早期远程教育的主导媒体大多采用“一对多”的单项传播形式，不能很好地实现师生之间、学生之间的双向交流，交流方式大多为邮政、运输技术和相应的服务系统，以此实现函授指导，对学习者作业的批改和评价，而学生接受教育信息的过程也是被动的，没有及时的反馈和交互。现代教育理念认为，教育必须强调以学生为中心，注重学生的自主学习。虚拟现实技术就为学习者的自主性、探索性学习提供了丰富的学习资源，一方面，通过虚拟现实技术，实际生活中无法观察到的现象或事物可再现，为学生提供生动、逼真的感性学习材料，帮助学生解决学习中的知识难点。比如虚拟地理学习中的地壳变迁过程，将抽象的具体概念具体化、形象化，这样就为学习者提供了直接的学习资料，便于其自主学习，另外，对于学习过程中提出的问题，利用虚拟现实技术可将其虚拟成具体的假设模型，通过虚拟系统，学习者可直接观察这一假设所产生的结果或效果，有利于培养学习者的研究能力和创新能力。比如在虚拟的化学系统中，学习者按照自己的假设将不同分子组合在一起，用计算机将组合的物质虚拟出来，这种探索式的学习方式可激发学习者的潜力和创造性，学习者很有可能会研究出新的物质，此外，利用虚拟现实技术学习者还可进行温室效应、电路设计、建筑设计等方面的探索学习。

    第三，在学习过程中，学习环境是否良好直接影响学习质量。基于虚拟现实技术的远程学习环境不仅提供教育信息内容，还提供辅导、测试、评价等虚拟支持，极大地优化了学习环境。比如智能Agent在学习环境中扮演着虚拟教师的角色，不仅能帮助学生进一步明确自己学习目标，获取有效的学习资源，对于学生提出的问题也能及时的反馈和对学生予以相应指导。虚拟图书馆是集多种文献载体于一身的信息资源保障系统，在虚拟图书馆中，学习者可轻松查阅和获取所需学习资源。虚拟辅导具有智能辅导功能，学习者在虚拟环境中，不需要教师的帮助即可进行自主学习，而系统会指引学习者有选择性地进行各种学习资源的检索和查阅。在基于计算机网络和交互式多媒体工作站的虚拟教学中，学习者通过个人工作站观看多媒体课件进行学习，还可通过计算机网络进行交互学习，相较于传统学习环境，此类学习环境更个性，学习者可获得更好的学习效果。另外，虚拟现实具有沉浸性和交互性特征，学生在虚拟的学习环境中扮演一个角色，全身心投入学习环境中，有利于学习者的技能训练。

3 基于虚拟现实技术的远程教育平台的设计

3.1 系统建设目标

    根据开展远程教育的设想和目标，应确定系统建设的总体目标。本文旨在以建构主义中情景化学习理论为依据，结合虚拟现实的最新技术和现阶段我国各级学校现有的教育信息化发展水平，通过对虚拟现实技术、网络技术、多媒体技术的应用，结合程序语言和源代码，设计出一种能够使学习者充分发挥自主性的交互式、网络化、开放性的远程教育方式，从而达到提高教育效果、拓展远程教育发展空间的目的，以期实现虚拟现实技术与远程教育的更好结合。

    本文确定以下系统建设总体目标：第一，坚持高起点，面向信息化时代，保证远程教育系统的先进性；第二，贯彻实用、稳定、先进的方针，把握教学的实际需求和学习者的实际情况，以远程教育发展规划为导向，充分利用网络优势和政策优势，对现有资源进行整合，将教育与就业进行结合，着眼于终身教育体系的构建，打造更为广阔的教育平台，确保系统的高度集成、总体优化、安全可靠和稳步推进；第三，系统应具备学生实验功能、教师教学功能、教学管理功能、教学支持功能等；第四，充分考虑系统功能、扩容性和技术升级性，基于虚拟现实技术，汇集计算机图形学、多媒体技术、人工智能技术、传感器技术、实时计算技术和人的行为研究等多项关键技术，使系统更加适应当代信息技术迅猛发展的要求。

3.2 系统设计思路

    系统的设计不仅要与当前应用需求相符合，还应尽可能符合未来系统功能的扩展；不仅要与行业特殊性相符合，还要具备通用性；不仅要从用户视角保证系统可用性，还应从程序开发的角度考虑系统开发的可行性、开发周期、费用、软件质量等问题[26]。远程教育平台是利用现代网络通讯技术，在符合要求的师资资源和不在该师资资源现场的受教育对象之间建立起的一种有效的知识信息传播途径和交流渠道，使学习者的教育培训活动不再受时间和地域限制。综合考虑，本平台采用三层B/(W-A)/D结构，按客户层、事务逻辑层、数据服务层这层部署远程教育体系结构，如图3-1所示。

图3-1 基于虚拟现实技术的远程教育平台部署

Fig.3-1 Deployment of distance education platform based on virtual reality technology

（1）客户层：为用户提供友好、直观的界面，用户通过用户界面录入和处理各种信息，并完成各科作业，也可通过客户端查看教师上课情况。

（2）事务逻辑层：由Web服务层和应用服务层共同完成该层的工作，该层属于整个应用的核心部分。Web服务器接受用户请求，并将请求向应用服务层即远程教育平台发送，有组件对应用请求进行处理，完成商业逻辑和数据逻辑的计算任务以及与后台数据库的交互，并将处理结果返回给用户在客户层上显示。

（3）后台数据库：包括课件库、案例库、试题库、共享软件库、网址资源库等所有教学资源，在该层，数据库不再和每个活动用户保持连接，而是若干用户通过应用服务器的逻辑组件共享数据库的连接，这有利于减少连接次数，提高服务器性能和安全性。

    需注意的是，基于虚拟现实技术的远程教育平台应具有一体化管理、完全开放、交互式教学设计、支持多种教学策略等特点，一方面，使教学支持系统与教学要求真正相符合，保证在一个系统中即可完成教学以及学习过程中的各种活动，并实现教师与学习者、学习者与同伴之间的相互交流，另一方面，使系统能够支持探索式学习、协作式学习、角色扮演式学习、辩论式学习等与网络学习环境相适应的新的教学策略，并提供支持这些教学策略顺利实施的教学工具。

3.3设计的原则

    越是功能强大、性能卓越的系统，系统结构就越庞大、越复杂[27]，远程教育系统就具有规模庞大、结构复杂、功能综合的特点，系统的设计必须在整体性、开放性、反馈性、交互性、扩充性、可靠性、安全性等方面达到理想程度，这样才能保证系统的性能稳定、运行良好。

（1）整体性：任何系统都是相互联系之后形成整体的结构才发挥整体功能的，所以远程教育系统中各个部分的各个单元既要有相应的灵活性，还要具有一定的集成度，保证各个单元能进行任务分担，协同处理复杂程度高的大任务。

（2）反馈性：对于一个远程教育系统，只有通过信息反馈，才能实现有效的控制，才能让用户和学习者随时了解系统状态，进而提供易于检索、便于学习的信息。另一方面，系统存在内部协调机制、外部环境或设计等因素造成的不确定性，可能会导致系统在运行中过程和目的的偏离，系统具有反馈性就是应用反馈原理，通过反馈信息来对存在的偏离进行纠正，对整个运行过程进行动态控制。

（3）开放性与自主性：远程教育系统是基于Internet实现远程教学的，应允许任何用户接入Internet任一端上，学习者可方便地在网上进行学习，能自我选择学习内容，根据自己的学习节奏、顺序完成各种知识的学习。

（4）交互性：通过虚拟现实系统，应能操作虚拟的实验设备，更改实验参数，并根据系统的反馈及时调整自己的操作；用户有权自主终断某项进程，而不是让用户无可奈何地接受错误的结果；通过论坛、E-mail等交流工具，学生能与教师、学生进行交互。

（5）可靠性与安全性：系统的运行一定要安全可靠，尤其要保证数据库、网络传输和信息管理系统本身的安全，这就要选择合理的软件开发生命周期，利用迭代模型进行开发，在开发过程中，对软件功能进行反复验证，保证系统稳定，使系统能提供每周7天、每天24消失的无间断服务，学习者在任何时候均可登陆上网，进行学习。另外，系统应支持身份认证技术，保证学习者、教师、管理员等都有各自的权利，管理员定期对系统进行维护，备份重要数据，防止数据丢失。

（6）易于扩充和维护：充分考虑信息不断变化和增加的需要，采用模块化设计，每个模块之间相对独立，且留有通信接口，对于图像、声音、动画等，采用标准格式，方便软件平台的升级保证系统的不断发展和完善。提供一个维护与更新教学内容、管理、发布信息的界面，教学软件中，通过WWW发布的信息可由系统进行远程维护。

3.4 基于虚拟现实技术的远程教育平台体系结构

3.4.1 虚拟学习社区

    以建构主义学习理论为理论基础，引入虚拟现实技术，借鉴网络游戏中的情景构建的多样性，同时考虑参与者的自主性、角色扮演的逼真性和团队协作性，开发真实虚拟现实感的学习环境，营造一个具有个性化的自主学习环境，使教育者与学习者之间、学习者与同伴之间可以在一个虚拟的现实空间中进行虚拟人之间的面对面的情感交流，使以教师为中心的传统教学模式向以学生为中心、以教师为主导的方向发展。通过建立虚拟化的学习平台，不仅可根据每个学习者的特点，充分利用虚拟现实技术的交互特性为学习者提供一个畅通的交互平台，有针对性地对其进行教学指导，提高教学质量，还可在一定程度上调动学习者的学习积极性和主动性。

3.4.2 仿真实验室

    远程教育中，实验无法使处在终端的学习者亲身加入到实验环境中，因此实验教学一直以来都是远程教育的薄弱环节，直接影响教育质量。在本平台体系结构中，我们利用虚拟现实技术设计了仿真实验室，由仪器介绍、虚拟实验、常见问题、自学自测、扩展知识等子模块组成，在仿真实验室中，学习者可相互讨论学习到的概念，可进行各种实验，不仅包括平时在实验室里可做的实验，还包括不能进行的危险实验，可有效避免真实实验或操作带来的各种危险，有利于提高实验效率，共享资源。之所以能在虚拟环境中达到甚至超过在真实实验室环境中进行实验的效果，主要是因为学习者进行实验的时候，有时会有一种惧怕在实验中犯错误等现实世界环境下的社会情感因素，难以专注于实验过程，而若学习者能以匿名的身份进行角色扮演和实验，其消极社会情感因素会消除，从而更加专注于实验过程，更好地完成学习任务。虚拟实验室的创建要满足真实性、封装性、可扩展性和可重用性。

3.4.3 数字教学场所

    构建远程教育的数字教学场所，以实现教师教学模块、学生学习模块、管理模块、远程教学资源库模块的数字化和电子化，进而实现对教学过程的动态化、智能化控制。教师教学模块要具备网上授课、答疑、讲评、作业、实验、测试、考试等功能，为教师提供完备的教学工具以及与学习者进行网上互动的工具。学生学习模块要具备支持网上个别学习、协作学习、实时交流、非实时交流、小组活动等多种形式的网络学习功能，为学习者提供更加丰富的网络学习资源和网上学习支持工具。管理模块包括系统管理、用户管理、教学资源管理、课程管理、奖惩管理、数据管理等，教师与管理员对系统、教学、安全等按权限管理。其中，系统管理目标是实现系统软硬件的资源管理，比如系统硬件配置、实验室虚拟元件和设备属性设置、系统使用状况统计、信息发布与修改等；用户管理是对由管理员对使用系统数据库的用户进行权限管理，对系统数据进行全局管理，维护系统安全性、稳定性以及数据的完整性，教师主要是对教学项目或实验项目的添加、参数的修改、实验报告批阅等，学习者默认的权限是可进入各个子系统，但不能对系统内容进行修改。教学管理包括对注册学习者信息与成绩的管理、教师信息与教学的管理、教学项目和教学过程的管理等；在教学资源管理模块，应具备可对各种资料进行查询、录入、删除和修改的功能以及素材远程检索功能、素材远程提交功能、评论录入及显示功能、内容传输管理功能等；课程管理模块应能集成、处理和统一管理文本、图形、动画、视频图像、声音等多媒体信息，可将多种形式的资料和素材进行有机整合，从而形成内容丰富、更适于学习者自学或课堂辅助教学的多媒体课件。

3.4.4 模拟训练

    虚拟现实具有沉浸性和交互性特征，学生在虚拟的环境中通过角色扮演，可全身心投入到学习环境中去，为此，利用虚拟现实技术构建模拟训练模块，使学生模拟训练环境中做各种各样的技能训练。当然，在动作技能学习中，学习者只有从虚拟现实系统中接受到操作或动作的反馈，才会获得积极的学习效果，因而，模拟训练模块的开发必须考虑学习产生的条件和教学的效果，保证能够提供逼真的训练情景，对学习者的错误进行校正，同时实现对学习者学习过程的动态跟踪，实际应用中，教师应根据具体需要随时生成和更新教学内容，使实践训练内容跟上技术发展步伐。

3.4.5 科学研究

    建立面向科学研究领域的虚拟计算环境体系结构，提出与该体系结构相适应的关键组成部件、运行机制、评价和测试方法、系统优化等内容，建立科学研究平台的验证环境，为网络化的科学研究活动提供理论、技术及平台支持。

3.5基于虚拟现实技术的远程教育平台的可行性

在深入分析远程教育特征和虚拟现实技术特点后，笔者发现现代远程教育与虚拟现实技术存在共通之处[28]。第一，远程教育是一种新型的教育方式，对于这种教育方式的使用者和参与者，需具备一定的创新意识和创新理念，需能采用有效的方法、手段对各种信息进行收集、整理、学习；虚拟现实，毋庸置疑，它是依赖于创新而存在的，没有创新性的实践应用和设计开发，虚拟现实将不复存在。第二，远程教育和虚拟现实技术都是作为一种高新技术而存在，远程教育是以高新技术为支撑发展起来的，虚拟现实技术则属于高新技术，能为远程教育的实现提供技术支持。第三，远程教育和虚拟现实技术都是以智力资源即以人才为基础，远程教育的目的是丰富知识，培养人才，虚拟现实技术的发展和应用则离不开人才支持，可谓是远程教育能为虚拟现实培养人才资源。第四，远程教育是以科学技术为支撑、以系统论为指导，对各项科学和技术成果进行综合而形成的；虚拟现实技术是在研究系统问题的过程中产生、发展起来的。

上文指出，从技术层面来看，虚拟现实技术可为远程教育的实现提供技术支持，是推动远程教育发展的关键技术。“三网”融合的实现为虚拟现实系统的输出提供了新的显示方式，高速高带宽低成本网络基础设施则可降低三维虚拟环境的延迟和误差，提高虚拟环境逼真度，增强参与者的沉浸感，这就为远程教育的发展提供了极好的条件[29]。虚拟现实系统具有交互性、沉浸性、多感知性的特征，它不仅使一个演示系统，还是一个三维的设计工具，可使人与计算机很好地融为一体[30]，远程教育简言之就是一种拥有多种媒体内容的数字化信息资源系统，能够为用户提供方便、快捷的学习服务，它没有具体的形象，具有虚拟性，而虚拟现实技术可实现虚拟环境的创建，其应用于远程教育中，能够很好地发挥自身特点和优势，可通过虚拟教师、虚拟实验室、虚拟图书馆等提供知识的学习、辅导、测试和评价，使远程教育的知识传播模式更加系统。此外，当今时代是一个知识经济时代和信息化时代，为满足教育的终身化和学习的社会化，更新知识的内容、速度、效率和质量都非常重要，虚拟现实技术具有成功的培训经验，在改善培训环境，提高培训速度、效率和深度上有着积极作用，广度上将会为远程教育的发展带来新的契机。

目前，虽然虚拟现实系统的硬件设备还比较昂贵，虚拟现实技术也未普及，但不得不承认，虚拟现实技术在现代远程教育中具有应用的必要性和可行性。随着虚拟现实技术的不断发展以及相关硬件设备价格的降低，虚拟现实技术将会成为一个新型的远程教育媒体，以其为支撑的现代远程教育将会发挥更加强大的教学优势。

4 虚拟现实技术在远程教育方面的应用-以化学虚拟仿真实验室为例

4.1化学虚拟仿真实验室的创建

4.1.1建模技术

4.1.1.1 基于VRML的建模技术

建模技术提供了新的方法,为人工智能的应用提供了新的界面工具,为各类大规模数据的可视化VRML是VR的重要组成部分,不仅为VR建构虚拟环境,也为人机交互界面拓展提供了新的描述方式。VR技术的不断发展,使人们能够在方便地在VR的虚拟环境中,产生身临其境的真实感和对超越现实的虚拟感,这种沉浸其中,并且能够进出自由的交互环境广泛运用在众多领域。

基于VRML的建模技术主要是利用一些基本的形状节点(Shape)来创建虚拟对象的几何外形,这些模型是三维立体的结构，有现成的模块组成，主要为长方体（Box）、圆球（Sphere）、圆柱体（Cylinder）等基本的三维造型，这些模型可以在一个立体环境中中组成一个场景图，按照适当的位置摆放，形成一个虚拟的立体空间，其工作原理为见图4-1。

图4-1 VRML工作原理

Fig.4-1 VRML working principle

VRML的交互与动画都是由事件驱动的,VRML场景可以接受两种事件驱动:从路由语句传过来的入事件及由外部程序接口写入的直接事件。

运用VRML建模时,要安排好节点的层次。程序中层次结构清晰明了,不仅可以方便程序的调试,也给要控制的元件进行交互设计带来了方便。技术中的在访问VRML场景中只能访问那些用命名的节点。

利用VRML技术建模，可以实现:三维立体造型、着色、色彩明暗的控制、纹理以及背景的设计等。

VRML利用Material(材料)节点可以控制几何对象的表面属性,例如表面的颜色、透明度和发光性等。例如,Background节点可以增加背景,能够使场景中拥有天空、草地或与实验室相符合的背景。Fog节点可以物化虚拟实验,光源型节点可以让虚拟现实见到光明声音节点则能使虚拟现实更加生动。

针对于复杂原型的建模，可以利用VRML中较为复杂的三维建模方法，例如组合、创建海拔栅格、创建挤出造型等来实现。通过使用Group节点将多个造型节点组织在一起,从而构成复杂造型。

纹理映射是通过将纹理图根据几何体的外形投射到物体的表面形成的一种视觉效果，看起来更加逼真。其中,能用来创建纹理图的格式有JPEG、GIF、PNG、MPEG。并能对纹理进行平移、缩放、旋转等变换。

程序的编写工具一般采用Vrm1Pad编辑器来编写VRML程序。VrmlPad编辑器是由Paralle1Graphics公司开发的，方便操作，编辑，和预览，见图4-2。

图4-2 Vrm1Pad编辑器界面

Fig.4-2 Vrm1Pad Editor interface

4.1.1.2 基于3DSMAX、MAYA的建模技术

除了用VRML直接建模外,还可利用一些可视化的三维建模工具,如3DSMAX、MAYA等,用这些工具创建三维对象快速而且视觉效果较好。但是由于生成的三维造型全是由点集来实现的,因而文件大,有较大冗余。对于某些非常复杂的物体,一般情况下采用3DS`MAX建模,导出成为VRML格式的.wrl文件。但是在用3DSMAX创建的三维造型时,由于当前的坐标系及Calnera创建的视点与导出为VRML的代码后,VRML中的坐标系与视点不一定一致,因而往往会出现在VRML浏览器中看不到或者发生了偏移。这时就需要在VRML场景中重新调整造型节点(Translation)的域值,使造型在整个场景中的相对位置及视点处于所需的状态。

4.1.2化学虚拟实验室场景的构建

如果利用VRML进行实验室虚拟场景的设计,首先要明确设计化学实验室虚拟场景的总体目标、规模、性质等,从中确定适合虚拟仿真实验室的实际情况,且经济实惠的最佳方案编码阶段是根据项目要求,运用计算机建模语言(如VRML)和各种开发工具(如Parallel Graphics公司的VrmlPad)进行设计编码;集成测试包括单元测试和综合测试,单元测试是在详细设计和编码阶段进行,综合测试则是在完成单元测试基础上对全部软件设计进行调试;运行测试就是在试运行和交付期间修正开发中的错误、满足新增功能的开发过程。

图4-3 虚拟实验室场景设计层次结构图

Fig.4-3 Virtual laboratory scene design hierarchy diagram

三维实体建模是场景构建的主要工作内容,它要在构建场景的基础上,完成每一片分区中所有实体对象的几何建模,大到复杂的仪器设备,小到连接设备的管线。每个模型所描述的物体形状由构成物体的各个多边形、三角形和顶点等来确定,物体外观则由其表面纹理、颜色、材质、光照系数等来确定。虚拟场景中的三维实体模型一般包括非动态实体模型和动态实体模型。非动态实体模型是指地形地貌和静态实体模型,动态实体模型是指具有运动属性的各种仿真实体的模型,如汽车、行人、飞鸟等。而化学虚拟实验室主要的是动态的实体模型。本系统场景中的模型基本上都是静态实体,分布在实验室中,主要分实验室和内部仪器设备两大类。静态实体的建模主要运用的是几何建模技术,使用建模工具从形状和外观上对实体进行模拟,同时大量采用纹理映射等辅助技术手段,以减低模型的复杂度。

为了使用户能够真正沉浸于一个由计算机生成的虚拟环境中,必须使生成的环境足够逼真和自然,一个虚拟环境是否逼真,取决于人的感官对环境的主观感觉。人对环境的感知主要是通过视觉、听觉、触觉、嗅觉及重力等来获取的,因此一个好的虚拟环境必须给这些感官提供与现实环境相似的刺激。人的信息感知约有80%是通过眼睛获取的,所以视觉感知的质量在用户对环境的主观感知中占有最重要的地位。也就是说,一个虚拟环境的好坏主要取决于其视景生成系统的好坏,虚拟环境的视景效果是影响虚拟现实系统沉浸感的最重要的因素。虚拟场景的构建首先要完成的是对场景的三维建模工作,三维模型的构建是虚拟实验室系统实现的基础,也是虚拟视景生成技术的一项重要研究内容，图4-4是针对于电化学分析虚拟实验室的模型构造及场景布局图。

图4-4 电化学分析虚拟实验室的模型及场景构造图

Fig.4-4 Model and scene structure map virtual laboratory electrochemical analysis

为了逼真地表现虚拟现实所描述的环境,可以给虚拟环境设置背景,加上天空和大地。VRML中都有相应节点定义,可以较好地构造出虚拟环境所需的效果。设置背景是通过设定Background节点的各域的参数来实现的,可分为两种设定方式,一是通过颜色插值模拟大地和天空;二是构造背景全景图。例如虚拟实验室的背景节点参数设定为:

Baekground{skyColor[0.30.30.80.50.50.80.90.90.9]

skyAngle〔1.1691.571〕

groundAngle[1.1691.571〕

groundColor[0.00.00.651.01.01.00.00.650.0]}

上述代码描述了这样一个背景:绿色的大地,淡蓝色的天空,大地和天空相接处颜色渐白。参数值的设定是通过多次调试得到的。

为便于对整个实验室进行全方位的观察,特地在虚拟场景中设置了八个视点位置,设置化身导航类型为“FLY”,以消除重力影响。在此八个视点上可以从八个方位观看虚拟实验室,其结果就是在这个虚拟世界中浏览者可以以一种很真实的感觉在其中进行浏览和交互,就像是在现实世界中一样[28]。

4.1.3实验仪器的构建

依照上述建模思想,化学虚拟实验室仪器模型的创建主要分为:化学课程需要的主要实验仪器、辅助工具以及耗材等，针对于那些重要的、需要精细显示的模型，可以采用3DSMax建模外,其余直接用VRML建模;加载部分各组成部件造型简单，例如柜子、桌子，椅子等,可以采用VrmlPad直接建模。在化学建模方面,对于一些比较复杂的仪器,利用Photoshop处理实物图片进行贴图设计,其余则选用金属材质做贴图处理或直接设置材质的色彩[29]。

图4-5 实验仪器模型

Fig.4-5 Laboratory Instrument Model

虚拟器件的构建我们主要考虑两方面:一是它呈现给实验者的外观,即它外在的几何特征(长、宽、高、颜色等);另一方面,更重要的是虚拟元器件要能反映真实器件本身内在的物理(如质量、密度、速度等)或化学(如氧化型等)特性。即虚拟对象的建模问题。

4.1.4虚拟实验的构建

虚拟实验的构建必须考虑用什么工具制作和如何制作的问题。虚拟实验的制作工具和方法是由虚拟实验的特点决定的。远程虚拟实验有以下特点:首先网络环境复杂,带宽差异很大。从Modem方式拨号上网的56k,ISDN的64k、128k到ADSL上网的下行最高速率达到SMbPs,上行达到IMbPs,此外还有通过局域网上网的。这就要求设计网上实验必须考虑实验者的网络环境,大多数实验者的上网方式,从而确定实验的制作方法,以及与实验者的交互方式。其次,与传统实验截然不同,网上远程实验中,实验的仪器、材料都是虚拟的,不是真实存在的。因此,如何构造一个相对真实的环境,让实验者就像在一个真实的实验室中做实验,是一个极其重要的课题[30]。最后,网上远程实验的目的是为实验者提供一个虚拟的实验室环境,应该给实验者充分动手操作的机会。

远程实验包含两类:一类是“演示型”实验,例如电转移试验，其只对实验现象进行演示,实验者仅为观众;另一类是“操作型”实验,例如化学试验，这个需要实验者亲自参与实验,是实验的主导者。设计演示型实验可采取多种方法。例如把真实的实验用摄像机拍摄下来,然后转换成avi或其它格式的文件供丁载播放,许多教学软件都采用这种方式;也可用Flash或其它多媒体软件如3D制作动画进行演示[31~33]。操作型实验的构建就要复杂一些,主要涉及到以下几个问题:

(1)实验现象的演示。即在特定的事件发生时,如何调出相应的事件,动画是如何触发,如何实现的。

(2)虚拟仪器操作的实现。如虚拟仪器的移动、放置等。即如何实现用户与虚拟仪器之间的交互。

远程虚拟实验室就是通过虚拟现实技术营造真实的实验室范围，亲身体验实验的操作步骤，并通过对虚拟实验仪器操作，交互，最终取得视觉、感觉和听觉等各方面的“真实”体验，得到实验结果和相关的实验数据。

图4-6 化学虚拟仿真实验

Fig.4-6 Chemical Virtual Simulation

图4-7 电转移虚拟仿真实验

Fig.4-7 Power Transfer Virtual Simulation

4.2虚拟实验中的交互功能实现

在虚拟实验过程中,实验者与虚拟元件的接触主要借助于鼠标的拖曳、点击等。传感器作为一个节点与相应元件的*.wrl文件绑定在一起,如在某元件内放置一个移动传感器(Planesensor),实验者就可用鼠标点击它并拖动该元件至实验区中某一特定位置。当元件在移动过程中不断将所处位置坐标通过eventln事件反馈到Java程序中,与规定位置的坐标进行比较,当两者一致时,即进入规定位置,由Java程序通过eventout事件将该信息传入文件中[34]。

4.2.1简单交互的实现

在VRML中,虚拟世界和用户之间的交互是通过一系列检测器来实现的,通过这些检测器节点,使浏览器感知用户的各种操作,比如开门等,这样用户就可以和VRML虚拟世界中的三维对象进行直接交互。简单的交互可以通过VRML内部的传感器的触发与事件、路由体系实现,如鼠标点击时VRML场景中造型发生变化。

演示试验的虚拟元件介绍场景时可以给每个虚拟元件添加了一个Spheresensor,创建了基于鼠标拖动的三维实时交互[35~39]。通过ROUTE域将其旋转值传递给个虚拟元件的rotation域的入口,从而可以使实验者通过鼠标旋转虚拟元件,全方位地观察到虚拟元件的细节。

触动检测器是用来检测用户的触动动作的,其中包括TouchsenS0r节点、Planesensor节点、Cylindersensor节点和Spheresensor节点。图4-8的螺旋测微器，可以操作手柄处进行旋转操作，当系统检测到触动后会根据体验着的操作进行交互反馈，从而取得真实体验。

图4-8 仿真螺旋测微器

Fig.4-8 Simulation micrometer screw

4.3实验演示导航与信息提示

为了使实验演示和操作更加直观，针对实验演示与操作流程,必须为学习者导航提供控制实验的操作按钮控件,在演示界面中，创建导航提示，例如前进后退键，实验步骤，实验目的，现象与分析等导航栏[40]；在屏幕的侧边还设置操作步骤说明，提示接下来的操作步骤；在操作过程中会有下一步操作的声音提示，提醒下一步的操作步骤及注意事项，并进行适当的讲解和说明；在操作过程中还会弹出警示或者提醒的窗口，如“注意试管中有什么现象发生？”等，有些系统操作错误的步骤，有扣分处理系统，实验结束后有实验得分，实验结果和相关数据，可以查阅，详见图4-9。

图4-9 实验演示导航与信息提示

Fig.4-9 Experimental demonstration navigation and information presentation

4.4虚拟实验场景的优化

虚拟实验教学系统是基于网络实现的,其中虚拟实验场景的VRML文件最终要通过hitemet进行发布。本实验环境在建模时采用了Vrm1Pad与3DSMax编辑工具生成VRML文件,对于复杂的模型利用3DSMax建模精确度较高,信息量也较多,以致VRML文件过于庞大,影响传输时间与浏览效果。因此,需要事先对文件进行优化,再将优化后的文件发送出去,以提高传输效率,得到较好的运行效果[41]。

(l)强化VRML本身的建模能力。VRML定义了类型丰富的节点类型,包括基本几何形体,如Box、sphere、eone等,构造几何形体,如Extrusion、hidexFaceset等。在建模时,对于简单的三维形体,如试验机加载部分的立柱、试件等,应当有效使用自身的节点造型;对重复使用物体造型,可采用DEF与USE;使用原型节点,如先定义一个导航按钮原型,再通过指定其具体属性将其实例化生成多个按钮对象。对于复杂的部件,则可考虑3DSMax进行建模,而且可使用其提供的模型优化器,减少文件量[42~45]。

(2)分割复杂场景与动态增删节点。用加ine节点可以将复杂的VRML场景分成几个较小的与较简单的场景,Inline节点在视点离它足够近时才被读取与装载,因此可实现大场景分阶段下载与装入。改善了系统执行性能;同时可动态地改变实验场景,添加与删除实验仪器与设备。

(3)优化与压缩VRML文件。VRML文件是ASCII类型描述的,其中有许多不必要的回车符、空格符和TAB符,去掉这些字符可减少文件量,减少传输时间;将优化后的VRML文件压缩,让浏览者下载到本地的浏览器上,再解压,这样既节省了下载时间,又不影响浏览效果。

4.5 实验环境与Web页的合并、浏览

创建好VRML虚拟实验环境后,将实验环境(VRML场景)与Web页面及其他媒体结合,给用户提供一个更为直观且交互性强的虚拟实验环境。通过VRML插件与Java Applet接口连接,把虚拟实验发布在web服务器上,可以实现远程实验教学。学习者只需接入Internet就可对虚拟实验进行远程浏览与交互操作。VRML本身是HTML的3D模拟,能够合并到网页中[46~48]。通常,浏览器为一个VRML文件单独打开一个窗口,但通过embed或object标签在HTML文件中像使用插件的方式插入VRML文件。这样,将三维立体信息与二维的平面媒体信息嵌入在同一个网页中,平面网页部分用文字、视频、音频等多媒体信息对虚拟的实验环境进行解释与说明,从而学生既可以在虚拟实验环境与网络其他资源切换,同时又能方便浏览实验仪器及其介绍,最终构建一个更生动直观、更具交互性能的虚拟实验教学系统。

综上所述,可以根据虚拟实验教学策略的设计步骤,结合VRML与3DSMax,创建可交互的、多媒体的三维虚拟实验空间;结合实验实际的操作情况,设计出具有相关实验功能的关键造型,力求实验模拟过程准确,操作响应及时等;考虑到实验者的不同需求,实验设计了具有交互性的演示模块与虚拟操作模块;采用VRML与Web页面相结合的方法,为学生提供了形象的、友好的、可共享的人机交互环境,充分发挥学生的主动性,促进自主学习,提高教学效果[49]。

 5 总结与展望

5.1 总结