探析虛擬現實技術在實驗教學中的應用內容摘要:本文對虛擬實驗系統的特點做了介紹,指出了虛擬技術在實驗教學中的優勢,并給出虛擬實驗系統構建的基本思想以及系統構造,論述虛擬現實技術在實驗教學中的應用手段和方法。本文關鍵詞語:虛擬現實教學交互實驗一直都是與教學息息相關的主要活動之一。它能夠使學生更好地感受、理解知識的產生和發展經過,讓枯燥的理論知識變得形象,易于理解。實驗不僅能幫助學生穩固理論知識,提升通過實驗手段探尋求索科學知識的能力,還能激發學生探尋求索未知的興趣,加強創新能力。然而,當下實驗方面存在的眾多難題卻嚴重限制了教學質量的提升。如實驗成本過高,進行實驗的儀器和設備往往代價昂貴,實驗材料也比較貴,而且有些實驗儀器損耗較大,需要經常更新。而很多學校在實驗經費上又左支右絀,要么是實驗配套的設備和儀器不完善,要么就是儀器設備陳腐過時。即便有完善的較新的實驗設備,傳統實驗在空間和時間上的限制可以能無法知足大量學生同時進行實驗的需要。為了緩解實驗教學的壓力,提升實驗教學的質量,能夠采取虛擬實驗系統來輔助實驗教學的開展。一、虛擬現實技術虛擬現實技術(ⅵrnjalreaj時,簡稱vr技術)出現于2060年代,隨著處理器技術的大幅度提升以及圖形繪制技術、數字技術、傳感技術的發展,近幾十年來在國內外構成了對虛擬現實的研究熱潮。虛擬現實系統提供了一種先進的人機界面,它通過為用戶提供視覺、聽覺、觸覺等直觀而天然的實時感悟交互的方法和手段,最大水平地方便用戶的操作,進而減輕了用戶的負擔,提升了系統的工作效率。虛擬現實技術具有3個突出特征:沉浸性、交互性、想象性。虛擬現實系統由兩部分構成:一部分為開創建立的虛擬環境,另一部分為參與者。虛擬現實的核心是強調兩者之間的交互操作,即反映出人在虛擬環境中的體驗。我們能夠給出如此圖1的虛擬現實的概念模型。二、虛擬實驗系統1.虛擬實驗系統的特點(1)分享水平高。虛擬實驗系統不同于傳統實驗在地域和時間上的限制,它不僅能夠承受當地用戶的訪問,有訪問權限的異地用戶可以以使用系統。而且也無需考慮使用時間的問題,實驗者能夠隨時進行實驗。虛擬實驗系統為用戶提供了一個能夠在任何時間、任何地點訪問的實驗環境,極大地提升了信息與實驗資源的分享水平。(2)強大的交互能力。為了向用戶提供一個真切的實驗環境,虛擬實驗系統往往都具有強大的交互能力,實驗者和虛擬實驗對象之間能夠通過鼠標的點擊或者拖曳操作進行交互,實驗者能夠實時地觀看實驗現象和實驗結果。(3)支持協作。虛擬實驗系統提供了多種方式來完成用戶間的信息溝通。2.虛擬實驗系統的建模怎樣構建教學型虛擬實驗系統,使其能夠擁有豐富的實驗內容表現方式、提供形象生動的實驗內容,讓讓學生實現從感悟到理解的經過,一直是研究教學型虛擬實驗系統的熱門問題之一。虛擬實驗系統的構建是將多種技術綜合運用,首先構建實驗經過所需要的各種儀器設備,對于場景進行建模。三維虛擬場景模塊的建立是以某一實景為基礎的,因而在虛擬場景建模之前需要對實驗室環境進行實地考察并對建筑物進行挑選,進而構建具有真實感的實驗環境。對于儀器設備完全用ⅵml語言建立復雜的三維模型是相當煩瑣的,而且建模方法缺乏直觀性,而3dsmax強大的三維建模功能以及對具有轉換為v文件格式輸出的功能,使其在三維虛擬場景中廣泛應用。我們在實際的建模經過中根據要建立模型的特點選擇建模方法。簡單模型,直接采取vrml中簡單幾何體拼貼紋理的方法,對于復雜場景則采取3dsmax建模后以vrmi,文件格式輸出。當然在虛擬實驗的建模經過中的龐大建模工作量對軟件的建模效率以提出了很高的要求,于是,在該建模經過中我還采取了高效的照片建模軟件canoma,canoma是metacreations公司(即如今的vie、vpoint公司)的軟件產品,利用它能夠讓我們無需建模,即可直接從一張或幾張照片制造三維模型,由于使用真實照片直接生成三維模型,所以效果非常真實;而且cailoma可生成網絡使用的vrm,文件格式。為了能夠反映真實儀器設備的特性,有時還采取flash技術來到達儀器設備外觀的真切性,并提供一些基本的交互。3.虛擬實驗系統中的交互交互性是虛擬實驗系統中的一個主要問題。一類是用戶在瀏覽場景的時候,重要的輸入設備就是鼠標,這時候檢測器實際上是檢測用戶對于鼠標的各種操作動作,如鼠標的單擊、指向、拖動等等,進而場景做出相應的反應。檢測這類動作的監測器是接觸型監測器。描繪敘述這類監測器的節點有接觸監測器節點touchsensor以及planesensor節點、spheresensor節點、cylindersens0r節點;另一類是用戶和場景中某對象接近的水平,對象做出相應的反應,使得用戶和虛擬對象之間構成交互。將所有儀器設備成功地參加到場景當中之后,用戶應該能夠隨意地拿起自己需要的實驗器材進行實驗,所以要提供用戶選取實驗器材的接口。當用戶在選擇某件儀器,為了提供應用戶選擇的接口,我們在實驗儀器原型中設計了供用戶選擇的按鈕。假如選中時就能夠點擊按鈕“tal(e,無需使用就只重點擊“放回〞按鈕。由于用戶需要與系統進行交互,同時系統需要根據用戶的選擇與后臺數據庫進行通信,因而我們使用javaapplet。applet具有良好的網絡傳輸透明性,圖2顯示了瀏覽器通過appl訪問數據庫的整個經過。三、虛擬實驗集成的系統構造1.軟件程序集成軟件程序是虛擬實驗系統的主要內容,是系統的靈魂所在。在虛擬實驗系統中,我們將軟件程序部分根據條理化和模塊化的設計形式進行集成。集成化的軟件程序根據集成度的大小分為不同條理的模塊,分屬不同條理的模塊充足具體表現出了整體和部分的關系,各模塊都能夠看成是下一條理多個模塊集成的整體,每一個模塊又都能夠看成是上一條理模塊中的一部分,各條理之間互為整體和部分的關系為系統構造構架提供了靈敏的方式。2.系統功能集成系統功能集成是建立在軟件程序集成的基礎之上的,系統功能集成是系統構造集成的主要具體表現出,系統構造的有效集成度是系統功能集成的主要基礎。在虛擬實驗系統中,軟件程序的集成保證了系統功能在不同層面上的集成度和在各層面之間的靈敏性。以不同集成度來構成的系統功能整體在系統構建、修改、維護等方面起到了主要的構造化支持作用。3.儀器軟面板集成儀器軟面板是虛擬實驗系統的主要特色之一。在傳統實驗系統中,儀器設備一般會自帶一個顯示屏,以及相關的操作組件和按鈕來構成一個操作面板,這個面板的形式以及各組件和按鈕的功能是固定的,不能修改和設置。在虛擬實驗系統中,各種儀器設備的操作面板集中顯示在計算機的顯示屏幕上,這種面板由軟件程序來構成和設置,由鍵盤、鼠標以及其他的外部輸入設備來控制,面板的形式以及各組件和按鈕的功能能夠根據需要自定義,能夠將多個儀器的面板組合在一起,可以以將某一個儀器的面板簡化。儀器軟面板形式和功能上的這種靈敏性恰是系統集成度的具體表現出。4。網絡集成網絡的出現使得分布式構造成為可能。在虛擬實驗系統中,我們通過網絡能夠突破時間和空間的限制,將更多的協議方和操作方以一定的集成度集成在一起,共同完成實驗項目。我們在談集成性的問題的時候,一定是和相應的分散度聯絡在一起的,就好像整體和部分之間的關系,每一個整體都能夠看作更大的整體的一部分,而每一個部分又都能夠看成更多小部分的整體。網絡的分布式保證了系統構造的集成性。四、虛擬實驗教學應用的優勢從虛擬實驗的技術優勢和實驗教學的現在狀況需求出發,其優勢重要具體表現出在下面幾個方面:1.資源開放從虛擬實驗的技術實現角度來看,實驗教學中的有效資源全部開放,這使得實驗項目從開發到操作,再到后期數據處理與實驗課程的復習全部開放給學生,學生能夠利用系統軟件程序模塊和實驗項目設計模板等幫助實驗設計方案的構成與開發;利用數據分析與處理工具包進行實驗數據的分析與處理,獲得規律性認識:老師的指點性意見、學生的溝通信息和實驗故障和誤差分析等信息資料,能夠幫助學生在實驗課程總結和復習中揚長避短、穩固知識。2.組織形式開放虛擬實驗將實驗資源、實驗項目開發和實驗操作等網絡化、平臺化,因而實驗內容、時間以及地點等組織形式是開放的具備可選擇性。針對當前實驗教學需要跨學科、跨地域、多項實驗同時開展等現在狀況要求,虛擬實驗所具備的組織形式開放性為實驗教學形式的擴展提供了技術預備。3.對象開放虛擬實驗的網絡功能能夠根據不同的對象設置不同權限的系統身份,實驗參與人員各取所需,實現學習和溝通的目的。在實驗教學中,對象的身份基本分為三種條理和三種身份。三種條理指的是系統管理員、老師和技術人員、學生。三種身份是針對學習者而言的:實驗課程參與者、遠程實驗課程學習者、實驗喜好和探尋求索者。五、總結本文將虛擬現實技術引入到實驗教學環節中,這在一定得水平上提升了實驗的開放水平,降低了實驗的成本,較好地激發了學生對于實驗環節的興趣和主觀能動性,但在虛擬實驗設置經過中的交互問題還是一個值得討論和研究的重要問題。以下為參考文獻:【l】徐學軍.高校實驗教學要加強學生創新能力的培養【j】.經濟師,2004,(4).【2】徐婷.教學型虛擬實驗通用平臺的研究與應用【d】.重慶大學學位論文,2006.11.【3】朱敏.虛擬實驗與教學應用研究【d】.華東師范大學博士學位論文,2006.6.