基于虚拟现实仿真的教学实验室研究

柴　群　张世禄　李　佳

摘要 利用虚拟现实的“3I”特性和计算机仿真的有机融合所建立的各种虚拟现实仿真实验室在教育上应用前景广阔，尤其在物理、化学、生物等需要实验的学科中更是如此。分析实验教学的现状，结合虚拟现实仿真研究的成果，对建设虚拟现实仿真教学实验室的一种实现方式进行探讨。

关键词 实验教学；计算机仿真；虚拟现实；虚拟现实仿真教学实验室

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1671-489X（2009）04-0062-03

Based on Virtual Reality Simulation Teaching-Laboratory Research//Chai Qun, Zhang Shilu, Li Jia

Abstract The use of virtual reality“3I”and the characteristics of the organic integration of computer simulation created by a variety of virtual reality simulation lab in education and broad prospects, especially in physics, chemistry, biology and so on need to experiment, especially in the disciplines. This thesis analyzes the experimental teaching of the status, the combination of virtual reality simulation results, building on the Virtual Reality Simulation Teaching-lab to explore one of the ways to achieve.

Key words teaching experiment；computer simulation；virtual reality；virtual reality simulation Teaching-lab

Authors address West China Normal University, Department of Educational Technology, NanChong, Sichuan637000

实验教学，在对学生科学素质、创新能力和研究能力的培养方面起着非常重要的作用，是理论教学所不能替代的。有很多实验都是当时科技发展的突破性成果，有的实验对概念的深化、对总结规律和规律的解释作出巨大贡献，是培养学生科学素质不可缺少的内容。实验教学应当在教学过程中与理论教学具有同等重要的地位[1]。

但是长期以来，在实验教学中，学生缺乏个性和创造力。很多学生在做实验时，只是按照实验指导书上的要求，按部就班地完成，遇到问题时不去寻找解决问题的方法，而是等待教师去解决，最后机械地填写数据。还有不少学生对进行实验的目的存在认识上的错误，他们认为实验只不过是验证书本上的理论知识，缺乏对实验的兴趣，其结果就是对待实验的态度马马虎虎，敷衍了事。这样的实验教学很难培养学生的实际操作能力和创造力。

造成这种现象的原因是多方面的。

1）实验课教学的单一性。目前实验课内容过多的属于验证性实验，主要用于验证书本知识和重复前人的经典实验。学生由于缺乏时代背景知识，很难体会其意义，因此兴趣不高，也就很难激发学习兴趣。

2）实验课开课不足。其中主要的原因是顾虑仪器的损坏和器材的消耗，从而增加实验开支，以及学生实验安全。有些精密的现代实验仪器非常昂贵而且易损坏，有一些学校出于资金投入的考虑只是买入而不使用；有些实验（如化学中的燃烧实验、酸碱实验）在进行时存在一定的危险，学校出于安全考虑，很少开设这部分实验或者即使开设也是进行演示性实验；有些实验周期较长（如种子培育实验），在规定的时间里学生很难理解其实验原理，很多学校为了节约时间，很少开设这些实验课。

针对实验教学中存在的问题，很多学者提出利用计算机仿真技术进行仿真实验。所谓计算机仿真技术（Computer Simulation），是一个通过建立与真实系统相对应的数学模型并在计算机上解算的过程。它涉及3个要素（物理系统、数学模型、计算机）和3个基本活动（系统建模、仿真建模、仿真实验），它们之间的关系如图1所示[2]。

计算机仿真技术用于实验教学有很多优点，主要表现在：节约资金投入，一次投入可多次使用；可以进行安全的实验，实验室不必考虑仪器的损坏、对身体造成伤害，可大胆进行各种尝试，不受课时和课堂的限制；高逼真度的计算机仿真实验可以激发学生的学习兴趣。

鉴于计算机仿真的特点，目前许多学校都利用计算机仿真进行实验。主要应用于：常规教学；进行高难度实验，如行星碰撞实验等；进行危险系数很高的实验，如汽车碰撞实验等；进行周期漫长的实验，如小麦育种实验等。

但是这种仿真技术在实验教学中存在一定的局限性。首先，在这种仿真技术中人是观察者。计算机仿真系统在工作时，虽然可以为仿真过程及结果添加文本提示、图形、图像或动画来保证仿真过程的直观性，但是人只是观察者，通过观察获得结果，而非自身体验。其次，仿真实验是“静态”的，缺乏交互性。所谓交互性（Interaction），是指用户对虚拟环境内的物体的可操作程度和从环境得到反馈的自然程度（包含实时性）[3]。这种计算机仿真技术无法模拟人对外部环境的感知（听觉、视觉、触觉等）。如在进行失重仿真实验时，人无法亲身去体验失重的感觉；在进行重量实验，人抓起被仿真的物体时，无法感觉物体的重量。

鉴于此，研究人员结合虚拟现实技术及计算机仿真技术的特点，提出虚拟现实仿真的技术。虚拟现实技术是在计算机技术支持下的一种人工环境，是人类与计算机及其复杂的数据进行交互的一种技术。通常虚拟现实系统具有“3I”特性：沉浸性（Immersion）、交互性（Interaction）和想象性（Imagination）。另外，从目前发展的状况来看，虚拟现实系统还具备多感知性（Multi-Sensory）。多感知除了指一般计算机技术所具有的视觉感知外，还有听觉、力觉、触觉、运动、嗅觉、味觉的感知等，理想的虚拟现实技术应该具有一切人所具有的感知功能。但是由于受到传感技术的限制，目前虚拟现实技术所具有的感知功能仅限于视觉、听觉、力觉、触觉、运动、嗅觉。根据临场参与感和交互方式的不同，虚拟现实系统可分为桌面虚拟现实（Desktop Virtual Reality，Desktop-VR）系统、沉浸虚拟现实（Immersive Virtual Reality，IVR）系统、分布式虚拟现实（Distributed Virtual Reality，DVR）系统、协同虚拟现实（Collaborative Virtual Reality，CVR）系统[3-6]。

融合了虚拟现实和计算机仿真系统的虚拟现实系统，具有二者的优点，用户在使用这种系统时，仿真系统不仅能够自主运行，而且用户能够“走进去”，不仅具有良好的交互性和沉浸感，还具有很高的逼真度。这样既可以满足人通过运行仿真模型获取必要的数据和对系统动态性能的认识，而且还能体会到真实系统运行过程的场景，从而真正实现“人在回路中（Man-In-Loop）的仿真” [3]的梦想。

虚拟现实技术本身是多种高科技技术的综合体，实际工作中需要各个领域的专家，花费大量的时间、金钱、精力，相互协作来建立一个虚拟现实系统，并不是每一个教育教学单位所能负担起的。但是在实际工作中，主要关注的是仿真，而在仿真领域关心的不是图形/图像处理、定位跟踪设备等，而是仿真建模、仿真过程的演示、仿真结果的分析与表现等。比如，结合VRML（Virtual Reality Modeling Language，虚拟现实造型语言）、Java Applet及VWP（Virtual World Player，虚拟世界播放器）就可以在PC机上实现一个功能强大的虚拟现实仿真系统。尽管VRML可以用来构造虚拟的世界，但是从仿真的观点来看，纯VRML构造的虚拟世界是“静态”的，所有的运动及反应行为都是预先定义好的。因为大多数的VWP都支持Java、JavaScript及VRML Script语言，所以可以利用VRML中的Script节点作为Java的接口能力来扩展其功能。VRML、Java Applet及VWP三者关系图如图2所示。

VWP读取并解释VRML文件和Java Applet来构造虚拟世界，VRML创建一个预定义好的虚拟世界，而Java Applet是告诉VWP这个世界是如何动态地运转。实际上，Java Applet就是虚拟现实仿真系统的仿真驱动核心，它控制仿真的运行，收集仿真统计数据，动态地添加、删除仿真实体等。VRML文件只不过是用来描述仿真的环境布局，而诸如物体自由转换视角、碰撞、相应用户的操作等都是由VWP来处理的。这样一个复杂的问题就变成一个相对容易的工作，即用Java Applet来实现仿真工作。目前支持仿真的Java的产品有很多，如Simkit、JavaSim、JSIM、SimJava、Silk等[7]。

解决了基础的问题之后，就可以接着讨论怎样实现的问题。一般虚拟现实仿真实验可以分为2类[8]：“演示型”实验和“操作型”实验。“演示型”实验只是对实验现象进行演示，实验者仅为观众。这类实验仿真系统缺乏交互性，实现也比较简单，本文不做讨论。而“操作型”实验，实验者亲自参与实验，是实验的主导者。这类仿真实验执行起来主要面对2个方面。

1）实验现象的演示。即当一定的实验操作进行时，实验结果的表示问题。在VRML中，动画主要依靠一个时间传感器和一些内插点来控制场景的动画效果。其基本的方法就是时间检测器（TimeSensor）给出一个控制动画效果的时钟，这个时钟包含动画效果的开始时间、停止时间、时间间隔和是否循环等动画参数，然后通过这个时钟的输出在VWP中显示。

2）虚拟仪器的操作实现，如虚拟仪器的移动、放置、虚拟物品的加入/减出等，即如何实现用户与虚拟仪器间的交互。

在VRML中，可以在一般的Shape节点上加上类似传感器（Sensor）的节点，这些传感器节点可以感应用户的操作，从而做出反应。前文所提到的单用VRML无法实现动态仿真，必须加入Java Applet来完成一系列复杂交互过程。因此，要想实现虚拟现实仿真实验的强大交互功能，必须VRML、Java Applet紧密结合。

前文所提到的虚拟仿真实验都是用于单人，然而在现实生活中，有些实验需要多人分工协作才能完成。解决此类问题可以引入DVR，建立分布式虚拟现实仿真实验室，协作者可以利用此系统参与协同实验。如果再引入CVR技术，如虚拟空间会议系统（Virtual space teleconferencing，VST），教师也可以参与其中对实验注意事项进行讲解或对学生进行单个辅导。这样就可建成一个基于PC机和Internet的，有教师、学生共同参与的协同式虚拟现实仿真实验室。

虚拟现实仿真实验室的应用，不但可以极大地提高学生的学习热情、动手能力，激发学生的创新精神，而且可以实现实验资源的共享，缩短教育投资差距。笔者相信，随着虚拟现实软硬件的不断完善，性能的不断提高，尤其是计算机价格的不断下降，虚拟现实仿真实验室将在未来的实验教学中获得广泛的应用。

参考文献

[1]辛旭平.仿真与物理实验[J].大学物理实验,2005(3):106

[2]吴旭光,杨惠珍,王新民.计算机仿真技术[M].北京:化学工业出版社,2005:5

[3]韦有双,杨湘龙,王飞,等.虚拟现实与系统仿真[M].北京:国防工业出版社,2004:1-4,190-194,210-211

[4]刘向铜,熊助国,曹秋香.虚拟现实技术的若干问题及发展展望[J].水利科技与经济,2006(5):325

[5]张茂军.虚拟现实系统[M].北京:科学出版社,2001:241-270

[6]周祖德,陈幼平,等.虚拟现实与虚拟制造[M].武汉:湖北科学出版社,2005:27-29

[7]党保生.虚拟现实及其发展趋势[J].中国现代教育装备，2007（4）：95

[8]肖俊,王邯,冯刚.基于VRML的虚拟实验研究[J].计算机与数字工程,2003(1):59