VRML 在CAI课件设计中的应用研究

吴 迪 ,张文胜,刘 军,徐 朋,部德才,王 蔚,李学慧

(大连大学,辽宁 大连 116622)

VRML 在CAI课件设计中的应用研究

吴 迪 ,张文胜,刘 军,徐 朋,部德才,王 蔚,李学慧

(大连大学,辽宁 大连 116622)

通过利用VRML制作NaCl分子晶体模型和机械横波传播模型,研究了VRML在计算机辅助教学中的应用。体现出虚拟现实技术在CAI教育中应用的优势。

VRML;实验;课件

随着社会科学技术的迅猛发展,信息技术逐渐渗透到人们的生活和学习之中。特别是在中国教育改革和新课程改革的今天,计算机辅助教学在变革传统教学模式过程中起到了积极的作用。而课件又是计算机辅助教学的灵魂,因此,制作出好的课件,才能使得计算机辅助教学的作用得到更大的发挥。虚拟现实(Virtural Reality简称VR)技术作为一种集视、听等多种直观而又自然的现代教学媒体技术,在教学中越来越占据着重要的位置[1-2]。目前CAI课件多半是文字叙述加上仪器图片展示,或有动画描述实验过程,这一过程也是事先由程序编制者设定好的,与实际相差甚远。现有的三维模拟实验因其开发工具及生成图像存在文件较大等原因,很难在互联网上推广使用。而VRML开发的虚拟实验不仅做到生成文件小,还可实现实验场景的动态仿真控制,在一定程度上弥补了传统实验中出现的不足,其发展前景十分诱人,特别是与互联网络的结合,更是人们所梦寐以求的。因此,把虚拟现实技术应用于教学中必将对教育、教学质量的提高,学生学习兴趣及能力的培养起到重要作用。

VR的三维图像在生动直观性上优于二维图像,所包含信息也多于二维图像,并且具有强大的交互能力和虚拟现实能力,实现以人为中心、更具人性化的教学。VRML在CAI中的应用必将带来教学领域新的潮流[3]。

1 VRML简介

VR技术是20世纪90年代以来兴起的一种新型信息技术,是一种新的人——机界面形式。它追求将传统的计算机从一种需要人用键盘、鼠标对其进行操作的设备变成了人处于计算机创造的人工虚拟环境中,以自然方式与虚拟环境交互作用、相互影响。虚拟现实技术具有三个基本特征[4]:(1)沉浸性。虚拟现实技术是根据人类的视觉、听觉的生理心理特点,由计算机产生逼真的三维立体图像,使用者如同置身于虚拟环境中,使用者体验现实世界等同的感受以及在现实世界中难以经历的体验。(2)交互性。虚拟现实系统中的人机交互是一种近乎自然的交互,使用者不仅可以利用电脑键盘、鼠标进行交互,而且能够通过特殊头盔、数据手套等传感设备进交互。使用者通过自身的语言、身体运动或动作等自然技能,就能对虚拟环境中的对象进行考察或操作。(3)多感知性。由于虚拟现实系统中装有视、听、触觉的传感及反应装置,因此,使用者在虚拟环境中可获得视觉、听觉、触觉等多种感知,从而达到身临其境的感受。

VRML是一个三维造型和渲染的图形描述性语言,它把一个“虚拟世界”视为一个“场景”,而场景中的一切都视为“对象”,对每一个对象的描述就构成了 WRL文件[5]。在运行时,由VRML浏览器解释并通过图形卡实时绘制生成一个动态的虚拟世界。VRML是面向网络的虚拟现实技术。由于VRML是一种三维造型和渲染的图形描述性语言,因此其生成的WRL文件是记录虚拟场景的描述,而不是实际创建的模型,这样由VRML的文件相对于其它图形媒体就非常小,适合于网络传输。VRML的图形是“实时”渲染的,场景渲染的实时性导致了在虚拟场景中的人机可交互性。VRML可以通过视点变换实现用户在虚拟场景中漫游,可以全方位观测虚拟物体。VRML提供了多种的内插节点和传感器节点来提高它的交互性。

VR技术能够为学生提供生动、逼真的学习环境,学生能够成为虚拟环境的一名参与者,在虚拟环境中扮演一个角色,这对调动学生的学习积极性,突破教学的重点、难点,培养学生的技能都将起到积极的作用。VR很好的改善了教育环境和手段,使得学生可以直接接触当代最先进的科学技术成果,同时也为学生发挥自己的创造性提供了一个良好的场所。

目前VRML在教育领域中的应用已成为VRML应用的热点。本文的动态模型就是利用VRML制作的机械波动态传播演示实验模型,帮助学生更好的理解波传播的实质,更好的激发学生的学习兴趣,方便老师的讲解,提高教学质量。传统的学习情境的是教师事先安排好的,学生只能被动接受,而虚拟实验则不然。学习者能自主地选择或重组虚拟实验环境,自我控制实验过程。在教师的引导下,自行完成学习内容,充分激发学生的学习热情,提高学习效率;同时也有效地提高学生的动手能力,培养学生分析问题和解决问题的能力。

2 CAI课件设计实例

2.1 NaCl分子晶体模型事例设计

为了视觉效果更好,要创建背景颜色,黑色更容易衬托,因此多采用黑色为背影颜色,其次,创建一个边长为2个VRML单位的立方体BOX,为了使整体看起来更方便,设定立方体的颜色及透明度。定义红色球体代表Na离子,绿色球体代表Cl离子,根据NaCl分子晶体的空间点阵结构,确定不同离子的空间坐标位置,完成整个模型的设计。

(1)创建背景节点,天空色为黑色,R/G/B都为0;

(2)定义一个边长为2个单位的Box,同时设置它的材料颜色、透明度等;

(3)创建大小球体来表示氯和钠离子,确定坐标、颜色、透明度及半径;

(4)确定球的坐标,通过引用 USE就可以完成整个NaCl晶体模型设计。

要想观看VRML文件生成的三维交互世界,需要VRML播放器[6,7]。常见的VRML播放器有MicrosoftVRML播放器和CosmoPlayer播放器,这两种播放器的功能差不多。若计算机系统用的是Internet Explorer4.0以上版本,则有可能已经内置了VRML播放器。如果计算机系统不能打开VRML文件,可以从网上下载VRML播放器插件,安装到浏览器上。本文使用 CosmoPlayer播放器,操作界面如图1所示,是从不同角度观察的结果。

图1 NaCl晶体模型操作界面

VR能够以较低的成本改善教育环境和手段,也为学生发挥自己的创造性提供了一个良好的实验场所。例如学生在学习NaCl分子晶体模型时,可以根据自己的需要,从前后左右上下,甚至从内部来观察NaCl晶体模型的构造,仿佛置身其中(见图1)。学习者自始至终处于主体地位,充分激发了学生的学习热情,提高了学习效率;同时也有效地提高学生的动手能力,培养学生分析问题和解决问题的能力。

2.2 动态机械波传播模型事例设计

机械横波的传播理论是通过波源的振动依次带动附近质点的振动,从而形成波,传播出去。

设计过程:

(1)创建背景节点,添加一个时钟传感器;

(2)创建水平轴及尺寸大小等参数,创建垂直轴 ,分别取 -20、-10、0、10、20 并确定各项参数。创建节点,分别从-20到20取偶数创建21个柱体,确定他们尺寸的大小及透明度等参数;

(3)创建JavaScript程序,定义振幅、波长,描述函数的映射关系;

(4)确定开始及其他分阶段,创建开始运动、后续运动。创建路线把时钟传感器和程序通过函数形成映射[8]。通过时钟的走动来带动柱体的上下运动,从而实现波的传播,见图2。

ROU TE Clock.cycleTime TOProgram.set_start Time ####begin motion####

ROU TE Clock.fraction_changed TOProgram.set_fraction ####continue motion####

图2 动态机械横波运行界面

学生能够自行操作,从不同的角度进行观察,锻炼自己的观察能力,通过实验(如图2所示),让学生更好的理解振幅、波长等相关的概念。能够让学生更加形象、具体的理解:波是由质点的振动引起的,传播的是质点的运动状态,而不是质点本身。能够用事实来说服困惑学生的知识点,把难点、重点变得简单易懂,使教学信息变得更加丰富,为学生提供更广泛的视野,达到良好的教学效果。

3 结 论

本文在深入学习和研究VRML的基本概念及发展方向和课件制作方法的基础上,对VRML在计算机辅助教学中的应用作了深刻的研究和探讨。成功地完成了NaCl的晶体模型和动态机械波传播模型的设计及运行,并对静态和动态模型的制作过程作了论述,模型在教学中应用的可行性及优越性也进行了深入的探讨,传统教学中存在的不足之处,通过虚拟现实弥补,更好的完成教学过程,实现教育新的飞跃。

[1]郭天太,王引童.虚拟现实技术与增强现实技术[J].机械制造,2003,41(6):7-9.

[2]陈仕品.VRML在多媒体课件中的应用[J].中国医学教育技术,2005,19(4).

[3]王兴建,李丽,陈雪菱,等.基于 VRML和JAVA的交互式工程制图Web模型库的建立[J].四川师范大学学报:自然科学版,2005(28):250-252.

[4]黄文丽,卢碧红,杨志刚,等.VRML语言入门与应用[M].北京:中国铁道出版社,2003.

[5]陆昌辉.VRML入门与提高[M].北京.北京大学出版社,2003:201-202.

[6]吴北新.虚拟现实建模语言VRML[M].北京:高等教育出版社,2004.

[7]孟祥东,华中.VRML语言及其在固体物理教学中的应用[J].吉林师范大学学报:自然科学版,2004(5):402.

[8]刘海霞,李仁旺,杨贵,等.基于VRML与Java3D的交互式虚拟物流系统[J].计算机工程,2008,(34):259-261

Study on Design of CAI Courseware with VRML

WU Di,ZHANG Wen-sheng,LIU Jun,XU Peng,BU De-cai,WANG Wei,LI Xue-hui

(Dalian University,Dalian 116622)

The courseware of computer-aided teaching under VRML was studied through the use of VRML model of molecular crystal NaCl and mechanical wave propagation model.Reflect the advantage of virtual reality technology in the application of CAI.

VRML;experiments;courseware

O4-39

A

1007-2934(2011)03-0085-04

2010-07-03

辽宁省教育厅高等学校科学研究项目资助(2008039).