浅析虚拟实训教学环境研究与构件

程新丽　苏雪

摘 要：3D可视化平台设计技术和多媒体通信技术是虚拟实训教学环境的实现的关键技术。首先阐述新一代虚拟实训教学环境的研究现状及发展趋势给出新一代虚拟教学环境的定义、研究现状，主要对虚拟教学环境的体系结构、构建的方法以及如何实现手段进行剖析研究，最后对虚拟实训教学环境前景进行展望。

关键词：虚拟实训 教学环境 构建方法 体系架构

中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2013）005-159-02

1 概述

3D可视化平台设计技术和多媒体通信技术是虚拟实训教学环境的实现的关键技术。本研究首先介绍了新一代的虚拟实训教学环境研究现状以及发展趋势。进一步研究和分析了新一代虚拟教学环境的定义、研究现状、构建方法、体系结构及实现手段。随后对虚拟实训教学环境构建的关键技术3D可视化平台设计技术和多媒体通信技术进行了探讨与解析。对于3D可视化平台设计技术的研究，主要阐述了适应互联网应用开发的Web3D技术最新趋势，特别是对基于Javascript的WebGL及其引擎SpiderGL的分析研究、应用方式和具体实现过程。对基于WebGL进行3D可视平台设计，用户可以使用通用浏览器访问3D可视化平台，体验3D虚拟实训教学过程而在不需要插件的情况下。对虚拟实训教学环境中的语音、视频等多媒体通信技术进行研究是本文最后的关键。主要研究了下一代核心网IMS的系统构成及开发部署过程，以及基于HTML5的多媒体通信系统的开发和部署过程。

2 虚拟实验教学环境定义

根据虚拟教学环境的特征，我们研究给出如下定义：虚拟教学环境是指利用计算机设备，将高速计算机网络与交互式多媒体工作站相结合，营造出一个可以感知的，相似于现实教学环境的，具备了现实的教学环境中需要的基本功能和大多数的延伸功能，利用虚拟现实技术表现出的一种教学环境。

3 国内外研究现状及分析

虚拟环境（Virtual Environment）技术是一项从计算机图形学派生出来的新技术，是VR技术的核心内容。从其诞生至今，此项技术就强调用户以自然方式与虚拟世界中的对象进行实时交互，以触摸、聆听、沉浸其中进而体验虚拟的三维世界。虚拟（环境）实验室概念的提出至今仅20余年，但由于应用前景是很广阔。它可应用于建模与仿真、科学计算可视化、设计与规划、教育与训练、遥作与遥现、医学、艺术与娱乐等多个方面。

目前，虚拟实验室的建设在发达国家已经相当普及。日本开发了宇宙开发地面实验平台。其实，很早以前美国就有将虚拟实验室作为其科研发展的战略规划项目。首先提出虚拟实验室概念，并具有雄厚的科研实力和强大财力的美国，从一开始就十分重视虚拟实验室的研究与开发，他们在该领域的研究己处于领先地位。另外，许多国外的大学己组建了远程虚拟实验室，例如：在意大利帕瓦多大学建立了远程虚拟教育实验室；在德国的汉诺威大学建立了虚拟自动化工作平台；在新加坡国立大学开发了远程示波器实验和压力容器实验。总之，国外已出现了几种用于e-learning的远程虚拟教学系统，能够提供虚拟教学环境，并且已经实现了实用化。

国内出现有关虚拟实验的最早一篇文章是发表在《国外电子测量技术》1997年第3期上的《虚拟电子实验平台》，讨论了以计算机为平台的电子实验台的构成及原理，并给出了以ElectronicsWorkbenchV4.0为实验台的电路实验例子和在计算机上做电路实验的实验方法。

由于虚拟现实技术的特点，它的实际应用在理工科的教学中应有较大作为。武汉大学投资1200多万元建成的虚拟现实实验室。华中科技大学机械学院工程测试实验室将其虚拟实验室成果在网上公开展示，供远程教育使用；四川联合大学基于虚拟仪器的设计思路，研制了航空电台二线综合测试仪组成虚拟仪器系统；复旦大学、上海交通大学、暨南大学等一批高校也开发了一批新的虚拟仪器系统用于教学和科研等。

4 研究方案及技术路线

4.1 研究方法

虚拟实验教学研究属于应用基础研究，在注重理论分析的同时，更加注重实验研究。项目研究的最大特色是将负荷均衡技术和分布式技术结合，以提升系统性能和适应性。同时注重开放性，以提高研究成果的实用价值。

4.2 技术路线

4.2.1 虚拟实验教学环境构建

4.2.2 虚拟教学环境设计流程

在环境、资源及用户建模中，数学模型的建模过程基本相同（如SPICE模型）。过程如下：（1）建立基本模型；（2）确定参数；（3）加入随机误差和随机化初始条件。

为了达到逼真的模拟场景、仪器和元器件的外形和操作的效果，虚拟实验一般采用三维建模和绘制技术进行环境、资源和用户的实体建模。

实体模型包括静态部分和动态部分。静态建模是指建立虚拟实验中个对象模型的所有三维几何模型-仪器、元器件和场景。动态建模是使用Canvas、Frame copy、掩码透明贴图等动态绘制技术来实现实验对象的动态变化（电路搭接操作、示波器波型变化、仪表表盘指示等）。

实验仪器及元器件是一个个独立的实体，因此，采用面向对象技术对虚拟实验进行建模是非常合适的。面向对象的建模过程分解为如下步骤（如图1）：（1）确定系统中虚拟器件对象；（2）确定每个虚拟器件的属性和动态行为，将其映射为对象的属性值和行为；（3）确定每个虚拟器件对象的接口。

5 研究前景展望

虚拟教学环境中，3D可视化平台（虚拟现实场景的展示）和多媒体通信平台（互动学习过程的支撑）的构建是关键。WebGL是3D可视化平台设计的技术发展趋势，开源SpiderGL是一个可行的基础。多媒体通信平台有两种构建方案，基于HTML5的方案更符合Web应用开发潮流。目前我国的宽带网工程也已经取得了很大的成就，ADSL，光纤网等正逐渐成为网络的主流，网络带宽已经可以负担虚拟教学环境的数据传输。抓住当前机遇，利用虚拟教学环境为e-learning远程教学提供更为直观和逼真的学习条件，有利于学习过程的开展，推动我国的e-learning和远程教学事业水平的提高。

参考文献：

[1] Draft ETSI TS 182 027 V0.0.9 （2007-04），Telecommunications and Internet converged Services and Protocols for Advanced Networking （TISPAN）；IPTV Architecture；IPTV functions supported by the IMS subsystem，ETSI Technical Specification Draft，2007.

[2] M.Siebert，B.Xu，M.Grigat，E.Weis，N.Bayer，D.Sivchenko et al.ScaleNet–Converged Networks of the future.it–Information Technology of Informatics and Information Technology 48 5/2006. October 2006，Oldenbourg Wissenschaftsverlag，ISSN 1611-2776，pp：253-263.

[3] 李兴敏，叶成林.下一代互联网及其对E-learning的影响[J].电化教育研究，2006（7）.