浅谈VRML虚拟实验技术在现代教育技术课程的应用

马阿曼

（武夷学院数学与计算机学院，福建武夷山354300）

浅谈VRML虚拟实验技术在现代教育技术课程的应用

马阿曼

（武夷学院数学与计算机学院，福建武夷山354300）

虚拟实验室是借助网络技术，多媒体技术、VR技术建立的实验系统。虚拟实验室系统的实现模块包括，场景模型，虚拟软件部分，用户界面部分；技术要点包括场景建模，功能设计，用户交互设计。在这个虚拟的实验室里，学生可以自主的控制实验的学习时间和地点，在保证实验效果的基础上，可以很大限度降低建立实验室的难度与实验室资金的投入。作为现代教育技术这门课程实验是其一个重要组成部分，所以开发基于网络的虚拟实验系统并与物理真实实验相结合，能更好的开展实验教学工作。

虚拟现实；虚拟实验；投影媒体

虚拟现实技术自二十世纪六十年代起步，八十年代虚拟现实的研究开始进入到实用化阶断，九十年代以来，计算机技术的快速发展使得虚拟现实技术作为教学领域的一种创新技术[1]。1989年美国的wiiliamwolfWiiliamW教授首次提出虚拟实验室的概念，并把它描述成一个“没有围墙的研究中心”。虽然在我国虚拟现实教育应用发展和国外相比还是有一定的差距，但是现在已经引起了政府及相关部门的重视，虚拟现实的研究会逐步延伸到教育教学领域的各个方面。而虚拟实验室技术的应用前景诱人，也是我们实验教学方式的研究和改革的热点[2]。

虚拟现实技术在教学上的应用，促进了教育教学手段的现代化和信息化[3]。近些年国内在虚拟实验室的研究方面取得了很大的发展，特别出现了很多专业化、应用性强的产品，尤其是在教育领域，虚拟实验室的建设也得到了很多的重视和发展，目前已有部分学校建立了虚拟实验室。在国内已经有些大学组建了与自己学校教育教学、学科研究等领域相关的虚拟实验室，[2-3]这些实验室也己经应用于教育教学之中，实现了教学方法的改革和创新。

1 虚拟实验室系统实现的基本流程

1.1 技术流程

虚拟实验室的建立过程主要技术流程三部分组成：场景建模、功能设计、用户交互设计。主要技术流程如下图1所示：

图1 技术流程图

1.2 系统结构与框架

虚拟实验教学系统的实现主要由以下三部分组成：

1.2.1 场景模型部分

这部分主要是纹理材质的选择处理、几何场景模型的建立及最后场景的纹理贴图建模。

1.2.2 虚拟软件平台

这部分通过虚拟软件平台获取场景数据，对场景的优化、漫游控制等从而搭建虚拟实景空间。

1.2.3 用户界面

用户使用的界面，用户通过用户界面进行学习模式的选择从而进行学习，具体结构如下图2所示：

图2 虚拟实验系统结构与框架

2 建立虚拟实验室的关键技术

2.1 建模问题

模型的创建一直是虚拟实验室建立中最基本的工作，也是工作量最大的部分。所以在虚拟实验室的建模过程中，我们可以采用VRML语言进行建模再结合其他专用的建模工具（如3DSMAX）提高建模效率，最后生成VRML文件与VRML其它场景文件整合在一起。因为一个场景的模型比较多所以在建模的过程中要对需要的模型先进行分类，如有交互要求的，没交互要求的，背景模型等等。分类之后建模，这样也便于我们后期管理和编辑。在现代教育技术课程多媒体投影的使用实验中，虚拟实验室建模主要集中在以下方面：实验环境(场景建模，多媒体教室，多媒体控制台)，实验道具(多媒体投影仪)。

2.2 交互问题

交互性是指用户对虚拟环境内物体的可操作程度和从环境得到反馈的自然程度。交互问题一直是虚拟实验室设计的难点问题。在现代教育技术课程多媒体投影的使用实验中，交互问题主要涉及到的对象为多媒体教室，实验道具（投影仪）。交互问题的主要内容为，多媒体教室的开门关门，教室的浏览，灯的开关。多媒体投影仪的操作控制，多媒体控制台的交互等等。

2.3 实时显示问题

在虚拟实验室进行虚拟实验的操作都是在网络环境中进行的，那么在网络环境下，三维的场景数据量比较大，所以三维场景的实时动态显示问题就显得格外重要。如果学生在虚拟实验操作中等待的时间比较长就会造成当视点发生移动变化时，新的视点场景不能及时更新，那么就会出现人动而场景未动的情况。当学生视点停止移动变化的时候，虚拟实验系统却将刚才延迟显示的场景显示出来，从而产生场景交叉错位。这样学生觉得虚拟实验不够流畅，降低了实验的沉浸感，从而对虚拟实验这种学习方式降低了学习兴趣。在现代教育技术课程多媒体投影的使用实验中，为了解决这个问题采用对实验场景进行分块处理，可见消隐处理及细节选择的方法。虚拟场景图像的实时动态显示问题采用图像差值及视图变换技术来解决[4-5]。这样虚拟实验的场景就更加的真实，学生在学习时沉浸感更强，增加了学生学习的兴趣。

3 虚拟实验室在教学中的应用特点

近年来虚拟现实技术、信息处理技术、网络技术、多媒体技术的飞速发展。在教育领域出现了虚拟教室、虚拟实验室、虚拟图书馆、虚拟校园等。它们为教育教学的发展注入了新的空气。基于网络的虚拟实验室可以有效地将现代信息新技术引入教学和实验中为学生营造一个全新的学习环境，发挥现有的教育资源的优势，实现教育资源的共享。近年来虚拟现实技术、信息处理技术、网络技术、多媒体技术的飞速发展。在教育领域出现了虚拟教室、虚拟实验室、虚拟图书馆、虚拟校园等。它们为教育教学的发展注入了新的空气。基于网络的虚拟实验室可以有效地将现代信息新技术引入教学和实验中为学生营造一个全新的学习环境，发挥现有的教育资源的优势，实现教育资源的共享。建立网上虚拟现代教育技术课程多媒体投影的实验系统有许多优点。

3.1 实验设备的节约

对于一个普通的地方性应用型高等院校来说，在校期间要注重培养学生的实际动手能力，可是由于我校资金不足，在实验设备以及实验环境搭建方面的投入明显不足。而对与现代教育技术课程中的多媒体投影的实验，投影仪的使用无疑是一个制约。虚拟实验环境的搭建，可是实现学生在虚拟的实验环境中操作多媒体投影仪，增强了操作性，减少了投影仪的使用以及设备损坏率，节约了设备的投入。

3.2 学习主体个别化自主性

在虚拟的实验环境中，学生的学习不受传统的教学模式限制。学生可以自主学习，反复多次操作实验，同时还可以和同学互相讨论学习与老师进行互动，还可以进行测试。学生在虚拟实验环境中学习可以做到我的实验我做主，自主的安排自己的学习计划和学习模式，调动学生的学习积极性，提高学习质量。

3.3 打破时间的限制

在实验时间的安排上，虚拟的实验室里学生可以自由的控制实验的时间和地点，随时都可以登陆网站进行学习。

[1]汪成为.灵境技术的理论、实现及应用[M].北京：清华大学出版社,1996：34.

[2]闫青.基于VRML的网上虚拟实验室设计与实现[D].西安：电子科技大学,2007:10-25.

[3]姚文月.基于VRML的计算机原理虚拟实验室的研究与设计[D].南京：南京信息工程大学,2011:8-28.

[4]陈敏.基X3D技术构建机械制造技术虚拟装配实验室研究[D].南昌：南昌大学,2009:43-71.

[5]项慨.基于网络的虚拟实验系统的研究[D].武汉：华中师范大学,2006:6-13.

（责任编辑：夏婷婷）

Discussion on the Application of VRM L Virtual Experiment Technology in Modern Educational Technology Course

MA Aman
(School of Mathematics and Computer Science,Wuyi University，Wuyi Shan,Fujian 354300)

The study of virtual experiment is beneficial to the smooth progress of classroom teaching,and it also helps students to master the skills of the students.In this virtual lab,students can independently control the time and place of learning,in which based on the experimental results,can greatly minimize the establishment of laboratory and the difficulty of laboratory funds input.As amodern educational technology course experiment is one of the most important parts,so the development of virtual experiment system of the network and combined with the physical test based on experiment teaching can better carry out the work.Is analyzed in this paper the characteristics of the virtual experiment technology and in modern educational technology experiment teaching application,the basic process of analysis and implementation of virtual experiment system,the technical points,and students with the advantages of virtual experimental system for studying.Virtual laboratory is with the aid of network technology,multimedia technology,VR technology to establish experimental system.Including the implementation of virtual laboratory system module,scene model,virtual software part of the user interface part;Main technical points including the scene modeling,function design,user interaction design.In this virtual lab,the student can be independent control experimental study time and place,in the guarantee on the basis of experimental results,to a large extent reduce the difficulty of the laboratory and laboratory capital investment.As the course for the modern education technology experiment is an important component of the development of virtual experiment system based on network and so combined with physical real experiment,can better carry out the experimental teaching work.

virtual reality；virtual experiment；projection media

TP391.9

A

1674－2109(2016)09－0104－03

2016-04-20

福建省武夷学院教学建设与改革项目项目编号（xj2014020）。

马阿曼（1981-），女，汉族，讲师，主要从事图形图像的研究。