慕课环境下虚拟实验室建设研究

刘萍萍

摘要：三维虚拟实验系统营造高度真实的学习情境，“慕课”的兴起为虚拟实验教学提供了技术支持，使其具有实验资源共享和异地协作的特点。“慕课”环境下虚拟实验系统，支持多用户同时在线操作，在一定程度上改善了传统实验资源匮乏的弊端。通过使用虚拟仪器、模拟装置实现远程实践教学过程，形成知识、学习和实践环节一体化的教育新体系。

Abstract： The virtual experiment system of three dimensions creates a highly authentic learning environment. The rise of "MOOC" provides technical support for virtual experiment teaching， which makes it has the characteristics of experiment resource sharing and cooperation in different places. In the course of "MOOC"， the virtual laboratory system， which supports multi-user simultaneous online operation， improves the shortcomings of traditional experimental resources to a certain extent. Through using the virtual instrument， the remote practice teaching process is realized to form the new education system which takes the knowledge， learning and practice as a macrocosm.

关键词：MOOC；虚拟实验室；三维场景建模

Key words： MOOC；virtual laboratory；3D scenes mode

中图分类号：G640 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）09-0191-03

0 引言

近几年来随着科技的迅猛发展，传统实验教学模式已经不能满足当前需要，而虚拟实验技术的成熟发展成为一种强有力的教学辅助手段。它既解决了传统实验模式下实验资源不足的约束，共享教学资源，节约了教育成本，又能使学生可以不受地域空间和时间限制进行课程实验，更直观、方便的进行信息展示及交互。将虚拟现实技术引入实践教学环节已成为一种必然改革趋势，有利于培养学生的实践能力和创造能力，加快学生对知识的掌握与理解。

1 虚拟现实技术研究

虚拟现实技术（Virtual Reality，简称VR）是通过计算机集成技术模拟虚拟三维空间，提供一个实时虚拟环境，具有“沉浸”、“交互”和“构想”3个基本特征[1]。虚拟世界里存在众多的对象，层次结构较为繁杂，通过对捕获的各类现实数据建模，以三维可视化和虚拟现实场景呈现。

1.1 三维环境建模

三维建模需要利用获取的数据对整个系统涉及到的所有场景进行建模[2]。数据采集阶段在CAD绘制对象的标准图纸的基础上进行物体建模，之后导入3DMAX，采用这种方式降低对复杂物体建模的时候产生的误差，不仅可以提高建模的效率，而且可以达到既精确并且效果好的目的。虚拟场景的模型建立好之后，就要进行物理建模，包括模型的形状、材质、纹理、运动等。

1.2 实时渲染技术

对虚拟现实的场景和模型渲染的精细程度决定了虚拟现实场景的真实感的大小，虚拟场景呈现的帧率直接影响了用户体验，要做到虚拟场景和模型渲染程度尽量高的情况下做到用户浏览无卡顿，场景刷新帧率应该高于20帧/秒。

1.3 碰撞检测

碰撞检测技术是在场景当中的物体上增加碰撞体，防止出现人物穿墙而过，增加真实感。可以检测两个物体之间的碰撞，也可以检测特定碰撞器之间的碰撞，甚至可以使用光线投射预先检测碰撞。常用的碰撞检测策略包括基本碰撞检测、触发器碰撞检测、光线投射等。

目前，虚拟现实技术已广泛应用在航空模拟、军事训练、游戏娱乐、教育等领域。利用虚拟现实技术建立虚拟实验室，提供网络实验教学一体化管理功能，实现虚拟仪器及实验操作流程演示，使学生在互联网上完成相关实验，虚拟实验改善了传统实验由于条件的限制而导致的结果偏差。虚拟实验以其良好灵活的交互性以及对硬件资源要求的简易性等优点倍受网络实验教学的青睐，教师可构建有学生广泛参与的、随时更新的专业动态资源库，实现异地资源共享，还可以实现在线交流、考核测评等教学活动。

2 基于慕课的虚拟实验教学改革

慕课教育理念是把优质教育资源通过网络在线的方式低成本地展现。慕课教育具有规模性、开放性、在线性、参与自主性等特点[3]。借助网络教学平台，将实践教学内容、考核等环节从实验室解放出来，从而最大程度的降低教学投入、提高教学质量。实践教学网络化改革的建设也促进了“慕课”平台建设的完善，避免在线教学平台出现教学过程“断点”的现象，实现实验课程优质教学资源共享。

2.1 虚拟实验教学资源开发框架研究

实验教学是学生获取知识必不可少的重要环节，是培养学生动手能力的重要手段，慕课平臺下的远程虚拟实验室系统，实现支持多用户同时在线操作的远程实践教学。其总体架构如图1所示。

①用户界面：与用户交互的主要平台，也是虚拟实验信息展示平台。

②事件监听/处理器：根据系统特点的不同逻辑请求，通过触发各类事件进行处理。

③综合数据库：对需要展示的实验信息进行存储，提供用户信息查询的功能。

④图形引擎：对系统中需要的各种图形图像进行绘制，这个子系统通常都是集成在开发环境当中。

⑤物理引擎：在虚拟场景中模拟现实生活中的重力，会对碰撞运动、跳跃运动等产生影响。

⑥灯光引擎：需要给虚拟场景添加模拟灯光，计算出光线在场景中会产生的效果，人物的影子等。

⑦逻辑处理引擎：系统的核心，进行各种的逻辑判断，计算和推理。

虚拟实验教学系统为用户提供网络化和开放式的实验环境，模拟真实的实验器材和设备，具有对硬件资源要求低及良好的交互性等优点，倍受网络实验教学的青睐。虚拟实验教师可构建有学生广泛参与的、随时更新的资源库，实现异地资源共享，还可以实现在线交流、考核测评等教学活动。

2.2 构建开放式虚拟实验教学平台

结合慕课理念充分利用实验室资源建设一个开放、互动、共享的虚拟实验教学平台。在完成实验目标的整个过程中，学习沉浸感更强，更为直观，有助于学生对实验过程的理解，学习体验有较大改善。

①虚拟实验教学平台设计与实现。

虚拟实验室教学系统由虚拟实验室、自主学习、实验报告评阅等主要模块组成，如图 2所示。

系统平台由控制系统、虚拟实验室管理系统、实验接入系统及各类独立的实验系统组成。系统针对大学计算机基础课程开发配套三维虚拟实验，模拟真实实验中用到的器材与设备 17 种，提供与真实实验相似的实验环境以及8个典型实验案例。学生利用实验虚拟实验室平台提供的虚拟仪器管理进行虚拟仪器的使用和回收，完成典型实验的配置和调节。用户通过互联网访问系统，现场实验数据通过宽带专用网接入系统，提供给用户共享，并进行交流。

②碰撞检测功能。

虚拟实验教学系统场景中存在许多运动和静止的物体，用户在交互过程中为防止出现“穿物而过”、“穿土而入”等现象降低模拟仿真的可信度，系统需要及时检测出碰撞的发生。具体流程图如3所示。

明确碰撞路径并选定好正确的碰撞对象是碰撞检测技术的关键。这里采用AABB包围盒的方式实现碰撞检测，取斜边的两个顶点，算出其中间点，然后让中点向上或下稍微偏移，利用这三个点可以确定一个圆，通过计算摄像机与圆心的距离来判断是否发生碰撞。

通过碰撞检测，如果为真，则摄像机位置返回上一次的位置，如果为假，则继续漫游，这样就完成了三维漫游中的碰撞检测。如图4所示。

3 结语

虚拟仪器技术、网络通讯技术、远程控制等技术的发展构成了虚拟实验室实现的基础[4]。慕课环境下虚拟现实技术与实验认知模拟的结合改善了实践教学环境，优化了实践教学过程，能激发学生的实验兴趣和参与热情。使学生在教师指导下，借助慕课氛围进行个别学习、自主学习、协作学习、多维反馈、多元发展。一方面促进实验教学改革，积极引导学生接触新技术、新知识，开发学生的智能，更好地实现应用型工科人才培养目标；另一方面让更多学生间接地参与实验课程，增强跨学科研究的意识和创新能力，最大限度地实现实验室教学资源的共享。

参考文献：

[1]陈琳.基于VRML的教学媒体仿真系统的设计与实现[D].成都：西南交通大学，2010，5：41.

[2]贾义敏，詹春青.情境学习：一种新的学习范式[J].开放教育研究，2011（10）：29-39.

[3]楊玉芹.MOOC学习者个性化学习模型建构[J].中国电化教育，2014（6）.

[4]马思群，李莎莎.基于3DsMax及VRP的高速列车VR系统设计[J].计算机仿真，2013（1）：1-4。