基于Web3D技术的大学物理虚拟实验的构建与教学应用研究

黄金栋

摘要：随着现代信息技术在高等教育教学中的不断发展，虚拟现实技术因其仿真、便捷、安全、高效等特点逐渐成为高校实验教学系统应用的一种必然选择。作为虚拟现实技术与互联网技术结合的产物，Web3D技术逐渐在实验教学应用中发挥着重要作用。对几种主流的Web3D技术进行了介绍，并对它们的特点进行分析和比较，提出了一种基于Cult3D技术构建大学物理虚拟实验的方法，该方法简洁高效，且可实现多载体输出的教学应用。最后，总结了基于网络的虚拟现实技术应用于实验教学的优势与不足，提出了虚拟实验与真实实验二者应有机结合互为补充的观点，以及虚拟实验的应用方向。

关键词：虚拟现实技术；Web3D；Cult3D；虚拟实验；教学应用

中图分类号 TP339 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）24-0096-05

Abstract：With the continuous development of modern information technology in the teaching of higher education， virtual reality technology has gradually become an inevitable choice for the application of experimental teaching system in Colleges and universities because of its characteristics of simulation， convenience， safety and efficiency. As a product of the combination of virtual reality technology and network technology， Web3D technology is playing an important role in experimental teaching. In this paper， several common Web3D technologies are introduced， and their characteristics are analyzed and compared， and a method of constructing virtual experiment of college physics based on Cult3D technology is proposed， the method is simple and efficient， and realizes the output of multiple application vectors. Finally， summarizes the advantages and disadvantages of the network based on the application of virtualization technology in experiment teaching， puts forward a viewpoint that the virtual experiment and real experiment two should be organically combined to complement each other， and the application direction of virtual experiment.

key words： Virtual reality technology； Web3D； Cult3D； virtual experiment； teaching application

物理是一门基于实验的科学，物理定律的发现无不依赖于物理实验[1]。在当前的物理实验教学实践中，受到实验种类多样、仪器结构复杂、台套数不足、以及维护困难等因素的制约，往往不能充分满足学生反复调试仪器自主预习的需求，也不能满足学生自主设计实验项目和实验参数的需要，这对于学生熟悉仪器的结构与性能，理解实验的基本原理和设计思想造成了一定困难。

而物理实验的虚拟化，可以在很大程度上可以弥补真实实验在这些方面的不足。它可以不受时间和空间的制约，最大限度地实现学生自主预习实验仪器和设备，自主学习实验项目所需的实验内容和方法。这样既加深了学生对实验仪器的熟悉程度，也提高了学生对物理知识的学习兴趣，同时也培养了学生的創新意识和动手能力。教育部颁布的《教育信息化十年发展规划（2011-2020年）》中明确指出，“信息技术对教育发展具有革命性影响，必须予以高度重视”，并要求“推进信息技术与教学融合”、“培养学生信息化环境下的学习能力” [2]。可见，提高学生在虚拟教学环境下的自主实践能力，将成为高效实验教学发展的必由之路。

随着信息化技术，特别是虚拟现实技术的不断发展，虚拟实验逐渐在实验教学中得到了广泛的应用，相关的实现技术和手段也是层出不穷，其中有一种基于互联网的虚拟现实技术，被称为Web3D技术。它可以被看成是Web技术和3D技术相结合的产物[3]，它是传统单机的三维图形处理技术向互联网的扩展，可提供实时的在线交互能力，其本质特征就是网络性、三维性和交互性[4]。因此，利用Web3D技术开发的虚拟实验汇集了这三方面的特征，学生只需通过网络浏览器就可以对实验对象进行实时的、三维的、可交互的操作，从而实现了在线互动形式的学习体验。

1 Web3D技术简介和实现虚拟实验的应用对比

当前，Web3D技术涉及的技术种类繁多，主流的技术包括VRML、Java3D、Viewpoint、Cult3D等[5]。每种技术都有其自身特点，需要通过对各种技术的比较，结合实际虚拟实验的需求，来决定使用何种技术来实现虚拟化的物理实验。

1.1 VRML

VRML（Virtual Reality Modeling Language），是指虚拟现实建模语言，它是一种模拟真实世界的场景构建三维虚拟世界场景的建模语言，本质上是一种面向Web、面向对象的三维造型语言[6]。因此，可以说它是所有三维建模软件构造虚拟环境的基础。

VRML与HTML类似，都是支持超链接形式的、基于文本的描述性语言。不同之处在于VRML还多支持了三维图像和立体声音文本显示[7]。此外，VRML格式的图形数据容量很小，使得通过VRML建模语言构造的三维对象进行观察视角、缩放和旋转等操作时执行速度很快。这些优点尤其适用于基于网络的虚拟实体和空间的构建。

基于VRML語言，国内外一些高校已成功开发了许多虚拟实验产品。例如美国密西西比州立大学的TahaMzouglli等人开发的物理虚拟实验室[8]，该实验主要模拟了学生对波和光的观察与学习。此外，中国农业大学的卢洁等人开发了基于VRML的虚拟动物解剖实验[9]。

虽然基于VRML开发虚拟实验，具备了一定的应用基础，但随着Web技术的不断发展，VRML也暴露出许多缺点。例如对于复杂实体或异构对象的动态表现性能较差，重组和复用代码较为繁琐，须安装插件且插件与用户系统匹配情况欠佳，运行时占用系统资源较多，在不同播放器中运行效果不一致等[10]。

1.2 Java3D

Java3D是由SUN公司推出的基于Java语言的Web3D技术。它将Java“一次书写，随处运行”的优势移植到了三维图形系统，使得Java3D实现了跨平台的运行。Java3D不需要安装插件，客户端只需要使用标准的Java虚拟机就可以实现浏览和操控。此外，Java3D的建模、着色、贴图，以及三维交互等处理还可依赖于用户系统现有的三维图形系统，如Direct 3D、0penGL等，从而减少了网络传输三维图形的数据量。

基于Java3D技术开发虚拟实验，目前山东理工大学的葛文庆设计了一个工程制图课程的虚拟实验系统[11]，该系统克服了传统工程制图实验教学的缺陷，有效提高了学生对图形认知的能力和水平。

但对于基于Java3D的虚拟实验的开发者来说，需要具备一定的Java语言基础，以编程的方式来进行三维实体的构建，这对开发者的编程能力要求较高。

1.3 Viewpoint

Viewpoint是美国Viewpoint公司推出的Web3D技术，它是基于XML语言的，因此它的可扩展能力和跨平台能力突出，可实现浏览器与多种数据库之间的通信，还可以内嵌到多个软件中使用。由于使用独有的压缩技术，Viewpoint生成的文件容量非常小，从而提高了浏览器解释信息的速度。此外，Viewpoint还具有高质量的实时渲染引擎，无须硬件加速设备，便可实现逼真的三维实体的渲染效果。

与其他Web3D技术不同在于，Viewpoint的开发环境自身提供制作、处理并传输3D图形对象的工具，而不是通过编程语言建模或者第三方导入3D图形[12]。

1.4 Cult 3D

Cult3D是由瑞典的Cycore公司推出的一种Web3D技术。使用Cult3D技术，用户可以轻松实现对三维对象的全方位观察以及最基本的翻转、缩放和平移等操作，还可以实现文本和语音的呈现。而Cult3D的最大亮点是它可以实现三维对象的第三方导入，第三方建模软件（如3DMAX或MAYA）中制作的3D模型可以经过格式转换直接导入，进行后续的交互设计，这对于开发者来说是一个极大的便捷。利用Cult3D技术制作出的3D实体交互能力强，且文件较小。此外，Cult3D文件可以通过文件导出的方式应用于Web页面、Office演示文稿、以及Acrobat文档中，这对于教学应用是一个极大的便捷。

Cult3D由三个部分组成：Cult3D Exporter、Cult3D Designer和Cult3D Viewer。Cult3D Exporter插件用于将在第三方建模软件（如3DMAX或MAYA）中制作的3D模型转换成Cult3D Designer可以识别的.c3d文件格式；Cult3D Designer用于给导入的.c3d文件加入交互、音效等其他效果，转换成可以嵌入到网页和其他应用程序中的.co文件格式；Cult3D Viewer是客户端使用的浏览器插件，安装后即可在浏览器或其他内嵌应用程序中实现全方位观察和操控3D模型。

基于Cult3D技术构建的虚拟实验，目前已有福建师范大学开发的虚拟光学实验[13]，此外，吉林大学高等教育研究所，还利用Cult3D和Flash技术相结合开发了一些大学物理虚拟实验[14]。

2 几种Web3D技术的比较

上面介绍了几种比较有代表性的Web3D技术，下面针对其各自的特点将这几种技术进行比较，见表1。

通过以上的比较可以看出，VRML技术和Java 3D技术均须采用编程的方式构建三维模型，无论是模型的制作还是交互的设计都需要编写繁琐的程序代码，开发者需要有较强的图形编程能力，才可以顺利进行开发。而Viewpoint 和Cult3D这两种Web 3D 技术将建模与交互设计分开进行，从开发者的角度，这无疑降低了难度。

与Viewpoint相比较， Cult3D的内核是基于JAVA的，它可利用JAVA来增强交互和扩展能力，还可以实现跨平台的应用。此外，Cult3D的开发环境比Viewpoint更为简洁友好，开发效率也会更高[15]。

综上所述，将Cult 3D技术应用于虚拟实验的开发，不但可以提高虚拟实验设计开发的效率和效果，降低设计开发的难度，也能够实现跨平台的应用，适应不同教学环境的需求。因此，我们选择了Cult3D作为大学物理虚拟实验的开发技术。

3 基于Cult3D技术开发大学物理虚拟实验的方法

利用Cult3D技术构建虚拟物理实验，大体上需要四个步骤：实验场景及设备的三维建模、将三维模型导出为.c3d文件、各交互效果的设置以及成品的发布[16]。这里以“声光效应与超声光栅实验”为例，介绍构建虚拟物理实验的开发过程。

3.1 建立虚拟模型

虽然Cult3D自身不提供三维实体的建模工具，但是Cult3D的安装组件中，提供了一个名为Cult3D Exporter的插件，它可以将3DS Max生成的三维模型，导出为Cult3D Designer可以识别的.c3d文件格式。

借助3DStudio Max等三维辅助设计软件，可以准确构造实验所需的虚拟模型。对于比較简单的几何实体，可直接创建单一的三维模型，如球体、圆柱体、长方体、圆锥体等；对于可剖分的实体，应以剖切面为界分两个部分处理，如某些感应探头或特殊配件等；对于比较复杂的组合实体，应先分别创建各自的组成部分，再运用编组的方式进行组合。这里分别对实验所需的实验台、测试仪、传感器、导线及其他实验辅助设备进行建模，并将它们组合在一个默认场景中。如图1所示。

3.2 三维模型的导出

建好三维模型后，在3DS Max的“文件”菜单下的“导出”命令，会弹出如图2所示的“Cult3D Exporter”窗口，在这里可以对导出的三维模型进行导出参数的设置。例如，可以设置实体的背景（Background）、材质（Materials），这里将背景设为天蓝色，材质的着色方式设置为Phong，并勾选Bilinear选项，以到达柔化的效果。输出效果如图3所示，最终导出的文件格式为.c3d。

3.3 设置实验交互效果

经过Cult3D Exporter进行格式转换导出的.c3d文件，虽然已经可以实现基本的浏览效果了，但由于交互行为不足，还须在Cult3D Designer中，加入一系列空间行为以完善其作为虚拟实验系统的空间交互功能和声光效应与光栅衍射的物理交互能力。例如，使用World start事件来初始化场景，应用Mouse-Arcball的交互方式使学生可以多角度观察实验仪器的细节，物体的运动使用了Object motion中的旋转、平移和缩放；光栅衍射的实验交互响应，可利用Cult3D中的表达式来控制，通过状态判断来选择执行不同的分支，编辑效果如图4所示。

3.4 成品的发布

使用Cult3D制作好的交互产品，可以通过“File”菜单下“save internet file”命令，打开“save setting”窗口，设置保存选项，保存为.co文件。有了这个.co文件，便可以将制作好的虚拟实验的文件，嵌入到Web浏览器、Office演示文稿以及Adobe Acrobat文档中，实现多种方式的发布和教学应用了。图5所示为.co文件嵌入Web浏览器中的使用效果，图6为.co文件嵌入PowerPoint文稿中的使用效果。

4 教学应用总结

作为天津市级优秀实验教学示范中心建设单位，天津工业大学物理实验中心结合多年的实践教学经验，运用现代信息技术手段，自主设计研发了物理实验网络教学平台。该网络教学平台中的虚拟实验预习环节，正是基于Web3D技术构建了多个大学物理虚拟实验。这些虚拟实验的建成并上线运行，极大地调动了广大学生对物理实验课程的兴趣和积极性，物理实验课的预习率，从虚拟实验运行之前的64.7%上升到现在的93.8%。

经过几年的实践，我们发现作为一种新型的实验教学模式，基于Web3D技术构建的大学物理虚拟实验，不仅体现出了很多独特的优势，同样也存在一定的不足。

4.1 独特的优势

（1）打破了时空的限制

在传统的实验教学模式中，学生需要在约定的时间，实地观察和实际动手，进行时间有限的实验体验，学生的自主性和个性化体验无法得到充分的满足。而基于Web3D技术构建的虚拟物理实验，无论是作为教学主体的学生，还是作为教学主导的教师，都可以随时随地通过互联网在客户端访问虚拟实验平台，观察和操控各类虚拟实验仪器，观测各种仿真的数据和现象，实现各种近乎真实的物理实验体验。

（2）降低了维护的成本

物理实验仪器的日常维护工作也是实验教学工作中的一个重点，往往其维护的人力物力和时间成本也都不小。而虚拟化的物理实验，除了前期开发的一定成本外，无须专门的维护工作，使得实验工作人员的实验维护工作压力在很大程度上得到了缓解。

（3）降低了潜在的风险

传统物理实验中的某些实验，可能会存在一些来自力、热、光、电的潜在危险。教师授课过程中，往往要再三叮嘱学生，注意温度、避光、电压等方面的安全事项。而虚拟化的物理实验，可以模拟出可能的错误操作产生的危险现象，但不会对学生造成真实的伤害。同时这些模拟的危险现象对学生也能起到警示作用，往往在进行这类真实实验前，先让学生上网完成相关的虚拟实验是很有必要的。

（4）实现了实践教学的一体化

我们当前的大学物理实验网络教学平台，已经可以实现实验选课、实验预习、在线交流与讨论、成绩查询、在线考核、教学评价等多种功能。虚拟物理实验的建成是对整个在线教学的有益补充，使得实践教学体系变得完整。

4.2 存在的不足

（1）虚拟实验不能完全替代真实实验

虚拟实验在一定程度上模拟了真实的实验仪器、实验环境和实验现象，但它只能作为真实实验的有益补充，不能完全替代真实实验[17]。

首先，某些物理现象虚拟实验是无法实现的，比如对温度和嗅觉的感知，目前对这方面的虚拟现实技术还有待进一步研究；其次，真实物理实验的亲身体验要比坐在电脑前根据视觉和听觉获取的物理现象深刻很多，对于激发学生的自主开拓能力也深远得多。第三，真实物理实验的测试数据具备不可重复性，不存在两个学生的同一实验的所有测试数据完全一样的情况。而虚拟物理实验的实验现象和实验数据很多都是根据实验原理预置好的，进行再多的数据预置也是有限的，会存在部分学生的虚拟实验数据一致的情况。

（2）虚拟实验依赖计算机系统和网络的良好运行

虚拟物理实验是在计算机系统上运行的教学系统，它需要计算机硬软件协同配合作为基础，同时又依赖于网络环境的良好运行状态。这些因素都会对虚拟实验的运行产生影响，一旦出现违背实验原理的延迟，甚至异常情况，都会影响学生的实验体验和教学效果。

5 结束语

经过多年的教学实践，我们认为基于Web3D技术构建的大学物理虚拟实验，其教学模式新颖，实现手段可靠，运行效果良好，受到学生的广泛欢迎。它应该成为传统物理实验教学重要的、有益的补充，但不能完全代替真实物理实验。需要找到一个虚拟实验与真实实验的契合点，才能更好地配合大学物理实验教学的顺利开展，达到最优的教学效果。现阶段我们将虚拟实验模块主要应用于真实物理实验的课前在线预习、课后复习以及在线考查方面，这样才可以将虚拟实验便捷高效安全的优势充分彰显。

参考文献：

[1] 王红梅.基于网络的大学物理虚拟实验室的设计与实现[J]. 计算机科学，2008，35（4）：323-324.

[2] 教育部.教育部关于印发《教育信息化十年发展规划（2011-2020年）》的通知[DB/OL].[2012-09-05] http：//www.moe.gov.cn/publicfiles/business/htmlfiles/moe/s3342/201203/133322.html.

[3] 陈启祥，苏艳，郑庆花，等.基于VRML的三维建模技术[J]. 计算机与数字工程，2007，35（5）：161-163.

[4] 蒋燕萍，夏旺盛，黄心渊.几种Web3D技术的比较[J].北方工业大学学报，2003，15（3）：21-25.

[5] 于洪涛，杨雪，黄海林.Cult3D技术在物理网络虚拟实验中的应用[J].实验技术与管理，2007，24（4）：85-87.

[6] 邹珺.使用VRML構建虚拟环境的技术研究[J].软件工程师，2015 （3）：22-23.

[7] 孙开翠，王茹传，杨立扬.基于VRML的虚拟场景构造工具的研究[J].南京邮电学院学报，2002，22（2）： 87-89.

[8] Talla MzougIli， S. Davis Herring， John T. Foley， et a1. WebTOP：A 3D interactive system fir teaching and learning optics[J]. Computers & Education，2007，49（1）：110-129.

[9] 卢洁，游运华，马燕，等.基于VRML的动物解剖虚拟实验的交互设计[J].计算机仿真，2007，24（2）：266-268.

[10] 王绍棣，辛晨昀，王汝传，等.三维造型工具在VRML场景构造中的研究[J].工程图学学报，2001（增刊）：559-561.

[11] 葛文庆，徐建成.工程制图模型虚拟实验系统研究与实现[J].中国石油大学学报（自然科学版），2006，30（6）：155-159.

[12] 姜学智，李忠华.国内外虚拟现实技术的研究现状[J].辽宁工程技术大学学报，2004（4）.

[13] 卢宇，陈宏敏，赖恒，等.虚拟现实技术在光学实验教学中的应用[J].福建师范大学学报（自然科学版），2004，20（3）：106-108.

[14] 黄海林.虚拟实验三维建模技术研究[D].吉林：吉林大学，2007.

[15] 张琳琳.基于Web的虚拟物理实验研究[D].吉林：东北师范大学，2008.

[16] 申蔚，曾文琪.虚拟现实技术[M].北京：清华大学出版社，2009.8：133.

[17] 王卫国.虚拟仿真实验教学中心建设思考与建议[J]. 实验室研究与探索，2013，32（12）：5-8.

【通联编辑：王力】