以学习者为中心的虚拟现实交互学习环境

【前言】以学习者为中心的虚拟现实交互学习环境由文秘帮小编整理而成，但愿对你的学习工作带来帮助。2 虚拟环境的创建 Vest-Lab是一种桌面虚拟现实安全实验系统，它作为一种安全实验实训平台，是传统的实验实训室的辅助工具。例如，Vest-Lab虚拟化学实验室的作用是提供一个交互性的模拟培训平台，它可以帮助学习者理解化学实验室安全规章的重要性。体验场景可以包括化...

摘要：该文描述在开发虚拟现实化学安全实验系统Vest-Lab的过程中，如何搭建一个以学习者为中心的交互式学习环境。重点阐述了真实感的表现和虚拟场景的创建问题，并讨论了该系统在教学实践中的优势。

关键词：虚拟现实（VR）；虚拟实验室；学习者为中心；三维；实习实验

中图分类号：G642文献标识码：A文章编号：1009-3044(2007)03-10844-01

1 引言

随着计算机技术在教学中的普遍应用，越来越多的学校开始开发低成本、低能耗、见效快、受众广、毫无危险性的虚拟现实VR教学系统。对于一些本来具有一定危险性的实验实训教学活动来说，VR的应用尤为重要。化学实验就是典型的例子。虚拟现实安全实验室Vest-Lab（Virtual Environments for Safety Training Laboratory）通过模拟现实世界真实场景，营造一个虚拟的三维实习实验环境。这个环境的真实感尤为重要。例如，对于一个化学Vest-Lab来说，应尽量精确逼真地表现真正化学实验的程序、现象和操作内容。这与化学教科书中二维示意图表现方法截然不同，与二维示意动画的表现方式也大相径庭。相比之下，这种逼真模拟式的表现有着明显的优势。例如，学习者可以像在现实世界中那样在虚拟现实世界中漫游，如果用鼠标点击门把手将门打开，学习者会受到启示将这种交互式的操作用在化学实验中。在装备精良的Vest-Lab中，学习者还可以用数据手套进行交互式操作，VR系统会辨识出学习者每个手指关节的动作。因此，真正的Vest-Lab应该具备跟踪VR操作的基本体验传感设备。这些特性使VR系统在安全实验实训中具有广泛的应用前景。

2 虚拟环境的创建

Vest-Lab是一种桌面虚拟现实安全实验系统，它作为一种安全实验实训平台，是传统的实验实训室的辅助工具。例如，Vest-Lab虚拟化学实验室的作用是提供一个交互性的模拟培训平台，它可以帮助学习者理解化学实验室安全规章的重要性。体验场景可以包括化学实验事故的防止和调查，对事故危害性的认识及对意外事故的应急反应。

对于交互体验的逼真程度问题，不同的VR系统有不同的处理方式。美国一些大学的Vest-Lab采用的是安德斯1999年提出的“半真实临场体验”。换句话说，学习者感受到的并非绝对真实的临场体验。

这种虚拟实验室可以让学习者在虚拟环境中执行基本的安全方面的操作指令并演绎事故紧急状态时的反应。学习者可以通过没有危险的虚拟操作获得直观的亲历体验，从而在获得安全操作方面知识的同时，提高他们在不同的复杂环境下的推理判断和瞬间决策能力。以这种方式获得的经验也会转移到学习者现实生活的实践中。

3 真实感的表现

由于其设计上的差异，不同的VR系统表现的虚拟效果可能会大不相同。最典型的一点就是虚拟现实的逼真程度上的差异。在有的虚拟现实系统中，对物体的逼真程度要求本身就不高。许多虚拟现实系统使用抽象的或较为粗糙的虚拟对象表现现实世界中的对象。使用这些抽象对象的最重要的原因之一就是它们相对于高度逼真的对象用计算机更容易实现。因为这些缺乏逼真感的抽象对象的模型和材质可能都很简单，占用很少的系统资源，也能更快地在电脑屏幕上显示出来。它们对硬件系统的要求不高，更容易大范围普及。而对于本文中讨论的虚拟现实化学安全实验系统来说，场景和对象需要用真实的体积大小，高度逼真的视觉效果来表现所模拟的实验环境。这种高度真实感体验会使学习者获得更好的学习效果，并使获得的学习效果更好地转化到现实实践中(Witmer, Bailey and Knerr 1996)。

图1 虚拟现实化学安全实验实VEST-Lab场景

在现实实践中，人们通过记忆物体之间的空间感来行走(Dillenbourg, Mendelsophn and Jermann, 1999)。所以，虚拟现实实验室最好能模拟一个在现实世界中真实存在的实验室里的场景空间，从空间尺寸到物体外观和摆放次序，从而使学习者能够通过这一虚拟平台体验空间感和实验物体之间的距离感。换句话说，学习者在操作的过程中会逐渐形成一个真实实验室的记忆思维模型。此外，学习者会在操作中形成关于应急反应动作顺序的记忆。这种记忆对他们将来真正从事化学实验来说显然是至关重要的。

4 虚拟场景的创建

这种系统对现实世界的模拟重点集中在视觉效果和交互操作上。视觉效果可以通过精确的三维模型、高度逼真的灯光及能以假乱真的表面材质等视觉要素来构建。对于化学实验来说，还需要制作诸如烟雾、燃烧、水泡、破裂等特殊效果。对于学习者的操作反应需要用到虚拟触发器事件。物体之间的空间碰撞等效果则可以用各种虚拟传感器实现。由于VR语言支持声音文件的播放，而且还支持立体声音在三维虚拟场景中的空间感表现，因此，对于虚拟实验室中所需的声音，如玻璃破碎声、液体冒泡声、爆炸声等，可以用事件触发器轻松实现。

三位模型及材质、灯光、摄像机的创建可以借助于流行的三维制作软件或一些可视化的VR场景编辑软件来完成。

当然，一个虚拟现实系统不可能包括所有相关的学习内容或解决所有的问题。因此，这样的虚拟现实系统还需要与其它形式的实习实验相结合，才能完全满足实习实验的要求。

5 交互操作的实现

VR系统所用的显示技术及设备决定了该系统给体验者带来多少“沉浸感”和“现场感”。现在最好的装备组合是头盔式显示器和数据手套（见图2）。

图2 头盔显示器和数据手套

在虚拟场景中，操作者通过数据手套将操作指令传递给一只在空间浮动的虚拟手。用户只需要用带数据手套的手做一定的操作动作，即可完成虚拟场景的浏览和交互操作。当然，数据手套也可以和普通的显示屏幕配合使用。

在VR系统中，需经常设置一些即时的反馈性视觉效果，以使操作者感觉到操作的流畅性、真实性和成就感。这种反馈性视觉效果一般用短小的三维动画实现。对于用于化学安全实验实训的Vest-Lab来说，用户可以通过两种方式实现交互操作：第一种方式是利用鼠标的点击和拖放等常规操作。例如，用鼠标点击虚拟的门把手来开门，或用鼠标的拖放移动试验用品等。第二种方式是用鼠标点击虚拟场景浏览器的控制按钮来实现场景的旋转、穿行和平移等。

尽管在上述交互操作中，有的操作在普通的非VR系统中也可以实现。但在某种程度上来说，两者之间在效果上还是有很大差异的。首先是像Vest-Lab这样的虚拟现实系统可以营造出高度的真实感，临场感和沉浸感。此外，在VR系统中的交互操作不像其它多媒体教学系统中直接用鼠标浏览界面那么直接。在一个三维虚拟场景中游历的感觉有点像驾驶汽车。电脑屏幕、键盘和鼠标就像一个车。设计者将许多精力都花在了再现一个真实的物理环境上。

在教学和实验环境中，这种“以学习者为中心”的VR系统设计思想可以看作是程序开发中所谓的“以用户为中心”设计思想的一个发展。它适合于学生这种特殊的用户群体。交互式的图形界面旨在提高‘尝试错误法’学习方式，在这种学习方式中，学习者的操作错误逐渐减少。此外，学习者他们也更能将所学的东西表述出来。

然而，VR演示实验的系统开发也面临着特殊的挑战。例如，VR环境还不能模拟力和重力的传感，操作者只能像过去一样，在虚拟环境中“漂浮”着。VR的这一瓶颈问题对实训实验来说是一个不小的缺憾。除了这个问题之外，VR还有诸如嗅觉和触觉的模拟传感等许多具体问题亟待研究解决。随着计算机硬件的迅猛发展，我们有理由相信，在不久的将来，我们将能看到越来越多的三维虚拟实验室，真正实现现代化、数字化的实践性教学。

参考文献：

[1]Anders, P. (1999). Envisioning cyberspace. New York: McGrawn-Hill.

[2]Brna, P. and Cox, R. (1998). Adding 'Intelligence' to a learning environment: A case of learner-centered design? Journal of Computer-Assisted Learning, 14(4), 268-277.

[3]Cosmo Player. Cosmo Software at /cosmo/.

[4]Gilmore, D.J. (1996). The relevance of HCI guidelines for educational interfaces.

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