网络三维虚拟实验系统的设计与实现

【摘要】根据虚拟现实技术特性，结合代表性的案例，分析网络三维虚拟实验系统的基本构成框架。依据虚拟实验系统的开发流程，以化学虚拟实验《实验室制取气体》的开发为例，介绍了基于Virtools开发网络三维虚拟实验系统的方法和过程。最后，对网络三维虚拟实验系统的开发应用进行了总结与展望。

【关键词】网络三维；虚拟实验；虚拟现实实验

【中图分类号】G40-057 【文献标识码】B 【论文编号】1009―8097（2011）07―0114―07

一 前言

随着教育信息化的推进，远程教育应用实践不断更新变革，不断涌现出的新兴技术得以推广应用，取得了切实的教学与学习效果。虚拟现实技术支持下的虚拟实验系统就是近年来其中一个重要的新兴技术应用实践。相关研究证实虚拟现实技术利于提高学生的学习兴趣，强化理解能力和开拓创造性学习[1]。虚拟现实源自于信息科学技术，在信息化实践中自然有其特有的优势，第一是其独特的视角，显示的是实时的三维影像，包含了更多的连续的、直观的信息，能够以不同的视图操作和观察，产生逼真的临场感；第二是支持交互式任务，自然直观的操作强化了用户的参与体验；第三是虚拟化的场景和对象蕴含了更加丰富的抽象信息，实现理论学习到实践操作的转化。计算机3D图形学、人工智能、人机接口等相关技术的发展，也为虚拟现实的实践应用打下了坚实的基础。

建构主义理论认为，学习者是在一定学习情境中，借助与他人之间的协作、交流、利用必要的信息等，构建有意义的学习。并且根据学习者学习类型的差异，通过自我反省或者与他人之间的商榷、讨论和辩论，以认识和强化个人及团队的心智模式。建构主义理论支持下的基于虚拟现实的学习环境就是一个动态的虚拟仿真学习环境，可以延伸学习者观察事物的视角，引导他们探索科学世界的思考和行为的方式，发展学生不完整的前概念和经历完整的科学探究过程，并且能为学习者提供在现实世界中无法实现的体验，如原子微观世界[1]、无法随意重复的实训（V-Frog [2]）等。

根据相关文献研究，目前为止虚拟现实教育应用主要涉及的是科学、技术和数学教育，用于概念改变、抽象思维的发展和促进认知发展[3] [4]。考虑到经济因素，有网络特征的桌面式虚拟现实系统, 是目前虚拟现实科学教育实验系统最为可行的方式。虚拟现实科学教育实验系统的开发，首先要根据科学学科实验教育的目的和学习者的认知水平，分析学习者的需求；然后根据具体学科实验任务及步骤，结合实验操作的特点，提出虚拟实验系统执行这些操作所学的功能及其子模块，构建虚拟实验系统的基本构成框架；据此，可确定实验系统的软硬件配置，最后，选择合适的三维建模工具（如3DMAX、MAYA）和虚拟现实编程工具（Virtools、EON）实现系统的制作和[5]。

二 网络三维虚拟实验系统的基本构成框架

一个实验完整实施的工作流程分为实验准备阶段、实验仪器组装测试阶段、实验操作阶段、数据处理阶段和实验总结评价阶段。与传统实验系统相比较，有网络特征的虚拟现实系统的设计应该遵循开放性、易用性原则，能够重复实验以获取正确数据，提示实验操作正确性等。通过实验工作流程的分析，结合虚拟现实技术3I特性，网络三维虚拟实验系统的基本构成框架如图2所示：

1 输入/输出设备

人类的七大感觉系统包括视觉、听觉、触觉、味觉、嗅觉、前庭系统和本体觉。人类就是通过感知来获取信息。在相关的科学教育应用研究中使用的既有专用设备，如ImmersaDesk和PHANToM[10][11]，也有PC支持的周边设备，如三维鼠标、数据手套和头盔跟踪器、三维显示器等。到目前为止，教育应用领域的交互设备主要是鼠标、键盘、操纵杆和摄像头[3] [7]。

2 交互界面

实现实时的人机交互，按照实验任务的要求提供一系列的用户操作和反馈，以支持用户有意义的学习活动，强化用户在动态3D场景中的参与程度。通过镜头控制，以第一人称的视角，用户借助化身（avatar）进入3D场景，用户可以将身体变大或者变小，实现宏观或者微观世界的漫游，延伸用户感知信息的能力。

（1） 3D / 2D悬浮操作栏：漫游和自由度（DOFs）操作是悬浮操作栏基本功能项，实现3D对象选择和3D对象方位变换。这样用户可以及时、没有限制地观察三维空间内的事物，有利于培养空间想象能力。另外，用户化身通过自然的交互操作还可以强化抽象知识学习和实践运用。

（2） 系统控制：悬浮式下拉菜单/属性面板，用于改变实验环境参数，动态呈现虚拟对象的信息。

（3） 模型库操作：连接模型数据库，在实验过程中提供3D对象模型的呈现，提供虚拟模型的描述信息，辅助实施虚拟实验装置组装，生成合适的实验场景。

（4） 数据向导：处理实验过程中涉及的各种数据；记录学习者的操作过程，并根据实验操作指南，自动为学习者评分。连接实验数据数据库，实现外部文档导入，或者实验数据的导出，记录虚拟学习对象的相关数据集。

（5） 智能向导：为用户化身提示操作步骤，检验操作的正确性。如果出现操作失误，会禁止下一步骤的执行，并给出错误提示信息[9]。智能向导也可以有化身，通过会话的方式与用户交流。

3 虚拟模型数据库

一类是虚拟仪器元件、虚拟对象（如原子、药品等）作为虚拟学习对象，包括可视化的3D模型及对象的描述信息。学习对象的知识结构是科学教育中知识学习的基本内容。另一类是场景模型，包含不同实验要求所需的虚拟场景。学习者可以依据具体的实验要求，调用适用的虚拟仪器和虚拟对象进行组装。

4 虚拟实验演示系统

可视化的流程有助于更好的理解科学概念[14]。如数学和物理教学中的内容大多是抽象的公式,用传统的说教式教学方法很难解释清楚，虚拟的实验流程演示使得学习者一看就能观察出动态逼近的科学本质。如此以来，抽象的内容变得更为形象、更为直观。

另外，具有网络特征的虚拟实验系统，应包含有实验共享功能，如实验结果和感想的交流，帮助，提示实验常见故障和问题的解决办法等等。如组建实验在线学习共同体，就是推进虚拟实验系统平台应用的有效措施[10]。系统可采用三层结构体系，即客户端、网络服务器和数据服务器，一般硬件设备要求不高的情况下，优先考虑B/S应用模式，即借助浏览器配置相应插件支持客户端的运行。

三 《实验室制取气体》化学虚拟实验开发实例

化学是一门以实验教学为基础的学科，通过实验可以更加形象地描述化学现象，深化学生对知识的理解和掌握。虚拟化学实验创设了仿真的实验环境，提供了丰富生动的实验仪器，实现形象化教学，为学习者创建互动的、可重复使用的实验场景，不仅有利于培养学生的设计能力、创新思维能力，而且解决了实验资源浪费、实验时间和实验地点限制等化学实验教学中问题，提高实验教学质量。

实例利用三维建模软件3ds Max和虚拟现实系统开发工具Virtools开发一个实验室制取气体专题的桌面式虚拟化学实验系统，如图4所示，主要实现功能模块有：系统操作说明介绍、化学实验仪器自动组装演示、实验仪器组装、化学实验药品添加化学实验现象观察。

本虚拟实验系统旨在使学习者了解仪器的组装、拆分顺序，药品添加方法，了解实验反应过程，分析实验现象等。在实验过程中通过本系统提高实验者的学习兴趣，使其掌握实验仪器的组装和拆分顺序；通过对实验现象的观察、对比和分析，巩固所学化学知识，理解相关化学原理；培养学生分析问题和解决问题能力。

为了便于仪器的准确组装和实验现象的多角度观察，通过镜头（Camera）进行了交互设置，使用键盘按键来切换摄像机视角并利用鼠标右键对其进行旋转。如图5所示为相应的BB及参数设置。实验系统的实验元器件的操控包括两类工具，一类是利用自由度（DOF）操作工具，以观察和变换虚拟模型方位。一类是选择和添加元器件，按照实验要求，完成系统组装。

Virtools中提供的粒子系统(Particle System)，为虚拟化学实验中产生的各种现象提供了丰富的设计内容，使虚拟实验更加形象和逼真。酒精灯火焰特效主要使用Point Particle System（点粒子系统），对于气泡特效设计使用Spherical Particle System（球形粒子系统），液体倾倒采用Curve Particle System（曲线粒子系统）。

对于虚拟模型和实验数据的导入，Virtools连接数据库除了使用自带的服务器形式连接外，也可以自定义BB（Building Block）来连接数据库，这里选择的是自定义连接MySQL数据库。以实现网络三维虚拟实验系统的数据后台更新与维护，这是实现网络虚拟实验系统开放性和通用性的关键技术。

最后应用Virtools开发的网络三维虚拟实验成应用在B/ S 或C/ S 模式的两种格式文件。前者为vmo格式，嵌入到网页中，适于网络浏览器传输; 后者需要应用VirtoolsMakeExe插件将其转换成exe格式，并应用软件封装工具制成客户端可执行程序，可安装在用户的计算机中,避免网络传输带宽的影响, 以提升网络虚拟实验的流畅性。

四 总结

一个得到普遍接受的虚拟现实实验系统，需要提供最简便的控制方式，以及一些基本的物理体验。触控设备拥有输入和反馈所需的相关元素。

有网络特征的桌面式虚拟现实系统对于硬件系统要求并不高，在个人微型电脑上都能很好的体验到实验过程，系统逼真的虚拟场景制作和详尽的过程解释，为用户呈现了一种视觉上的冲击效果。自然真实的感官体验, 能将那些抽象的结构原理实现可视化，加深概念的理解，针对无法随意重组的设备作仿真实训,获得与真实实验一样的体验,从而丰富感性认识。根据混合式学习理论，虚拟实验系统可以成为与课堂教学相结合的有效在线学习中心，实现空间和时间上的延伸，充分体现教师和学生的实验参与程度。

另外，从安全和环保角度考虑，虚拟现实实验系统既不需要化学物品和危险的实验工具如炸药，也不要提供实验样本如动物，更不会对生态环境造成破坏。

制约虚拟现实实验系统发展的瓶颈是虚拟现实相关的建模，如几何建模、运动建模、物理建模等需具备一定专业技能的人员制作，对于精细的实验仪器和化学现象的建模离预期的效果还有相当差距等。当下也存在相关实验资源不足的问题，如实验元器件模型缺乏。但随着一系列实用开发工具，如Virtools、EON等不断推出，上述的问题得到了很好的解决，使得虚拟实验系统从实验室研究转入教学实践成为现实。

从经济角度讲，虚拟现实实验系统给科学实验教育节省了开支。但对于虚拟实验系统来说，最大的挑战是在实践应用中，在课堂和教学过程究竟会产生什么样的效果，因为教师的要求、课程目标和学生的认知水平等都是必须考虑的影响因素。这就要求老师和学生都需参与到设计满足自己要求的虚拟实验项目里。

五 趋势

如果将虚拟现实实验系统加上“增强现实”技术（Augmented Reality），通过真实环境和虚拟现实景象的结合，既能减少生成复杂实验环境的开销，又便于对虚拟场景中的对象进行操作通过增强现实技术，人们不仅能够有视觉和触觉的体验，还能够有感觉的新体验，那么其应用范围也就更加广阔了。

引入分布式，支持多用户协作实验，创建学习共同体，使用户联合在一起成为一个虚拟实验社区，将把实验系统提升到一个新的境界。

参考文献

[1] Kontogeorgiou, A. M., Bellou, J., & Mikropoulos, A. T. (2008). Being inside the quantum atom[J]. PsychNology Journal, 6(1), 8398.

[2] Tactus Technologies. V-FrogTM[OL/DB].

[3] Tassos A. Mikropoulos, Antonis Natsis. educational virtual environments: A ten-year review of empirical research (19992009) [J]. Computers & Education, Volume 56, Issue 3, April 2011, Pages 769-780

[4] Webb, M. E. (2005). Affordances of ICT in science learning: implications for an integrated pedagogy[J]. International Journal of Science Education, 27(6), 705735.

[5] Laura Monica Gorghiu, Gabriel Gorghiu, Crinela Dumitrescu, Radu Lucian Olteanu, Mihai Bîzoi, Ana-Maria Suduc. Implementing virtual experiments in Sciences education - challenges and experiences achieved in the frame of VccSSe Comenius 2.1.[J] . project Procedia - Social and Behavioral Sciences, Volume 2, Issue 2, 2010, Pages 2952-2956

[6] 杨雪,阚宝朋,刘英杰. 基于Virtools的大学物理网络三维虚拟实验的开发[J]. 实验技术与管理, 2009,(04) .

[7] Chen, C. H., Yang, J. C., Shen, S., & Jeng, M. C. (2007). A desktop virtual reality earth motion system in astronomy education[J]. Educational Technology & Society, 10(3), 289304.

[8] Cardioanatomy Site. Heart Anatomy Viewer[DB/OL].

[9] Nelson, B. C., & Ketelhut, D. J. (2008). Exploring embedded guidance and self-efficacy in educational multi-user virtual environments[J]. International Journal of Computer-Supported Collaborative Learning, 3(4), 413427.

[10] 常承阳,詹青龙.在线学习共同体知识创新平台的设计与实现[J].电化教育研究, 2009,(02) .

Designing and Implementing of Web 3D Virtual Lab System

SUN Jiang-shan YU Lan

(Department of education Information Technology, East China Normal University, Shanghai 200062,China)

Abstract: By analyzing classic cases at home and abroad, expounding the techniques and theory of virtual reality and making the classification and characteristics of virtual Lab, summarizing the advantages and strategy that were used to construct the framework of Web 3D virtual Lab system. In order to support the framework effectively, designing an example of “gas making in laboratory” with virtools software, summarizing key methods and key techniques in virtools modeling and virtools interaction. Finally, furthermore show off a summary and outlook.

Keywords: Web 3D; virtual lab; virtual experiment; virtual reality

收稿日期：2011年5月15日 编辑：小禾