網(wǎng)絡(luò)教育中基于Ｗｅｂ的虛擬實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)方法研究

摘要：在網(wǎng)絡(luò)教育過程中，無法以傳統(tǒng)方式開設(shè)實(shí)驗(yàn)課程這一問題，一直影響網(wǎng)絡(luò)教育的質(zhì)量，虛擬實(shí)驗(yàn)的出現(xiàn)，給出了解決這一問題的新思路。本文通過對現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行比較，最終選用虛擬現(xiàn)實(shí)建模語言VRML進(jìn)行虛擬實(shí)現(xiàn)環(huán)境的創(chuàng)建，并利用JavaScript編程語言對VRML進(jìn)行擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)了一個虛擬實(shí)驗(yàn)實(shí)例，為網(wǎng)絡(luò)教育中虛擬實(shí)驗(yàn)的建設(shè)，提供了可行的實(shí)施方案。

Research on the Implementation of Virtual Experiment Based on Web in Network Education

Leng Guowei Miao Sheng

(College of Network Education，Northwestern Polytechnical University，Xi抋n Shannxi 710072)

Abstract：The problem of how to implement experiment always affects the teaching quality in network education， and virtual experiment is an alternation to solve this problem. After analyzing the existing technical， Virtual Reality Module Language (VRML) and JavaScript were eventually selected to design virtual experiments. An instance of virtual experiment had been implemented in this article， which provided a feasible approach to create virtual experiments in network education.

Keywords：Virtual Experiment;VRML;JavaScript

關(guān)鍵詞：虛擬實(shí)驗(yàn)；虛擬現(xiàn)實(shí)建模語言；JavaScript

中圖分類號：G642文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1672-5913（2007）05-0035-05

1 引言

隨著計(jì)算機(jī)、通信和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的高度發(fā)達(dá)，使得以函授教育為主體的傳統(tǒng)遠(yuǎn)程教育逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橐远嗝襟w技術(shù)為主要媒體，在互聯(lián)網(wǎng)上跨時空、跨地域進(jìn)行實(shí)時或非實(shí)時交互式教學(xué)的現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育——網(wǎng)絡(luò)教育。

然而，在網(wǎng)絡(luò)教育中，由于教學(xué)機(jī)構(gòu)和學(xué)生在空間上的分離，學(xué)生難以到學(xué)校實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。目前，大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院不開設(shè)實(shí)驗(yàn)課，這明顯影響了網(wǎng)絡(luò)教育，尤其是其工科專業(yè)學(xué)生的質(zhì)量。教育部科學(xué)技術(shù)司司長謝煥忠在《2006年中國國際遠(yuǎn)程教育大會》的發(fā)言《教育信息化規(guī)劃和發(fā)展戰(zhàn)略》中明確指出，“第五，加大關(guān)鍵技術(shù)的攻關(guān)力度……包括……虛擬實(shí)驗(yàn)、虛擬實(shí)習(xí)和實(shí)訓(xùn)技術(shù)……”因此，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)教育的特點(diǎn)，開設(shè)好網(wǎng)絡(luò)教育中的實(shí)驗(yàn)課是一個非常必要和有意義的研究課題。

2 實(shí)驗(yàn)課程的開設(shè)途徑和要求

網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的特點(diǎn)之一，就是教師和學(xué)生在時間和空間上的分離，學(xué)校和學(xué)生在空間上的分離。這一特點(diǎn)使得我們很難以傳統(tǒng)方式實(shí)施實(shí)驗(yàn)教學(xué)，為了保證網(wǎng)絡(luò)教育的質(zhì)量，要求我們必須尋找新的途徑來解決這個問題。

如果條件允許，即學(xué)習(xí)中心具備實(shí)驗(yàn)條件或?qū)W生可以到實(shí)驗(yàn)室上課，最好用傳統(tǒng)的方法開設(shè)實(shí)驗(yàn)課。實(shí)際情況中，一方面絕大多數(shù)學(xué)習(xí)中心不具備開設(shè)實(shí)驗(yàn)課的條件；另一方面利用現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)程教學(xué)，是網(wǎng)絡(luò)教育較傳統(tǒng)遠(yuǎn)程教育的最大優(yōu)勢，因此，以虛擬實(shí)驗(yàn)的方式進(jìn)行遠(yuǎn)程虛擬實(shí)驗(yàn)，是解決網(wǎng)絡(luò)教育中缺少實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的一種重要手段。

2.1 虛擬實(shí)驗(yàn)的可行性

隨著計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)的發(fā)展和成熟，在20世紀(jì)80年代，美國國家儀器有限公司在科技界首先提出了“虛擬儀器”的嶄新概念，并不斷開發(fā)出基于計(jì)算機(jī)的測試測量儀器。經(jīng)過約30年的發(fā)展，目前，國內(nèi)外有幾百家研制、生產(chǎn)和銷售虛擬儀器的公司，上千種虛擬儀器產(chǎn)品，應(yīng)用遍布電子、機(jī)械、通信、汽車制造、生物、醫(yī)藥、化工、科研、教育等各個行業(yè)領(lǐng)域。在科技界，虛擬儀器已經(jīng)不是一個陌生的概念。目前，利用計(jì)算機(jī)軟件來表現(xiàn)實(shí)驗(yàn)過程已被高校教師普遍接受，并應(yīng)用于教學(xué)。所以，開發(fā)虛擬實(shí)驗(yàn)課件，對網(wǎng)絡(luò)教育的學(xué)生開設(shè)虛擬實(shí)驗(yàn)課程具有現(xiàn)實(shí)意義和實(shí)際作用。

2.2 編制網(wǎng)絡(luò)教育虛擬實(shí)驗(yàn)課件的基本要求

網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的特點(diǎn)就是遠(yuǎn)程教學(xué)，因此對虛擬實(shí)驗(yàn)課件的制作有以下要求：

* 必須在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下制作虛擬實(shí)驗(yàn)課件，使得學(xué)生能夠通過網(wǎng)絡(luò)在異地完成虛擬實(shí)驗(yàn)。

* 具備實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)模塊。內(nèi)容包括文字指導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師真實(shí)實(shí)驗(yàn)的視頻錄像，以便學(xué)生通過教師的實(shí)際操作和文字閱讀加深對實(shí)驗(yàn)的理解，順利完成虛擬試驗(yàn)。

* 具備虛擬試驗(yàn)?zāi)K，即本文討論的內(nèi)容。在該模塊中，除了正常實(shí)驗(yàn)外，還應(yīng)具備智能操作判斷功能，即在實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生操作失誤，系統(tǒng)會自動指出錯誤并要求返回上一步，繼續(xù)試驗(yàn)。

* 具備反饋模塊。要求實(shí)驗(yàn)課件系統(tǒng)能夠把實(shí)驗(yàn)結(jié)果自動存入服務(wù)器，以便教師批閱后反饋給學(xué)生。

3 虛擬實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)方法比較

目前，虛擬實(shí)驗(yàn)的實(shí)現(xiàn)應(yīng)有多種途徑，按照其實(shí)現(xiàn)的技術(shù)手段可以分為基于Flash交互技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)，基于ActiveX技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)，基于Java技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)，基于VRML技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)。

3.1 Flash實(shí)現(xiàn)方法

Flash技術(shù)采用矢量圖形技術(shù)生成動畫，其優(yōu)點(diǎn)是占用的存貯空間小，適合于在網(wǎng)絡(luò)上傳播。但是其面向?qū)ο竽_本語言ActionScript實(shí)現(xiàn)的交互性尚有不足，而且ActionScript的指令雖然也可以完成實(shí)驗(yàn)的后臺計(jì)算，但是由于Flash采用矢量圖，無形中增加了許多計(jì)算量，難以完成大量圖像的快速更新。由此，F(xiàn)lash只適用于實(shí)現(xiàn)較為簡單的虛擬實(shí)驗(yàn)。

3.2 ActiveX實(shí)現(xiàn)方法

ActiveX是一種體系結(jié)構(gòu)，它允許使用不同編程語言開發(fā)的軟件組件在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中相互操作。開發(fā)者可以創(chuàng)建自己的ActiveX控件，其中包含片斷或獨(dú)立的組件，不但可以在程序中重復(fù)調(diào)用，也可以嵌入其他應(yīng)用程序而成為其一部分，這種技術(shù)為虛擬實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)建帶來了極大的便利。但每一種ActiveX控件在初次運(yùn)行時都需要進(jìn)行下載并注冊，這給用戶的使用帶來了不少麻煩。

3.3 Java實(shí)現(xiàn)方法

Java是一種通用的網(wǎng)絡(luò)編程語言，它不但具有強(qiáng)大的編程能力和良好的可移植性，而且也具有很好的穩(wěn)定性和安全性，這些特性對于構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)來說都是非常重要的。但是對于純粹的Java平臺來說，開發(fā)和維護(hù)代價很高。

3.4 VRML實(shí)現(xiàn)方法

虛擬現(xiàn)實(shí)建模語言——VRML（Virtual Reality Modeling Language）是三維造型和渲染的圖形描述性語言。利用其可以在Internet建立交互式的，三維多媒體的境界，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織1998年1月正式將其批準(zhǔn)為國際標(biāo)準(zhǔn)。VRML的基本特征包括分布式、交互式、平臺無關(guān)、三維、多媒體集成、逼真自然等，被稱為“第二代Web”。其應(yīng)用范圍相當(dāng)廣泛，包括科學(xué)研究、教學(xué)、工程、建筑、商業(yè)、娛樂、廣告、電子商務(wù)等，已經(jīng)被越來越多的人們所重視。

通過以上幾種實(shí)現(xiàn)方法的比較看出，VRML能更好地實(shí)現(xiàn)虛擬實(shí)驗(yàn)。雖然VRML的出現(xiàn)為基于Web的虛擬實(shí)驗(yàn)提供了新的解決途徑，然而其在復(fù)雜計(jì)算、精確控制以及文件操作等方面仍存在不足。如果單純使用其來實(shí)現(xiàn)虛擬實(shí)驗(yàn)，在大型虛擬實(shí)驗(yàn)的實(shí)現(xiàn)方面受到很大限制。目前，在VRML 2.0中已添加了對Java、JavaScript等接口的支持，使得我們能夠通過JavaScript編程語言對VRML進(jìn)行擴(kuò)展，彌補(bǔ)其不足，同時，利用VRML 的可視化工具來實(shí)現(xiàn)復(fù)雜三維場景的獨(dú)特優(yōu)勢，以降低直接編程難度，提高建模效率，就可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜、大場景的的網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)。

通過分析看出，使用VRML并通過JavaScript編程語言對VRML進(jìn)行擴(kuò)展可以比較好地實(shí)現(xiàn)虛擬實(shí)驗(yàn)。

4 設(shè)計(jì)實(shí)例——伏安特性的虛擬實(shí)驗(yàn)

在電學(xué)元件兩端加上直流電壓，元件內(nèi)部即有電流流過，電流隨電壓變化的關(guān)系稱為該元件的伏安特性。本文中，以VRML和JavaScript為主要工具，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于Web的伏安特性虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)K。

4.1 基本模型的構(gòu)建

任何一個VRML虛擬場景中的空間造型都必須使用Shape節(jié)點(diǎn)加以創(chuàng)建。對于簡單的幾何模型來說，可以通過VRML場景造型中的立方體、球體、圓柱體、圓錐體等基本幾何造型來進(jìn)行構(gòu)建；對于復(fù)雜的模型，可以通過VRML的點(diǎn)、線、面方式進(jìn)行構(gòu)造，也可以通過如3DMAX等第三方三維建模工具來進(jìn)行。本文中的所有模型都是通過VRML場景造型中的基本幾何造型來構(gòu)建的，包括：桌子、電源、電流表、電壓表、燈泡、滑線變阻器、開關(guān)、導(dǎo)線等。構(gòu)建好的基本模型及其布局如圖1所示。

圖1基本模型及其初始布局

4.2 交互能力的產(chǎn)生和各模型之間的數(shù)據(jù)傳遞

對于已經(jīng)構(gòu)造好的基本模型，需要加入一定的交互性才能形成真實(shí)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，例如：開關(guān)的開啟、閉合，滑線變阻器劃塊的拖動，導(dǎo)線與各實(shí)驗(yàn)設(shè)備的連接等。同時，為了實(shí)現(xiàn)各模塊之間顯示效果的統(tǒng)一，需要在各實(shí)驗(yàn)設(shè)備之間傳遞一定的實(shí)時參數(shù)，例如：需要將開關(guān)的狀態(tài)、滑線變阻器滑塊的位置、導(dǎo)線的接線情況傳遞給電壓表和電流表，以便顯示出當(dāng)前實(shí)時的電壓和電流值。

對于簡單的交互行為和數(shù)據(jù)傳遞，可以通過VRML中的交互傳感器和路由語句（Route）來實(shí)現(xiàn)，本例中開關(guān)的開啟、閉合，滑塊的拖動等交互行為，均是通過接觸傳感器、平面?zhèn)鞲衅鞯冉换鞲衅魍瓿傻摹Ｓ媒佑|傳感器實(shí)現(xiàn)開關(guān)的開啟、閉合，如圖2所示。

圖2開關(guān)的開啟、閉合

對于較為復(fù)雜的交互行為，由于VRML本身不能完成普通程序設(shè)計(jì)中的轉(zhuǎn)折、分支、循環(huán)等基本特征，因此需要由VRML的Script節(jié)點(diǎn)來完成，Script節(jié)點(diǎn)的原型為：

Script{

url[ ]

mustEvaluateFALSE

directOutputFALSE

# any number of:

fieldfieldTypeName

eventIneventTypeName

eventOutenentTypeName

}

Script節(jié)點(diǎn)的url域的域值為一個URL列表，該列表中的URL值所指定的程序腳本可以是由任何VRML瀏覽器支持的語言寫成的，通常是Java語言或JavaScript語言。一個Script節(jié)點(diǎn)可以定義多個入事件（eventIn）和出事件（eventOut），用來實(shí)現(xiàn)VRML和Java（或JavaScript）之間的交互，其交互過程為：

* 通過eventIn將事件傳至Script節(jié)點(diǎn)中的腳本；

* 在Script節(jié)點(diǎn)中的腳本中調(diào)用相應(yīng)的Java類（或JavaScript）進(jìn)行處理；

* 通過eventOut將結(jié)果送回到VRML場景以實(shí)現(xiàn)與VRML之間的交互。

本例中導(dǎo)線的連接過程，就是通過JavaScript語言進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。在JavaScript中，通過追蹤導(dǎo)線兩個接線端點(diǎn)的實(shí)時位置，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)線形狀的動態(tài)改變，其效果如圖3所示。同時，為了方便實(shí)驗(yàn)者接線，對每一個實(shí)驗(yàn)設(shè)備的接線端均設(shè)計(jì)了一定范圍的粘滯區(qū)域，即當(dāng)導(dǎo)線的接線端進(jìn)入實(shí)驗(yàn)設(shè)備接線端的粘滯區(qū)域后，會自動和接線端相接，從而確保接線位置的正確性。

圖3導(dǎo)線形狀的動態(tài)改變

4.3 實(shí)驗(yàn)測試

該實(shí)驗(yàn)中是測試燈泡燈絲的伏安特性曲線。本例中，假設(shè)燈泡為線性元件。在操作過程中，首先要求實(shí)驗(yàn)者按圖4所示的原理圖接線，實(shí)際的接線圖如圖5所示。

圖4伏安特性曲線測試原理圖

圖5伏安特性曲線測試實(shí)際接線圖

確認(rèn)接線無誤后，打開電源，并閉合開關(guān)，燈泡點(diǎn)亮了。實(shí)驗(yàn)效果如圖6所示。

圖6實(shí)驗(yàn)效果圖（滑塊在最左端）

若接線錯誤，打開電源，閉合開關(guān)后，系統(tǒng)會自動提示“接線錯誤，請重新接線”。若系統(tǒng)能夠?qū)Σ煌慕泳€錯誤進(jìn)行判斷并對后果進(jìn)行表現(xiàn)，則效果更佳。

用鼠標(biāo)從左向右拖動滑線變阻器滑塊，在不同位置記錄10組電壓表和電流表的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。當(dāng)滑塊滑動到最右端時，實(shí)驗(yàn)效果圖如圖7所示。

圖7實(shí)驗(yàn)效果圖（滑塊在最右端）

如果要查看某一個儀表的讀數(shù)，只需要用鼠標(biāo)單擊該儀表，該儀表便會自動放大到全屏，保證學(xué)生清楚地看到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，如圖8所示。

圖8電壓表讀數(shù)圖

圖9伏安特性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表

圖10伏安特性曲線

4.4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

實(shí)驗(yàn)完畢后，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)填入如圖9所示的Web頁面的表單中，在表單提交后，系統(tǒng)會將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及相關(guān)信息保存在服務(wù)器端的數(shù)據(jù)庫中，將如圖10所示的伏安特性曲線展現(xiàn)給實(shí)驗(yàn)者，同時，供教師批閱。

5 總結(jié)

在目前的虛擬實(shí)驗(yàn)的實(shí)現(xiàn)方法中，有多種技術(shù)可以利用，但是對大多數(shù)單一技術(shù)實(shí)現(xiàn)來說，在真實(shí)性、交互性、安全性等方面，總存在著不足之處。本文通過JavaScript編程語言對VRML進(jìn)行擴(kuò)展，一方面，可以保持VRML原有的語法簡單、三維建模功能強(qiáng)大、便于網(wǎng)上發(fā)布等優(yōu)點(diǎn)；另一方面又可以通過JavaScript彌補(bǔ)VRML在邏輯判斷、文件操作、鍵盤輸入、精確控制場景等方面的不足，進(jìn)而完善與HTML等其他媒體的交互，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)的制作。

參考文獻(xiàn)：

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收稿日期：2006-10-21

作者簡介：冷國勝（1956年-），男，黑龍江人，碩士，西北工業(yè)大學(xué)副教授，專業(yè)研究方向：網(wǎng)絡(luò)教育和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用。