網絡教育中基于Ｗｅｂ的虛擬實驗實現(xiàn)方法研究

摘要：在網絡教育過程中，無法以傳統(tǒng)方式開設實驗課程這一問題，一直影響網絡教育的質量，虛擬實驗的出現(xiàn)，給出了解決這一問題的新思路。本文通過對現(xiàn)有技術進行比較，最終選用虛擬現(xiàn)實建模語言VRML進行虛擬實現(xiàn)環(huán)境的創(chuàng)建，并利用JavaScript編程語言對VRML進行擴展，實現(xiàn)了一個虛擬實驗實例，為網絡教育中虛擬實驗的建設，提供了可行的實施方案。

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

關鍵詞：虛擬實驗；虛擬現(xiàn)實建模語言；JavaScript

中圖分類號：G642文獻標識碼：A

文章編號：1672-5913（2007）05-0035-05

1 引言

隨著計算機、通信和網絡技術的高度發(fā)達，使得以函授教育為主體的傳統(tǒng)遠程教育逐漸轉變?yōu)橐远嗝襟w技術為主要媒體，在互聯(lián)網上跨時空、跨地域進行實時或非實時交互式教學的現(xiàn)代遠程教育——網絡教育。

然而，在網絡教育中，由于教學機構和學生在空間上的分離，學生難以到學校實驗室進行實驗。目前，大多數網絡教育學院不開設實驗課，這明顯影響了網絡教育，尤其是其工科專業(yè)學生的質量。教育部科學技術司司長謝煥忠在《2006年中國國際遠程教育大會》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，加大關鍵技術的攻關力度……包括……虛擬實驗、虛擬實習和實訓技術……”因此，根據網絡教育的特點，開設好網絡教育中的實驗課是一個非常必要和有意義的研究課題。

2 實驗課程的開設途徑和要求

網絡教學的特點之一，就是教師和學生在時間和空間上的分離，學校和學生在空間上的分離。這一特點使得我們很難以傳統(tǒng)方式實施實驗教學，為了保證網絡教育的質量，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，即學習中心具備實驗條件或學生可以到實驗室上課，最好用傳統(tǒng)的方法開設實驗課。實際情況中，一方面絕大多數學習中心不具備開設實驗課的條件；另一方面利用現(xiàn)代網絡和計算機技術進行遠程教學，是網絡教育較傳統(tǒng)遠程教育的最大優(yōu)勢，因此，以虛擬實驗的方式進行遠程虛擬實驗，是解決網絡教育中缺少實驗環(huán)節(jié)的一種重要手段。

2.1 虛擬實驗的可行性

隨著計算機和網絡通訊技術的發(fā)展和成熟，在20世紀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)出基于計算機的測試測量儀器。經過約30年的發(fā)展，目前，國內外有幾百家研制、生產和銷售虛擬儀器的公司，上千種虛擬儀器產品，應用遍布電子、機械、通信、汽車制造、生物、醫(yī)藥、化工、科研、教育等各個行業(yè)領域。在科技界，虛擬儀器已經不是一個陌生的概念。目前，利用計算機軟件來表現(xiàn)實驗過程已被高校教師普遍接受，并應用于教學。所以，開發(fā)虛擬實驗課件，對網絡教育的學生開設虛擬實驗課程具有現(xiàn)實意義和實際作用。

2.2 編制網絡教育虛擬實驗課件的基本要求

網絡教學的特點就是遠程教學，因此對虛擬實驗課件的制作有以下要求：

* 必須在網絡環(huán)境下制作虛擬實驗課件，使得學生能夠通過網絡在異地完成虛擬實驗。

* 具備實驗指導模塊。內容包括文字指導和實驗指導教師真實實驗的視頻錄像，以便學生通過教師的實際操作和文字閱讀加深對實驗的理解，順利完成虛擬試驗。

* 具備虛擬試驗模塊，即本文討論的內容。在該模塊中，除了正常實驗外，還應具備智能操作判斷功能，即在實驗中，學生操作失誤，系統(tǒng)會自動指出錯誤并要求返回上一步，繼續(xù)試驗。

* 具備反饋模塊。要求實驗課件系統(tǒng)能夠把實驗結果自動存入服務器，以便教師批閱后反饋給學生。

3 虛擬實驗實現(xiàn)方法比較

目前，虛擬實驗的實現(xiàn)應有多種途徑，按照其實現(xiàn)的技術手段可以分為基于Flash交互技術的網絡虛擬實驗，基于ActiveX技術的網絡虛擬實驗，基于Java技術的網絡虛擬實驗，基于VRML技術的網絡虛擬實驗。

3.1 Flash實現(xiàn)方法

Flash技術采用矢量圖形技術生成動畫，其優(yōu)點是占用的存貯空間小，適合于在網絡上傳播。但是其面向對象腳本語言ActionScript實現(xiàn)的交互性尚有不足，而且ActionScript的指令雖然也可以完成實驗的后臺計算，但是由于Flash采用矢量圖，無形中增加了許多計算量，難以完成大量圖像的快速更新。由此，F(xiàn)lash只適用于實現(xiàn)較為簡單的虛擬實驗。

3.2 ActiveX實現(xiàn)方法

ActiveX是一種體系結構，它允許使用不同編程語言開發(fā)的軟件組件在網絡環(huán)境中相互操作。開發(fā)者可以創(chuàng)建自己的ActiveX控件，其中包含片斷或獨立的組件，不但可以在程序中重復調用，也可以嵌入其他應用程序而成為其一部分，這種技術為虛擬實驗的創(chuàng)建帶來了極大的便利。但每一種ActiveX控件在初次運行時都需要進行下載并注冊，這給用戶的使用帶來了不少麻煩。

3.3 Java實現(xiàn)方法

Java是一種通用的網絡編程語言，它不但具有強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，這些特性對于構建虛擬實驗來說都是非常重要的。但是對于純粹的Java平臺來說，開發(fā)和維護代價很高。

3.4 VRML實現(xiàn)方法

虛擬現(xiàn)實建模語言——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，國際標準化組織1998年1月正式將其批準為國際標準。VRML的基本特征包括分布式、交互式、平臺無關、三維、多媒體集成、逼真自然等，被稱為“第二代Web”。其應用范圍相當廣泛，包括科學研究、教學、工程、建筑、商業(yè)、娛樂、廣告、電子商務等，已經被越來越多的人們所重視。

通過以上幾種實現(xiàn)方法的比較看出，VRML能更好地實現(xiàn)虛擬實驗。雖然VRML的出現(xiàn)為基于Web的虛擬實驗提供了新的解決途徑，然而其在復雜計算、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現(xiàn)虛擬實驗，在大型虛擬實驗的實現(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進行擴展，彌補其不足，同時，利用VRML 的可視化工具來實現(xiàn)復雜三維場景的獨特優(yōu)勢，以降低直接編程難度，提高建模效率，就可以實現(xiàn)復雜、大場景的的網絡虛擬實驗。

通過分析看出，使用VRML并通過JavaScript編程語言對VRML進行擴展可以比較好地實現(xiàn)虛擬實驗。

4 設計實例——伏安特性的虛擬實驗

在電學元件兩端加上直流電壓，元件內部即有電流流過，電流隨電壓變化的關系稱為該元件的伏安特性。本文中，以VRML和JavaScript為主要工具，設計實現(xiàn)了基于Web的伏安特性虛擬實驗模塊。

4.1 基本模型的構建

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行構建；對于復雜的模型，可以通過VRML的點、線、面方式進行構造，也可以通過如3DMAX等第三方三維建模工具來進行。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建的，包括：桌子、電源、電流表、電壓表、燈泡、滑線變阻器、開關、導線等。構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 交互能力的產生和各模型之間的數據傳遞

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

對于簡單的交互行為和數據傳遞，可以通過VRML中的交互傳感器和路由語句（Route）來實現(xiàn)，本例中開關的開啟、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|傳感器實現(xiàn)開關的開啟、閉合，如圖2所示。

圖2開關的開啟、閉合

對于較為復雜的交互行為，由于VRML本身不能完成普通程序設計中的轉折、分支、循環(huán)等基本特征，因此需要由VRML的Script節(jié)點來完成，Script節(jié)點的原型為：

Script{

url[ ]

mustEvaluateFALSE

directOutputFALSE

# any number of:

fieldfieldTypeName

eventIneventTypeName

eventOutenentTypeName

}

Script節(jié)點的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)點可以定義多個入事件（eventIn）和出事件（eventOut），用來實現(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)點中的腳本；

* 在Script節(jié)點中的腳本中調用相應的Java類（或JavaScript）進行處理；

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

本例中導線的連接過程，就是通過JavaScript語言進行實現(xiàn)。在JavaScript中，通過追蹤導線兩個接線端點的實時位置，實現(xiàn)導線形狀的動態(tài)改變，其效果如圖3所示。同時，為了方便實驗者接線，對每一個實驗設備的接線端均設計了一定范圍的粘滯區(qū)域，即當導線的接線端進入實驗設備接線端的粘滯區(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導線形狀的動態(tài)改變

4.3 實驗測試

該實驗中是測試燈泡燈絲的伏安特性曲線。本例中，假設燈泡為線性元件。在操作過程中，首先要求實驗者按圖4所示的原理圖接線，實際的接線圖如圖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際接線圖

確認接線無誤后，打開電源，并閉合開關，燈泡點亮了。實驗效果如圖6所示。

圖6實驗效果圖（滑塊在最左端）

若接線錯誤，打開電源，閉合開關后，系統(tǒng)會自動提示“接線錯誤，請重新接線”。若系統(tǒng)能夠對不同的接線錯誤進行判斷并對后果進行表現(xiàn)，則效果更佳。

用鼠標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驗數據。當滑塊滑動到最右端時，實驗效果圖如圖7所示。

圖7實驗效果圖（滑塊在最右端）

如果要查看某一個儀表的讀數，只需要用鼠標單擊該儀表，該儀表便會自動放大到全屏，保證學生清楚地看到實驗數據，如圖8所示。

圖8電壓表讀數圖

圖9伏安特性實驗數據記錄表

圖10伏安特性曲線

4.4 實驗數據處理

實驗完畢后，將實驗數據填入如圖9所示的Web頁面的表單中，在表單提交后，系統(tǒng)會將實驗數據及相關信息保存在服務器端的數據庫中，將如圖10所示的伏安特性曲線展現(xiàn)給實驗者，同時，供教師批閱。

5 總結

在目前的虛擬實驗的實現(xiàn)方法中，有多種技術可以利用，但是對大多數單一技術實現(xiàn)來說，在真實性、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進行擴展，一方面，可以保持VRML原有的語法簡單、三維建模功能強大、便于網上發(fā)布等優(yōu)點；另一方面又可以通過JavaScript彌補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，進而完善與HTML等其他媒體的交互，實現(xiàn)復雜的網絡虛擬實驗的制作。

參考文獻：

[1] 段新昱. 虛擬現(xiàn)實基礎與VRML編程[M]. 北京：高等教育出版社， 2004.

[2] 張立釗，張金鏑，張金銳. 虛擬現(xiàn)實三維立體網絡程序設計語言VRML[M]. 北京：清華大學出版社， 2004.

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)大學副教授，專業(yè)研究方向：網絡教育和網絡技術應用。