構(gòu)建基于WEB的運(yùn)動(dòng)生理學(xué)桌面虛擬基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)室

　　摘 要： 將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)融入運(yùn)動(dòng)生理學(xué)課程實(shí)驗(yàn)中，能夠極大地改善運(yùn)動(dòng)生理學(xué)的實(shí)驗(yàn)條件與教學(xué)質(zhì)量。本文以虛擬現(xiàn)實(shí)建模語(yǔ)言（VRML）和QTVR為基礎(chǔ)，重點(diǎn)討論了運(yùn)動(dòng)生理學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)室的構(gòu)建過(guò)程，并指出了一些在構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)室過(guò)程中需要注意的問(wèn)題。
　　關(guān)鍵詞： 構(gòu)建基于WEB的運(yùn)動(dòng)生理學(xué)桌面虛擬基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)室 體系結(jié)構(gòu) 關(guān)鍵技術(shù) 實(shí)施重點(diǎn)
　　
　　運(yùn)動(dòng)生理學(xué)是研究人體運(yùn)動(dòng)能力和對(duì)運(yùn)動(dòng)的反應(yīng)與適應(yīng)過(guò)程的科學(xué)，是體育科學(xué)中重要的應(yīng)用基礎(chǔ)理論學(xué)科。運(yùn)動(dòng)生理學(xué)實(shí)驗(yàn)是聯(lián)系課堂理論教學(xué)的橋梁，是理論與實(shí)踐相結(jié)合的重要環(huán)節(jié)。教育部《關(guān)于加強(qiáng)高等學(xué)校本科教學(xué)工作提高教學(xué)質(zhì)量的若干意見(jiàn)》（2001年）4號(hào)文件特別強(qiáng)調(diào)了“實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)于提高學(xué)生綜合素質(zhì)、培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神與實(shí)踐能力具有特殊的作用”的重要性。實(shí)驗(yàn)課教學(xué)是關(guān)系到教學(xué)質(zhì)量?jī)?yōu)劣的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，好的教學(xué)方法能充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，提高教學(xué)質(zhì)量，強(qiáng)化學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能，促進(jìn)學(xué)生綜合能力的發(fā)展。但在運(yùn)動(dòng)生理學(xué)實(shí)驗(yàn)中，存在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容多而實(shí)驗(yàn)課時(shí)少，一些傳統(tǒng)經(jīng)典實(shí)驗(yàn)成本高、耗時(shí)長(zhǎng)、難度大、失敗率高等現(xiàn)象，已經(jīng)成為制約運(yùn)動(dòng)生理學(xué)教育質(zhì)量的一個(gè)重要因素。
　　本研究的目的是通過(guò)WEB構(gòu)建運(yùn)動(dòng)生理學(xué)桌面虛擬基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，使得一些實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象能夠通過(guò)計(jì)算機(jī)在網(wǎng)絡(luò)中模擬，學(xué)生不必?fù)?dān)心缺乏實(shí)驗(yàn)條件，也不必為做實(shí)驗(yàn)到處奔波，這對(duì)運(yùn)動(dòng)生理學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革具有十分重要的意義。
　　1.基于WEB的運(yùn)動(dòng)生理學(xué)桌面虛擬基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)室體系結(jié)構(gòu)
　　基于WEB的運(yùn)動(dòng)生理學(xué)桌面虛擬基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)室（以下簡(jiǎn)稱虛擬實(shí)驗(yàn)室），其實(shí)就是構(gòu)建一個(gè)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)系統(tǒng)，它包括接入了互聯(lián)網(wǎng)的校園網(wǎng)絡(luò)、開(kāi)發(fā)運(yùn)動(dòng)生理學(xué)桌面虛擬基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)軟件系統(tǒng)和相應(yīng)虛擬實(shí)驗(yàn)管理監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)由六大模塊構(gòu)成［１］。
　　1.1虛擬實(shí)驗(yàn)管理模塊
　　由學(xué)生管理、教師管理、虛擬儀器管理和學(xué)生成績(jī)管理等組成。在學(xué)生管理方面，學(xué)生通過(guò)瀏覽器進(jìn)行注冊(cè)登錄，登陸成功后可瀏覽實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、閱讀實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)、查看實(shí)驗(yàn)的詳細(xì)資料、在線發(fā)送和接收消息、進(jìn)行問(wèn)題討論、進(jìn)行實(shí)驗(yàn)登記，以及實(shí)驗(yàn)完成后可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)寫(xiě)實(shí)驗(yàn)報(bào)告并提交報(bào)告。在教師管理方面，教師可對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容添加、修改、整理、刪除，批改學(xué)生提交的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，填寫(xiě)評(píng)語(yǔ)和成績(jī)，提交批改結(jié)果，與學(xué)生進(jìn)行討論。在虛擬儀器管理方面，對(duì)新設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的虛擬儀器上傳并進(jìn)行分類(lèi)整理，以圖形的方式直觀呈現(xiàn)出來(lái)，供學(xué)生在實(shí)驗(yàn)時(shí)進(jìn)行選擇使用。在成績(jī)管理方面，對(duì)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)情況（實(shí)驗(yàn)次數(shù)、實(shí)驗(yàn)報(bào)告及完成情況）給出成績(jī)，并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析及提供查詢，等等。
　　1.2實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)模塊
　　包括實(shí)驗(yàn)介紹、實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?shí)驗(yàn)準(zhǔn)備、實(shí)驗(yàn)方法及步驟、實(shí)驗(yàn)的重點(diǎn)及難點(diǎn)、實(shí)驗(yàn)報(bào)告的要求及實(shí)驗(yàn)應(yīng)注意的事項(xiàng)等。
　　1.3實(shí)驗(yàn)報(bào)告模塊
　　主要對(duì)學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)后，提供相關(guān)的實(shí)驗(yàn)報(bào)告模板，供學(xué)生下載，由學(xué)生填寫(xiě)相關(guān)內(nèi)容及實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，完成后上傳電子版實(shí)驗(yàn)報(bào)告，由教師進(jìn)行批閱，并進(jìn)行記載。
　　1.4實(shí)驗(yàn)答疑模塊
　　對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的疑難問(wèn)題，由專(zhuān)業(yè)教師進(jìn)行及時(shí)解答，幫助學(xué)生順利通過(guò)實(shí)驗(yàn)。同時(shí)，教師和學(xué)生可以通過(guò)該模塊進(jìn)行充分的交流，學(xué)生可以將實(shí)驗(yàn)中的收獲、經(jīng)驗(yàn)和體會(huì)及問(wèn)題發(fā)布到論壇上，供教師和其他同學(xué)探討。學(xué)生在這樣寬松的環(huán)境下發(fā)表自己的見(jiàn)解，教師從中可以得到及時(shí)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)反饋信息，以便整改。
　　1.5虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境與虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)K
　　該模塊是虛擬實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的重要部分。利用多媒體計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與虛擬儀器技術(shù)的結(jié)合，通過(guò)WEB在客戶端模擬實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境，即在WEB中創(chuàng)建出一個(gè)可視化的三維環(huán)境和一個(gè)個(gè)可視化的三維物體（代表一種實(shí)驗(yàn)對(duì)象），學(xué)生通過(guò)鼠標(biāo)的點(diǎn)擊及拖曳等操作三維物體，就可以進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)。
　　1.6實(shí)驗(yàn)幫助模塊
　　創(chuàng)建一個(gè)三維造型作為幫助按鈕，當(dāng)用戶點(diǎn)擊它的時(shí)候在空間相應(yīng)位置就會(huì)出現(xiàn)文字說(shuō)明，再次點(diǎn)擊將文字說(shuō)明從空間中移除，以免妨礙虛擬實(shí)驗(yàn)室的使用。
　　2.構(gòu)建基于WEB的運(yùn)動(dòng)生理學(xué)桌面虛擬基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)室的關(guān)鍵技術(shù)
　　2.1VRML技術(shù)
　　VRML（Virtual Reality Modeling Language，即虛擬現(xiàn)實(shí)建模語(yǔ)言）是第二代WWW的標(biāo)準(zhǔn)語(yǔ)言，一種用于在WEB上構(gòu)筑3D多媒體和共享虛擬世界的開(kāi)放式語(yǔ)言標(biāo)準(zhǔn)。VRML的基本原理是：用文本信息描述三維場(chǎng)景，在Internet網(wǎng)上傳輸，并在本地機(jī)上由VRML的瀏覽器解釋生成三維場(chǎng)景。正是這種思想使得其在Internet上傳輸很少的數(shù)據(jù)，就可以在WEB上實(shí)現(xiàn)三維虛擬場(chǎng)景瀏覽成為可能。由于用VRML能豐富媒體表現(xiàn)形式、協(xié)同工作角色的可視化管理、改善協(xié)同環(huán)境的用戶接口、增強(qiáng)協(xié)同環(huán)境的交互性，因此將VRML融合到基于WEB虛擬實(shí)驗(yàn)室的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，既可增強(qiáng)表現(xiàn)力和用戶的接受力，又可實(shí)現(xiàn)較好的協(xié)同工作虛擬化環(huán)境。國(guó)內(nèi)外一些高等院校利用VRML2.0語(yǔ)言，已成功開(kāi)發(fā)了基于集成聲音、圖像及其它多媒體技術(shù)的三維空間的虛擬實(shí)驗(yàn)中心，它制造了一個(gè)完全立體化的模型，虛擬出真實(shí)的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，用戶進(jìn)入其中如同進(jìn)入真正的實(shí)驗(yàn)室一樣。［2］
　　2.2QTVR技術(shù)
　　QTVR（Quick Time Virtual Reality）是由美國(guó)蘋(píng)果公司所開(kāi)發(fā)的跨平臺(tái)多媒體套件，支持各種格式的影片、圖片、流媒體、動(dòng)畫(huà)、聲音、虛擬現(xiàn)實(shí)，以及具有互動(dòng)效果的文件的虛擬實(shí)境技術(shù)。它不需要傳統(tǒng)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)所要求的特殊硬件和附屬設(shè)備（如圖形工作站或者資料手套等）支持，在普通的PC機(jī)或Mac機(jī)上就可產(chǎn)生相當(dāng)程度的虛擬現(xiàn)實(shí)的體驗(yàn)。QTVR不必進(jìn)行任何幾何造型，只需通過(guò)圖像采集系統(tǒng)采集真實(shí)世界的圖像、QTVR系統(tǒng)軟件處理離散的圖像，即可完成三維空間、三維物體的造型；然后操縱普通鼠標(biāo)、鍵盤(pán)即可實(shí)現(xiàn)對(duì)三維造型的全方位觀察。QTVR可應(yīng)用照片、錄像或數(shù)字圖像來(lái)創(chuàng)建虛擬環(huán)境，使它較之多媒體技術(shù)、傳統(tǒng)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)有著更高的真實(shí)感、更豐富的圖像和更鮮明的細(xì)節(jié)特征。此外，QTVR制作簡(jiǎn)單，制作周期較短，制作的可控性也很強(qiáng)。對(duì)于體育教師這類(lèi)非計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)人士來(lái)說(shuō)，比較容易掌握其技術(shù)，據(jù)此要開(kāi)發(fā)一些簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件，也不至于難度太大。［3］
　　3.基于WEB的運(yùn)動(dòng)生理學(xué)桌面虛擬基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建的實(shí)施
　　利用VRML較強(qiáng)的用戶交互功能和QTVR實(shí)景建模的功能結(jié)合起來(lái)實(shí)現(xiàn)基于WEB虛擬實(shí)驗(yàn)室。QTVR基于靜態(tài)圖像的三維實(shí)景建模特性，使得它特別適合于對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)室中的儀器設(shè)備或?qū)μ摂M實(shí)驗(yàn)室環(huán)境進(jìn)行展示，這樣可以增加實(shí)驗(yàn)者的臨場(chǎng)感和沉浸感；與VRML相比，它的交互能力差了一些。而VRML雖然可以利用靜態(tài)圖像進(jìn)行紋理映像，也可以用來(lái)介紹虛擬儀器設(shè)備和虛擬實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)景，但是它最為廣泛的應(yīng)用還在于三維物體的創(chuàng)建和與虛擬空間中的物體進(jìn)行交互，二者互補(bǔ)，從而可實(shí)現(xiàn)構(gòu)建真實(shí)感很強(qiáng)的、具有良好交互性的虛擬實(shí)驗(yàn)室。
　　3.1制作運(yùn)動(dòng)生理學(xué)實(shí)驗(yàn)中虛擬實(shí)驗(yàn)儀器
　　實(shí)驗(yàn)教學(xué)離不開(kāi)實(shí)驗(yàn)儀器，運(yùn)動(dòng)生理學(xué)實(shí)驗(yàn)也不例外，這就需要對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器詳細(xì)介紹和說(shuō)明用法。比如為運(yùn)動(dòng)跑臺(tái)創(chuàng)作有解說(shuō)詞和文字說(shuō)明的三維旋轉(zhuǎn)體圖片，讓學(xué)生在虛擬實(shí)驗(yàn)室中對(duì)該虛擬運(yùn)動(dòng)跑臺(tái)進(jìn)行隨意地旋轉(zhuǎn)和任何視覺(jué)角度的觀察，從而詳盡了解它的構(gòu)造、功能和使用方法，同時(shí)達(dá)到預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)、復(fù)習(xí)實(shí)驗(yàn)的目的。通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器實(shí)物的拍攝，借助QTVR在立體空間的展示的獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，制作QTVR物體電影即可虛擬出相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)儀器。使用這種物體電影就可以對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)行360°查看，這一過(guò)程需要用QTVR物體電影自帶的縫合軟件來(lái)完成。
　　
　　3.2制作三維的運(yùn)動(dòng)生理學(xué)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景
　　使用VRML可視化編輯軟件來(lái)制作三維的運(yùn)動(dòng)生理學(xué)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景并進(jìn)行交互過(guò)程的開(kāi)發(fā)。如果要使空間具有交互性，可以在VRML中，將傳感器附在一個(gè)造型上，該傳感器使用定點(diǎn)設(shè)備來(lái)感知學(xué)生實(shí)驗(yàn)中的動(dòng)作，用來(lái)檢測(cè)學(xué)生的移動(dòng)、點(diǎn)擊和拖動(dòng)。當(dāng)學(xué)生點(diǎn)擊到一個(gè)附帶有傳感器的儀器部位時(shí)，傳感器就輸出一個(gè)事件，該事件就被路由到其它的節(jié)點(diǎn)來(lái)開(kāi)始一個(gè)動(dòng)畫(huà)。當(dāng)學(xué)生與可感知的儀器部位相互作用時(shí)，就可以把傳感器的輸出連入一個(gè)線路中，從而引起儀器的移動(dòng)和動(dòng)畫(huà)的播放。這些傳感器對(duì)于實(shí)現(xiàn)與VRML空間的交互來(lái)說(shuō)是最為基礎(chǔ)的，但卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能達(dá)到創(chuàng)建虛擬實(shí)驗(yàn)室的要求。因此在VRML中還提供了Script節(jié)點(diǎn)，它專(zhuān)門(mén)用于對(duì)基本交互節(jié)點(diǎn)的擴(kuò)展，描述用戶制作的感應(yīng)器和內(nèi)插器。Script節(jié)點(diǎn)可以看作是一個(gè)節(jié)點(diǎn)的外殼，它擁有域、eventIn事件、eventOut事件，其本身沒(méi)有任何動(dòng)作，然而設(shè)計(jì)者可以通過(guò)程序腳本來(lái)賦予腳本的動(dòng)作。這里的程序腳本一般是使用JavaScript或Java來(lái)編寫(xiě)成。
　　3.3系統(tǒng)整合形成終端瀏覽網(wǎng)頁(yè)
　　將前面完成的QTVR物體電影和VRML場(chǎng)景用JavaScript和VRMLScript相結(jié)合，整合成具有交互效果的整個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，這樣就完成了對(duì)整個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)室的創(chuàng)建。教師和學(xué)生在這個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中，可以沉浸其中，全身心地投入實(shí)驗(yàn)的教與學(xué)的過(guò)程，既生動(dòng)了教學(xué)情景，又提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)效率與積極性。
　　4.網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)過(guò)程當(dāng)中應(yīng)注意的要點(diǎn)
　　4.1模擬聲音
　　要使實(shí)驗(yàn)達(dá)到逼真，除了模擬控制臺(tái)實(shí)物景象外，還要模擬它們實(shí)驗(yàn)環(huán)境中的各種聲音，如按鈕按動(dòng)聲、內(nèi)部機(jī)械動(dòng)作聲等。這樣才能使學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室有身臨其境的感覺(jué)，全身心地投入。
　　4.2模擬臺(tái)面各種動(dòng)作的結(jié)果
　　臺(tái)面上每個(gè)控件的動(dòng)作都會(huì)觸發(fā)一定的事件，這些事件在實(shí)物設(shè)備中是靠機(jī)械、電路等去完成，而現(xiàn)在將這些機(jī)械及電子邏輯關(guān)系使用計(jì)算機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)。
　　4.3實(shí)驗(yàn)儀器的差異
　　在虛擬實(shí)驗(yàn)中，智能化程度比較高，當(dāng)操作不正確時(shí)，會(huì)彈出提示窗口。而實(shí)際實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生首先要掌握實(shí)驗(yàn)中所有實(shí)驗(yàn)儀器的使用，只有規(guī)范熟練地掌握實(shí)驗(yàn)儀器的操作技巧，才能順利完成實(shí)驗(yàn)。［4］
　　4.4實(shí)驗(yàn)環(huán)境的差異
　　設(shè)計(jì)者要對(duì)虛擬環(huán)境中的學(xué)習(xí)資源要素及其布局特征能夠正確把握。VRML不是一種造型語(yǔ)言，而是一種建模語(yǔ)言。在應(yīng)用VRML構(gòu)建虛擬環(huán)境時(shí)，設(shè)計(jì)者必須通過(guò)已有視頻、圖片等獲得虛擬環(huán)境的原型。雖然VRML能夠提供功能完整的三維虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景，并具有較強(qiáng)的交互功能，但這只是一個(gè)桌面系統(tǒng)而非完整意義上的虛擬現(xiàn)實(shí)，鼠標(biāo)和鍵盤(pán)很多時(shí)候并不能實(shí)現(xiàn)某些實(shí)踐操作功能。要組建高端沉浸式系統(tǒng)，需要借助立體頭盔顯示、數(shù)據(jù)手套、位置和方向跟蹤等設(shè)備。
　　4.5虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境的互動(dòng)
　　虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境的互動(dòng)并非是對(duì)人們現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)環(huán)境中互動(dòng)的恰當(dāng)模擬，并不符合學(xué)習(xí)者的互動(dòng)習(xí)慣。設(shè)計(jì)者應(yīng)綜合考慮各種技術(shù)手段選擇符合現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景的互動(dòng)方式。
　　5.結(jié)語(yǔ)
　　虛擬實(shí)驗(yàn)室技術(shù)是未來(lái)高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式發(fā)展的必然趨勢(shì)，它能夠充分利用現(xiàn)有資源和網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)的益處，實(shí)現(xiàn)各種資源合理有效的配置，為運(yùn)動(dòng)生理學(xué)實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)改革提供了條件和技術(shù)支持，具有現(xiàn)實(shí)的使用意義，其優(yōu)越性會(huì)被越來(lái)越多的人認(rèn)識(shí)［5］。但要使運(yùn)動(dòng)生理學(xué)桌面虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)真正得到推廣應(yīng)用，關(guān)鍵是運(yùn)動(dòng)生理學(xué)專(zhuān)業(yè)教師及實(shí)驗(yàn)師觀念的改變，除了具有創(chuàng)新精神和能力外，還應(yīng)不斷地進(jìn)行有關(guān)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)知識(shí)學(xué)習(xí)和更新，從而為建設(shè)更好的虛擬運(yùn)動(dòng)生理學(xué)實(shí)驗(yàn)室打好堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
　　
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