1 緒論

1.1 選題背景

    虛擬現(xiàn)實技術(shù)是21世紀(jì)計算機領(lǐng)域最重要的研究方向之一。虛擬現(xiàn)實是在計算機環(huán)境下，創(chuàng)建能對人的感覺和器官產(chǎn)生作用的虛擬世界，即利用三維圖形生成技術(shù)、多傳感交互技術(shù)和高分辨顯示技術(shù)等，生成視、聽、觸覺一體化的、逼真的三維虛擬環(huán)境，用戶可通過基本行為，利用具有傳感、顯示的設(shè)備，方便、直觀、自然的進(jìn)入虛擬空間，可自然、真實地體驗、感知、操作虛擬世界的各種對象，進(jìn)行實時交互。沉浸性、交互性、構(gòu)想性是虛擬現(xiàn)實技術(shù)的主要特征。隨著計算機科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，虛擬現(xiàn)實技術(shù)在互聯(lián)網(wǎng)上的應(yīng)用越來越廣泛。

    與此同時，現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育進(jìn)入了一個新的發(fā)展階段，各種新興教學(xué)媒體不斷涌現(xiàn)?，F(xiàn)代遠(yuǎn)程教育是一種隨著現(xiàn)代信息技術(shù)、多媒體技術(shù)的不斷成熟與進(jìn)步而發(fā)展起來的一種新型教育形式，其主要以Internet為主要教學(xué)媒體，教學(xué)方式靈活開放，在很大程度上解決了教與學(xué)在時間上和空間上的矛盾，可幫助人們隨時隨地學(xué)習(xí)，讓更多學(xué)習(xí)者共享優(yōu)秀的教學(xué)資源，深受教師和學(xué)習(xí)者的喜愛。教育部在“十五”規(guī)劃中明確提出，要大力發(fā)展遠(yuǎn)程教育，促使各級教育、各類教育協(xié)調(diào)發(fā)展，“十一五”規(guī)劃中，再次明確了遠(yuǎn)程教育在現(xiàn)代教育中的地位，要求全面推進(jìn)農(nóng)村中小學(xué)現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育工程建設(shè)，在高等教育方面，也要求發(fā)展現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育，落實自學(xué)考試制度，積極發(fā)展繼續(xù)教育和終身教育。目前，我國教育改革逐步深化，在信息化時代，教育改革重要目標(biāo)之一是從傳統(tǒng)的以教師為中心的教學(xué)模式和行為主義理論向以學(xué)生為中心的教學(xué)模式和認(rèn)知注意理論轉(zhuǎn)變，以實現(xiàn)教育公平。虛擬現(xiàn)實技術(shù)具有傳輸數(shù)據(jù)量小、可虛擬真實的實驗和教學(xué)情景，生成逼真的圖形和三維動畫，能較好解決以上問題，而且遠(yuǎn)程教育提供了多層的分布式應(yīng)用模型、一致化的安全模型和一致化的事務(wù)控制，可伸縮性、靈活性較強，為現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育平臺的構(gòu)建和發(fā)展提供了良好機制。

    鑒于此，本課題立足于虛擬現(xiàn)實技術(shù)和遠(yuǎn)程教學(xué)理論，對如何實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實技術(shù)與遠(yuǎn)程教育的結(jié)合進(jìn)行理論與實踐研究。

1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.2.1 國外研究現(xiàn)狀

    國外基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的遠(yuǎn)程教育的研究比較成熟，研究范圍涉及科技研究、虛擬實驗室的創(chuàng)建、虛擬教學(xué)等[1]。20世紀(jì)80年代中期，西方的一些科技先進(jìn)的國家開始利用Internet進(jìn)行遠(yuǎn)程教育[2]。在此方面，美國首開先河，并取得了巨大的成功，不僅給教育模式帶來了歷史性轉(zhuǎn)變，還使人們迎來了一場網(wǎng)上遠(yuǎn)程教學(xué)技術(shù)上的革命，此后，越來越多的國家開始關(guān)注并進(jìn)行遠(yuǎn)程教育，并且有越來越多的國家開始利用迅速普及的互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行教學(xué)[3]。在近些年，從高等教育方面出發(fā)，發(fā)達(dá)國家早已推行了網(wǎng)上遠(yuǎn)程教學(xué)，學(xué)習(xí)者只需在遠(yuǎn)程的多媒體教室、家中就可學(xué)習(xí)所點播的課程，還能與教師進(jìn)行交流，在網(wǎng)上進(jìn)行解題或考試，直到拿到文憑[4]。

    在虛擬實驗室和虛擬教學(xué)方面，1989年，Central Florida大學(xué)教育訓(xùn)練研究院建立了VSL（Visual Systems Laboratory）虛擬系統(tǒng)實驗室，旨在提高計算機圖形的藝術(shù)表現(xiàn)力，改進(jìn)仿真過程中的人機接口。美國卡羅來納州立大學(xué)的LAAP（LearnAnytimeAnywhere Physics)利用JAVA技術(shù)建立了基于Web的探索式虛擬物理實驗室。意大利帕瓦大學(xué)建立了遠(yuǎn)程虛擬教育實驗室。新加坡國立大學(xué)開發(fā)了遠(yuǎn)程示波器實驗和壓力容器實驗。澳大利亞皇家墨爾本理工大學(xué)的JohnBall和KatePatrick設(shè)計的虛擬實驗用于進(jìn)行熱傳遞過程的教學(xué)，可幫助學(xué)生快速掌握熱傳遞這一抽象概念，不僅能讓學(xué)生以實驗的方式描述、測試他們對熱傳遞的期望，教師也能了解學(xué)生所面臨的困境。美國密執(zhí)根大學(xué)采用 虛擬現(xiàn)實技術(shù)開發(fā)了“藝術(shù)博物館”，學(xué)習(xí)者可以遨游于其中，研究它的構(gòu)造，品味它的陳設(shè)。美國計算機科學(xué)聯(lián)盟發(fā)現(xiàn)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)創(chuàng)設(shè)情境能幫助兒童學(xué)習(xí)漢語知識[5-11]。

    在科技研究方面，美國宇航局運用虛擬現(xiàn)實技術(shù)開發(fā)了可供全國使用的教育系統(tǒng)。日本NEC公司研制出讓操作者使用手與三維實體模型交互的系統(tǒng)。2004年日本研發(fā)出一種有關(guān)心理和生理的嗅覺仿真器。2009 年美國基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)研制出供感覺的原型虛擬繭[12-14]。

1.2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

    虛擬現(xiàn)實技術(shù)與遠(yuǎn)程教育結(jié)合的相關(guān)問題備受關(guān)注，相關(guān)理論研究也不少。通過檢索中國期刊網(wǎng)發(fā)現(xiàn)，關(guān)于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的研究自2000年開始逐漸成為熱點，到2003年步入研究高峰。楊世軍[15]指出，實物虛化、虛物實化、高性能計算處理技術(shù)、智能技術(shù)是虛擬現(xiàn)實中的關(guān)鍵技術(shù)，其學(xué)習(xí)理論包括虛擬現(xiàn)實與行為主義、虛擬現(xiàn)實與建構(gòu)主義，只有把握以上要點，才能更好地將其應(yīng)用于遠(yuǎn)程教育中，建立虛擬實驗室，進(jìn)行知識學(xué)習(xí)，進(jìn)行虛擬技能培訓(xùn)。

    楊麗芳[16]研究了云計算背景下虛擬現(xiàn)實技術(shù)在遠(yuǎn)程教育中的應(yīng)用，認(rèn)為可以把教育資源整合到云端里，通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)實現(xiàn)遠(yuǎn)程教育的環(huán)境模擬和知識學(xué)習(xí)。張輝[17]認(rèn)為，虛擬現(xiàn)實技術(shù)作為一種新的教學(xué)媒體，其出現(xiàn)無疑將對現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育教學(xué)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響，但虛擬現(xiàn)實技術(shù)也面臨著虛擬現(xiàn)實設(shè)備“貴族化”、三維建模繁瑣化、數(shù)據(jù)量大的發(fā)展瓶頸，這是未來進(jìn)行虛擬現(xiàn)實技術(shù)與遠(yuǎn)程教育結(jié)合時不可忽視的問題。亓傳偉、任艷斐[18]在其《基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的遠(yuǎn)程教育平臺設(shè)計與研究》指出現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育的發(fā)展趨勢是網(wǎng)絡(luò)化、智能化、虛擬化，指出虛擬現(xiàn)實技術(shù)具備多感知性、浸沒感、交互性和構(gòu)想性等特點，所以將虛擬現(xiàn)實技術(shù)與遠(yuǎn)程教育結(jié)合起來具有強大的潛力，虛擬現(xiàn)實技術(shù)在遠(yuǎn)程教育中的主要應(yīng)用包括虛擬學(xué)習(xí)社區(qū)、仿真實驗室和數(shù)字教學(xué)場所，進(jìn)而構(gòu)建一個基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的遠(yuǎn)程教育平臺。楊韜、刁永鋒[19]基于虛擬現(xiàn)實與多Agent系統(tǒng)設(shè)計了遠(yuǎn)程教育系統(tǒng)，包括學(xué)習(xí)系統(tǒng)、智能教學(xué)系統(tǒng)、管理系統(tǒng)，實現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)包括建模技術(shù)、顯示技術(shù)、Avatar技術(shù)、交互技術(shù)等。錢峰[20]在其《利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)提高現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育質(zhì)量》中提出把虛擬現(xiàn)實技術(shù)引入遠(yuǎn)程教育，創(chuàng)建虛擬教室，以讓學(xué)習(xí)者產(chǎn)生臨場感，彌補網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的不足，從而提高教學(xué)效果。孫偉強、宋巍[21]的《利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)提升遠(yuǎn)程教育效果初探》對虛擬現(xiàn)實技術(shù)在遠(yuǎn)程教育中的應(yīng)用進(jìn)行了闡述和分析，并在此基礎(chǔ)上給出了遠(yuǎn)程教育中虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用模型。

    我國在虛擬實驗教學(xué)方面起步較晚，但也逐步得到了重視，取得了顯著成績，目前，國內(nèi)一些重點院校開始陸續(xù)在網(wǎng)上建成虛擬實驗室，從網(wǎng)上可查到的信息和各院校開放的對外服務(wù)情況，在網(wǎng)上設(shè)立了自己的電子教室的大學(xué)包括清華大學(xué)、北京大學(xué)、四川聯(lián)合大學(xué)、淮海工學(xué)院、上海交通大學(xué)、中國科技大學(xué)、中國農(nóng)業(yè)大學(xué)等。清華大學(xué)利用虛擬儀器，構(gòu)建了汽車發(fā)動機檢測系統(tǒng)。四川聯(lián)合大學(xué)基于虛擬儀器的設(shè)計思想研制了集8臺儀器于一體的航空電臺二線綜合測試儀?；春９W(xué)院電子工程系創(chuàng)建了用于輔助實驗教學(xué)的虛擬實驗室，在虛擬實驗室中，學(xué)生通過瀏覽器可進(jìn)行相關(guān)資料的查閱和學(xué)習(xí)，還能檢索到與實驗儀器相關(guān)的儀器件的使用方法、實驗項目、實驗報告等，而教師則可通過Internet對學(xué)生所上傳的實驗報告進(jìn)行評閱。上海交通大學(xué)電子信息學(xué)院研制了一套機器人遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于C/S模式的遠(yuǎn)程控制，實現(xiàn)對機器人運動及產(chǎn)品加工控制。中國科技大學(xué)運用虛擬現(xiàn)實技術(shù)進(jìn)行物理實驗的經(jīng)驗比較豐富，目前已經(jīng)形成較為成熟的產(chǎn)品。中國農(nóng)業(yè)大學(xué)進(jìn)行了虛擬植物研究，主要利用計算機來模擬植物在三維空間中的生長發(fā)育情況。

    對于我國的遠(yuǎn)程教育來說，1999年11月，中國教育部在《現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育資源建設(shè)指南》中指出：現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育是利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、多媒體技術(shù)等現(xiàn)代信息技術(shù)手段開展起來的新型教育形式，發(fā)展現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育是擴(kuò)大教育規(guī)模、提高教育質(zhì)量、增強辦學(xué)效益、建立終身教育體系、辦好大教育的重大戰(zhàn)略措施。。

    2000年4月，教育部發(fā)出通告指出，未經(jīng)國家教育行政部門批準(zhǔn)，任何單位和機構(gòu)不得冠以“網(wǎng)絡(luò)大學(xué)”的名義或在網(wǎng)上以學(xué)校名義注冊域名，建立相應(yīng)的網(wǎng)站，進(jìn)行招生和開展相應(yīng)的教學(xué)活動；不得以遠(yuǎn)程教育的名義建立和利用衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)開展遠(yuǎn)程教育。已經(jīng)和正在開展上述工作的，要重新辦理報批手續(xù)；未經(jīng)批準(zhǔn)的應(yīng)立即停止網(wǎng)上教學(xué)和其他有關(guān)活動。那么這種形式的教育對于我國現(xiàn)代的教育發(fā)展有什么樣的優(yōu)點和缺點呢?

    優(yōu)點在于，與遠(yuǎn)程教育可以量的減少學(xué)校對于人力物力財力等資本的運用，減少教學(xué)成本，也可以在很大程度上方便同學(xué)的自主學(xué)習(xí)，幫助中國的大學(xué)建立起自由學(xué)習(xí)的氛圍。不至于禁錮學(xué)生的時間和思想，推進(jìn)其像更寬闊的方向發(fā)展。而有點則體現(xiàn)在，遠(yuǎn)程教育無法帶來面授教育帶來的利益，盈利模式不明確，再次現(xiàn)代的教育模式已經(jīng)定型，很難在改變，這對于遠(yuǎn)程教育來說是一個非常大的挑戰(zhàn)，同時資源的匱乏使得遠(yuǎn)程教育技術(shù)一直處于低等水平，無法向上發(fā)展，概念落后，重復(fù)建設(shè)也讓遠(yuǎn)程教育負(fù)擔(dān)重重。

    總的來說，目前國內(nèi)大多數(shù)研究主要集中在理論概述上以及遠(yuǎn)程教育系統(tǒng)比如虛擬實驗、虛擬情境的開發(fā)與實現(xiàn)上，側(cè)重于描述系統(tǒng)平臺的開發(fā)方案、關(guān)鍵技術(shù)，少數(shù)集中在虛擬現(xiàn)實技術(shù)作用和遠(yuǎn)程教育模式優(yōu)劣的探討上、虛擬實驗教學(xué)模式與真實實驗關(guān)系的論述上、虛擬現(xiàn)實技術(shù)在遠(yuǎn)程教育中的應(yīng)用前景上以及系統(tǒng)的應(yīng)用效果上，對遠(yuǎn)程教育系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計、促進(jìn)、評價方面的研究少之又少。這充分說明受理論和技術(shù)限制，國內(nèi)基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的遠(yuǎn)程教育系統(tǒng)尚處在積極開發(fā)和簡單應(yīng)用上，有待于更深入、系統(tǒng)的研究和實踐。

1.3 研究目的和意義

    本課題研究的目的旨在以建構(gòu)主義中情景化學(xué)習(xí)理論為依據(jù)，結(jié)合虛擬現(xiàn)實的最新技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和現(xiàn)階段我國各級學(xué)?，F(xiàn)有的教育信息化發(fā)展水平，通過運用網(wǎng)絡(luò)多媒體技術(shù)和虛擬現(xiàn)實技術(shù)，結(jié)合程序語言和源代碼，尋求一個充分發(fā)揮學(xué)生自主性的交互式的網(wǎng)絡(luò)化遠(yuǎn)程教育方式，從而達(dá)到提供全新教育方式、提高遠(yuǎn)程教學(xué)效果、拓寬遠(yuǎn)程教育新的發(fā)展空間的目的，以期實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實技術(shù)與遠(yuǎn)程教育的更好結(jié)合，為我國遠(yuǎn)程教育建設(shè)、發(fā)展和進(jìn)步提供一個新的方法途徑，使虛擬現(xiàn)實技術(shù)和遠(yuǎn)程教育為國民經(jīng)濟(jì)和現(xiàn)代化建設(shè)發(fā)揮更大的作用。  

    本課題對拓展虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域、進(jìn)一步開發(fā)適合當(dāng)前國情的遠(yuǎn)程教育系統(tǒng)有著重要的現(xiàn)實意義。

1.4 主要研究內(nèi)容及創(chuàng)新之處

    筆者廣泛深入閱讀相關(guān)文獻(xiàn)，結(jié)合自身實踐經(jīng)驗，并緊緊圍繞課題對國內(nèi)外研究動態(tài)進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上，對虛擬現(xiàn)實技術(shù)與遠(yuǎn)程教育的有機結(jié)合進(jìn)行研究，主要研究內(nèi)容為：

（1）虛擬現(xiàn)實技術(shù)概述，包括虛擬現(xiàn)實技術(shù)內(nèi)涵和基本特征、構(gòu)成、應(yīng)用領(lǐng)域及其在遠(yuǎn)程教育必要性和可行性。

（2）以現(xiàn)代教育理論和教學(xué)理論為切入點，闡述基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的遠(yuǎn)程教育平臺的建設(shè)目標(biāo)、系統(tǒng)設(shè)計思路、設(shè)計的原則，并對基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的遠(yuǎn)程教育平臺體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行論述。通過虛擬仿真實驗室的應(yīng)用，來為教育提供一個應(yīng)用基礎(chǔ)和平臺。

（3）以虛擬現(xiàn)實技術(shù)為支撐，借助教學(xué)理論，通過對虛擬仿真實驗室的運用，重點探討了遠(yuǎn)程教育系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計和開發(fā)，分析了系統(tǒng)設(shè)計原則、系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)、功能模塊和系統(tǒng)實現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)。

創(chuàng)新之處在于：

（1）本文強調(diào)將虛擬現(xiàn)實學(xué)習(xí)理論與遠(yuǎn)程教育系統(tǒng)結(jié)合在一起，探索出一種新的教育模式和方法，并且指出這種方法中存在的可取之處和有待改善的地方。對這種方法做出了仔細(xì)的研究個分析。

（2）本文在提出新的觀點之后，對這種觀點進(jìn)行深入的調(diào)查和研究，發(fā)現(xiàn)虛擬學(xué)習(xí)理論和遠(yuǎn)程教育理論是符合現(xiàn)代社會發(fā)展的，但是需要有一定的改變，以此，提出了符合現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育規(guī)律的系統(tǒng)設(shè)計框架和方法。

2 虛擬現(xiàn)實技術(shù)與遠(yuǎn)程教育概述

2.1 虛擬現(xiàn)實技術(shù)

2.1.1 虛擬現(xiàn)實技術(shù)內(nèi)涵

    虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，VR）技術(shù)又稱臨鏡技術(shù)，是一種利用計算機系統(tǒng)、三維圖形生成技術(shù)、多傳感交互技術(shù)、高分辨顯示技術(shù)來制造逼真的人工模擬環(huán)境，并能有效模擬人在自然環(huán)境中各種感知系統(tǒng)行為的高級人機交互技術(shù)，多源信息融合的交互式的三維動態(tài)視景和實體行為的系統(tǒng)仿真可使用戶通過各種傳感設(shè)備或輸入設(shè)備進(jìn)行實時交互，感知和操作虛擬世界中的各種對象，可以說，在這樣的虛擬環(huán)境中與在現(xiàn)實環(huán)境中是沒有顯著差別的[22]。虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的組成見圖2-1。

圖2-1 虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的組成

Fig.2-1 Composition Virtual Reality System

2.1.2 虛擬現(xiàn)實技術(shù)的基本特征

（1）交互性。指的是參與者對虛擬環(huán)境中物體的可操作程度以及從環(huán)境中得到反饋的自然程度。參與者通過輸入設(shè)備比如3D位置跟蹤器、傳感手套、數(shù)據(jù)衣、三維鼠標(biāo)等向虛擬現(xiàn)實軟件發(fā)出指令，軟件接收指令并智能的給予解釋，之后對虛擬世界進(jìn)行更新，將更新的視圖及其他信息比如聲音、觸覺等送至輸出設(shè)備，參與者利用自身語言、身體運動或動作等自然技能對虛擬環(huán)境中的對象進(jìn)行觸摸和操作。

（2）沉浸性。指的是參與者作為主角存在于虛擬環(huán)境中的真實程度。虛擬現(xiàn)實根據(jù)人類視覺、聽覺等生理、心理特點，由計算機生成逼真的三維立體圖像，參與者使用頭盔、數(shù)據(jù)手套等交互設(shè)備可將自己置身于虛擬環(huán)境中，成為虛擬環(huán)境中的一員，沉浸其中并參與虛擬世界的各種活動。理想的虛擬環(huán)境應(yīng)達(dá)到令參與者難辨真假的程度，甚至超越真實。目前，視覺、聽覺、觸覺、嗅覺沉浸的感知技術(shù)比較成熟，身體感覺沉浸和味覺沉浸則有待進(jìn)一步開發(fā)。

（3）多感知性。指的是參與者沉浸在多維信息空間中，依靠自己的感知能力、認(rèn)知能力全方位地獲取知識，通過充分發(fā)揮主觀能動性，進(jìn)行問題解答，得到新的概念。由于虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中裝有視覺、聽覺、動覺、觸覺的傳感器和反應(yīng)裝置，所以參與者在虛擬環(huán)境中可獲得多種感知，親身去體驗、感受、操作。

2.1.3 虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的構(gòu)成

    虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)包括軟件和硬件這兩大部分的支持，也就是說虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)需要計算機軟件、硬件共同實現(xiàn)[23]。一方面，在虛擬現(xiàn)實中，離不開硬件的支持，虛擬現(xiàn)實軟件及建模工具的虛擬環(huán)境只有在硬件輔助下才能顯得更加逼真，而參與者也能真正沉浸到虛擬環(huán)境中，自然地感受、體驗和操作；從硬件支持的角度，主要是計算機與周邊設(shè)備的組合關(guān)系，虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)需要有更大容量的存儲設(shè)備、圖像顯示設(shè)備、數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)等。另一方面，人機交互式虛擬現(xiàn)實技術(shù)的主要特征之一，為了更好地實現(xiàn)人與機之間的自然交互，需設(shè)計特殊的I/O設(shè)備，利用虛擬現(xiàn)實軟件，通過參與者進(jìn)行操作和發(fā)送指令，提供各種反饋信息，真正實現(xiàn)自然交互；從軟件角度來講，虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)應(yīng)具備以下功能：邏輯控制功能、實時模擬功能、模擬人腦的智能行為、模擬復(fù)雜的時空關(guān)系、表達(dá)涉及時間與空間同步等問題的感覺、支持與虛擬環(huán)境交互的定位、操縱、導(dǎo)航等操作。  

    虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的軟硬件由開發(fā)平臺、交互系統(tǒng)、顯示系統(tǒng)、三維模型庫等構(gòu)成。

    虛擬現(xiàn)實應(yīng)用開發(fā)平臺是整個系統(tǒng)的核心，通常包括硬件開發(fā)平臺和軟件開發(fā)平臺兩個部分。硬件開發(fā)平臺是虛擬現(xiàn)實工作站，其運算速度快，圖形處理能力強，支持復(fù)雜圖像的實時處理，同時也支持縮短參與者的視覺延遲，主要作用是生產(chǎn)、處理高性能圖像。為增強系統(tǒng)交互性和沉浸性，對硬件設(shè)備有著較高要求，價格相對來說也比較昂貴，限制了虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用和普及。虛擬現(xiàn)實應(yīng)用開發(fā)平臺中的軟件開發(fā)平臺是以虛擬現(xiàn)實軟件為基礎(chǔ)，在計算機中生成直觀、逼真的三維場景，無需硬件投入即可實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實的動態(tài)交互效果，其主要作用是構(gòu)建三維圖形場景驅(qū)動，二次開發(fā)應(yīng)用功能，沒有軟件開發(fā)平臺，就無法開發(fā)虛擬現(xiàn)實應(yīng)用程序。

    顯示系統(tǒng)作為虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的重要構(gòu)成，主要作用是顯示輸出三維圖像，即以大幅立體投影方式將3D場景顯示出來，并逼真地展現(xiàn)在參與者面前，可實現(xiàn)多人參與。虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中有多種顯示系統(tǒng)或設(shè)備，包括頭盔式顯示器、立體眼鏡、立體顯示器、立體投影儀、虛擬三維投影顯示系統(tǒng)等，見圖2-2。

頭盔式顯示器 立體顯示器 立體投影儀

單通道虛擬三維投影顯示系統(tǒng)    多通道虛擬三維投影顯示系統(tǒng)

圖2-2 虛擬現(xiàn)實顯示設(shè)備和系統(tǒng)

Fig.2-2 Virtual reality display equipment and systems

    虛擬現(xiàn)實的主要特征是實時交互，離開自然實時的交互，虛擬現(xiàn)實也將會失去自身價值意義，在交互系統(tǒng)中，通常會依靠面向特定應(yīng)用的虛擬外設(shè)（6自由度虛擬交互系統(tǒng)），比如三維空間跟蹤定位器，其可用于空間定位，一般與數(shù)字手套、數(shù)據(jù)衣等配合使用，在虛擬空間中，參與者可自由移動和旋轉(zhuǎn)，不會受到空間限制，保證了操作的靈活自如；數(shù)字手套是一種多模式的硬件設(shè)備，內(nèi)部安裝了許多光纖傳感器，具有感知手指玩去程度的作用，參與者可通過手指抓取、移動、旋轉(zhuǎn)等動作實現(xiàn)與虛擬環(huán)境之間的交互；三維空間交互球、力覺和觸覺反饋系統(tǒng)也是主要的虛擬現(xiàn)實設(shè)備，前者可用戶虛擬現(xiàn)實場景的模擬交互，并可作3D鼠標(biāo)和跟蹤定位器，后者則能為參與者提供一個更加逼真的人機交互界面。

2.1.4 虛擬現(xiàn)實的類型

根據(jù)功能高低，即交互感、沉浸感不同，虛擬現(xiàn)實可分為四種類型[24]。

（1）桌面虛擬現(xiàn)實

    桌面虛擬現(xiàn)實是利用個人計算機和低級別工作站，進(jìn)行圖形、圖像仿真，并將計算機屏幕作為用戶觀察虛擬境界的窗口，參與者使用輸入設(shè)備與虛擬場景進(jìn)行交互，操縱其中的物體。由于桌面虛擬現(xiàn)實平臺容易受周圍現(xiàn)實環(huán)境干擾，參與者缺乏真實的現(xiàn)實體驗。但桌面虛擬現(xiàn)實技術(shù)較簡單，需投入的成本較低，通過一些低成本的輔助設(shè)備比如立體觀察期、液晶顯示光閘眼鏡等即可達(dá)到比較理想的模擬現(xiàn)實的效果，在教育領(lǐng)域中的應(yīng)用范圍很廣。

（2） 沉浸式虛擬現(xiàn)實

    沉浸式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)能為參與者提供完全沉浸的體驗，使參與者有一種置身于虛擬境界中的感覺。主要是利用頭盔顯示器、數(shù)據(jù)手套等交互設(shè)備，把參與者視覺、聽覺以及其他感覺封閉起來，使其完全置身于計算機生成的虛擬環(huán)境中，產(chǎn)生一種身臨其境的感覺。沉浸式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)實時性強，有高度的沉浸感，能支持多種I/O交互設(shè)備并行工作，但相較于桌面虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，沉浸式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)建設(shè)的投資成本過高，限制了該系統(tǒng)的推廣應(yīng)用。

（3）增強現(xiàn)實型虛擬現(xiàn)實

    增強現(xiàn)實型虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)又稱混合現(xiàn)實系統(tǒng)，有機結(jié)合了真實環(huán)境和虛擬環(huán)境，不僅可減少生成復(fù)雜真實環(huán)境的開銷，而且在虛擬環(huán)境中進(jìn)行操作也比較方便，真正達(dá)到了亦真亦幻的境界，增強了在現(xiàn)實中無法被感知或難以被感知的感受以及參與者對真實環(huán)境的感受。增強現(xiàn)實型虛擬現(xiàn)實具有實時人機交互功能，真實世界與虛擬環(huán)境是在三維空間中加以整合的，其中的“增強”可適用于包括虛擬圖像、聲音等虛擬對象在內(nèi)的所有感知通道。這種系統(tǒng)在現(xiàn)實生活中有著比較廣泛的應(yīng)用，比如應(yīng)用于外科手術(shù)中，醫(yī)生可用另外來源得到的3D虛擬圖像與病人患病部位的實際圖像進(jìn)行對比，這樣以來可大大增加手術(shù)成功率，增強手術(shù)治療效果。教育領(lǐng)域，一般在實驗室對增強現(xiàn)實技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用，相較于其他虛擬現(xiàn)實技術(shù)，該技術(shù)能為教學(xué)提供更多好處。

（4）分布式虛擬現(xiàn)實

    分布式虛擬現(xiàn)實是多個相對獨立的用戶，實時地通過計算機連接在一起，從而同時參與同一個虛擬空間，共同體驗虛擬經(jīng)歷，使虛擬現(xiàn)實提升到更高的境界。在分布虛擬現(xiàn)系統(tǒng)中，充分利用了計算機強大的計算功能和網(wǎng)絡(luò)功能，共同領(lǐng)域的特長專家學(xué)者可在該系統(tǒng)中進(jìn)行信息共享，不同地域的設(shè)計人員可實現(xiàn)協(xié)同設(shè)計。但應(yīng)用時，需要解決兩方面的問題，首先，網(wǎng)絡(luò)帶寬必須滿足一定要求，其次，由于各個主機之間軟硬件配置不同，應(yīng)采取一系列手段使不同用戶之間相互協(xié)調(diào)動作。

2.1.5虛擬現(xiàn)實的應(yīng)用領(lǐng)域

    過去，虛擬現(xiàn)實技術(shù)主要應(yīng)用于軍事領(lǐng)域和航空領(lǐng)域，隨著該技術(shù)的發(fā)展，逐漸滲透到我們工作和生活的每個角落，目前，虛擬現(xiàn)實技術(shù)在科學(xué)、建筑、產(chǎn)品設(shè)計、遠(yuǎn)程教育、工程、娛樂、醫(yī)學(xué)、文化、虛擬制造、能源開發(fā)、電子商務(wù)等領(lǐng)域都獲得了很好的發(fā)展，比如在智能化住宅的建筑設(shè)計與規(guī)劃、城市規(guī)劃、城市管理、大型工程管理、數(shù)字化酒店展示、虛擬房地產(chǎn)推銷中，虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用可為其提供新的服務(wù)手段。雖然當(dāng)前與發(fā)達(dá)國家相比，我國虛擬現(xiàn)實技術(shù)以及對該技術(shù)的應(yīng)用還處于探索之中，但相關(guān)部門、科學(xué)家、專家學(xué)者等早已對該問題給予了高度重視，根據(jù)我國具體國情，陸續(xù)開展了關(guān)于虛擬現(xiàn)實技術(shù)方面的研究。

    隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，新興教學(xué)媒體不斷涌現(xiàn)，繼多媒體技術(shù)在教育領(lǐng)域中的應(yīng)用與普及之后，現(xiàn)如今，受教育信息化推廣的影響，虛擬現(xiàn)實技術(shù)在教育領(lǐng)域亦具有廣泛的作用和影響。在教育領(lǐng)域，虛擬現(xiàn)實技術(shù)在科技研究、虛擬校園、虛擬教學(xué)、教育娛樂等方面的應(yīng)用比較廣泛，而在遠(yuǎn)程教學(xué)中的應(yīng)用，主要包括知識學(xué)習(xí)、探索學(xué)習(xí)、技能訓(xùn)練、虛擬實驗等幾個方面，虛擬現(xiàn)實技術(shù)在遠(yuǎn)程教育的應(yīng)用模型見圖2-3。

圖2-3 基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的遠(yuǎn)程教育應(yīng)用模型

Fig.2-3 Virtual reality technology application model based on distance education

    虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于教育領(lǐng)域不僅是虛擬現(xiàn)實自身發(fā)展的要求，也是教育發(fā)展的需要，這主要是親身經(jīng)歷、親身感受往往比空洞抽象的說教更有說服力，主動交互也與被動觀看存在質(zhì)的差別，而虛擬現(xiàn)實技術(shù)恰恰能夠提供視覺、聽覺、觸覺等多種感覺信息，參與者能夠身臨其境地參與到虛擬環(huán)境中，感受事件的發(fā)展變化過程，從而獲得最大的控制以及操作整個事件的自由度，有利于促使學(xué)習(xí)者自主完成正確的知識建構(gòu)。  

2.2遠(yuǎn)程教育系統(tǒng)

2.2.1 遠(yuǎn)程教育系統(tǒng)的含義

    遠(yuǎn)程教育培訓(xùn)系統(tǒng)，可以為企業(yè)或組織在實施"人才戰(zhàn)略"及構(gòu)建"學(xué)習(xí)型組織"中提供重要的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)方面的支持，適應(yīng)企業(yè)的發(fā)展需要，是加強培訓(xùn)能力建設(shè)的重要舉措。該系統(tǒng)建成后，能加強企業(yè)員工繼續(xù)教育和崗位培訓(xùn)工作提高保險業(yè)隊伍的整體素質(zhì)，解決工作和學(xué)習(xí)之間的矛盾，提高培訓(xùn)工作效率十分必要，與傳統(tǒng)面授培訓(xùn)結(jié)合，合理減低培訓(xùn)成本。

2.2.2 遠(yuǎn)程教育系統(tǒng)的發(fā)展歷程

    遠(yuǎn)程教育由于信息傳送方式和手段不同，其發(fā)展經(jīng)歷了三個階段，第一是以郵件傳輸?shù)募埥橘|(zhì)為主的函授教育階段;第二是以廣播電視、錄音錄像為主的廣播電視教學(xué)階段;第三是通過計算機、多媒體與遠(yuǎn)程通訊技術(shù)相結(jié)合的網(wǎng)上遠(yuǎn)程教育階段。

2.2.3 遠(yuǎn)程教育系統(tǒng)的功能

    遠(yuǎn)程教育系統(tǒng)是一個整體的網(wǎng)絡(luò)化學(xué)習(xí)解決方案。一般包括:在線學(xué)習(xí)及管理系統(tǒng)、課件制作系統(tǒng)、虛擬教室系統(tǒng)、錄播室、配套的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備及服務(wù)器等，可以完成在線學(xué)習(xí)課程、學(xué)習(xí)管理、資源管理、課件制作、在線培訓(xùn)實時課堂、錄課等功能。

    Gensee網(wǎng)絡(luò)視頻教學(xué)系統(tǒng)是一種將現(xiàn)場直播的視頻信號同步傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)互動平臺，從而形成現(xiàn)場與網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)絡(luò)實時互動的全新技術(shù)。特別是在實時互動和大規(guī)模并發(fā)方面技術(shù)做得很突出。此外還能適應(yīng)國內(nèi)普遍的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，能讓各地的培訓(xùn)都可以在現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下流暢清晰的實現(xiàn)。老師和學(xué)生間的互動討論，在線問答，問卷調(diào)查，桌面共享等等這些更實用和強大的技術(shù)使得Gensee能夠滿足從中小規(guī)模的學(xué)校、企業(yè)級遠(yuǎn)程教學(xué)網(wǎng)絡(luò)到大規(guī)模的商務(wù)級遠(yuǎn)程溝通的需要。

2.3 虛擬現(xiàn)實技術(shù)在遠(yuǎn)程教育中應(yīng)用的必要性

    如今流行的虛擬教師、虛擬校園、虛擬圖書館等都是虛擬現(xiàn)實技術(shù)在遠(yuǎn)程教育中的實際應(yīng)用。實踐表明，虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育中，有利于改善學(xué)習(xí)條件，豐富學(xué)習(xí)資源，優(yōu)化學(xué)習(xí)環(huán)境，具有應(yīng)用的必要性。

    首先，對于學(xué)校來說，教學(xué)主要目標(biāo)之一是鞏固學(xué)生理論知識，培養(yǎng)學(xué)生動手實踐能力和創(chuàng)新精神，這就決定了實驗教學(xué)是不可缺少的教學(xué)環(huán)節(jié)，然而傳統(tǒng)的遠(yuǎn)程教育面臨實驗場地、設(shè)備以及教學(xué)經(jīng)費等方面問題，導(dǎo)致實驗教學(xué)的順利開展受到限制。利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，則能很好解決以上問題，學(xué)習(xí)者足不出戶，便能在虛擬的環(huán)境中進(jìn)行各種是的實驗，獲得真實感受，學(xué)習(xí)條件由此大大提高。而且在實驗教學(xué)中應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)是在虛擬環(huán)境中進(jìn)行各項操作的，無任何危險，可避免由操作失誤帶來的安全問題，學(xué)習(xí)者可以不厭其煩地反復(fù)練習(xí)，另一方面，學(xué)習(xí)者的觀察行為和實驗行為可不受時間和空間限制，比如學(xué)習(xí)者可登陸火星表面進(jìn)行觀察，可觀察化石的形成過程、蠅的繁殖過程等，并且在短時間內(nèi)，就能將變化過程完整、清晰、逼真地呈現(xiàn)在學(xué)習(xí)者面前，比如在虛擬的化學(xué)實驗室里，可利用各種化學(xué)藥品和天平、溫度計、砝碼等工具做各種不同的化學(xué)實驗，觀察燃燒、爆炸等反應(yīng)現(xiàn)象。

    其次，在學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生要有效利用各種學(xué)習(xí)資源來獲得知識。早期遠(yuǎn)程教育的主導(dǎo)媒體大多采用“一對多”的單項傳播形式，不能很好地實現(xiàn)師生之間、學(xué)生之間的雙向交流，交流方式大多為郵政、運輸技術(shù)和相應(yīng)的服務(wù)系統(tǒng)，以此實現(xiàn)函授指導(dǎo)，對學(xué)習(xí)者作業(yè)的批改和評價，而學(xué)生接受教育信息的過程也是被動的，沒有及時的反饋和交互?，F(xiàn)代教育理念認(rèn)為，教育必須強調(diào)以學(xué)生為中心，注重學(xué)生的自主學(xué)習(xí)。虛擬現(xiàn)實技術(shù)就為學(xué)習(xí)者的自主性、探索性學(xué)習(xí)提供了豐富的學(xué)習(xí)資源，一方面，通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)，實際生活中無法觀察到的現(xiàn)象或事物可再現(xiàn)，為學(xué)生提供生動、逼真的感性學(xué)習(xí)材料，幫助學(xué)生解決學(xué)習(xí)中的知識難點。比如虛擬地理學(xué)習(xí)中的地殼變遷過程，將抽象的具體概念具體化、形象化，這樣就為學(xué)習(xí)者提供了直接的學(xué)習(xí)資料，便于其自主學(xué)習(xí)，另外，對于學(xué)習(xí)過程中提出的問題，利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)可將其虛擬成具體的假設(shè)模型，通過虛擬系統(tǒng)，學(xué)習(xí)者可直接觀察這一假設(shè)所產(chǎn)生的結(jié)果或效果，有利于培養(yǎng)學(xué)習(xí)者的研究能力和創(chuàng)新能力。比如在虛擬的化學(xué)系統(tǒng)中，學(xué)習(xí)者按照自己的假設(shè)將不同分子組合在一起，用計算機將組合的物質(zhì)虛擬出來，這種探索式的學(xué)習(xí)方式可激發(fā)學(xué)習(xí)者的潛力和創(chuàng)造性，學(xué)習(xí)者很有可能會研究出新的物質(zhì)，此外，利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)學(xué)習(xí)者還可進(jìn)行溫室效應(yīng)、電路設(shè)計、建筑設(shè)計等方面的探索學(xué)習(xí)。

    第三，在學(xué)習(xí)過程中，學(xué)習(xí)環(huán)境是否良好直接影響學(xué)習(xí)質(zhì)量。基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的遠(yuǎn)程學(xué)習(xí)環(huán)境不僅提供教育信息內(nèi)容，還提供輔導(dǎo)、測試、評價等虛擬支持，極大地優(yōu)化了學(xué)習(xí)環(huán)境。比如智能Agent在學(xué)習(xí)環(huán)境中扮演著虛擬教師的角色，不僅能幫助學(xué)生進(jìn)一步明確自己學(xué)習(xí)目標(biāo)，獲取有效的學(xué)習(xí)資源，對于學(xué)生提出的問題也能及時的反饋和對學(xué)生予以相應(yīng)指導(dǎo)。虛擬圖書館是集多種文獻(xiàn)載體于一身的信息資源保障系統(tǒng)，在虛擬圖書館中，學(xué)習(xí)者可輕松查閱和獲取所需學(xué)習(xí)資源。虛擬輔導(dǎo)具有智能輔導(dǎo)功能，學(xué)習(xí)者在虛擬環(huán)境中，不需要教師的幫助即可進(jìn)行自主學(xué)習(xí)，而系統(tǒng)會指引學(xué)習(xí)者有選擇性地進(jìn)行各種學(xué)習(xí)資源的檢索和查閱。在基于計算機網(wǎng)絡(luò)和交互式多媒體工作站的虛擬教學(xué)中，學(xué)習(xí)者通過個人工作站觀看多媒體課件進(jìn)行學(xué)習(xí)，還可通過計算機網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行交互學(xué)習(xí)，相較于傳統(tǒng)學(xué)習(xí)環(huán)境，此類學(xué)習(xí)環(huán)境更個性，學(xué)習(xí)者可獲得更好的學(xué)習(xí)效果。另外，虛擬現(xiàn)實具有沉浸性和交互性特征，學(xué)生在虛擬的學(xué)習(xí)環(huán)境中扮演一個角色，全身心投入學(xué)習(xí)環(huán)境中，有利于學(xué)習(xí)者的技能訓(xùn)練。

3 基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的遠(yuǎn)程教育平臺的設(shè)計

3.1 系統(tǒng)建設(shè)目標(biāo)

    根據(jù)開展遠(yuǎn)程教育的設(shè)想和目標(biāo)，應(yīng)確定系統(tǒng)建設(shè)的總體目標(biāo)。本文旨在以建構(gòu)主義中情景化學(xué)習(xí)理論為依據(jù)，結(jié)合虛擬現(xiàn)實的最新技術(shù)和現(xiàn)階段我國各級學(xué)?，F(xiàn)有的教育信息化發(fā)展水平，通過對虛擬現(xiàn)實技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、多媒體技術(shù)的應(yīng)用，結(jié)合程序語言和源代碼，設(shè)計出一種能夠使學(xué)習(xí)者充分發(fā)揮自主性的交互式、網(wǎng)絡(luò)化、開放性的遠(yuǎn)程教育方式，從而達(dá)到提高教育效果、拓展遠(yuǎn)程教育發(fā)展空間的目的，以期實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實技術(shù)與遠(yuǎn)程教育的更好結(jié)合。

    本文確定以下系統(tǒng)建設(shè)總體目標(biāo)：第一，堅持高起點，面向信息化時代，保證遠(yuǎn)程教育系統(tǒng)的先進(jìn)性；第二，貫徹實用、穩(wěn)定、先進(jìn)的方針，把握教學(xué)的實際需求和學(xué)習(xí)者的實際情況，以遠(yuǎn)程教育發(fā)展規(guī)劃為導(dǎo)向，充分利用網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢和政策優(yōu)勢，對現(xiàn)有資源進(jìn)行整合，將教育與就業(yè)進(jìn)行結(jié)合，著眼于終身教育體系的構(gòu)建，打造更為廣闊的教育平臺，確保系統(tǒng)的高度集成、總體優(yōu)化、安全可靠和穩(wěn)步推進(jìn)；第三，系統(tǒng)應(yīng)具備學(xué)生實驗功能、教師教學(xué)功能、教學(xué)管理功能、教學(xué)支持功能等；第四，充分考慮系統(tǒng)功能、擴(kuò)容性和技術(shù)升級性，基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)，匯集計算機圖形學(xué)、多媒體技術(shù)、人工智能技術(shù)、傳感器技術(shù)、實時計算技術(shù)和人的行為研究等多項關(guān)鍵技術(shù)，使系統(tǒng)更加適應(yīng)當(dāng)代信息技術(shù)迅猛發(fā)展的要求。

3.2 系統(tǒng)設(shè)計思路

    系統(tǒng)的設(shè)計不僅要與當(dāng)前應(yīng)用需求相符合，還應(yīng)盡可能符合未來系統(tǒng)功能的擴(kuò)展；不僅要與行業(yè)特殊性相符合，還要具備通用性；不僅要從用戶視角保證系統(tǒng)可用性，還應(yīng)從程序開發(fā)的角度考慮系統(tǒng)開發(fā)的可行性、開發(fā)周期、費用、軟件質(zhì)量等問題[26]。遠(yuǎn)程教育平臺是利用現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)，在符合要求的師資資源和不在該師資資源現(xiàn)場的受教育對象之間建立起的一種有效的知識信息傳播途徑和交流渠道，使學(xué)習(xí)者的教育培訓(xùn)活動不再受時間和地域限制。綜合考慮，本平臺采用三層B/(W-A)/D結(jié)構(gòu)，按客戶層、事務(wù)邏輯層、數(shù)據(jù)服務(wù)層這層部署遠(yuǎn)程教育體系結(jié)構(gòu)，如圖3-1所示。

圖3-1 基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的遠(yuǎn)程教育平臺部署

Fig.3-1 Deployment of distance education platform based on virtual reality technology

（1）客戶層：為用戶提供友好、直觀的界面，用戶通過用戶界面錄入和處理各種信息，并完成各科作業(yè)，也可通過客戶端查看教師上課情況。

（2）事務(wù)邏輯層：由Web服務(wù)層和應(yīng)用服務(wù)層共同完成該層的工作，該層屬于整個應(yīng)用的核心部分。Web服務(wù)器接受用戶請求，并將請求向應(yīng)用服務(wù)層即遠(yuǎn)程教育平臺發(fā)送，有組件對應(yīng)用請求進(jìn)行處理，完成商業(yè)邏輯和數(shù)據(jù)邏輯的計算任務(wù)以及與后臺數(shù)據(jù)庫的交互，并將處理結(jié)果返回給用戶在客戶層上顯示。

（3）后臺數(shù)據(jù)庫：包括課件庫、案例庫、試題庫、共享軟件庫、網(wǎng)址資源庫等所有教學(xué)資源，在該層，數(shù)據(jù)庫不再和每個活動用戶保持連接，而是若干用戶通過應(yīng)用服務(wù)器的邏輯組件共享數(shù)據(jù)庫的連接，這有利于減少連接次數(shù)，提高服務(wù)器性能和安全性。

    需注意的是，基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的遠(yuǎn)程教育平臺應(yīng)具有一體化管理、完全開放、交互式教學(xué)設(shè)計、支持多種教學(xué)策略等特點，一方面，使教學(xué)支持系統(tǒng)與教學(xué)要求真正相符合，保證在一個系統(tǒng)中即可完成教學(xué)以及學(xué)習(xí)過程中的各種活動，并實現(xiàn)教師與學(xué)習(xí)者、學(xué)習(xí)者與同伴之間的相互交流，另一方面，使系統(tǒng)能夠支持探索式學(xué)習(xí)、協(xié)作式學(xué)習(xí)、角色扮演式學(xué)習(xí)、辯論式學(xué)習(xí)等與網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)環(huán)境相適應(yīng)的新的教學(xué)策略，并提供支持這些教學(xué)策略順利實施的教學(xué)工具。

3.3設(shè)計的原則

    越是功能強大、性能卓越的系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)就越龐大、越復(fù)雜[27]，遠(yuǎn)程教育系統(tǒng)就具有規(guī)模龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功能綜合的特點，系統(tǒng)的設(shè)計必須在整體性、開放性、反饋性、交互性、擴(kuò)充性、可靠性、安全性等方面達(dá)到理想程度，這樣才能保證系統(tǒng)的性能穩(wěn)定、運行良好。

（1）整體性：任何系統(tǒng)都是相互聯(lián)系之后形成整體的結(jié)構(gòu)才發(fā)揮整體功能的，所以遠(yuǎn)程教育系統(tǒng)中各個部分的各個單元既要有相應(yīng)的靈活性，還要具有一定的集成度，保證各個單元能進(jìn)行任務(wù)分擔(dān)，協(xié)同處理復(fù)雜程度高的大任務(wù)。

（2）反饋性：對于一個遠(yuǎn)程教育系統(tǒng)，只有通過信息反饋，才能實現(xiàn)有效的控制，才能讓用戶和學(xué)習(xí)者隨時了解系統(tǒng)狀態(tài)，進(jìn)而提供易于檢索、便于學(xué)習(xí)的信息。另一方面，系統(tǒng)存在內(nèi)部協(xié)調(diào)機制、外部環(huán)境或設(shè)計等因素造成的不確定性，可能會導(dǎo)致系統(tǒng)在運行中過程和目的的偏離，系統(tǒng)具有反饋性就是應(yīng)用反饋原理，通過反饋信息來對存在的偏離進(jìn)行糾正，對整個運行過程進(jìn)行動態(tài)控制。

（3）開放性與自主性：遠(yuǎn)程教育系統(tǒng)是基于Internet實現(xiàn)遠(yuǎn)程教學(xué)的，應(yīng)允許任何用戶接入Internet任一端上，學(xué)習(xí)者可方便地在網(wǎng)上進(jìn)行學(xué)習(xí)，能自我選擇學(xué)習(xí)內(nèi)容，根據(jù)自己的學(xué)習(xí)節(jié)奏、順序完成各種知識的學(xué)習(xí)。

（4）交互性：通過虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，應(yīng)能操作虛擬的實驗設(shè)備，更改實驗參數(shù)，并根據(jù)系統(tǒng)的反饋及時調(diào)整自己的操作；用戶有權(quán)自主終斷某項進(jìn)程，而不是讓用戶無可奈何地接受錯誤的結(jié)果；通過論壇、E-mail等交流工具，學(xué)生能與教師、學(xué)生進(jìn)行交互。

（5）可靠性與安全性：系統(tǒng)的運行一定要安全可靠，尤其要保證數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡(luò)傳輸和信息管理系統(tǒng)本身的安全，這就要選擇合理的軟件開發(fā)生命周期，利用迭代模型進(jìn)行開發(fā)，在開發(fā)過程中，對軟件功能進(jìn)行反復(fù)驗證，保證系統(tǒng)穩(wěn)定，使系統(tǒng)能提供每周7天、每天24消失的無間斷服務(wù)，學(xué)習(xí)者在任何時候均可登陸上網(wǎng)，進(jìn)行學(xué)習(xí)。另外，系統(tǒng)應(yīng)支持身份認(rèn)證技術(shù)，保證學(xué)習(xí)者、教師、管理員等都有各自的權(quán)利，管理員定期對系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)，備份重要數(shù)據(jù)，防止數(shù)據(jù)丟失。

（6）易于擴(kuò)充和維護(hù)：充分考慮信息不斷變化和增加的需要，采用模塊化設(shè)計，每個模塊之間相對獨立，且留有通信接口，對于圖像、聲音、動畫等，采用標(biāo)準(zhǔn)格式，方便軟件平臺的升級保證系統(tǒng)的不斷發(fā)展和完善。提供一個維護(hù)與更新教學(xué)內(nèi)容、管理、發(fā)布信息的界面，教學(xué)軟件中，通過WWW發(fā)布的信息可由系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程維護(hù)。

3.4 基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的遠(yuǎn)程教育平臺體系結(jié)構(gòu)

3.4.1 虛擬學(xué)習(xí)社區(qū)

    以建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論為理論基礎(chǔ)，引入虛擬現(xiàn)實技術(shù)，借鑒網(wǎng)絡(luò)游戲中的情景構(gòu)建的多樣性，同時考慮參與者的自主性、角色扮演的逼真性和團(tuán)隊協(xié)作性，開發(fā)真實虛擬現(xiàn)實感的學(xué)習(xí)環(huán)境，營造一個具有個性化的自主學(xué)習(xí)環(huán)境，使教育者與學(xué)習(xí)者之間、學(xué)習(xí)者與同伴之間可以在一個虛擬的現(xiàn)實空間中進(jìn)行虛擬人之間的面對面的情感交流，使以教師為中心的傳統(tǒng)教學(xué)模式向以學(xué)生為中心、以教師為主導(dǎo)的方向發(fā)展。通過建立虛擬化的學(xué)習(xí)平臺，不僅可根據(jù)每個學(xué)習(xí)者的特點，充分利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)的交互特性為學(xué)習(xí)者提供一個暢通的交互平臺，有針對性地對其進(jìn)行教學(xué)指導(dǎo)，提高教學(xué)質(zhì)量，還可在一定程度上調(diào)動學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)積極性和主動性。

3.4.2 仿真實驗室

    遠(yuǎn)程教育中，實驗無法使處在終端的學(xué)習(xí)者親身加入到實驗環(huán)境中，因此實驗教學(xué)一直以來都是遠(yuǎn)程教育的薄弱環(huán)節(jié)，直接影響教育質(zhì)量。在本平臺體系結(jié)構(gòu)中，我們利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)設(shè)計了仿真實驗室，由儀器介紹、虛擬實驗、常見問題、自學(xué)自測、擴(kuò)展知識等子模塊組成，在仿真實驗室中，學(xué)習(xí)者可相互討論學(xué)習(xí)到的概念，可進(jìn)行各種實驗，不僅包括平時在實驗室里可做的實驗，還包括不能進(jìn)行的危險實驗，可有效避免真實實驗或操作帶來的各種危險，有利于提高實驗效率，共享資源。之所以能在虛擬環(huán)境中達(dá)到甚至超過在真實實驗室環(huán)境中進(jìn)行實驗的效果，主要是因為學(xué)習(xí)者進(jìn)行實驗的時候，有時會有一種懼怕在實驗中犯錯誤等現(xiàn)實世界環(huán)境下的社會情感因素，難以專注于實驗過程，而若學(xué)習(xí)者能以匿名的身份進(jìn)行角色扮演和實驗，其消極社會情感因素會消除，從而更加專注于實驗過程，更好地完成學(xué)習(xí)任務(wù)。虛擬實驗室的創(chuàng)建要滿足真實性、封裝性、可擴(kuò)展性和可重用性。

3.4.3 數(shù)字教學(xué)場所

    構(gòu)建遠(yuǎn)程教育的數(shù)字教學(xué)場所，以實現(xiàn)教師教學(xué)模塊、學(xué)生學(xué)習(xí)模塊、管理模塊、遠(yuǎn)程教學(xué)資源庫模塊的數(shù)字化和電子化，進(jìn)而實現(xiàn)對教學(xué)過程的動態(tài)化、智能化控制。教師教學(xué)模塊要具備網(wǎng)上授課、答疑、講評、作業(yè)、實驗、測試、考試等功能，為教師提供完備的教學(xué)工具以及與學(xué)習(xí)者進(jìn)行網(wǎng)上互動的工具。學(xué)生學(xué)習(xí)模塊要具備支持網(wǎng)上個別學(xué)習(xí)、協(xié)作學(xué)習(xí)、實時交流、非實時交流、小組活動等多種形式的網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)功能，為學(xué)習(xí)者提供更加豐富的網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)資源和網(wǎng)上學(xué)習(xí)支持工具。管理模塊包括系統(tǒng)管理、用戶管理、教學(xué)資源管理、課程管理、獎懲管理、數(shù)據(jù)管理等，教師與管理員對系統(tǒng)、教學(xué)、安全等按權(quán)限管理。其中，系統(tǒng)管理目標(biāo)是實現(xiàn)系統(tǒng)軟硬件的資源管理，比如系統(tǒng)硬件配置、實驗室虛擬元件和設(shè)備屬性設(shè)置、系統(tǒng)使用狀況統(tǒng)計、信息發(fā)布與修改等；用戶管理是對由管理員對使用系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的用戶進(jìn)行權(quán)限管理，對系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行全局管理，維護(hù)系統(tǒng)安全性、穩(wěn)定性以及數(shù)據(jù)的完整性，教師主要是對教學(xué)項目或?qū)嶒烅椖康奶砑?、參?shù)的修改、實驗報告批閱等，學(xué)習(xí)者默認(rèn)的權(quán)限是可進(jìn)入各個子系統(tǒng)，但不能對系統(tǒng)內(nèi)容進(jìn)行修改。教學(xué)管理包括對注冊學(xué)習(xí)者信息與成績的管理、教師信息與教學(xué)的管理、教學(xué)項目和教學(xué)過程的管理等；在教學(xué)資源管理模塊，應(yīng)具備可對各種資料進(jìn)行查詢、錄入、刪除和修改的功能以及素材遠(yuǎn)程檢索功能、素材遠(yuǎn)程提交功能、評論錄入及顯示功能、內(nèi)容傳輸管理功能等；課程管理模塊應(yīng)能集成、處理和統(tǒng)一管理文本、圖形、動畫、視頻圖像、聲音等多媒體信息，可將多種形式的資料和素材進(jìn)行有機整合，從而形成內(nèi)容豐富、更適于學(xué)習(xí)者自學(xué)或課堂輔助教學(xué)的多媒體課件。

3.4.4 模擬訓(xùn)練

    虛擬現(xiàn)實具有沉浸性和交互性特征，學(xué)生在虛擬的環(huán)境中通過角色扮演，可全身心投入到學(xué)習(xí)環(huán)境中去，為此，利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)構(gòu)建模擬訓(xùn)練模塊，使學(xué)生模擬訓(xùn)練環(huán)境中做各種各樣的技能訓(xùn)練。當(dāng)然，在動作技能學(xué)習(xí)中，學(xué)習(xí)者只有從虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中接受到操作或動作的反饋，才會獲得積極的學(xué)習(xí)效果，因而，模擬訓(xùn)練模塊的開發(fā)必須考慮學(xué)習(xí)產(chǎn)生的條件和教學(xué)的效果，保證能夠提供逼真的訓(xùn)練情景，對學(xué)習(xí)者的錯誤進(jìn)行校正，同時實現(xiàn)對學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)過程的動態(tài)跟蹤，實際應(yīng)用中，教師應(yīng)根據(jù)具體需要隨時生成和更新教學(xué)內(nèi)容，使實踐訓(xùn)練內(nèi)容跟上技術(shù)發(fā)展步伐。

3.4.5 科學(xué)研究

    建立面向科學(xué)研究領(lǐng)域的虛擬計算環(huán)境體系結(jié)構(gòu)，提出與該體系結(jié)構(gòu)相適應(yīng)的關(guān)鍵組成部件、運行機制、評價和測試方法、系統(tǒng)優(yōu)化等內(nèi)容，建立科學(xué)研究平臺的驗證環(huán)境，為網(wǎng)絡(luò)化的科學(xué)研究活動提供理論、技術(shù)及平臺支持。

3.5基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的遠(yuǎn)程教育平臺的可行性

在深入分析遠(yuǎn)程教育特征和虛擬現(xiàn)實技術(shù)特點后，筆者發(fā)現(xiàn)現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育與虛擬現(xiàn)實技術(shù)存在共通之處[28]。第一，遠(yuǎn)程教育是一種新型的教育方式，對于這種教育方式的使用者和參與者，需具備一定的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新理念，需能采用有效的方法、手段對各種信息進(jìn)行收集、整理、學(xué)習(xí)；虛擬現(xiàn)實，毋庸置疑，它是依賴于創(chuàng)新而存在的，沒有創(chuàng)新性的實踐應(yīng)用和設(shè)計開發(fā)，虛擬現(xiàn)實將不復(fù)存在。第二，遠(yuǎn)程教育和虛擬現(xiàn)實技術(shù)都是作為一種高新技術(shù)而存在，遠(yuǎn)程教育是以高新技術(shù)為支撐發(fā)展起來的，虛擬現(xiàn)實技術(shù)則屬于高新技術(shù)，能為遠(yuǎn)程教育的實現(xiàn)提供技術(shù)支持。第三，遠(yuǎn)程教育和虛擬現(xiàn)實技術(shù)都是以智力資源即以人才為基礎(chǔ)，遠(yuǎn)程教育的目的是豐富知識，培養(yǎng)人才，虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用則離不開人才支持，可謂是遠(yuǎn)程教育能為虛擬現(xiàn)實培養(yǎng)人才資源。第四，遠(yuǎn)程教育是以科學(xué)技術(shù)為支撐、以系統(tǒng)論為指導(dǎo)，對各項科學(xué)和技術(shù)成果進(jìn)行綜合而形成的；虛擬現(xiàn)實技術(shù)是在研究系統(tǒng)問題的過程中產(chǎn)生、發(fā)展起來的。

上文指出，從技術(shù)層面來看，虛擬現(xiàn)實技術(shù)可為遠(yuǎn)程教育的實現(xiàn)提供技術(shù)支持，是推動遠(yuǎn)程教育發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)?！叭W(wǎng)”融合的實現(xiàn)為虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的輸出提供了新的顯示方式，高速高帶寬低成本網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施則可降低三維虛擬環(huán)境的延遲和誤差，提高虛擬環(huán)境逼真度，增強參與者的沉浸感，這就為遠(yuǎn)程教育的發(fā)展提供了極好的條件[29]。虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)具有交互性、沉浸性、多感知性的特征，它不僅使一個演示系統(tǒng)，還是一個三維的設(shè)計工具，可使人與計算機很好地融為一體[30]，遠(yuǎn)程教育簡言之就是一種擁有多種媒體內(nèi)容的數(shù)字化信息資源系統(tǒng)，能夠為用戶提供方便、快捷的學(xué)習(xí)服務(wù)，它沒有具體的形象，具有虛擬性，而虛擬現(xiàn)實技術(shù)可實現(xiàn)虛擬環(huán)境的創(chuàng)建，其應(yīng)用于遠(yuǎn)程教育中，能夠很好地發(fā)揮自身特點和優(yōu)勢，可通過虛擬教師、虛擬實驗室、虛擬圖書館等提供知識的學(xué)習(xí)、輔導(dǎo)、測試和評價，使遠(yuǎn)程教育的知識傳播模式更加系統(tǒng)。此外，當(dāng)今時代是一個知識經(jīng)濟(jì)時代和信息化時代，為滿足教育的終身化和學(xué)習(xí)的社會化，更新知識的內(nèi)容、速度、效率和質(zhì)量都非常重要，虛擬現(xiàn)實技術(shù)具有成功的培訓(xùn)經(jīng)驗，在改善培訓(xùn)環(huán)境，提高培訓(xùn)速度、效率和深度上有著積極作用，廣度上將會為遠(yuǎn)程教育的發(fā)展帶來新的契機。

目前，雖然虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的硬件設(shè)備還比較昂貴，虛擬現(xiàn)實技術(shù)也未普及，但不得不承認(rèn)，虛擬現(xiàn)實技術(shù)在現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育中具有應(yīng)用的必要性和可行性。隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)的不斷發(fā)展以及相關(guān)硬件設(shè)備價格的降低，虛擬現(xiàn)實技術(shù)將會成為一個新型的遠(yuǎn)程教育媒體，以其為支撐的現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育將會發(fā)揮更加強大的教學(xué)優(yōu)勢。

4 虛擬現(xiàn)實技術(shù)在遠(yuǎn)程教育方面的應(yīng)用-以化學(xué)虛擬仿真實驗室為例

4.1化學(xué)虛擬仿真實驗室的創(chuàng)建

4.1.1建模技術(shù)

4.1.1.1 基于VRML的建模技術(shù)

建模技術(shù)提供了新的方法,為人工智能的應(yīng)用提供了新的界面工具,為各類大規(guī)模數(shù)據(jù)的可視化VRML是VR的重要組成部分,不僅為VR建構(gòu)虛擬環(huán)境,也為人機交互界面拓展提供了新的描述方式。VR技術(shù)的不斷發(fā)展,使人們能夠在方便地在VR的虛擬環(huán)境中,產(chǎn)生身臨其境的真實感和對超越現(xiàn)實的虛擬感,這種沉浸其中,并且能夠進(jìn)出自由的交互環(huán)境廣泛運用在眾多領(lǐng)域。

基于VRML的建模技術(shù)主要是利用一些基本的形狀節(jié)點(Shape)來創(chuàng)建虛擬對象的幾何外形,這些模型是三維立體的結(jié)構(gòu)，有現(xiàn)成的模塊組成，主要為長方體（Box）、圓球（Sphere）、圓柱體（Cylinder）等基本的三維造型，這些模型可以在一個立體環(huán)境中中組成一個場景圖，按照適當(dāng)?shù)奈恢脭[放，形成一個虛擬的立體空間，其工作原理為見圖4-1。

圖4-1 VRML工作原理

Fig.4-1 VRML working principle

VRML的交互與動畫都是由事件驅(qū)動的,VRML場景可以接受兩種事件驅(qū)動:從路由語句傳過來的入事件及由外部程序接口寫入的直接事件。

運用VRML建模時,要安排好節(jié)點的層次。程序中層次結(jié)構(gòu)清晰明了,不僅可以方便程序的調(diào)試,也給要控制的元件進(jìn)行交互設(shè)計帶來了方便。技術(shù)中的在訪問VRML場景中只能訪問那些用命名的節(jié)點。

利用VRML技術(shù)建模，可以實現(xiàn):三維立體造型、著色、色彩明暗的控制、紋理以及背景的設(shè)計等。

VRML利用Material(材料)節(jié)點可以控制幾何對象的表面屬性,例如表面的顏色、透明度和發(fā)光性等。例如,Background節(jié)點可以增加背景,能夠使場景中擁有天空、草地或與實驗室相符合的背景。Fog節(jié)點可以物化虛擬實驗,光源型節(jié)點可以讓虛擬現(xiàn)實見到光明聲音節(jié)點則能使虛擬現(xiàn)實更加生動。

針對于復(fù)雜原型的建模，可以利用VRML中較為復(fù)雜的三維建模方法，例如組合、創(chuàng)建海拔柵格、創(chuàng)建擠出造型等來實現(xiàn)。通過使用Group節(jié)點將多個造型節(jié)點組織在一起,從而構(gòu)成復(fù)雜造型。

紋理映射是通過將紋理圖根據(jù)幾何體的外形投射到物體的表面形成的一種視覺效果，看起來更加逼真。其中,能用來創(chuàng)建紋理圖的格式有JPEG、GIF、PNG、MPEG。并能對紋理進(jìn)行平移、縮放、旋轉(zhuǎn)等變換。

程序的編寫工具一般采用Vrm1Pad編輯器來編寫VRML程序。VrmlPad編輯器是由Paralle1Graphics公司開發(fā)的，方便操作，編輯，和預(yù)覽，見圖4-2。

圖4-2 Vrm1Pad編輯器界面

Fig.4-2 Vrm1Pad Editor interface

4.1.1.2 基于3DSMAX、MAYA的建模技術(shù)

除了用VRML直接建模外,還可利用一些可視化的三維建模工具,如3DSMAX、MAYA等,用這些工具創(chuàng)建三維對象快速而且視覺效果較好。但是由于生成的三維造型全是由點集來實現(xiàn)的,因而文件大,有較大冗余。對于某些非常復(fù)雜的物體,一般情況下采用3DS`MAX建模,導(dǎo)出成為VRML格式的.wrl文件。但是在用3DSMAX創(chuàng)建的三維造型時,由于當(dāng)前的坐標(biāo)系及Calnera創(chuàng)建的視點與導(dǎo)出為VRML的代碼后,VRML中的坐標(biāo)系與視點不一定一致,因而往往會出現(xiàn)在VRML瀏覽器中看不到或者發(fā)生了偏移。這時就需要在VRML場景中重新調(diào)整造型節(jié)點(Translation)的域值,使造型在整個場景中的相對位置及視點處于所需的狀態(tài)。

4.1.2化學(xué)虛擬實驗室場景的構(gòu)建

如果利用VRML進(jìn)行實驗室虛擬場景的設(shè)計,首先要明確設(shè)計化學(xué)實驗室虛擬場景的總體目標(biāo)、規(guī)模、性質(zhì)等,從中確定適合虛擬仿真實驗室的實際情況,且經(jīng)濟(jì)實惠的最佳方案編碼階段是根據(jù)項目要求,運用計算機建模語言(如VRML)和各種開發(fā)工具(如Parallel Graphics公司的VrmlPad)進(jìn)行設(shè)計編碼;集成測試包括單元測試和綜合測試,單元測試是在詳細(xì)設(shè)計和編碼階段進(jìn)行,綜合測試則是在完成單元測試基礎(chǔ)上對全部軟件設(shè)計進(jìn)行調(diào)試;運行測試就是在試運行和交付期間修正開發(fā)中的錯誤、滿足新增功能的開發(fā)過程。

圖4-3 虛擬實驗室場景設(shè)計層次結(jié)構(gòu)圖

Fig.4-3 Virtual laboratory scene design hierarchy diagram

三維實體建模是場景構(gòu)建的主要工作內(nèi)容,它要在構(gòu)建場景的基礎(chǔ)上,完成每一片分區(qū)中所有實體對象的幾何建模,大到復(fù)雜的儀器設(shè)備,小到連接設(shè)備的管線。每個模型所描述的物體形狀由構(gòu)成物體的各個多邊形、三角形和頂點等來確定,物體外觀則由其表面紋理、顏色、材質(zhì)、光照系數(shù)等來確定。虛擬場景中的三維實體模型一般包括非動態(tài)實體模型和動態(tài)實體模型。非動態(tài)實體模型是指地形地貌和靜態(tài)實體模型,動態(tài)實體模型是指具有運動屬性的各種仿真實體的模型,如汽車、行人、飛鳥等。而化學(xué)虛擬實驗室主要的是動態(tài)的實體模型。本系統(tǒng)場景中的模型基本上都是靜態(tài)實體,分布在實驗室中,主要分實驗室和內(nèi)部儀器設(shè)備兩大類。靜態(tài)實體的建模主要運用的是幾何建模技術(shù),使用建模工具從形狀和外觀上對實體進(jìn)行模擬,同時大量采用紋理映射等輔助技術(shù)手段,以減低模型的復(fù)雜度。

為了使用戶能夠真正沉浸于一個由計算機生成的虛擬環(huán)境中,必須使生成的環(huán)境足夠逼真和自然,一個虛擬環(huán)境是否逼真,取決于人的感官對環(huán)境的主觀感覺。人對環(huán)境的感知主要是通過視覺、聽覺、觸覺、嗅覺及重力等來獲取的,因此一個好的虛擬環(huán)境必須給這些感官提供與現(xiàn)實環(huán)境相似的刺激。人的信息感知約有80%是通過眼睛獲取的,所以視覺感知的質(zhì)量在用戶對環(huán)境的主觀感知中占有最重要的地位。也就是說,一個虛擬環(huán)境的好壞主要取決于其視景生成系統(tǒng)的好壞,虛擬環(huán)境的視景效果是影響虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)沉浸感的最重要的因素。虛擬場景的構(gòu)建首先要完成的是對場景的三維建模工作,三維模型的構(gòu)建是虛擬實驗室系統(tǒng)實現(xiàn)的基礎(chǔ),也是虛擬視景生成技術(shù)的一項重要研究內(nèi)容，圖4-4是針對于電化學(xué)分析虛擬實驗室的模型構(gòu)造及場景布局圖。

圖4-4 電化學(xué)分析虛擬實驗室的模型及場景構(gòu)造圖

Fig.4-4 Model and scene structure map virtual laboratory electrochemical analysis

為了逼真地表現(xiàn)虛擬現(xiàn)實所描述的環(huán)境,可以給虛擬環(huán)境設(shè)置背景,加上天空和大地。VRML中都有相應(yīng)節(jié)點定義,可以較好地構(gòu)造出虛擬環(huán)境所需的效果。設(shè)置背景是通過設(shè)定Background節(jié)點的各域的參數(shù)來實現(xiàn)的,可分為兩種設(shè)定方式,一是通過顏色插值模擬大地和天空;二是構(gòu)造背景全景圖。例如虛擬實驗室的背景節(jié)點參數(shù)設(shè)定為:

Baekground{skyColor[0.30.30.80.50.50.80.90.90.9]

skyAngle〔1.1691.571〕

groundAngle[1.1691.571〕

groundColor[0.00.00.651.01.01.00.00.650.0]}

上述代碼描述了這樣一個背景:綠色的大地,淡藍(lán)色的天空,大地和天空相接處顏色漸白。參數(shù)值的設(shè)定是通過多次調(diào)試得到的。

為便于對整個實驗室進(jìn)行全方位的觀察,特地在虛擬場景中設(shè)置了八個視點位置,設(shè)置化身導(dǎo)航類型為“FLY”,以消除重力影響。在此八個視點上可以從八個方位觀看虛擬實驗室,其結(jié)果就是在這個虛擬世界中瀏覽者可以以一種很真實的感覺在其中進(jìn)行瀏覽和交互,就像是在現(xiàn)實世界中一樣[28]。

4.1.3實驗儀器的構(gòu)建

依照上述建模思想,化學(xué)虛擬實驗室儀器模型的創(chuàng)建主要分為:化學(xué)課程需要的主要實驗儀器、輔助工具以及耗材等，針對于那些重要的、需要精細(xì)顯示的模型，可以采用3DSMax建模外,其余直接用VRML建模;加載部分各組成部件造型簡單，例如柜子、桌子，椅子等,可以采用VrmlPad直接建模。在化學(xué)建模方面,對于一些比較復(fù)雜的儀器,利用Photoshop處理實物圖片進(jìn)行貼圖設(shè)計,其余則選用金屬材質(zhì)做貼圖處理或直接設(shè)置材質(zhì)的色彩[29]。

圖4-5 實驗儀器模型

Fig.4-5 Laboratory Instrument Model

虛擬器件的構(gòu)建我們主要考慮兩方面:一是它呈現(xiàn)給實驗者的外觀,即它外在的幾何特征(長、寬、高、顏色等);另一方面,更重要的是虛擬元器件要能反映真實器件本身內(nèi)在的物理(如質(zhì)量、密度、速度等)或化學(xué)(如氧化型等)特性。即虛擬對象的建模問題。

4.1.4虛擬實驗的構(gòu)建

虛擬實驗的構(gòu)建必須考慮用什么工具制作和如何制作的問題。虛擬實驗的制作工具和方法是由虛擬實驗的特點決定的。遠(yuǎn)程虛擬實驗有以下特點:首先網(wǎng)絡(luò)環(huán)境復(fù)雜,帶寬差異很大。從Modem方式撥號上網(wǎng)的56k,ISDN的64k、128k到ADSL上網(wǎng)的下行最高速率達(dá)到SMbPs,上行達(dá)到IMbPs,此外還有通過局域網(wǎng)上網(wǎng)的。這就要求設(shè)計網(wǎng)上實驗必須考慮實驗者的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境,大多數(shù)實驗者的上網(wǎng)方式,從而確定實驗的制作方法,以及與實驗者的交互方式。其次,與傳統(tǒng)實驗截然不同,網(wǎng)上遠(yuǎn)程實驗中,實驗的儀器、材料都是虛擬的,不是真實存在的。因此,如何構(gòu)造一個相對真實的環(huán)境,讓實驗者就像在一個真實的實驗室中做實驗,是一個極其重要的課題[30]。最后,網(wǎng)上遠(yuǎn)程實驗的目的是為實驗者提供一個虛擬的實驗室環(huán)境,應(yīng)該給實驗者充分動手操作的機會。

遠(yuǎn)程實驗包含兩類:一類是“演示型”實驗,例如電轉(zhuǎn)移試驗，其只對實驗現(xiàn)象進(jìn)行演示,實驗者僅為觀眾;另一類是“操作型”實驗,例如化學(xué)試驗，這個需要實驗者親自參與實驗,是實驗的主導(dǎo)者。設(shè)計演示型實驗可采取多種方法。例如把真實的實驗用攝像機拍攝下來,然后轉(zhuǎn)換成avi或其它格式的文件供丁載播放,許多教學(xué)軟件都采用這種方式;也可用Flash或其它多媒體軟件如3D制作動畫進(jìn)行演示[31~33]。操作型實驗的構(gòu)建就要復(fù)雜一些,主要涉及到以下幾個問題:

(1)實驗現(xiàn)象的演示。即在特定的事件發(fā)生時,如何調(diào)出相應(yīng)的事件,動畫是如何觸發(fā),如何實現(xiàn)的。

(2)虛擬儀器操作的實現(xiàn)。如虛擬儀器的移動、放置等。即如何實現(xiàn)用戶與虛擬儀器之間的交互。

遠(yuǎn)程虛擬實驗室就是通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)營造真實的實驗室范圍，親身體驗實驗的操作步驟，并通過對虛擬實驗儀器操作，交互，最終取得視覺、感覺和聽覺等各方面的“真實”體驗，得到實驗結(jié)果和相關(guān)的實驗數(shù)據(jù)。

圖4-6 化學(xué)虛擬仿真實驗

Fig.4-6 Chemical Virtual Simulation

圖4-7 電轉(zhuǎn)移虛擬仿真實驗

Fig.4-7 Power Transfer Virtual Simulation

4.2虛擬實驗中的交互功能實現(xiàn)

在虛擬實驗過程中,實驗者與虛擬元件的接觸主要借助于鼠標(biāo)的拖曳、點擊等。傳感器作為一個節(jié)點與相應(yīng)元件的*.wrl文件綁定在一起,如在某元件內(nèi)放置一個移動傳感器(Planesensor),實驗者就可用鼠標(biāo)點擊它并拖動該元件至實驗區(qū)中某一特定位置。當(dāng)元件在移動過程中不斷將所處位置坐標(biāo)通過eventln事件反饋到Java程序中,與規(guī)定位置的坐標(biāo)進(jìn)行比較,當(dāng)兩者一致時,即進(jìn)入規(guī)定位置,由Java程序通過eventout事件將該信息傳入文件中[34]。

4.2.1簡單交互的實現(xiàn)

在VRML中,虛擬世界和用戶之間的交互是通過一系列檢測器來實現(xiàn)的,通過這些檢測器節(jié)點,使瀏覽器感知用戶的各種操作,比如開門等,這樣用戶就可以和VRML虛擬世界中的三維對象進(jìn)行直接交互。簡單的交互可以通過VRML內(nèi)部的傳感器的觸發(fā)與事件、路由體系實現(xiàn),如鼠標(biāo)點擊時VRML場景中造型發(fā)生變化。

演示試驗的虛擬元件介紹場景時可以給每個虛擬元件添加了一個Spheresensor,創(chuàng)建了基于鼠標(biāo)拖動的三維實時交互[35~39]。通過ROUTE域?qū)⑵湫D(zhuǎn)值傳遞給個虛擬元件的rotation域的入口,從而可以使實驗者通過鼠標(biāo)旋轉(zhuǎn)虛擬元件,全方位地觀察到虛擬元件的細(xì)節(jié)。

觸動檢測器是用來檢測用戶的觸動動作的,其中包括TouchsenS0r節(jié)點、Planesensor節(jié)點、Cylindersensor節(jié)點和Spheresensor節(jié)點。圖4-8的螺旋測微器，可以操作手柄處進(jìn)行旋轉(zhuǎn)操作，當(dāng)系統(tǒng)檢測到觸動后會根據(jù)體驗著的操作進(jìn)行交互反饋，從而取得真實體驗。

圖4-8 仿真螺旋測微器

Fig.4-8 Simulation micrometer screw

4.3實驗演示導(dǎo)航與信息提示

為了使實驗演示和操作更加直觀，針對實驗演示與操作流程,必須為學(xué)習(xí)者導(dǎo)航提供控制實驗的操作按鈕控件,在演示界面中，創(chuàng)建導(dǎo)航提示，例如前進(jìn)后退鍵，實驗步驟，實驗?zāi)康?，現(xiàn)象與分析等導(dǎo)航欄[40]；在屏幕的側(cè)邊還設(shè)置操作步驟說明，提示接下來的操作步驟；在操作過程中會有下一步操作的聲音提示，提醒下一步的操作步驟及注意事項，并進(jìn)行適當(dāng)?shù)闹v解和說明；在操作過程中還會彈出警示或者提醒的窗口，如“注意試管中有什么現(xiàn)象發(fā)生？”等，有些系統(tǒng)操作錯誤的步驟，有扣分處理系統(tǒng)，實驗結(jié)束后有實驗得分，實驗結(jié)果和相關(guān)數(shù)據(jù)，可以查閱，詳見圖4-9。

圖4-9 實驗演示導(dǎo)航與信息提示

Fig.4-9 Experimental demonstration navigation and information presentation

4.4虛擬實驗場景的優(yōu)化

虛擬實驗教學(xué)系統(tǒng)是基于網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)的,其中虛擬實驗場景的VRML文件最終要通過hitemet進(jìn)行發(fā)布。本實驗環(huán)境在建模時采用了Vrm1Pad與3DSMax編輯工具生成VRML文件,對于復(fù)雜的模型利用3DSMax建模精確度較高,信息量也較多,以致VRML文件過于龐大,影響傳輸時間與瀏覽效果。因此,需要事先對文件進(jìn)行優(yōu)化,再將優(yōu)化后的文件發(fā)送出去,以提高傳輸效率,得到較好的運行效果[41]。

(l)強化VRML本身的建模能力。VRML定義了類型豐富的節(jié)點類型,包括基本幾何形體,如Box、sphere、eone等,構(gòu)造幾何形體,如Extrusion、hidexFaceset等。在建模時,對于簡單的三維形體,如試驗機加載部分的立柱、試件等,應(yīng)當(dāng)有效使用自身的節(jié)點造型;對重復(fù)使用物體造型,可采用DEF與USE;使用原型節(jié)點,如先定義一個導(dǎo)航按鈕原型,再通過指定其具體屬性將其實例化生成多個按鈕對象。對于復(fù)雜的部件,則可考慮3DSMax進(jìn)行建模,而且可使用其提供的模型優(yōu)化器,減少文件量[42~45]。

(2)分割復(fù)雜場景與動態(tài)增刪節(jié)點。用加ine節(jié)點可以將復(fù)雜的VRML場景分成幾個較小的與較簡單的場景,Inline節(jié)點在視點離它足夠近時才被讀取與裝載,因此可實現(xiàn)大場景分階段下載與裝入。改善了系統(tǒng)執(zhí)行性能;同時可動態(tài)地改變實驗場景,添加與刪除實驗儀器與設(shè)備。

(3)優(yōu)化與壓縮VRML文件。VRML文件是ASCII類型描述的,其中有許多不必要的回車符、空格符和TAB符,去掉這些字符可減少文件量,減少傳輸時間;將優(yōu)化后的VRML文件壓縮,讓瀏覽者下載到本地的瀏覽器上,再解壓,這樣既節(jié)省了下載時間,又不影響瀏覽效果。

4.5 實驗環(huán)境與Web頁的合并、瀏覽

創(chuàng)建好VRML虛擬實驗環(huán)境后,將實驗環(huán)境(VRML場景)與Web頁面及其他媒體結(jié)合,給用戶提供一個更為直觀且交互性強的虛擬實驗環(huán)境。通過VRML插件與Java Applet接口連接,把虛擬實驗發(fā)布在web服務(wù)器上,可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程實驗教學(xué)。學(xué)習(xí)者只需接入Internet就可對虛擬實驗進(jìn)行遠(yuǎn)程瀏覽與交互操作。VRML本身是HTML的3D模擬,能夠合并到網(wǎng)頁中[46~48]。通常,瀏覽器為一個VRML文件單獨打開一個窗口,但通過embed或object標(biāo)簽在HTML文件中像使用插件的方式插入VRML文件。這樣,將三維立體信息與二維的平面媒體信息嵌入在同一個網(wǎng)頁中,平面網(wǎng)頁部分用文字、視頻、音頻等多媒體信息對虛擬的實驗環(huán)境進(jìn)行解釋與說明,從而學(xué)生既可以在虛擬實驗環(huán)境與網(wǎng)絡(luò)其他資源切換,同時又能方便瀏覽實驗儀器及其介紹,最終構(gòu)建一個更生動直觀、更具交互性能的虛擬實驗教學(xué)系統(tǒng)。

綜上所述,可以根據(jù)虛擬實驗教學(xué)策略的設(shè)計步驟,結(jié)合VRML與3DSMax,創(chuàng)建可交互的、多媒體的三維虛擬實驗空間;結(jié)合實驗實際的操作情況,設(shè)計出具有相關(guān)實驗功能的關(guān)鍵造型,力求實驗?zāi)M過程準(zhǔn)確,操作響應(yīng)及時等;考慮到實驗者的不同需求,實驗設(shè)計了具有交互性的演示模塊與虛擬操作模塊;采用VRML與Web頁面相結(jié)合的方法,為學(xué)生提供了形象的、友好的、可共享的人機交互環(huán)境,充分發(fā)揮學(xué)生的主動性,促進(jìn)自主學(xué)習(xí),提高教學(xué)效果[49]。

 5 總結(jié)與展望

5.1 總結(jié)