摘 要： 選擇分光計的調(diào)節(jié)與使用作為實施案例，具體探討以虛擬現(xiàn)實技術(shù)為主的三維虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境的系統(tǒng)功能劃分、以學(xué)習(xí)者為中心的系統(tǒng)設(shè)計原則、以及交互行為的編程實現(xiàn)，探索虛擬現(xiàn)實技術(shù)在教學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。
關(guān)鍵詞： 虛擬現(xiàn)實; 分光計; 教學(xué)
虛擬現(xiàn)實技術(shù)是一門交叉學(xué)科，近年來隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、圖形技術(shù)、傳感器技術(shù)的飛速發(fā)展，虛擬現(xiàn)實技術(shù)的優(yōu)勢再次體現(xiàn)。虛擬現(xiàn)實世界可以表現(xiàn)宏觀世界，也可以表現(xiàn)微觀世界，可以表現(xiàn)客觀世界存在的物體，也可以虛擬客觀世界中不存在的，大腦中想象的場景。虛擬現(xiàn)實技術(shù)豐富的表現(xiàn)手段可以為學(xué)習(xí)者提供多種學(xué)習(xí)渠道，讓學(xué)習(xí)者從多個角度理解同一事物，提供多種表現(xiàn)知識的手段，目前大多數(shù)網(wǎng)上學(xué)習(xí)環(huán)境都是二維的，學(xué)習(xí)者無法與學(xué)習(xí)環(huán)境以及環(huán)境中的對象進(jìn)行自然和諧的交互，更不能操作其中的學(xué)習(xí)對象，只能被動接受學(xué)習(xí)內(nèi)容，整個學(xué)習(xí)過程仍然是灌輸式的，枯燥無味而且效率不高。應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)并結(jié)合傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)課程設(shè)計技術(shù)構(gòu)建的虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境具有良好的交互性，能讓學(xué)習(xí)者產(chǎn)生很強的沉浸感，學(xué)習(xí)者可以操作其中的學(xué)習(xí)對象，觀察現(xiàn)實生活中無法看見的事物和無法到達(dá)的場景，更好地理解抽象概念和現(xiàn)象從而降低認(rèn)知難度，提高學(xué)習(xí)效率。
由計算機硬件資源和軟件資源生成的三維模擬虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)是高級的人機交互界面。Grigore Burdea提出了一個虛擬現(xiàn)實的“3I”[1]特性：沉浸性(Immersion)、交互性(Interaction)和構(gòu)想性(Imagination)。這三個特性是虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的本質(zhì)特征，具備這三個特性的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)可以與人友好地進(jìn)行交互。虛擬現(xiàn)實技術(shù)為學(xué)習(xí)者提供生動、逼真的虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境，對調(diào)動學(xué)習(xí)者的積極性，突破教學(xué)中的重點、難點起到了非常重要作用。要實現(xiàn)高沉浸度的三維空間環(huán)境通常需要高性能圖形工作站、頭盔顯示器、數(shù)據(jù)手套等昂貴設(shè)備，目前一般的教育單位還無法承受。普通虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)大多運行在PC機,學(xué)習(xí)者可以用鍵盤和鼠標(biāo)通過計算機屏幕與虛擬環(huán)境中的實體進(jìn)行交互，雖然這種虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)對學(xué)習(xí)者在真實環(huán)境中與虛擬情境是有區(qū)別的，易受到周圍環(huán)境的干擾，不能完全沉浸在虛擬情境中，但是這種系統(tǒng)利用三維空間建模軟件和仿真軟件仿真客觀世界，用編程技術(shù)為三維場景中的實體添加交互行為,開發(fā)成本相對較低，易于在基礎(chǔ)教學(xué)領(lǐng)域和各種培訓(xùn)機構(gòu)教學(xué)過程中推廣應(yīng)用。
1 分光計調(diào)節(jié)的虛擬系統(tǒng)
通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，光學(xué)實驗是大學(xué)物理實驗中的基礎(chǔ)實驗，實驗設(shè)備靈敏度高，調(diào)節(jié)方法不易掌握，實驗中出現(xiàn)的許多現(xiàn)象較難描述清楚，實驗中有眾多知識難點、內(nèi)容比較抽象。實驗設(shè)備有嚴(yán)格的調(diào)節(jié)步驟，單靠教師講授學(xué)生較難完全理解。虛擬現(xiàn)實技術(shù)良好的三維表現(xiàn)手段能夠?qū)⒊橄蟋F(xiàn)象具體化,真實再現(xiàn)抽象的實驗現(xiàn)象，良好的交互方式能夠讓學(xué)生體驗操作過程，加深理解和記憶。設(shè)計分光計調(diào)節(jié)仿真實驗，利用仿真技術(shù)和建模技術(shù)在計算機系統(tǒng)中構(gòu)建出仿真的客觀現(xiàn)實場景，讓學(xué)習(xí)者在模擬真實的學(xué)習(xí)環(huán)境中完成實驗操作，并獲得在實驗室學(xué)習(xí)的效果，因此這類實驗適合用三維場景表現(xiàn)，能夠很好地體現(xiàn)虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境的三維特性。系統(tǒng)是由多種學(xué)習(xí)資源集成的，各種學(xué)習(xí)資源按照表現(xiàn)形式和功能可以分為不同類型，本文將網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源主要劃分為課件資源、多媒體視頻資源、答疑回復(fù)、討論交流、
資料上傳、資源下載等模塊，如圖1所示。
在已有的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源設(shè)計中，三維虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境模塊是隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)的出現(xiàn)引入到教學(xué)設(shè)計過程中的，其他模塊的研究和開發(fā)已經(jīng)較為成熟，這里主要討論3D虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境中學(xué)習(xí)資源的開發(fā)，該模塊包括3D學(xué)習(xí)環(huán)境、知識點描述、3D建模和VRML場景實現(xiàn)功能，如圖2所示。
2 系統(tǒng)建模
在設(shè)計和實現(xiàn)虛擬環(huán)境下分光計實驗的各模塊功能時，使用了虛擬場景、虛擬設(shè)備建模技術(shù)和虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境集成技術(shù)等。要構(gòu)建三維虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境必須為分光計的各個重要組成部分建模，分光計主要由四大部分組成：平行光管、望遠(yuǎn)鏡、載物臺和讀數(shù)裝置。平行光管是發(fā)光源，發(fā)出平行光，望遠(yuǎn)鏡觀察平行光，載物臺用來放置要觀察的光學(xué)器件，讀數(shù)裝置測量光線偏轉(zhuǎn)角度。為分光計調(diào)節(jié)過程中用到的部分進(jìn)行建模，建模所用工具為3D Max。圖3為3D建模過程圖。
建模只是構(gòu)建三維虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境的一部分，要實現(xiàn)良好交互的三維虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境還需要通過虛擬現(xiàn)實建模語言VRML在虛擬現(xiàn)實編輯器VRMLPad中將各個場景和三維模型整合，并在虛擬現(xiàn)實瀏覽器中觀看場景和操作物體。先用3D Max進(jìn)行建模，然后將這些模型導(dǎo)入VRML編輯器中，只需要在導(dǎo)入時設(shè)置相應(yīng)的空間向量坐標(biāo)和單位，對于同一類型的設(shè)備只需要一次建模就可以多次重復(fù)使用。多媒體電教室中的主要設(shè)備是多媒體教學(xué)電腦以及投影設(shè)備。這些主要是靜態(tài)場景建模，用建模軟件建模之后再導(dǎo)入VRML即可。
3 系統(tǒng)實現(xiàn)
交互是三維虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境的重要特征之一，良好的交互性是三維虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境構(gòu)建成功與否的關(guān)鍵。VRML語言提供的傳感器節(jié)點[5]就可以實現(xiàn)學(xué)習(xí)者與場景中物體的交互。VRML主要提供七種傳感器，這七種傳感器是虛擬現(xiàn)實技術(shù)中交互實現(xiàn)的關(guān)鍵所在，通過為這些傳感器設(shè)置路由信息，學(xué)習(xí)者可以與虛擬場景中的物體進(jìn)行交互[4]。
接觸傳感器(TouchSensor)用來感知用戶接觸和鼠標(biāo)輸入的節(jié)點，是比較常用的節(jié)點，檢測用戶的接觸并將相應(yīng)的事件輸出。
平面?zhèn)鞲衅?PlaneSensor)、圓柱體傳感器(CylinderSensor)、球體傳感器(SphereSensor)這三種傳感器統(tǒng)稱為環(huán)境檢測器，它們都是用來檢測用戶在三維空間中所做的動作，并將這些動作以合適的空間造型輸出。當(dāng)瀏覽者接觸到PlaneSensor時，系統(tǒng)的反饋使他感覺是在二維平面上觀察世界，當(dāng)瀏覽者接觸到CylinderSensor時，就會感覺是在圍繞圓柱體中的軸觀察世界，當(dāng)瀏覽者接觸到SphereSensor時，他就能以球心為原點從各個角度觀察物體。
接近傳感器(ProximitySensor)，可以作為任何組的子節(jié)點。在ProximitySensor節(jié)點中有一個size閾值，該閾值可以定義瀏覽者的接近范圍，這個接近范圍是一個長方形區(qū)域，當(dāng)瀏覽者進(jìn)入、退出、移動到定義的范圍之內(nèi)時，被作用物體就可以做出相應(yīng)的反饋。
可視傳感器(VisibilitySensor)，合理定義該節(jié)點可以節(jié)省系統(tǒng)資源，加快瀏覽速度。size閾值定義了瀏覽者在所處的位置和角度所能看到的景物，并且能夠定義該區(qū)域中的物體何時可見，可以用于場景優(yōu)化。
碰撞傳感器(Collision),用來檢測瀏覽者和其他物體是否發(fā)生了碰撞，bboxsize閾值指定了碰撞范圍和collide閾值的布爾值一起決定碰撞是否應(yīng)該發(fā)生，當(dāng)collide閾值為FALSE，碰撞檢測無效，瀏覽者可以穿過碰撞物體，否則瀏覽者就無法移動，只能繞行通過。
在采用VRML和3D Max構(gòu)建的三維虛擬學(xué)習(xí)場景中，交互性主要體現(xiàn)在兩個方面，即學(xué)習(xí)者與瀏覽場景的交互，以及學(xué)習(xí)者與場景內(nèi)物體的交互。
(1)與場景的交互
學(xué)習(xí)者與場景的交互[6]主要包括開關(guān)門的操作，以及對多媒體的操作。
①開關(guān)門實現(xiàn)代碼：
Transform {
translation 0.0 7.0 10.0
children [
Shape { //定義自動門
}
]
};
Group {
children [
DEF DoorOpen ProximitySensor
{ //傳感器控制門開合感應(yīng)范圍 center 0.0 0.0 15.0
size 30.0 15.0 50.0
};
ROUTE …… TO …… // 連接入事件和出事件，響應(yīng)用戶交互操作
②多媒體操作實現(xiàn)
Transform {
translation 10.0 1.0 -18.0
children [
DEF OpenMedia TouchSensor
{ // 感知用戶操作，控制多媒體開關(guān)}
Shape { //定義多媒體控制開關(guān)按鈕}
}
}
]
}
(2)與物體的交互
在分光計的調(diào)節(jié)與使用的試驗中，對分光計的調(diào)節(jié)主要包括對調(diào)焦手輪的調(diào)節(jié)、對調(diào)平螺絲、鎖緊螺絲、微調(diào)螺絲的調(diào)節(jié)、對狹縫裝置的調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)過程異曲同工，都是通過路由將不同傳感器的入事件和出事件聯(lián)系起來響應(yīng)學(xué)習(xí)者的操作。具體實現(xiàn)代碼如下：
Group {
children [
DEF touch TouchSensor(或PlaneSensor、CylinderSensor、SphereSensor){
//通過接觸傳感器、平面?zhèn)鞲衅鳌A柱傳感器、球體傳感器感知用戶操作
center 0.0 0.0 15.0
size 30.0 15.0 50.0
};
ROUTE …… TO ……
//連接入事件和出事件，響應(yīng)用戶操作
虛擬現(xiàn)實技術(shù)是新興的交叉學(xué)科，有著廣闊的應(yīng)用前景，尤其在教育領(lǐng)域。目前虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用還屬于起步階段。雖然各高校和科研單位已經(jīng)取得了一些成果，但是尚未廣泛應(yīng)用，對虛擬現(xiàn)實技術(shù)在教育中的應(yīng)用也還停留在理論研究階段。基于已有的研究成果，探討如何將虛擬現(xiàn)實技術(shù)更好地應(yīng)用在學(xué)習(xí)者的自主學(xué)習(xí)和輔助教學(xué)中，具有重要研究意義。研究通過用虛擬現(xiàn)實技術(shù)再現(xiàn)教學(xué)中的重點、難點和關(guān)鍵知識點的方法，將虛擬現(xiàn)實技術(shù)與教學(xué)有機結(jié)合起來，有助于教學(xué)效果的有效提高。
參考文獻(xiàn)
[1] 錢麗娜．三維虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境的設(shè)計研究[D]．上海:上海師范大學(xué)，2007.
[2] 惲如偉．虛擬現(xiàn)實的教學(xué)應(yīng)用及簡易虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境設(shè)計[D]．南京:南京師范大學(xué),2005.
[3] Cosmo Player 插件簡要使用說明.http://museum.sdu.edu.cn/exhibition/model/help/help.htm，2009.1.18
[4] XU Hong Zhen, LU Ling，SONG Wen Lin，et al． The distance education system based on VRML[J]． 2008 International Conference on Computer Science and Software Engineering，2008，５:879-881.
[5] XUE Han, ZHANG Jing． Applying virtual reality to Webbased education[C]． First International Multi-Symposiums on Computer and Computational Sciences，2006，1(IMSCCS′06)：789-791.
[6] BOYLES M，ROGERS J，GOREHAM K，et al.Virtual simulation for Lighting & Design Education[C]． 2009 IEEE Virtual Reality Conference，2009:275-276.