遠(yuǎn)程教育虛擬實(shí)驗(yàn)室初探

遠(yuǎn)程教育虛擬實(shí)驗(yàn)室初探

【摘要】遠(yuǎn)程教育已經(jīng)成為現(xiàn)代教育中不可或缺的重要組成部分。近年來(lái)，越來(lái)越多的多媒體資源運(yùn)行在Internet上，它們?yōu)閷W(xué)習(xí)者提供了個(gè)性化的、自主式的、交互的、實(shí)時(shí)的學(xué)習(xí)環(huán)境。在眾多的以文本、圖片、動(dòng)畫、視頻為主的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源中，逐漸崛起了利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、多媒體技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)為設(shè)計(jì)核心的虛擬實(shí)驗(yàn)。這些實(shí)驗(yàn)解決了長(zhǎng)期困擾遠(yuǎn)程教學(xué)中實(shí)踐教學(xué)的欠缺問題，同時(shí)對(duì)于遠(yuǎn)程教育也提出了新的問題和挑戰(zhàn)。本文就建立一個(gè)基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬實(shí)驗(yàn)室提出了一套解決方案。全文重點(diǎn)圍繞下面三個(gè)方面展開研究和討論：虛擬實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)的模塊研究與設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)；虛擬實(shí)驗(yàn)子模塊的研究與設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)；虛擬實(shí)驗(yàn)室接口規(guī)范的研究?！娟P(guān)鍵詞】虛擬；實(shí)驗(yàn)室；子模塊；WEB；技術(shù)利用Internet開展遠(yuǎn)程教育已經(jīng)逐步成為現(xiàn)代教育的重要組成部分，已經(jīng)作為遠(yuǎn)程教育的一種重要社會(huì)化學(xué)習(xí)模式。而實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)對(duì)于學(xué)生全面掌握專業(yè)知識(shí)，培養(yǎng)科學(xué)的思維能力和創(chuàng)造力起著至關(guān)重要的作用。利用網(wǎng)絡(luò)提供虛擬實(shí)驗(yàn)的環(huán)境，為學(xué)習(xí)者提供身臨其境的學(xué)習(xí)環(huán)境，逐漸成為網(wǎng)絡(luò)資源提供者追求的目標(biāo)。一、虛擬實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)目標(biāo)、開發(fā)環(huán)境與技術(shù)虛擬實(shí)驗(yàn)室的主要設(shè)計(jì)目標(biāo)是搭建一個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)。對(duì)于一個(gè)平臺(tái)，還需要方便的增加、刪除和管理實(shí)驗(yàn)子模塊的功能，為學(xué)生進(jìn)入虛擬實(shí)驗(yàn)室注冊(cè)登錄、在線的同學(xué)間交流，向線上的輔導(dǎo)老師提出問題。平臺(tái)還應(yīng)具有評(píng)分功能，記錄學(xué)生實(shí)驗(yàn)成績(jī)，教師查看學(xué)生成績(jī)，管理員查看和修改記錄等。虛擬實(shí)驗(yàn)室的研究與開發(fā)，離不開多媒體技術(shù)、WEB技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的支持。虛擬現(xiàn)實(shí)（VirtualReality，簡(jiǎn)稱VR，又稱為臨境技術(shù)）最早于1989年由美國(guó)的J.Lanier創(chuàng)造并使用，通常指利用立體眼鏡和傳感手套等一系列傳感輔助設(shè)施來(lái)實(shí)現(xiàn)的三維現(xiàn)實(shí)，使人們以自然的方式向計(jì)算機(jī)傳送各種動(dòng)作和信息，人們通過(guò)視覺、聽覺以及觸覺設(shè)施，感覺世界，隨人們的動(dòng)作變化感覺效果。按虛擬現(xiàn)實(shí)功能可分成三種類型：沉浸型虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)；簡(jiǎn)易型虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)；共享型虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。本文討論的虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室是基于PC硬件環(huán)境的簡(jiǎn)易型虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。涉及的基本技術(shù)為：將文本、聲音、圖形、圖像和各種類型的動(dòng)畫集成多媒體技術(shù)；以及豐富軟件技術(shù)，如ASP、JSP、PHP和ASP等的Web技術(shù)和數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，目前常用的關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)包括Access，SQLServer和Oracle。二、虛擬實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境基于Internet的將向使用者提供一個(gè)在線參與交互性實(shí)驗(yàn)的環(huán)境。在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容上，利用3D技術(shù)和VR技術(shù)實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)對(duì)于沉浸性、交互性的要求，考慮到設(shè)計(jì)成本與具體實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的選取，最終設(shè)計(jì)為簡(jiǎn)易型的虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)，不提供特殊的頭盔、數(shù)據(jù)手套等傳感設(shè)備，用戶只需用鼠標(biāo)操作。在程序設(shè)計(jì)上，綜合使用多種開發(fā)工具，例如ASP、JAVA、SQLServer2000、3DMAX、PHOTOSHOP、FLASH、Dreamweaver、Premiere、CoolEditPro、Fireworks等。在動(dòng)畫設(shè)計(jì)中，最常使用的軟件是3DMAX。QuicktimeVR也是在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中廣泛應(yīng)用的軟件。這里是運(yùn)用3DMAX設(shè)計(jì)虛擬實(shí)驗(yàn)室的實(shí)例：老牌的三維動(dòng)畫設(shè)計(jì)軟件3DMAX最顯著的特點(diǎn)和設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)在于三維造型。VR。QuicktimeVR主要用于虛擬現(xiàn)實(shí)中的場(chǎng)景設(shè)計(jì)，可以分為三維物體、360度全景和用熱點(diǎn)鏈接的多個(gè)節(jié)點(diǎn)集合的場(chǎng)景三類。首先要利用數(shù)碼相機(jī)對(duì)某物體或場(chǎng)景進(jìn)行360度的全方位拍攝，然后，將所有的照片進(jìn)行有機(jī)的組合，選擇特定的點(diǎn)作為“熱點(diǎn)”。用戶通過(guò)鼠標(biāo)操作對(duì)虛擬的物體或場(chǎng)景中進(jìn)行全方位的觀察，點(diǎn)擊“熱點(diǎn)”進(jìn)入下一級(jí)鏈接。實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)的過(guò)程一般是從先試件箱中選定一種試件，經(jīng)過(guò)測(cè)量記錄實(shí)驗(yàn)前的有關(guān)測(cè)量數(shù)據(jù)，然后將試件正確的安裝到萬(wàn)能材料實(shí)驗(yàn)機(jī)上，接著對(duì)實(shí)驗(yàn)機(jī)進(jìn)行一系列復(fù)雜的調(diào)整并開始實(shí)驗(yàn)，拉伸的結(jié)果是將試件拉斷，然后對(duì)實(shí)驗(yàn)后的試件再進(jìn)行測(cè)量，獲得相應(yīng)的數(shù)據(jù)，進(jìn)行分析和比較并填寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告。工程力學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)室課件中，設(shè)計(jì)有試件箱、計(jì)算機(jī)、資料柜、錄像機(jī)等與實(shí)驗(yàn)相關(guān)的輔助設(shè)備，中間是電子式萬(wàn)能材料實(shí)驗(yàn)機(jī)。實(shí)驗(yàn)中設(shè)計(jì)了測(cè)量試件實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)：利用鼠標(biāo)，將試件盒中的試件直接拖拽到測(cè)試區(qū)中，然后，選擇測(cè)量的卡尺測(cè)量試件，并記錄每次的測(cè)量結(jié)果，這些數(shù)據(jù)會(huì)通過(guò)變量進(jìn)行保存，供后面的實(shí)驗(yàn)使用并作為給定實(shí)驗(yàn)成績(jī)的依據(jù)。三、虛擬實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)管理環(huán)境從虛擬實(shí)驗(yàn)室結(jié)構(gòu)上看，對(duì)于任何一個(gè)實(shí)驗(yàn)都應(yīng)該包括實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)、實(shí)驗(yàn)要求、實(shí)驗(yàn)步驟、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)幫助、實(shí)驗(yàn)測(cè)試等教學(xué)部分。按照模塊化設(shè)計(jì)的原則，系統(tǒng)分為注冊(cè)與登錄模塊、用戶管理模塊、成績(jī)管理模塊、測(cè)試模塊、公共信息模塊和進(jìn)入實(shí)驗(yàn)子模塊等。（本文僅描述主要模塊——編者）1.注冊(cè)登錄模塊中的在籍學(xué)生登錄虛擬實(shí)驗(yàn)只對(duì)在籍的學(xué)生開放，并將學(xué)生的學(xué)號(hào)做為主鍵字段，記錄在數(shù)據(jù)庫(kù)中。學(xué)號(hào)的設(shè)計(jì)規(guī)則是按照學(xué)生所在的地區(qū)、選修的專業(yè)、入學(xué)的年級(jí)、班號(hào)和班內(nèi)學(xué)號(hào)為順序，例如，假設(shè)某學(xué)生的學(xué)號(hào)為001004010303，則表示：根據(jù)這些信息，可以確定他應(yīng)該進(jìn)入哪個(gè)專業(yè)的虛擬實(shí)驗(yàn)室，應(yīng)該完成哪些實(shí)驗(yàn)。同時(shí)，學(xué)號(hào)作為用戶賬號(hào)和作為登錄的依據(jù)。2.成績(jī)管理模塊設(shè)計(jì)成績(jī)管理模塊主要用于評(píng)測(cè)學(xué)生參與虛擬實(shí)驗(yàn)的程度，包括對(duì)實(shí)驗(yàn)的了解、掌握和理解程度。根據(jù)每個(gè)實(shí)驗(yàn)的要求，要設(shè)計(jì)科學(xué)合理的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)和方法。由于每個(gè)具體的虛擬實(shí)驗(yàn)存在著明顯的設(shè)計(jì)差異，下面主要基于“工程力學(xué)”實(shí)驗(yàn)的評(píng)測(cè)進(jìn)行分析。根據(jù)專業(yè)規(guī)定確定應(yīng)該完成的實(shí)驗(yàn)，每個(gè)實(shí)驗(yàn)學(xué)生實(shí)驗(yàn)成績(jī)的組成包括三個(gè)部分：實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)成績(jī)、實(shí)驗(yàn)操作成績(jī)和實(shí)驗(yàn)測(cè)驗(yàn)成績(jī)。實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)部分通過(guò)一系列習(xí)題測(cè)試學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)相關(guān)知識(shí)的掌握程度，只有預(yù)習(xí)成績(jī)合格的學(xué)生才能進(jìn)入實(shí)驗(yàn)操作部分，否則不允許學(xué)生進(jìn)入操作部分。實(shí)驗(yàn)操作成績(jī)是個(gè)性化較強(qiáng)的部分，可通過(guò)學(xué)生交互操作的正誤確定成績(jī)；通過(guò)實(shí)驗(yàn)報(bào)告中填寫的數(shù)據(jù)的正誤和通過(guò)回答的選擇題的正誤確定成績(jī)；對(duì)于非客觀、非定量的操作還可以通過(guò)學(xué)生是否進(jìn)入了某模塊并順利的完成相關(guān)實(shí)驗(yàn)步驟評(píng)分。實(shí)驗(yàn)測(cè)驗(yàn)成績(jī)主要是指在完成實(shí)驗(yàn)后，設(shè)計(jì)了一些與實(shí)驗(yàn)有關(guān)的測(cè)試題讓學(xué)生回答，可以通過(guò)一系列的客觀題測(cè)驗(yàn)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的掌握和理解。三個(gè)部分在總成績(jī)所占的比例，由教學(xué)設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)虛擬實(shí)驗(yàn)時(shí)指明。3.測(cè)試模塊測(cè)試模塊是檢驗(yàn)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)掌握程度的重要組成部分，它貫穿于虛擬實(shí)驗(yàn)的始終。實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)部分的測(cè)試可以判斷學(xué)生是否已經(jīng)掌握了和實(shí)驗(yàn)有關(guān)的知識(shí)、是否具備了做實(shí)驗(yàn)的基本條件；在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，每一個(gè)分支的選擇也可以理解為一種測(cè)試；實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，更是可以通過(guò)測(cè)試模塊了解學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的掌握程度。測(cè)試模塊由一系列填空、簡(jiǎn)答、計(jì)算等主觀題組成?？陀^題并具有自動(dòng)評(píng)分的功能，主觀題可以提供標(biāo)準(zhǔn)答案供學(xué)生參考以及自我評(píng)測(cè)。測(cè)試模塊往往需要數(shù)據(jù)庫(kù)的支持，對(duì)于一個(gè)特定的用戶，應(yīng)該在數(shù)據(jù)庫(kù)中設(shè)置字段專門保留其在不同實(shí)驗(yàn)中不同測(cè)試單元的成績(jī)。當(dāng)學(xué)生登錄時(shí)，從數(shù)據(jù)庫(kù)中查找并獲得這些數(shù)據(jù)，以便更新。四、關(guān)于虛擬實(shí)驗(yàn)室開發(fā)規(guī)范為虛擬實(shí)驗(yàn)資源的開發(fā)者的標(biāo)準(zhǔn)化而需要規(guī)范，以便資源共享，同時(shí)也為不同虛擬實(shí)驗(yàn)資源庫(kù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和互操作提供支持。本規(guī)范所面向的資源主要包括以下幾類：1.媒體素材媒體素材是傳播教學(xué)信息的基本材料單元，可分為五大類：文本類素材、圖形/圖像類素材、音頻類素材、視頻類素材、動(dòng)畫類素材。2.數(shù)據(jù)元素對(duì)于必需、通用可選和分類擴(kuò)展數(shù)據(jù)元素，在基本框架中作出定義，如：名稱：數(shù)據(jù)元素的名稱。解釋：對(duì)數(shù)據(jù)元素的定義。取值數(shù)：數(shù)據(jù)元素所允許的取值個(gè)數(shù)。通過(guò)上述對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)的設(shè)計(jì)、虛擬實(shí)驗(yàn)室子模塊的設(shè)計(jì)以及虛擬實(shí)驗(yàn)室開發(fā)規(guī)范的研究，本文提出了關(guān)于虛擬實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)方法、設(shè)計(jì)步驟以及設(shè)計(jì)規(guī)范。由于計(jì)算機(jī)軟、硬件技術(shù)的更新較快，虛擬實(shí)驗(yàn)室建設(shè)中所采用的技術(shù)也會(huì)有各種變化。[參考文獻(xiàn)][1]解季萍.基于web的遠(yuǎn)程教學(xué)系統(tǒng)安全性研究[J].中國(guó)遠(yuǎn)程教育，2002，（5）[2]麻海雷.網(wǎng)絡(luò)課程的實(shí)施環(huán)境與實(shí)踐.現(xiàn)代教育技術(shù)研究與應(yīng)用論文集[C].重慶：西南師范大學(xué)出版社.[3]錢昆明等.網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程教育和媒體優(yōu)化.現(xiàn)代教育技術(shù)研究與應(yīng)用論文集[C].重慶：西南師范大學(xué)出版社.[4]徐錚等.關(guān)于實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育的幾個(gè)關(guān)鍵問題的探討.現(xiàn)代教育技術(shù)研究與應(yīng)用論文集[C].重慶：西南師范大學(xué)出版社.[5]韋有雙等.虛擬現(xiàn)實(shí)與系統(tǒng)仿真[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2004.[6]李虎等譯.UML基礎(chǔ)案例與應(yīng)用[M].北京：人民郵電出版社，2002.[7]OnlinedistanceeducationintheUnitedStates[J].Harris.AD.IEEECommunicationsMagazine,1999,37(3):87~92[8]AnnotationsforstreamingvideoontheWeb:systemdesignandusagestudies.David.B,Anoop