摘 要： 選擇分光計(jì)的調(diào)節(jié)與使用作為實(shí)施案例,，具體探討以虛擬現(xiàn)實(shí)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(jì)原則,、以及交互行為的編程實(shí)現(xiàn)，探索虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用,。
關(guān)鍵詞： 虛擬現(xiàn)實(shí); 分光計(jì); 教學(xué)
虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一門(mén)交叉學(xué)科,，近年來(lái)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(shí)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)再次體現(xiàn)。虛擬現(xiàn)實(shí)世界可以表現(xiàn)宏觀(guān)世界,，也可以表現(xiàn)微觀(guān)世界,，可以表現(xiàn)客觀(guān)世界存在的物體，也可以虛擬客觀(guān)世界中不存在的,，大腦中想象的場(chǎng)景,。虛擬現(xiàn)實(shí)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(gè)角度理解同一事物,，提供多種表現(xiàn)知識(shí)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(wú)法與學(xué)習(xí)環(huán)境以及環(huán)境中的對(duì)象進(jìn)行自然和諧的交互,，更不能操作其中的學(xué)習(xí)對(duì)象，只能被動(dòng)接受學(xué)習(xí)內(nèi)容,，整個(gè)學(xué)習(xí)過(guò)程仍然是灌輸式的,，枯燥無(wú)味而且效率不高。應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)并結(jié)合傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)課程設(shè)計(jì)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(qiáng)的沉浸感,，學(xué)習(xí)者可以操作其中的學(xué)習(xí)對(duì)象，觀(guān)察現(xiàn)實(shí)生活中無(wú)法看見(jiàn)的事物和無(wú)法到達(dá)的場(chǎng)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(jì)算機(jī)硬件資源和軟件資源生成的三維模擬虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)是高級(jí)的人機(jī)交互界面,。Grigore Burdea提出了一個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)的“3I”[1]特性：沉浸性(Immersion),、交互性(Interaction)和構(gòu)想性(Imagination)。這三個(gè)特性是虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的本質(zhì)特征,，具備這三個(gè)特性的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)可以與人友好地進(jìn)行交互,。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為學(xué)習(xí)者提供生動(dòng)、逼真的虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境,，對(duì)調(diào)動(dòng)學(xué)習(xí)者的積極性,，突破教學(xué)中的重點(diǎn)、難點(diǎn)起到了非常重要作用,。要實(shí)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(wú)法承受,。普通虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)大多運(yùn)行在PC機(jī),學(xué)習(xí)者可以用鍵盤(pán)和鼠標(biāo)通過(guò)計(jì)算機(jī)屏幕與虛擬環(huán)境中的實(shí)體進(jìn)行交互,，雖然這種虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)對(duì)學(xué)習(xí)者在真實(shí)環(huán)境中與虛擬情境是有區(qū)別的，易受到周?chē)h(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(guān)世界，用編程技術(shù)為三維場(chǎng)景中的實(shí)體添加交互行為,開(kāi)發(fā)成本相對(duì)較低,，易于在基礎(chǔ)教學(xué)領(lǐng)域和各種培訓(xùn)機(jī)構(gòu)教學(xué)過(guò)程中推廣應(yīng)用,。
1 分光計(jì)調(diào)節(jié)的虛擬系統(tǒng)
通過(guò)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，光學(xué)實(shí)驗(yàn)是大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn),，實(shí)驗(yàn)設(shè)備靈敏度高,，調(diào)節(jié)方法不易掌握，實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的許多現(xiàn)象較難描述清楚,，實(shí)驗(yàn)中有眾多知識(shí)難點(diǎn),、內(nèi)容比較抽象。實(shí)驗(yàn)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(shí)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(shí)再現(xiàn)抽象的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，良好的交互方式能夠讓學(xué)生體驗(yàn)操作過(guò)程,，加深理解和記憶,。設(shè)計(jì)分光計(jì)調(diào)節(jié)仿真實(shí)驗(yàn)，利用仿真技術(shù)和建模技術(shù)在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中構(gòu)建出仿真的客觀(guān)現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景,，讓學(xué)習(xí)者在模擬真實(shí)的學(xué)習(xí)環(huán)境中完成實(shí)驗(yàn)操作,，并獲得在實(shí)驗(yàn)室學(xué)習(xí)的效果，因此這類(lèi)實(shí)驗(yàn)適合用三維場(chǎng)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(lèi)型,，本文將網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源主要?jiǎng)澐譃檎n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(jì)中，三維虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境模塊是隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的出現(xiàn)引入到教學(xué)設(shè)計(jì)過(guò)程中的,，其他模塊的研究和開(kāi)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(kāi)發(fā),，該模塊包括3D學(xué)習(xí)環(huán)境、知識(shí)點(diǎn)描述,、3D建模和VRML場(chǎng)景實(shí)現(xiàn)功能,，如圖2所示。
2 系統(tǒng)建模
在設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)虛擬環(huán)境下分光計(jì)實(shí)驗(yàn)的各模塊功能時(shí),，使用了虛擬場(chǎng)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(jì)的各個(gè)重要組成部分建模,，分光計(jì)主要由四大部分組成：平行光管,、望遠(yuǎn)鏡、載物臺(tái)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(guān)察平行光,，載物臺(tái)用來(lái)放置要觀(guān)察的光學(xué)器件,，讀數(shù)裝置測(cè)量光線(xiàn)偏轉(zhuǎn)角度。為分光計(jì)調(diào)節(jié)過(guò)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(guò)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(shí)現(xiàn)良好交互的三維虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境還需要通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)建模語(yǔ)言VRML在虛擬現(xiàn)實(shí)編輯器VRMLPad中將各個(gè)場(chǎng)景和三維模型整合,，并在虛擬現(xiàn)實(shí)瀏覽器中觀(guān)看場(chǎng)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(shí)設(shè)置相應(yīng)的空間向量坐標(biāo)和單位,，對(duì)于同一類(lèi)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(chǎng)景建模,，用建模軟件建模之后再導(dǎo)入VRML即可,。
3 系統(tǒng)實(shí)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(yǔ)言提供的傳感器節(jié)點(diǎn)[5]就可以實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)者與場(chǎng)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(shí)技術(shù)中交互實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵所在,，通過(guò)為這些傳感器設(shè)置路由信息,，學(xué)習(xí)者可以與虛擬場(chǎng)景中的物體進(jìn)行交互[4]。
接觸傳感器(TouchSensor)用來(lái)感知用戶(hù)接觸和鼠標(biāo)輸入的節(jié)點(diǎn),，是比較常用的節(jié)點(diǎn),，檢測(cè)用戶(hù)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(chēng)為環(huán)境檢測(cè)器,，它們都是用來(lái)檢測(cè)用戶(hù)在三維空間中所做的動(dòng)作，并將這些動(dòng)作以合適的空間造型輸出,。當(dāng)瀏覽者接觸到PlaneSensor時(shí),，系統(tǒng)的反饋使他感覺(jué)是在二維平面上觀(guān)察世界，當(dāng)瀏覽者接觸到CylinderSensor時(shí),，就會(huì)感覺(jué)是在圍繞圓柱體中的軸觀(guān)察世界,，當(dāng)瀏覽者接觸到SphereSensor時(shí)，他就能以球心為原點(diǎn)從各個(gè)角度觀(guān)察物體,。
接近傳感器(ProximitySensor),，可以作為任何組的子節(jié)點(diǎn)。在ProximitySensor節(jié)點(diǎn)中有一個(gè)size閾值,，該閾值可以定義瀏覽者的接近范圍,，這個(gè)接近范圍是一個(gè)長(zhǎng)方形區(qū)域，當(dāng)瀏覽者進(jìn)入,、退出,、移動(dòng)到定義的范圍之內(nèi)時(shí)，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(diǎn)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(shí)可見(jiàn)，可以用于場(chǎng)景優(yōu)化,。
碰撞傳感器(Collision),用來(lái)檢測(cè)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(cè)無(wú)效,，瀏覽者可以穿過(guò)碰撞物體，否則瀏覽者就無(wú)法移動(dòng),，只能繞行通過(guò),。
在采用VRML和3D Max構(gòu)建的三維虛擬學(xué)習(xí)場(chǎng)景中，交互性主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面,，即學(xué)習(xí)者與瀏覽場(chǎng)景的交互,，以及學(xué)習(xí)者與場(chǎng)景內(nèi)物體的交互。
(1)與場(chǎng)景的交互
學(xué)習(xí)者與場(chǎng)景的交互[6]主要包括開(kāi)關(guān)門(mén)的操作,，以及對(duì)多媒體的操作,。
?、匍_(kāi)關(guān)門(mén)實(shí)現(xiàn)代碼：
Transform {
translation 0.0 7.0 10.0
children [
Shape { //定義自動(dòng)門(mén)
}
]
};
Group {
children [
DEF DoorOpen ProximitySensor
{ //傳感器控制門(mén)開(kāi)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(hù)交互操作
②多媒體操作實(shí)現(xiàn)
Transform {
translation 10.0 1.0 -18.0
children [
DEF OpenMedia TouchSensor
{ // 感知用戶(hù)操作,，控制多媒體開(kāi)關(guān)}
Shape { //定義多媒體控制開(kāi)關(guān)按鈕}
}
}
]
}
(2)與物體的交互
在分光計(jì)的調(diào)節(jié)與使用的試驗(yàn)中,，對(duì)分光計(jì)的調(diào)節(jié)主要包括對(duì)調(diào)焦手輪的調(diào)節(jié)、對(duì)調(diào)平螺絲,、鎖緊螺絲,、微調(diào)螺絲的調(diào)節(jié)、對(duì)狹縫裝置的調(diào)節(jié),。調(diào)節(jié)過(guò)程異曲同工,，都是通過(guò)路由將不同傳感器的入事件和出事件聯(lián)系起來(lái)響應(yīng)學(xué)習(xí)者的操作。具體實(shí)現(xiàn)代碼如下：
Group {
children [
DEF touch TouchSensor(或PlaneSensor,、CylinderSensor,、SphereSensor){
//通過(guò)接觸傳感器、平面?zhèn)鞲衅?、圓柱傳感器,、球體傳感器感知用戶(hù)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(hù)操作
虛擬現(xiàn)實(shí)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(shí)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(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育中的應(yīng)用也還停留在理論研究階段,?；谝延械难芯砍晒接懭绾螌⑻摂M現(xiàn)實(shí)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(guò)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)再現(xiàn)教學(xué)中的重點(diǎn)、難點(diǎn)和關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)的方法,，將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與教學(xué)有機(jī)結(jié)合起來(lái)，有助于教學(xué)效果的有效提高,。
參考文獻(xiàn)
[1] 錢(qián)麗娜．三維虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境的設(shè)計(jì)研究[D]．上海:上海師范大學(xué),，2007.
[2] 惲如偉．虛擬現(xiàn)實(shí)的教學(xué)應(yīng)用及簡(jiǎn)易虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境設(shè)計(jì)[D]．南京:南京師范大學(xué),2005.
[3] Cosmo Player 插件簡(jiǎn)要使用說(shuō)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.