（教育技术学专业论文）基于virtools的三维虚拟实验的研究与实现.pdf

a p p r o v e d m a y 2 0 11 华中师范大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作 所取得的研究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体己经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：嗜仓确日期：加f f 年多月2 7 日 学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解华中师范大学有关保留、使用学位论文的规定，即：研 究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属华中师范大学。学校有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许学位论文被查阅和借阅； 学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手 段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密，在年解密后适用本授权书。 非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 作者签名：嗜令稳 导师签名： 日期：刃年岁月多7 日 日期：沪l 1 年 本人已经认真阅读“c a l i s 高校学位论文全文数据库发布章程”，同意将本人的 学位论文提交“c a l i s 高校学位论文全文数据库”中全文发布，并可按“章程”中的规 定享受相关权益。回意诠塞握变后进卮；旦圭生；旦二生；旦三生筮壶： 作者签名：嗜令穗 日期加j 年岁月歹7 日 导师签名： 日期：沪i1 年 ： 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 摘要 随着虚拟现实技术的不断发展，虚拟实验得到了广泛的研究和应用，为创新实 验教学模式提供了一种新的思路。虚拟实验不仅可以解决学校实验教学中存在的问 题，还能有效的改变远程教育实验教学的现状，因此对虚拟实验进行研究、开发具 有非常重要的意义。v i r t o o l s 是一款功能非常强大的三维交互设计软件，具有简 单易用、交互功能强大、可视化界面、可扩展性强等特点，被广泛的运用于游 戏开发、工业仿真、技能训练、虚拟实验开发等方面。因此，本文尝试研究如 何利用v i r t o o l s 来构建三维虚拟实验，希望能够将虚拟现实技术的优秀成果转 换成实际的虚拟实验教学系统，并将其很好的运用于实验教学中。 本文包含六部分内容，第一部分阐述了本文研究的目的、意义及研究方法，分 析国内外虚拟实验研究的现状及研究中存在的问题；第二部分对虚拟现实技术及其 特征进行了简单分析，对虚拟实验的含义、特点、发展趋势进行深入探讨，重点研 究了虚拟实验在学校教育和远程教育中的具体应用，最后对虚拟实验的缺点与不足 及构建虚拟实验的理论基础进行了深入分析。第三部分对可用于虚拟实验开发的相 关技术进行比较分析，并对选择v i r t o o l s 作为主要开发工具的理由进行详细阐述， 最后对v t r t o o l s 进行详细介绍，并深入分析了基于v i r t o o l s 的三维虚拟实验的开发 流程。第四部分以电视节目摄像实验为例，对虚拟实验的总体结构框架、交互功能、 交互界面及技术路线和实现方案进行分析、设计。第五部分根据设计好的各项功能， 对电视节目摄像虚拟实验进行具体开发。对三维模型建构和实验交互功能实现的关 键技术和实现方法进行深入分析，最终开发出一个具有一定使用价值的电视节目摄 像三维虚拟实验系统。最后一部分对全文的研究进行总结，指出研究中存在的问题 与不足，并提出以后研究的方向。通过研究，本文对虚拟实验的相关理论及其在教 育中的应用进行了深入的分析，对如何运用v i r t o o l s 设计和开发虚拟实验摸索出了 一些解决方法，希望对以后的研究和学习提供一定的思路和借鉴。 关键词：三维虚拟实验；v i r t o o l s ；实验教学；交互功能 一一一一 一 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s a b s t r a c t w i t ht h ec o n t i n u o u sd e v e l o p m e n to fv i r t u a lr e a l i t yt e c h n o l o g y , v i r t u a le x p e r i m e n t s h a sb e e nw i d e l ys t u d i e da n da p p l i e d ，w h i c hp r o v i d e san e ww a yo f t h i n k i n gf o rc h a n g i n g t h ei n n o v a t i v ee x p e r i m e n t a lt e a c h i n g v i r t u a le x p e r i m e n tc a nn o to n l ys o l v et h ep r o b l e m s d u r i n gt h ee x p e r i m e n t a lt e a c h i n gs c h o o l s ，b u ta l s oe f f e c t i v e l yc h a n g et h es t a t u so f e x p e r i m e n t a lt e a c h i n gi nd i s t a n c ee d u c a t i o n s oi th a sg r e a ts i g n i f i c a n c ef o rt h ev i r t u a l l a b o r a t o r yo fr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t t h ev i r t o o l si sap o w e r f u ls o f t w a r ed e s i g n e df o r t h r e e d i m e n s i o n a li n t e r a c t i o n , w h i c hh a ss o m ec h a r a c t e r i s t i c s ，s u c ha sp r a c t i c a b i l i t y , g r e a ti n t e r a c t i v ef u n c t i o n ，i n t e r f a c ev i s u a l i z a t i o n ，s c a l a b i l i t ya n ds oo n i ti sw i d e l yu s e d i n g a m ed e v e l o p m e n t ，i n d u s t r i a ls i m u l a t i o n ，s k i l l st r a i n i n g ，v i r t u a ll a b o r a t o r y d e v e l o p m e n t t h e r e f o r e ，t h i sa r t i c l et r i e st os t u d yh o wt ou s ev i r t o o l st ob u i l d t h r e e d i m e n s i o n a lv i r t u a le x p e r i m e n t ，h o p i n gt oc h a n g et h eo u t s t a n d i n ga c h i e v e m e n t so f v i r t u a lr e a l i t yt e c h n o l o g yi n t ot h ev i r t u a lr e a l i t ye x p e r i m e n t a lt e a c h i n gs y s t e m ，a n db e w e l lu s e di nt h e i rg o o de x p e r i m e n t a lt e a c h i n g t h i sa r t i c l ec o n t a i n ss i xp a r t s n ef i r s t p a r td e s c r i b e st h ep u r p o s eo ft h i ss t u d y , s i g n i f i c a n c ea n dr e s e a r c hm e t h o d s ，t h es t a t u so ft h ev i r t u a lh o m ea n da b r o a da b o u t e x p e r i m e n t a ls t u d y , a n dab r i e fa n a l y s i so nt h ep r o b l e m s ；t h es e c o n dp a r to ft h i sa r t i c l e h a sm a d eas i m p l ea n a l y s i so nt h ec h a r a c t e r i s t i c so fv i r t u a lr e a l i t yt e c h n o l o g y , t h e m e a n i n go ft h ev i r t u a le x p e r i m e n t ，c h a r a c t e r i s t i c sa n dt h ed e v e l o p m e n tt r e n d so fd e p t h , f o c u s e do nt h ev i r t u a le x p e r i m e n t si ns c h o o le d u c a t i o na n dd i s t a n c el e a r n i n ga n dh a da s p e c i f i ca p p l i c a t i o n ；f i n a l l y , i ta n a l y s e sd e e p l yt h ev i r t u a le x p e r i m e n ts h o r t c o m i n g sa n d w e a k n e s s e s ，a n db u i l d st h et h e o r e t i c a lb a s i so ft h ev i r t u a le x p e r i m e n t t h et h i r dp a r t c o m p a r e st h er e l a t e dt e c h n o l o g i e so ft h ev i r t u a le x p e r i m e n t ，e l a b o r a t e st h er e a s o nw h y t h ev i r t o o l si sc h o s e na st h em a j o rd e v e l o p m e n tt o o l s a n dl a s t l ym a k e sad e t a i l e d d e s c r i p t i o no fv i r t o o l sa n dd e p t ha n a l y s i so nt h ed e v e l o p m e n tp r o c e s s 1 1 1 ef o u r t hp a r t t a k e st h et e l e v i s i o np r o g r a mp h o t o g r a p hh y p o t h e s i z e de x p e r i m e n tf o re x a m p l e ，a n a l y s e s a n dd e s i g n st h e o v e r a l ls t r u c t u r eo ft h ev i r t u a le x p e r i m e n tf r a m e w o r k , i n t e r a c t i v e f u n c t i o n , i n t e r a c t i v ei n t e r f a c ea n dt h et e c h n i c a ll i n ea n dp r o g r a mi m p l e m e n t a t i o n a c c o r d i n gt ok i n d so ft h ef u n c t i o n sd e s i g n e d ，i tc a r r i e so nt h ec o n c r e t ed e v e l o p m e n tt o t h et e l e v i s i o np r o g r a mp h o t o g r a p hh y p o t h e s i z e de x p e r i m e n t ，a n dd e e p l ya n a l y s e st h ek e y t e c h n o l o g i e sa n dm e t h o d sw h i c hr e a l i z et ot h et h r e e d i m e n s i o n a lm o d e lc o n s t r u c t i o na n d t h ee x p e r i m e n ti n t e r a c t i v ef u n c t i o n f i n a l l y , i th a sd e v e l o p e dat h r e e d i m e n s i o n a lv i r t u a l e x p e r i m e n t a ls y s t e mw i t hac e r t a i nu s ev a l u e t h el a s tp a r ts u m m a r i z e st h ew h o l e r e s e a r c h ，p o i n t so u ts o m ep r o b l e m sa n ds h o r t c o m i n g sa n dp r o p o s e st h ef u t u r er e s e a r c h d i r e c t i o n s b yt h er e s e a r c h ，t h i sa r t i c l em a k e sad e p t ha n a l y s i sf o rt h ev i r t u a le x p e r i m e n t o nt h et h e o r ya n di t sa p p l i c a t i o n si ne d u c a t i o n ，p r o p o s e ss o m es o l u t i o n sh o wt od e s i g n a n dd e v e l o pt h ev i r t u a le x p e r i m e n tb yu s i n gt h ev i r t o o l s ，h o p i n gt op r o v i d es o m ei d e a s a n dr e f e r e n c e sf o rt h ef u t u r eo fs t u d ya n dr e s e a r c h k e y w o r d s ：t h r e e - d i m e n s i o n a l v i r t u a l e x p e r i m e n ；v i r t o o l s ；e x p e r i m e n t a l t e a c h i n g ；i n t e r a c t i v ef u n c t i o n 1 1 1 目录 摘要i a b s t r a c t i i 1 绪论。1 1 1 选题背景与研究意义1 1 1 1 选题背景1 1 1 2 研究意义2 1 2 国内外研究现状2 1 2 1 国外研究现状3 1 2 2 国内研究现状3 1 3 研究目的、研究内容及研究方法4 1 3 1 研究目的4 1 3 2 研究内容5 1 3 3 研究方法5 2 虚拟实验及其教学应用研究。 7 2 1 虚拟现实技术7 2 1 1 虚拟现实技术7 2 1 2 虚拟现实技术的特征及其应用7 2 2 虚拟实验8 2 2 1 虚拟实验的含义8 2 2 2 虚拟实验的特点9 2 2 3 虚拟实验的类型1 0 2 2 4 虚拟实验的发展趋势1 l 2 3 虚拟实验在学校教育中的应用1 2 2 4 虚拟实验在远程教育中的应用1 3 2 5 虚拟实验的缺点与不足1 3 2 6 虚拟实验构建的理论基础1 4 2 6 1 建构主义学习理论1 4 2 6 2 情景教学法1 5 2 6 3 以相似理论为基础的系统仿真理论1 5 3 虚拟实验开发技术 1 7 3 1 开发平台的选择17 3 1 1 可用于虚拟实验开发的相关技术1 7 3 1 2 主要开发工具v i r t o o l s 介绍1 8 3 1 3 选择v i r t o o l s 的理由1 9 、 硕士学位论文 m a s t e r st i t e s i s 3 2 三维建模软件2 0 3 3 基于v i r t o o l s 的三维虚拟实验开发流程2 l 4 基于v i r t o o l s 的三维虚拟实验的设计一以电视节目摄像实验为例2 4 4 1 电视节目摄像虚拟实验需求分析2 4 4 2 电视节目摄像虚拟实验总体结构框架设计2 4 4 3 虚拟实验功能设计2 6 4 3 1 主要功能设计2 7 4 3 2 辅助功能设计2 8 4 4 虚拟实验交互界面设计2 8 4 5 技术路线和实现方案设计3 0 4 5 1 建模技术3 0 4 5 2 贴图烘焙技术3l 4 5 3 实验交互实现方案3 2 5 基于v i r t o o l s 的电视节目摄像三维虚拟实验的具体开发3 3 5 1 虚拟实验场景、设备的模型建构3 3 5 1 1 实验环境、实验设备的模型建构3 3 5 1 2 材质贴图的设置3 4 5 1 3 动画的制作3 5 5 1 4 场景、模型的输出3 6 5 2 实验交互功能的实现3 7 5 2 1 仪器结构及各部件功能展示的实现方法3 7 5 2 。2 实验操作过程交互行为的实现4 1 5 2 3 初始化功能的实现方法4 4 5 2 4 实时反馈功能的实现4 5 5 2 5 虚拟角色漫游功能的实现4 5 5 2 6 多视角切换功能的实现4 7 5 3 虚拟实验的测试、发布。4 8 6 总结与展望 6 1 总结51 6 2 展望5 3 参考文献5 4 攻读硕士学位期间发表的学术论文。5 7 致谢。 5 8 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 1 1 选题背景与研究意义 1 1 1 选题背景 1 绪论 实验教学是教学活动中不可缺少的重要环节，对加深知识的理解和掌握，并将 其很好的运用于实践有不可替代的作用。实验教学不仅可以锻炼学生的实践动手操 作能力，还可以培养探究学习能力和创新思维，也是培养学生独立思考和科学严谨 的学习态度的重要手段，对提高教学质量有非常深远的意义。 随着社会的进步、技术的发展以及高校招生人数的不断增加，各类高校的实验 教学出现了一些问题，如随着学生人数增多，学校的硬件设施、教学资源不能及时 得到补充，实验室、实验设备的数量不能满足学生的需要，学生的实验学习时间较 少，根本不能达到实验教学目标的要求，直接影响了教学的效果：实验教学的内容 以及实验设备的更新比较缓慢，与社会、科技发展严重脱节，直接影响了学生实践 能力的培养；目前高校实验教学主要还是采用教师讲解示范，学生按照实验手册给 出的实验步骤按部就班的完成实验过程，教学方法和形式比较单一，缺乏对学生探 究能力、创新思维的培养。高校实验教学中存在的这些问题，迫切的要求运用现代 信息技术手段创新实验教学模式。 远程教育是现代教育的个重要形式，对实现全民教育、终身教育有非常重要 的意义。由于远程教育教师与学生分离，学生不能直接到学校完成实验教学内容， 所以实验教学是远程教育的薄弱环节，一直得不到很好的解决。设置了实验教学内 容的远程教育课程大多采用在期末或者毕业时集中进行实验课程的补充，这样学生 在学习的过程中不能及时与实验课程进行配合，对教学质量产生严重影响。另外， 远程教育在专业设置上大多只开设些文学、历史、政治等没有实验教学内容或者 实验教学内容很少的学科专业，而对于那些实践操作性强，需要实验支持的理工科 类专业则尽量避免，即使开设了这方面的课程，实验教学部分也比较简单，大多只 提供了文字、图片的描述、操作视频演示等，对培养学生的实践操作能力没有很大 帮助，很难达到实验教学的要求，这些现象在很大程度上影响了现代远程教育的发 展。 随着虚拟现实技术的不断发展和完善，硬件设备价格不断降低，实现方法 也不断改进，虚拟现实技术在教育应用方面表现出了巨大的价值和潜力，例如 地点的限制，自由的进入虚拟实验系统，进行实验操作、探究，有效的解决了远程 教育实验教学无法开展的问题。虚拟实验运用于远程教育，使得远程教育在专业科 目的设置上更加广泛全面，极大的扩展了远程教育发展的空间。 v i r t o o l s 是法国交互三维开发解决方案公司v i r t o o l s 公司开发的一款虚 拟现实开发软件，具有简单易用、交互功能强大、可视化界面、可扩展性强等 特点，被广泛的运用于游戏开发、工业仿真、虚拟训练、虚拟实验开发等方面。 因此，本文尝试研究如何利用v i r t o o l s 来构建三维虚拟实验，希望能够将虚拟 现实技术的最新理念与优秀成果转换成具有较强使用价值的虚拟实验教学系 统，并很好的运用于教学实践中。 1 2 国内外研究现状 虚拟实验应其在教育中具有的巨大优势，在国内外得到了越来越多的关注。国 内外很多学校和科研机构，特别是一些著名的学校和实验室，都在积极地开展对虚 国陈英文浅谈虚拟现实技术在教学中的应用策略【j 】成功( 教育版) ，2 0 0 9 ( 5 ) 圆刘筱兰，张薇，程惠华等虚拟实验室的类型及发展趋势【j 】计算机应用研究，2 0 0 4 ( 8 ) 2 拟实验的研究与开发工作，目前有很多虚拟实验室和虚拟实验教学系统已经建设成 功并投入使用。 1 2 1 国外研究现状 美国是研究虚拟实验较早的国家，在1 9 8 9 年的时候，美国弗吉尼亚大学的 w i l l i a mw u l f 教授就提出了虚拟实验室的概念，而且美国对虚拟实验的研究和开发 一直都比较重视，建设出了很多出色的虚拟实验系统，可以说美国虚拟实验的发展 水平代表了目前虚拟实验发展的最高水平。如美国麻省理工学院开发的m i t m i c r o e l e c t r o n i c sw e bl a b ，主要用于微电子学课程的相关教学与实验研究，虽然界 面是二维的，但是它的功能非常强大，不仅本校的学生可以使用该虚拟实验室进行 学习，新加坡的学生通过网络也可以访问和使用，获得非常好的教学效果。美国中 央佛罗里达大学( u n i v e r s i t yo f c e n t r a lf l o r i d a ) 教育训练研究院建立的v s l ( v i s u a l s y s t e ml a b o r a t o r y ) 虚拟系统实验室，其目标是要提高计算机图形的艺术表现力并 改进仿真过程中的人机接口设计。美国华盛顿州开发的一个虚拟化学反应实验，学 生借助于头戴式显示器和操纵杆，通过电脑在生动、形象的虚拟实验场景中采集氧 原子和氢原子，然后将它们结合，自己创作出水分子来。还有卡耐基梅隆大学 ( c a r n e g i em e l l o nu n i v e r s i t y ) 开发的虚拟化学实验室、美国科学探索网络开发的用 于学习化学酸碱度知识的“p h 酸碱度”网络虚拟实验室等。除了美国以外，其他的 国家也在积极地进行虚拟实验的开发和建设，如英国牛津大学化学系的“l i v e c h e m ” 虚拟实验项目、新加坡国立大学的电子虚拟实验室、德国汉诺威大学建立的虚拟自 动化实验室等等。 1 2 2 国内研究现状 虽然我国对虚拟实验的研究起步较晚，与发达国家相比存在一定的差距，但是 很多高校都在积极的对其进行研究，并取得了显著的成果。2 0 0 5 年大连理工大学与 美国麻省理工学院合作，建成了国内第一个远程实验系统i l a b 实验室，该虚拟实 验室引入l e 微电子器件远程实验( m i c r oe l e c t r o n i c sw e b l a b ) ，将其运用于课堂实 验教学，取得了非常好的教学效果。中科院上海有机化学研究所建立的虚拟化学实 m r e n e em w a c h t e rj a t i n d e rn d g u p t am o h a m m e da q u a d d u s ，i tt a k e sav i l l a g e r ：v i r t u a lc o m m u n i t i e si ns u p p o r t o f e d u c a t i o n j 】，i n t e r n a t i o n a lj o u r a n a lo f i n f o r m a t i o nm a n a g e m e n t2 0 ( 2 0 0 0 ) ：4 7 3 - 4 8 9 a v p a r i s i p h y s i c sc o n c e p t s o f s o l a ru l t r a v i o l e tr a d i a t i o nb yd i s t a n c ee d u c a t i o n j e u r j p h y s 2 0 0 5 ，( 2 6 ) ：3 1 3 - 3 2 0 圆a v - p a r i s i p h y s i c sc o n c e p t so f s o l a ru l t r a v i o l e tr a d i a t i o nb yd i s t a n c ee d u c a t i o n j 】e u r j p h y s 2 0 0 5 ，( 2 6 ) ：3 1 3 - 3 2 0 固何琳麟基于v i r t o o i s 的初中化学虚拟实验的研究与设计 d i ，成都：阴川师范大学，2 0 0 8 年3 月 武真基于v i r t o o l s 的g c 虚拟实验室的构建方法研究【d 】人连：大连理工大学，2 0 0 8 年6 月 3 硕士学位论文 m a s t e r st t t e s i s 验室，涵盖了化学的较多领域，可用于结构检索、结构解析、波谱模拟等方面的 研究，该实验室采用模块化结构设计，学习者可以根据自己的需要自由的选择、组 合实验器材，进行虚拟的化学实验。大连理工大学化学研究中心建立的化学虚拟实 验室系列，涉及了大学基础化学的大部分实验教学，按照化学实验的实际情况进行 实验模拟，使用f l a s h 、c u l t 3 d 、v i r t o o l s 等技术，创造了形象、逼真的虚拟实验场 景，交互性非常强。还有北京交通大学的r e c e l ( r e m o t ee l e c t r o n i c sa n dc i r c u i t s e x p e r i e n c el a b ) 网上电工电子教学实验系统；四川师范大学运用v i r t o o l s 技术开发 的多媒体投影教学系统和计算机硬件组装等虚拟实验；清华大学设计开发的“工程 力学虚拟实验室”；北京航空航天大学与浙江省病理质控中心合作设计开发的“虚拟 免疫组化实验室”等等。圆 从国内外虚拟实验发展和研究状况可以看出，虚拟实验的开发建设取得了丰硕 的成绩，已经从探索阶段进入了实际运用阶段，并获得了丰富的经验。但是通过调 查研究，发现我国虚拟实验的研究和应用还存在一些问题， 如对理论的研究不够 深入，目前对虚拟实验的研究主要集中在虚拟实验教学功能、作用、构建必要性等 方面，对实际的教学应用情况、实验实施方法以及应用效果等方面的研究较少；对 设计开发方面的实践研究较多，但是主要集中在某几类学科的虚拟实验设计开发 上，开发技术种类繁多，重复开发现象严重，造成了一定的资源浪费：对虚拟实验 的标准、管理、评价方面的研究较少，虚拟实验的建设缺乏统一的标准和依据。 1 3 研究目的、研究内容及研究方法 1 3 1 研究目的 通过对虚拟实验相关理论和开发技术的研究探讨，分析虚拟实验在学校教育和 远程教育中的具体应用及局限性和不足之处，找到适合开发虚拟实验的方法和技 术，开发更具仿真性、交互性、具有较强教学使用价值的虚拟实验。通过对虚拟实 验相关开发技术的分析，本文选择v i r t o o l s 作为主要开发工具，并以电视节目摄像 实验的开发为例，研究基于v i r t o o l s 的三维虚拟实验的设计与开发过程，并对各阶 段的关键技术和实现方法进行深入分析。最后对研究与开发过程中存在的问题进行 分析，以期对今后虚拟实验的开发提供有效的参考意见。 回瞿炜娜基于虚拟现实技术的虚拟实验室的研究与实现【d 】大庆：大庆石油学院，2 0 0 3 年2 月 盘石中军虚拟实验教学应用研究【d 】大连：辽宁师范大学，2 0 0 8 年4 月 曲李凌云，王佳，上海军我国虚拟实验研究现状的实证分析 j 现代教育技术，2 0 0 9 ，1 9 ( 1 2 ) 4 1 3 2 研究内容 本文的研究内容主要包含以下几个方面： ( 1 ) 虚拟实验及其教学应用研究 对虚拟现实技术的定义、特征及应用领域进行了阐述；对虚拟实验的含义、特 点、类型及发展趋势进行深入研究；深入分析、研究虚拟实验在学校教育和远程教 育中的具体应用，并对虚拟实验的缺点与不足进行了分析和总结；最后对构建虚拟 实验的理论基础进行深入分析，为虚拟实验的开发奠定坚实的理论基础。 ( 2 ) 虚拟实验的开发方法 对可用于虚拟实验开发的相关技术( j a v a 3 d 、c u l t 3 d 、o p e n g l 、d i r e c t x 、v r m l 、 v i r t o o l s ) 进行比较，确定选择v i r t o o l s 作为主要开发工具，并对选择理由进行阐述； 对主要开发工具v i r t o o l s 进行详细介绍，并深入分析基于v i r t o o l s 的三维虚拟实验 的开发流程。 ( 3 ) 基于v i r t o o l s 的三维虚拟实验的设计 以电视节目摄像实验为例，对三维虚拟实验的设计过程进行深入分析。首先对 电视节目摄像虚拟实验进行需求分析，然后对虚拟实验的总体结构框架进行设计； 根据电视节目摄像实验的实验内容、实验目标、实验过程对虚拟实验的主要功能和 辅助功能进行详细设计，并对虚拟实验交互界面进行设计；最后根据虚拟实验的交 互功能对技术路线和实现方案进行设计。 ( 4 ) 基于v t r t o o l s 的电视节目摄像三维虚拟实验的具体开发 根据前面的相关研究和设计，对电视节目摄像虚拟实验进行了具体开发。对虚 拟实验模型建构和实验交互功能实现过程的关键技术和具体实现方法进行深入研 究和分析，然后对开发好的虚拟实验进行测试发布。最后建立成一个具有虚拟实验 场景和相关实验器材，并能进行具体实验操作的电视节目摄像三维虚拟实验。 通过研究，本文对虚拟实验在教育中的应用进行了深入的分析，对如何运用 v i r t o o l s 设计和开发虚拟实验摸索出了一些解决办法。最后，对全文进行了总结和 展望，指出不足之处和未来研究发展的方向。 1 3 3 研究方法 ( 1 ) 文献研究法 文献研究法是根据一定的研究目的，通过搜集、整理文献，并对文献进行分析、 研究来获得资料，从而全面地、正确地掌握所要研究的问题的一种研究方法。本文 主要从c n k i 中国期刊全文数据库、中国期刊网优秀博硕论文数据库、万方学位论 硕士学位论文 m a s t e r st i l e s l s 文全文数据库、s p r i n g e r 期刊全文数据库等文献数据库中搜集关于虚拟显示技术、 三维虚拟实验的运用、虚拟实验的设计与开发等方面的文献，并对相关文献进行整 理，详细的对文献进行分析、研究，归纳出本课题的研究现状和研究方向，确定研 究的起点；明确虚拟现实技术、虚拟实验的定义、特点及发展趋势；了解三维虚拟 实验设计开发的现状，以便对本文开发的电视节目摄像三维虚拟实验进行定位。 ( 2 ) 比较分析法 比较分析法是指按照特定的指标体系对事物进行比较，从而认识事物的本质和 规律，并作出正确的评价。本文运用比较分析法对国内外关于虚拟实验研究与开发 的文献进行分析研究，了解国内外虚拟实验的研究现状和发展趋势，从而更好的把 握研究热点和方向；对可用于开发虚拟实验的各种相关技术进行比较研究，分析它 们的优缺点，最终确定采用v i r t o o l s 三维交互开发软件作为虚拟实验开发的主要平 厶 口0 ( 3 ) 系统分析法 系统分析法是指将要解决的问题作为一个系统，对系统的各个要素进行综合分 析，从而找出解决问题的可行性方案的咨询方法。本文运用系统分析法对虚拟实验 的总体结构框架进行设计，将整个虚拟实验作为一个系统，并将各模块作为虚拟实 验系统的要素，从而通过对这些要素进行综合分析，得出虚拟实验设计开发的总体 解决方案。 6 反馈信息，完全与在真实环境中的感受一样。使用者觉得自己是这个虚拟环境中的 一部分，由被动的观察者变成主动的参与者，积极、主动的参与到虚拟环境的交互 活动中。 交互性( i n t e r a c t i v i t y ) 是指虚拟环境的可操作性、可控制性，以及使用者与虚 拟对象进行交互时所获得的反馈。虚拟现实中的人机交互应该是一种近乎自然的交 互，使用者不仅可以利用键盘、鼠标、数据手套、操作手柄等输入设备、传感设备 进行交互，还可以通过自己的语言、手势、动作等自然技能进行交互，并且这种交 虚拟现实技术【e b ，o l 】 2 0 1 0 - 8 2 h ，h t t p ：b a i k e b a i d u c o r n v i e w 9 5 2 6 9 h t m ? f r = a l a o _ 1 7 互行为所产生的反馈信息是实时的，与真实环境一样的或相似的。 构想性( i m a g i n a t i o n ) 是指使用者在三维虚拟环境中通过各种方式与虚拟对象 进行交互活动，在交互过程中获得感性或理性的认识，并将这些认识进行概括、深 化，进而产生新的构想，然后再将这种新的构想作用于虚拟环境中，对新知识进行 探究、验证，从而形成一个学习创新再学习再创新的认知过程。虚拟 现实中的环境源于现实世界也可以是现实中不能实现或者不存在的，所以它更具有 吸引力，更能激发使用者的想象力，有助于提高学习效率。 虚拟现实技术除了具有沉浸性、交互性、构想性等主要特征以外，还具有多感 知性、自主性、客观性等技术特征。 随着计算机技术、网络技术、立体显示技术、人工智能等高新技术的发展， 虚拟现实技术得到了快速发展，并广泛的运用于各个领域，如军事模拟、工业 仿真、地产演示、文物古迹仿真、技能训练、娱乐、教育等等。虚拟现实技术 应用于教育领域，是教育技术发展的一个重要突破，对教学模式的改革提供了一定 的条件。运用虚拟现实技术可以创建虚拟的学习环境，在丰富的虚拟学习情景中， 学习者可以自由的与虚拟人物、教师、同学进行交流，自主的、协作式的去探索、 发现知识，这时学习者不再是被动的“接受者”，而是主动的“探究者”，极大的提高 学习者的学习兴趣和学习效率。虚拟实验室是虚拟现实技术在教育领域的重要应 用，在虚拟实验中，大到宏观的宇宙天体，小到微观的分子粒子，都可以真实的展 现在学生面前，让学生从各个角度、不同方位去观察，让教学活动更加丰富更具吸 引力。在虚拟实验室中，学生可以自由的进行各种实验，并且可以得到与真实实验 一样的感受，而不需要考虑实验的成本、危险性，这对培养学生的实践探究能力、 动手操作能力有非常重要的作用。虚拟实验有效的节约教学资源、及时的更新实验 设备、突破时间和空间的限制，与传统的实验室相比有着无法比拟的优势，将会成 为未来实验教学的重要方式。 2 2 虚拟实验 2 2 1 虚拟实验的含义 虚拟实验的概念是1 9 8 9 年由美国佛吉尼亚大学的威廉沃尔夫( w i l i a mw a l f ) 教授最先提出，它是在虚拟现实技术的基础上产生和发展起来的，是对真实实验进 行模拟或再现的一种实验模式。虚拟实验包括了由计算机系统生成的实验室环境、 有关的实验仪器设备、实验对象以及实验信息资源等，学习者不受时空限制，能随 时随地进入虚拟实验系统，通过键盘、鼠标、数据手套、控制手柄等输入设备与实 8 一， 硕士学位论文 m a s t e r st t t e s i s 验设备进行交互、控制实验过程，完成与真实实验一样的各种实验操作过程，还可 以通过计算机网络共享仪器设备，共享实验数据和计算机资源，所取得的学习和训 练效果等价于甚至优于在真实实验环境中所取得的效果。虚拟实验可以是某一实物 实验的真实实现，也可以是现实中不能完成的实验的模拟。 2 2 2 虚拟实验的特点 虚拟实验是通过计算机系统生成和模拟来实现的，与真实实验相比具有其独特 的特点： ( 1 ) 仿真性 虚拟实验是在虚拟现实技术的依托下构建的，具有与真实实验一样的功能。虚 拟实验环境要与真实实验环境一样，甚至要比真实实验环境理想，比如物理中的摩 擦力实验，可以比较容易的构建出真空状态下的实验环境，而在真实实验中这是比 较难以实现的。虚拟实验仪器的功能与真实仪器基本相同，操作方法也一样，学习 者在虚拟实验室里进行实验操作、训练技能和探究知识，与在真实实验室里一样方 便、自然。因此，虚拟实验具有较高的仿真性。 ( 2 ) 强交互性 在虚拟实验过程中，学习者可以通过人类的自然技能如语言、身体动作、手势 与虚拟仪器、对象或发生的事件进行交互，与虚拟实验