（教育技术学专业论文）基于web3d的虚拟实验及其教学应用研究.pdf

基于w e b 3 d 的虚拟实验及其教学应用研究 摘要 虚拟实验是一种借助于图形图像、仿真和虚拟现实等技术在计 算机上所营造的，可辅助或部分替代甚至全部替代传统实验各操作 环节的软硬件操作环境。随着网络教育的蓬勃发展，人们对教育教 学质量的提高给予了极大的关注，网络教育中的实验教学是一个关 键点。由于通过网络教育教学形式难以开展实验教学，虚拟实验以 其自身诸多特点为网络教育中的实验教学提供了一种很好的解决方 案。本文正是在对网络虚拟实验的现状进行分析的基础上，对基于 网络的虚拟实验的开发与应用问题进行研究，并以国家精品课程“现 代教育技术”中的数字投影仪实验和多媒体教室使用实验为例进行 实践。 论文首先从网络教育的实验教学这一视角入手，分析了“现代 教育技术”公共课实验教学存在的问题，如实验设备的不足、实验 时间的冲突等等，提出了虚拟实验的解决方案。该方案不仅可以在 一定程度上解决网络教育中实验教学的问题，而且可以促进学生媒 体设备操作技能的掌握。 论文第二部分对虚拟实验的相关概念进行阐述，从不同的角度 对虚拟实验进行分类。通过文献调研、网络搜寻等方式对国内外的 研究现状进行梳理，在对现有网络虚拟实验开发技术进行比较的基 础上，结合数字投影仪和多媒体教室使用实验的特征，确定采用v r m l 技术和j a v a j a v a s c r i p t 技术进行开发。 论文第三部分分析了虚拟实验开发和教学应用的理论基础，阐 述了网络虚拟实验的设计理念和设计原则。 论文第四部分阐述了基于w e b 3 d 的虚拟实验的具体实现过程， 介绍了虚拟现实建模语言、j a v a j a v a s c r i p t 技术、辅助软件3 d sm a x 与v r m l p a d 等关键技术，讨论了数字投影仪虚拟实验和虚拟多媒体 教室的功能结构和交互设计的实现过程。 论文第五部分首先阐述了传统实验教学和虚拟实验教学的差 异，并且分析了从虚拟到现实产生迁移的可能性，结合开发的三维 虚拟实验提出一种虚实结合的实验教学方案，最后对虚拟实验教学 应用作了简单的评价。 关键词：虚拟实验，w e b 3 d ，v r m l ，网络教育，实验教学 i l r e s e a r c ho nv i r t u a le x p e r i m e n tb a s e do n w e b 3 da n di t sa p p l i c a t i o ni nt e a c n g a b s t r a c t v t r t u a le x p e r i m e n ti s1 t i 3 o p e r a t i n ge n v i r o n m e n tb a s e d0 1 3 i t so w l lh a r d w a r ea n d s o t t w a r e ，w l a i e hc a l ls u p p l e m e n t0 1 r e p l a c ep a r t l y , o f e v e n l yw h o l l y , t h eo p e r a t i n g s t e p sf o rt r a d i t i o n a le x p e r i m e n t s ，w i t ht h eh e l po fg r a p h i c s ，s i m u l a t i o na n dv i l t i l a l r e a l i t yc r e a t e dv i ac o m p u t e r w i t ht h eq u i c kd e v e l o p m e n to fn e t w o r ke d u c a t i o n , t h e p u b l i cp a ym o l ea n dn l o r ca t t e n t i o nt ot h eq u a l i t yo fn e t w o r kt e a c h i n g , a n d e x p e r i m e mt e a c h i n g a m o n gn e t w o r ke d u c a t i o n i sak e yp o i n tt h a ta t t r a c t s t r e m e n d o u sc o n c c m , s t h et y p eo fn e t w o r kt e a c h i n gp r e d e t e r m i n e st h a ti ti sq u i t e i m p o s s i b l et oo r g a n i z er e a le x p e r i m e n t s ，t h u sm a k i n gv i l t l l a le x p e r i m e n tw h i c hh a s m o l ee x c e l l e n te l m r a e t e r i s t i eb e c a m e 锄a p p l i c a b l ew a yt os o l v et h ep r o b l e m u n d e r t h eg r e a tt r e n do ft h i sr e s e a r c h , t h et h e s i s ，o n t h eb a s i so fa n a l y z i n go np r e s e n t s i t u a t i o na b o u tn e t w o r kv i r t u a le x p e r i m e n t , m a k e s p r o f o u n de x p l o r a t i o no v c e x p e r i m e n t sr e l a t e dt ot h e , i i g i t a lp r o j e c t o ra n du s eo f m u l t i m e d i ac l a s s r o o mw h i c hi s p a r to ft h ec u r r i c u l u mc a l l e dm o d e me d u c a t i o nt e c h n o l o g y , an a t i o n l e v e lp e r f e e t c u r r i c u l u m t h et h e s i ss t a r t sw i t ht h ee x p e r i m e n tt e a c h i n go fn e t w o r ke d u c a t i o n , a n a l y s e s p r o b l e m ss t i l le x i s t i n g ，s u c h 猫b e i n gs h o r to fe x p e r i m e n tf a c i l i t i e s ，a n d1 3 t i m e t a b l e p r o b l e mf o ra r r a n g i n ge x p e r i m e n t sa n ds oo n , c o n c e r n i n ge x p e r i m e n tt e a c h i n go f m o d e me d u c a t i o nt e e l m o l o g y , w h i c hi sac o m m o nr e q u i r e dc o i t l ，a n d f i n a l l y d r a w su pap r o g r a mt os o l v et h o s ep r o b l e m s t h ep r o g r a mc 觚n o to n l yo f f e r s o l u t i o n st op r o b l e m se x i s t i n gi ne x p e r i m e n tt e a c h i n gi nn e t w o r ke d u c a t i o nt oa c e r t a i ne x t e n t , b u ta l s op r o v i d e ss t u d e n t sw i t ho p e r a t i n gm e t h o d sf o rt h e mt oa c h i e v e t h ek n o w - h o w t h es e c o n dp a r te x p l a i n sd e f i n i t i o n sr e l a t e dt ov i r t u r le x p e r i m e n t , a n dd i v i d e s v i r t u a le x p e r i m e n tf r o md i f f e r e n ta s p e c t s t h ea u t h o ro r g a n i z e sc u r r e n tr e s e a r c h m s i t u a t i o nh o m ea n da b r o a db ys e a r c h i n gd a t a b a s ea n dw e b s i t e s ，c o m p a r e sd i f f e r e n t c u r r e n td e v e l o p m e n tt e c h n o l o g i e so fv i l t u a le x p e r i m e n ta n ds t u d i e sf e a t u r e sa b o u t d i g i t a lp r o j e c t o ra n du s eo fm u l t i m e d i ac l a s s r o o m ，a n df i n a l l yd e c i d e st oa d o p t t e c h n o l o g yo f v r m la n dj a v a j a v a s e f i p tf o re x p l o r a t i o n , t h et h i r dp a r ta n a l y s e st h e o r e t i c a lf o u n d a t i o no fv i r t u a le x p e r i m e n te x p l o r a t i o n a n da p p l i c a t i o n s ，a n da l s oe x p o u n d si d e a sa n dp r i n c i p l e so f t h ed e s i g n i n go f n e t w o r k v i r t u a le x p e r i m e n t t h ef o u r t hp a r td i s c u s s e st h er e a l i z a t i o no ft h ev h t 瞳i le x p e r i m e n tb a s e do n w e b 3 d ，i n 打o d u c e sk e e pt e c h n o l o g i e ss u c ha sv h l u a lg e a l i t ym o l d i n gl a n g u a g e ， j a v a l a v a s c r i p tt e c h n o t o g y , a s s i s t a n ts o f t w a r e3 d sm a x a n dv r m l p a d ，鼬c ，a n d p r o b e si n t of u n c t i o n a ls t r u c t u r ea n di n t e r - d e s i g n i n gp r o c e d u r e so fc u g i t a lp r o j e c t o r v i r t u a le x p e r i m e f i ta n dv i r t u a lm u l t i m e d i ac l a s s r o o m , t h el a s tp a r to f t h et h e s i st e l l sd i f f e r e n c eo f t r a d i t i o n a le x p e r i m e n tt e a c h i n ga n d v i r t u a le x p e r i m e n tt e a c h i n g ，a n da n a l y s e st h ep o s s i b i l i t yo f t h el e a r n i n gt r a n s f e rf r o m v i r t l 皿lt or e a l i t y w ed e s i g nap r o g r a mo fe x p e r i m e n tt e a c h i n gw h i c hi n t e g r a t e v i r t u a le x p e r i m e n ta n dr e a le x p e r i m e n t a tl a s t , w es i m p l ye v a l u a t et h ea p p h c a r i o no f v i n i l a le x l ，t v - r i m e n ti nt e a c h i n g k e yw o r d s ：v i r l u a le x p e r i m e n t , w e d 3 d ，v r m l ，n e t w o r ke d u c a t i o n , e x p e r i m e n tt e a c h i n g i v 图表目录 圈3 1 戴尔的“经验之塔”1 6 图4 - l 虚拟实验开发流程图2 4 图4 - 2v 眦交互机制2 8 图4 - 3v r m l 浏览器概念模型2 9 图4 4v r m l p a d 工作界面3 2 图4 _ 5 数字投影仪虚拟实验结构3 3 图4 - 6 数字投影仪模型3 4 图4 _ 7 多媒体教室使用的虚拟实验结构，4 2 图4 8 多媒体教室三维场景4 3 图5 1 数字投影仅虚拟实验操作图4 6 图5 2 虚拟多媒体教室使用操作图4 6 图5 3 虚实结合的实验教学方案j 4 7 表2 1 常用网络虚拟实验构建技术对比8 表5 1 实验报告模版4 9 v u 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。论文中除了特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或其他机 构已经发表或撰写过的研究成果。其他同志对本研究的启发和所做的贡献均已在 论文中作了明确的声明并表示了谢意。 研究生签名：场吼 l 学位论文使用授权声明 溯l 以彤 ， 本人完全了解浙江师范大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件和电子文档，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩 r， 印或扫描等手段保存、汇编学位论文。同意浙江师范大学可以用不同方式在不同 媒体上发表、传播沦文的全部或部分内容。保密的学位论文在解密后遵守此协议。 研究生签名 彳新魏渺咿岬慨加 基于w e b 3 d 的虚拟实验及其教学应用研究 一、绪论 信息技术的发展对教育提出了挑战也提供了广阔的发展空间，国内外的众 多学者不断探索研究，从卫星电视教学、计算机辅助教学、智能计算机辅助教 学、多媒体教学到网络教学，努力运用各种最新的信息技术手段来优化教育过 程，取得了卓越的成效。随着多媒体技术与互联网技术的进一步发展，基于 i n t e r n e t 的网络教育体系逐渐成为“真正”意义上的“开放大学”。在这个大 学里的学生可以不受时空限制，发挥学生最大的主观能动性，也体现着网络教 育的最大优势。但是，任何事物都存在着瑕疵，网络教育也不例外，教学上的 实验课成为进一步发展的瓶颈之一。具体说来，目前的实验教学普遍存在着两 大矛盾，即实验的近距离性和教育的远距离的矛盾、实验设备的有限性和学生 人数的庞大的矛盾。本论文就是在这种情况下展开了对虚拟实验及其教学应用 的研究。 ( 一) 研究背景 1 我国网络教育的发展 科学技术的发展极大地影响了人们生活的各个领域，教育就是其中之一。 尤其是互联网的出现，使远程教育发生了前所未有的变革，进入了一个崭新的 远程教育时代网络教育，使教育伸向网络所能及的每一个角落成为了可能。 进入2 1 世纪，全球经济一体化更加明显，国际竞争日趋激烈，对人力资源 提出了更高的要求，世界各国政府都非常重视教育的改革和发展，无论是发达 国家还是发展中国家，都非常清楚发展远程教育，特别是现代远程教育，是解 决人才问题的有效途径之一，并且将会成为改革传统教育模式的重要动力。正 是在这种时代背景之下，我国政府提出了大力发展远程教育。1 9 9 8 年1 2 月2 4 日教育部在面向2 1 世纪教育振兴行动计划中提出实施“现代远程教育工 程”，形成开放式教育网络，构建终身学习体系的任务。从此，我国的网络教 育事业呈现出蓬勃发展的态势。2 0 0 3 2 0 0 7 年教育振兴行动计划提出：全面 。教育部面向2 1 世纪教育振兴行动计划1 9 9 8 - 1 2 - 2 4 1 浙江师范大学硕士学位论文 提高现代信息技术在教育系统的应用水平，建立网络学习与其他学习形式相互 沟通的体制，推动高等学校数字化校园建设，推动网络学院的发展。现代远程 教育试点学校从一开始的4 所大学到目前的6 8 所大学，。学生的注册人数从最 初的4 位数变成了目前的7 位数。从2 0 0 3 年起，国家教育部开始启动高等学校 教学质量与教学改革工程精品课程建设，让具有一流教师队伍、一流教学内容、 一流教学方法、一流教材、一流教学管理等特点的示范性课程上网，让更多的 人通过网络享受资深教授讲授的课程，到目前为止，国家精品课程已有1 1 0 0 余 门。全国各高校也纷纷通过不同途径让不同层次的课程上网，发挥网络给我们 带来的最大优势，让学生可以不受时空限制随时随地的进行学习，学生可根据 自己的实际情况确定学习内容和安排学习进度、从而满足了社会群体协同学习 和个体独立性学习的需要。随着社会的不断发展，知识更新的速度不断加快， 终身学习的观念将不断深入人心，网络教育的的浪潮也将随技术的进步一浪高 过一浪。 2 网络教育呼唤虚拟实验 网络教学包含理论教学和实验教学，理论教学与实验教学的传播方式是有 着本质的区别的，理论教学的内容主要以文字图片方式存在，在传统教学中主 要以口耳相传为主，而实验教学是一个实践操作过程，需要学生实际操作并对 实验现象进行观察。现代远程教育中的理论教学和实验教学需要有不同技术的 支撑，由于理论教学内容存在的便利性，通过网络进行的教学在技术和方法上 都已经非常成熟，其发展态势可谓迅猛，但由于实验教学的实践性和近距离性， 实验教学成为远程教育的一个难点，成为制约远程教育质量的一个重要因素。 在远程教育中，若采用传统实验教学方式，其组织也存在很大的困难。首先它 不可能像普通院校那样建设门类齐全的实验室，也难以配备较多的实验人员； 其次，在远程教育中，教师和学生之间长期处于时空分离的状态，并且学生分 布在全国各地，基本上不可能将学生组织起来开展实验教学。那么，如何解决 远程教育中实验教学所面临的困难呢? 从上个世纪九十年代初开始，教学研究人员通过网络构建远程实验环境， o 教育部2 0 0 3 - 2 0 0 7 年教育振* 行动计划h t t p ：w w w m o e e d u c n c d o a s w e b s i t e l 8 1 n f 0 3 3 3 8 ，h t m 。h t t p ：w w w m o e e d u c n c d o a s w c b s i t c l 8 l e v e l 3 j s p ? t a b l e n a m c = 5 3 0 i n f o i 扣2 3 7 6 02 0 0 7 1 2 基于w e b 3 d 的虚拟实验及其教学应用研究 使一些实验现象能够通过计算机在网络中模拟，部分实验教学能够在网络远程 教学的环境中进行，实现了远程教育的实验教学远程化，远程教育的学习者不 必担心缺乏实验条件，也不必为做实验到处奔波，这对现代化教育、特别是现 代远程教育具有十分重要的意义。在网络教育中实验教学需求带动、计算机网 络技术飞速发展情况下，虚拟实验概念应运而生，网络虚拟实验也随之而来， 为人们展示出信息社会学习环境和科研方式的发展趋势，为远程教育更好的开 展打通了一条坦途。 3 现代教育技术公共课实验教学现状 “现代教育技术”是高等师范院校教师教育课程体系中- - f - 十分重要的公 共基础课程，是衡量师范院校学生应用现代信息技术能力的重要标志。其培养 目标是掌握教育技术的基础理论，培养学生在实际工作中运用教育技术的思维， 特别是培养学生学会在日常教学中应用教学设计思想设计教学，使学生掌握信 息技术与学科整合的基本理念和方法，使学生掌握现代教学媒体的开发、运用 和管理。o 因此，实验教学是现代教育技术课程当中不可缺少的一部分，学生只 有通过相应的实验操作才能达到对现代教学媒体的开发运用和管理。 作为师范学校- - f - j 公共基础课，在实验教学的组织和实施过程中存在着诸 多普遍性的问题，主要表现为以下几个问题；。 ( 1 ) 生均实验设备拥有量问题 从全国目前已经开设了“现代教育技术”课程的高等院校抽样调查情况来 看，在1 4 所被调查的院校中有3 5 7 的院校没有建立“现代教育技术”专用实 验室，基本没有实验设备，教师只能对学生进行实验演示，实验教学基本上没 有开展。其他院校虽然建立了实验室，但实验设备缺乏，生均设备拥有量少， 进行正常的实验教学存在一定的困难。在传统的集中式实验方式下，单纯增加 实验设备的相对数量，不仅不利于投资优化，而且仍将面临一方面学生实验机 会少而另一方面设备又相对闲置的尴尬局面。 ( 2 ) 设备更新周期问题 。裘伟廷，基于w e b 的虚拟实验室构建远程教育杂志，2 0 0 2 ( 6 ) 。张剑平，复浃文，接广赤等打造国家精品课程促进教育技术学科发展中国电化教育，2 0 0 5 ( 5 ) 。黄立新，张剑平国家精品i 鼹程。现代教育技术一实验教学的组织与实藏中国大学教学，2 0 0 6 ( 8 ) 3 浙江师范大学硕士学位论文 教育技术与新技术的发展关系非常密切，对新技术在教育中的应用非常敏 感。实验教学中应尽可能使学生接触最新的科学技术，增强学生适应社会发展 和科技进步的要求。这就要求“现代教育技术”实验教学用的设备在有效生命 周期内及时进行更新换代。然而设备的更新往往是实验室建设的软肋，这需要 大量经费投入，在经费不能跟进时，只能以延长设备的更新周期作为代价，当 中小学校新技术新环境建设起来后，高校反而成为老旧设备的孤岛，难以成为 高新技术教学应用的示范。 ( 3 ) 学习时间冲突问题 在高校现行的选课制度下，“现代教育技术”课程教学班中的学生来自不同 的专业，除了共同的上课时间外，很难再有一个共同的实验时间，很难组织“现 代教育技术”教学班学生整体集中同步实验。传统的实验组织方式已无法解决 学生其他课程学习时间与本课程实验时间之间的矛盾。 针对现有实验教学中存在的问题，虚拟实验成为解决问题的办法之一。浙江 师范大学国家精品课程“现代教育技术”( h t t p ：w w w z c m e t n e t m c t ) 是一门在网络 上实施教学的一门课程，为了使校内外学生都能接受实验教学这一环节，充分熟 悉各种媒体的特性和使用方法，利用各种虚拟实验的开发技术，以介绍、观摩、 操作等各种形式，开发了若干虚拟实验。已完成的主要有常规媒体的虚拟实验系 统、多媒体教学软件虚拟实验系统、数字视听媒体虚拟实验系统等，并在不断完 善、探索、研究之中，以期提供功能更完美、效果更逼真的虚拟实验系统。 ( 二) 研究的内容与意义 1 研究内容 论文围绕基于w e b 的、三维的虚拟实验环境在网络教学中的应用进行了如 下研究： ( 1 ) 通过电子期刊、互联网络、手工查阅等手段查阅大量现有文献，分析 了网络教育的不断发展对实验教学提出更高要求状况下，网络虚拟实验以其自 身的优势和现行的网络条件为网络教育实验教学提供的解决方法，同时对虚拟 实验的一些概念和国内外的研究现状进行了界定和梳理，并对虚拟实验的发展 方向作了阐述； 4 基于w e b 3 d 的虚拟实验及其教学应用研究 ( 2 ) 分析了基于w e b 3 d 的虚拟实验开发及其教学应用的理论基础，阐述了 网络虚拟实验的设计理念和设计原则； ( 3 ) 在分析v r m l 技术和j a v a j a v a s c r i p t 技术基础上，运用开发研究方 法，以实验指导书现代教育技术技能与训练( 高等教育出版社，2 0 0 6 ) 中的数字投影仪的使用和多媒体教室的使用为原型进行虚拟试验的模拟开发； ( 4 ) 将开发好的虚拟实验发布到国家精品课程“现代教育技术”的虚拟实 验板块，对w e b 3 d 虚拟试验在网络实验教学中的应用效果从多个方面进行阐述。 2 研究意义 实验教学集实践性与理论性子一体，是网络教学中相当重要的内容，也是 网络教学中的一个难点，如何完善网络教学中的实验内容一直是教学研究人员 的重要内容之一。本研究把基于w e b 的虚拟现实技术引入虚拟实验，营造一种 真实的三维虚拟实验环境，具有较强的临场感。实验采用v r m l 和 j a v a j a v a s c r i p t 技术进行开发，其基本原理是用文本信息描述三维场景，在 i n t e r n e t 上传输，在本地机上由v r m l 的浏览器解释生成三维场景，解释生成 的标准规范即是v 跚l 规范，使得在i n t e r n e t 上传输很少的数据，就可以在w e b 上实现三维虚拟场景。因此本研究开发的数字投影仪和多媒体教室虚拟实验在 丰富“现代教育技术”精品课程实验内容的同时，提供给了学生一个较为真实 的虚拟实验环境，学生通过网络操作这样的虚拟实验能比较容易与真实实验环 境产生联系，为更好掌握教学媒体的运用提供有效的帮助。 浙江师范大学硕士学位论文 ( 一) 虚拟实验 二、虚拟实验概述 1 ，虚拟与虚拟实验的概念 “虚拟”这个词最早来源于光学，用于理解镜子里的物体。镜子里的物体 是一个实际物理存在的影像，但它不是真正的物体。这意味着这个影像看起来 和实际物体一模一样，并且在同一个位置。呖在，“虚拟”这个词已经经过演 化，经常出现在计算机及通信等科技领域，用来描述任何真实物体的模拟，例 如：虚拟内存、虚拟现实、虚拟社区、虚拟实验等等。我们在讨论虚拟实验的 时候，使用“虚拟”这个词，是因为我们希望虚拟实验看起来和操作起来，都 和真正的实验一模一样。 “虚拟”的英文词是“v i r t u a l ”，根据w e b s t e r 大词典( 1 9 7 1 ) ，“v i r t u a l ” 来源于拉丁语“v i r t u s ”、“v i r t u a l i s ”，其本义表示具有“可产生某种效果的 内在力量或者能力”。8 b c 英语词典( 1 9 9 2 ) 的解释是：v i r t u a lm e a n st h a t s o m e t h i n gi ss on e a r l yt r u et h a tf o rm o s tp u r p o s ei tc a nb er e g a r d e da s t r u e v i r t u a la l s om e a n st h a ts o m e t h i n gh a sa l lt h ee f f e c t sa n d c o n s e q u e n c e so fap a r t i c u l a rt h i n g ，b u ti sn o to f f i c i a l l yr e c o g n i z e da s b e i n gt h a tt h i n g ( v i r t u a l 意思是说某事物如此逼真，以至在大多数情况下 可视为真的。还有这样的意思：某事物具有所述事物的所有作用和后果，但还 没有被正式认作该事物。) 牛津词典( 1 9 8 9 ) 中，对v i r t u a l 的般释义是：t h a t i ss oi ne s s e n c eo re f f e c t ，a l t h o u g hn o tf o r m a l l yo ra c t u a l l y ：a d m i t t i n g o fb e i n gc a l l e db yt h ed a m es of a ra st h ee f f e c to rr e s u l ti sc o n c e r n e d ( 在实质上或效果上就是这样，虽然不是正式或真实的；但就效果或结果而言， 却可以用这样的名称来称呼它。) 综上所述，对“虚拟”这个词的理解，我们认为有以下两层意思： 不是真实的； 。h t c p ：w w w m a n b u n e t l i b c l a s s 4 s u b 5 9 5 a s p2 0 0 7 i 6 基于w e b 3 d 的虚拟实验及其教学应用研究 因表现或效果如同真的可视其为真的( 或可当作真的) 。叩 虚拟实验( v i r t u a le x p e r i m e n t ) 是指借助于图形图像、仿真和虚拟现实 等技术在计算机上所营造的，可辅助、部分替代甚至全部替代传统实验各操作 环节的相关软硬件操作环境o 。虚拟实验是相对真实实验( r e a le x p e r i m e n t ) 来讲的，后者在实验中所采用的实验设备、实验对象、实验环境都是以实物形 态出现的，而在虚拟实验中，没有一个有形的实验室，也没有以实物形态存在 的实验设备与实验对象，实验过程主要是对虚拟物的操作。虚拟实验的实验过 程可以由实验者部分或完全控制，实验的结果可以被存储、处理、再现，因此， 虚拟实验可以不断的重复，这一点是真实实验所不能比拟的。通过虚拟实验， 可以使实验者在进行真实实验之前对整个实验进行熟悉，从而提高实验效率和 减少不必要的实验损失。 2 网络虚拟实验 两络虚拟实验是在虚拟实验的基础上发展起来的概念，指用户通过w e b 访 问特定网站，通过鼠标的点击、拖曳操作以及键盘的操作，用户可以进行虚拟 的实验。网络虚拟实验室实现的基础是多媒体计算机技术、网络技术与仪器技 术的结合。虚拟仪器技术与认知模拟方法的结合也赋予虚拟实验室的智能化特 征，无论是学生还是教师，都可以自由地、无顾虑地随时进入虚拟实验室操作 仪器，进行各种实验。不但为实验类课程的教学改革及远程教育提供了条件和 技术支持，还可以随时为学生提供更多、更新、更好的仪器。 通过网络虚拟实验室，能够通过计算机在网络中模拟一些实验现象。它不 仅仅能够提高网络教育的教学效果，更加重要的是对一些缺乏实验条件的学生， 通过网络同样能够“身临其境”地观察实验现象，甚至和异地的学生合作进行 实验。 网络虚拟实验的构建有多种方法，目前常用的实验构建技术有：j a v a 、 a c t i v e x 、v r m l 、q t v r 、f l a s h 等等， 这几种技术各有特点( 见表2 1 ) 。 。单美贤，李艺虚拟实验原理与教学应用北京：教育科学出版社，2 0 0 5 ：2 & 。瞿望网上虚拟实验的研究与教学开放教育研究，2 0 0 4 。( 4 ) 宁超，张世英，高巍然，韦索嫒网络虚拟实验的研究与开发实验技术与管理2 2 ( 4 ) 7 浙江师范大学硕士学位论文 2 d 动 音视 人机 文开技 构建技画技3 d 动画 频媒 网络通信实现多人 件 通 发 术 米 术支 技术支持体支 交互 ( 信息反馈) 合作实验 大 用 效难 持持 性 性 小 益 度 1 料 较差 难以实现一般较好 支持 困难 由 高 低 由 a c t i v e x一般 难以实现一般较好支持 容易大中高 d j v 础l 较差较好一般 较好 支持支持 中 由d j 高 q f v r 实景建模一般 一般不支持不支持大大 由 低 f l a s h 较好难以实现较好较好支持 支持小高高低 用这些技术构建虚拟实验的基本思想是一致的，即通过软件方法来模拟硬 件设备的功能和实验的物理化学特性，使它和现实中的实际仪器的物理化学特 性相一致或基本一致，有较强的交互和实时反馈的能力，并且希望能够达到多 入合作实验的功能。为此，通过对表1 所列技术的比较分析，在开发数字投影 仪和多媒体教室两个虚拟实验的时候，选择了v r m l 技术结合j a y a j a v a s c r i p t 技术来实现其三维场景和交互功能，最后嵌入网页在网络上展示一个3 d 的虚拟 实验环境。 ( 二) 虚拟实验的特点 虚拟实验是信息化时代的产物，是通过计算机创建让实验者自然感知的基 于原型技术的实验，其本质是由计算机模拟实现的一个过程，也就是说提供了 一个虚拟的实验环境，与传统的真实实验相比有如下一些特点：国 ( 1 ) 透明性。虚拟实验的软件、硬件、数据库、甚至人员集成于一个系统， 使用标准的统一命令实现功能服务，这种透明的结构决定了虚拟实验的透明特 征。 ( 2 ) 资源共享性。构筑虚拟实验的宗旨之一是做到资源共享，在统一查询 标准的检索系统、应用软件库、数据库、甚至电子图书馆等上具的支持下，用 户可以共享信息、软件、仪器及设备等相关资源，这个特性不仅能够减少重要 投资，节约成本，而且能够方便用户提高效率。 ( 3 ) 操作互动性。虚拟实验一旦开放，即具有互动性，远程用户同样可以 操作中心实验环境，同时用户之间也可以交流相关信息。互动性需要有一系列 。来蔚基于虚拟现实的虚拟实验研究重庆：重庆大学。2 0 0 5 8 基于w e b 3 d 的虚拟实验及其教学应用研究 软硬件的支持，它们都是虚拟实验的组成部分。 ( 4 ) 用户自主性。虚拟实验使用户具有充分的自主性。用户可以定制自己 使用虚拟仪器的方式，还可以采取必要的措施保护自己的数据、资料。 ( 5 ) 可扩展性。在当今信息时代里，知识更新、技术进步的速度十分迅速， 因此虚拟实验的软件要随时升级，仪器也需及时更新换代，服务功能也要逐步 加强。虚拟实验的结构特征决定着它具有软硬件及服务功能的扩展性。 ( 6 ) 性能优势显著。与传统实验相比，虚拟实验性能更为优秀。构筑虚拟 实验能够仿真世界第一流的仪器设备。这些性能优秀的仪器设备并不是各个用 户都能拥有的，而虚拟实验提供给用户使用一流设备却是可能的。 ( 三) 虚拟实验分类 根据虚拟现实技术浸入程度不同可以把虚拟实验系统分为以下两类： ( 1 ) 桌面式虚拟实验系统 所谓桌面式虚拟实验系统，就是用个人计算机或图形工作站进行仿真，以 计算机屏幕作为实验者观察虚拟空间的窗口，实验者使用鼠标、键盘等输入设 备和虚拟空间进行交互的一种简化的虚拟实验系统。计算机图形技术是其中的 关键。在桌面式虚拟实验系统中，参与者会受到周围环境的干扰而缺乏沉浸穗， 是一种初级的虚拟状态，其成本相对比较低，实现也相对比较容易，因而在各 领域应用较为广泛。 ( 2 ) 沉浸式虚拟实验系统 所谓沉浸式虚拟实验系统，就是利用数据手套、头盔显示器、传感器等复 杂的交互设备，为实验者提供完全投入的功能，使实验者有一种置身于“真实 实验”中的感觉的虚拟实验系统。这种实验系统需要有相应的硬件环境支持， 因此限制了在教育领域中的广泛使用。 根据访闯途径的不同可以把虚拟实验系统分为以下两类：毒 ( 1 ) 本地虚拟实验系统 实验是在本地的计算机所模拟的环境中进行的，计算机所建立的模型尽可 。刘筱兰，张薇，程惠华，王本立虚拟实验室的类型及发展趋势计算机应用研究，2 0 0 4 ( 1 1 x 4 单美贤，李艺，虚拟实验褥【理与教学应用，北京：教育科学出版社，2 0 0 5 ：2 3 2 4 ， 9 浙江师范大学硕士学位论文 能地与真实实验条件接近，也称为单机版虚拟实验系统。此类虚拟实验通过本 地计算机的安装，在本机上即可运行，无须网络的支持。 ( 2 ) 远程虚拟实验系统 远程虚拟实验系统是基于网络环境而实现的。在现实应用中人们根据在实 验过程中使用的仪器设备是否真实又可以分为两种情况：一是真实仪器设备通 过接口电路连接到网络中，学生可以通过网络使用真实实验室中的设备，所以 我们将这种实验系统称之为远程控制虚拟实验系统。远程控制虚拟实验系统由 于涉及到真实设备，所以在同一时闻只允许一个实验者进行实验。另一种情况 是实验室中的仪器设备完全由软件编程模拟实现，我们将这种实验系统称之为 网络虚拟实验系统，理论上能同时提供无限多个实验者的同时使用。 根据实验者角色的不同可以把虚拟实验系统分为以下三类：回 ( 1 ) 演示型虚拟实验 演示型虚拟实验对学生交互性操作的要求不高，主要是使学生能够比较容 易地观察到实验的具体步骤及结果，而计算机模拟的演示型虚拟实验比传统演 示型实验具有更强的直观性，可以将微小的物体放大，也可将宏大的物体缩小。 计算机的显示屏由于它的明亮程度高，从心理学的角度来看，还能刺激学生的 视觉，提高学生的兴趣。 ( 2 ) 交互式虚拟实验 交互式虚拟实验主要是应用于学生操作性实验，通过虚拟现实技术建立三 维多媒体实验环境，对实验设备进行仿真和交互性的开发，使学生沉浸在实验 环境中，感觉好像是对真实设备操作_ 掸，增强了感性认识和操作的趣味性。 交互式虚拟实验的开发难于演示型实验，关键是要解决实验当中的各种交互性 问题，应该根据实际情况利用不同技术来解决。 ( 3 ) 分布式虚拟实验 分布式虚拟实验是基于一种分布式的网络环境，系统运行在多台计算机上， 学生之间可以进行实时交互，共享相同的虚拟实验环境。 。项慨基于网络的虚拟实验系统的研究武汉：华中师范大学，2 0 0 6 1 0 基于w f - , b 3 d 的虚拟实验及其教学应用研究 ( 四) 国内外研究现状 自美国的w i l l i a mw o l f 教授提出虚拟实验室( v i r t u a ll a b o r a t o r y ) 概念 以来，仅有十余年的时间，但因其广阔的应用前途，各国均在大力开发，并且 取得了一定的进展和不少的成果。 1 国外研究现状 国外对虚拟实验的研究始于2 0 世纪9 0 年代，多集中在一些著名盼大学研 究所和实验室中，经过十余年时间的研究开发，在不同学科都建有了定规模 的虚拟实验系统。 ( 1 ) v s l ( v i s u a ls y s t e m sl a b o r a t o r y ) 虚拟系统实验室。由c e n t r a l f l o r i d a 大学教育训练研究院建立，其目标旨在提高计算机图形的艺术表现力 及改进仿真过程中的人机接口设计。该实验室开展过多项与虚拟实验相关的支 撑技术研究，如虚拟实验环境中的网络及并行计算技术、复杂实验环境的实时 物理仿真技术、低价图形仿真技术等。 ( 2 ) 虚拟工程科学实验系统。o 由j o h n sh o p k i n s 大学化学工程系为配合 课程工程是什么? 的教学两建立的，完全基于w e b ，适合初学工程和科学 的学生。实验的目的是引导学生尽快掌握实验、问题求解、数据采集和科学分 析的方法。该实验系统采用j a v a 语言开发并完全实现交互，目前完成的实验项 目有：逻辑电路实验、扩散过程实验、石油勘探实验、机器人手臂控制实验、 管道传热实验、桥梁设计实验、树木数量测量实验、声音传播实验、热传导实 验、概率分布实验。 ( 3 ) 麻省理工学院的w e b l a b 。o 它是一个在线设备检测的实验室，它属于 远程控制实验系统。主要由设备检测器( 一个h p 4 1 5 5 b 半导体参数分析器) 和 一台计算机组成( 实现双重任务：设备控制器和w e b 服务器) 构成。实验者通 过预约，可以远程访阎和使用w e b l a b ，通过点击“设备”菜单选择合适的仪器 设备，经过检测分析就可以通过网络返回实验数据。 ”h t c p ：w w w i m m u r d 1 r u d e p a r e m t l v s h u n2 0 0 7 i 9h m p ：w w w j h u e d u 一v i r t l a b v i r t l a b h t m l2 0 0 7 1 h u p ：w e b m i t r , d u n c w s o f f i c e j 2 0 0 1 w e b l e b h t m l2 0 0 7 1 浙江师范大学硬士学位论文 ( 4 ) v c l a b ( v i r t u a lc o n t r o ll a b ) 。o 由德国波鸿鲁尔大学开发，该虚拟 实验