（教育技术学专业论文）基于virtools的初中化学虚拟实验的研究与设计.pdf

基于v i r t o o l s 的初中化学虚拟实验的研究与设计 教育技术学专业 研究生何琳麟指导教师黄河明教授 摘要随着计算机技术和虚拟现实技术的迅速发展，虚拟实验技术日渐成 熟和完善。不断深化的教育教学改革，对实验教学在培养学生的科学研究能力 和综合素质等方面提出了更高的要求。实验教学的教学内容、教学模式、教学 方法迫切需要革新与完善。这些使得虚拟实验在教学中的应用从理论研究走向 了实际应用。虚拟实验不仅能够极大程度地降低实验成本，还能够保证众多学 生在不受时间和空间限制的情况下共享实验资源，是实验教学有益的辅助手 段。 本文首先阐述了初中化学虚拟实验的研究背景，对研究目的与意义进行了 探讨，介绍和分析了虚拟实验的国内外研究状况，并对我国现阶段初中化学虚 拟实验研究及应用现状进行了简要的分析；深入探讨了开发虚拟实验的理论基 础、虚拟实验系统的含义及特点、虚拟实验系统的分类、技术背景和今后的发 展方向等，对虚拟实验的实现技术进行了介绍与对比：分析了目前初中实验教 学的特点和存在的问题：以初中化学实验实验室制取氧气为例，利用 v i r t o o l s 、m a y a 等软件工具设计开发了初中化学虚拟实验，较为详细地介绍了 系统的功能模块的架构，分析阐述了相应的关键技术，并对虚拟实验的开发方 法进行了探讨和总结。 在本文最后，结合个人在系统开发设计中的体会和系统存在的不足，对以 后工作中需要进一步深入研究的几个方面做了一个简单的展望。 关键词虚拟现实，虚拟实验，化学实验教学，v i r t o o l s 2 r e s e a r c ha n dd e s i g no fv i r t u a lj u n i o rh i g hs c h o o l c h e m i s t r ye x p e r i m e n t b a s e do nv i r t o o l s m a j o r ：e d u c a t i o n a lt e c h n o l o g y g r a d u a t es t u d e n t ：h el i n l i n a d v i s e r ：h u a n gh e m i n g w i t ht h ei m p r o v e m e n t so fc o m p u t e ra n dv i r t u a lr e a l i t yt e c h n o l o g i e s ，v i r t u a l e x p e r i m e n tt e c h n o l o g yi sr e c o g n i z e da n db e i n gd e v e l o p e dr a p i d l y t h ee d u c a t i o n a n dt e a c h i n gr e f o r mc o n t i n u o u s l ya n di n c r e a s i n g l yp u t sn e wd e m a n do nt e a c h i n g e x p e r i m e n t st od e v e l o pr e s e a r c ha b i l i t y a n dc o m p r e h e n s i v eq u a l i t yo fs t u d e n t s t e a c h i n gc o n t e n t ，t e a c h i n gf o r ma n dt e a c h i n gm e t h o do ft e a c h i n ge x p e r i m e n t s u r g e n t l yn e e d st ob er e f o r ma n di m p r o v e m e n t t h e s em a k et h ev i r t u a le x p e r i m e n t u n d e r g oad y n a m i cp r o c e s sf r o mt h e o r e t i c a lr e s e a r c ht op r a c t i c a la p p l i c a t i o n t h e v i r t u a le x p e r i m e n t sn o to n l yc a nr e d u c et h ee x p e r i m e n t a lc o s te n o r m o u s l y ，b u ta l s o c a np r o m i s en u m e r o u ss t u d e n t ss h a r ee x p e r i m e n tr e s o u r c e sw i t h o u tt h et i m ea n d s p a c el i m i t s i ti st h eb e n e f i c i a la u x i l i a r ym e t h o do ft e a c h i n ge x p e r i m e n t s t h et h e s i sf i r s td i s c u s s e st h er e s e a r c hb a c k g r o u n d ，p u r p o s e a n dt h e s i g n i f i c a n c e ，a n a l y z e s t h e s t u d y s t a t u sa th o m ea n da b r o a d ；m a k eaf u r t h e r d i s c u s s i o no nt h et h e o r e t i c a lb a s i s ，t h em e a n i n g , c h a r a c t e r i s t i c , c l a s s i f i c a t i o n ，t h e t e c h n i c a lb a c k g r o u n da n dt h ed e v e l o p m e n td i r e c t i o no fv i r t u a le x p e r i m e n t s ；m a k ea i n t r o d u c t i o na n dc o m p a r i n ga n a l y s i st ot h ei m p l e m e n t a t i o nt e c h n o l o g y ；a n a l y z e s t h ec h a r a c t e r i s t i ca n dt h ee x i s t i n gp r o b l e m so ft h ec h e m i s t r yt e a c h i n ge x p e r i m e n t s i nt h ej u n i o rm i d d l es c h o o l ；t a k ej u n i o rm i d d l es c h o o lc h e m i s t r ye x p e r i m e n t t h e 3 o x y g e np r o d u c i n gi nl a b o r a t o r y f o re x a m p l et od e v e l o pt h ec h e m i s t r yv i r t u a l e x p e r i m e n tw i t hv i r t o o l s ，m a y a i ti n t r o d u c e st h em a i n f u n c t i o nm o d u l eo ft h e s y s t e m a n dt h e k e yt e c h n o l o g y , a n d d i s c u s s i o na n d s u m m a r y a b o u tt h e d e v e l o p m e n tm e t h o do fv i r t u a le x p e r i m e n t a tt h ee n do ft h e s i s ，c o n s i d e r i n gt h ee x p e d e n c ei nt h ed e v e l o p m e n to fs y s t e m a n dt h ed e f i c i e n c yo fs y s t e m ，s i m p l ym a k i n ga no u t l o o kf o rt h ef u r t h e rr e s e a r c ho n t h ef i e l d k e y w o r d sv i r t u a lr e a l i t y ，v i r t u a le x p e r i m e n t ，c h e m i s t r ye x p e r i m e n tt e a c h i n g ， v n 1 0 0 l s 4 四川师范大学学位论文独创性及 使用授权声明 本人声明：所呈交学位论文，是本 立进行研究工作所取得的成果。除文中 导下，独 文不含任 何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品或成果。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人承诺：已提交的学位论文电子版与论文纸本的内容一致。如因不符而 引起的学术声誉上的损失由本人自负。 本人同意所撰写学位论文的使用授权遵照学校的管理规定： 学校作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者须授权所在大学拥 有学位论文的部分使用权，即：1 ) 已获学位的研究生必须按学校规定提交印 刷版和电子版学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索：2 ) 为教学和科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位 论文作为资料在图书馆、资料室等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。 论文作者躲呵硼、螭 挪8 年弓月功日 第一章绪论 1 1 研究背景及问题的提出 实验是学校教学的重要辅助手段，是学生真正理解理论知识，并将其运用 于实践的重要保证。化学作为一门以实验为基础的学科，它通过实验教学可以 使学生获得生动的感性知识，从而更好地理解、巩固所学的化学知识。实验是 化学的灵魂，是化学的魅力和激发学生学习兴趣的主要源泉，更是培养和发展 学生思维能力和创新能力的重要方法和手段。 随着教育改革的不断深入，初中化学新课程已走进学校、走入课堂。新教 材强调了学生主体性学习的重要性，教学要充分调动学生学习的主动性和积极 性；新教材让学生主动地体验实验的探究过程，在知识的形成、联系、应用过 程中养成科学的态度，获取科学实验的方法。中共中央国务院在关于深化教 育改革，全面推进素质教育的决定中，明确提出：“要让学生感受、理解知 识产生和发展的过程，培养学生的科学精神和创新思维习惯，重视培养学生收 集、处理信息的能力、获取新知识的能力、分析和解决问题的能力。 目前，化学实验教学改革取得了一定的进展，但由于受到传统教育观念的 影响，实验教学中还存在着许多问题：实验室硬件设备的不足，实验设备陈旧； 实验室开放时间少：实验内容的深度和广度不够，大多数教学实验是验证书本 上的理论、读取一些数据的单一性实验；多数实验都给出了具体的实验步骤， 学生只需照着做就可以了，不利于学生探索知识等等。针对这些问题，许多学 校采取了如增加实验室建设资金，改善实验教学条件，改进实验教学方法等措 施，一些学校还正逐步在实验教学环节中引入虚拟实验。 虚拟实验是利用计算机技术模拟现实中某一领域的知识，通过系统的交互 性来完成实验研究。它不仅极大地提高了学生对实验课的学习兴趣，实现实验 教学手段的现代化、实验教学内容的系统化、实验操作的规范化，减轻教师的 负担，而且逼真、形象的三维动画和开放、互动的交互环境，有利于学生的观 察和学习，能够提高教学效果和教学质量，有效地培养学生的创新意识。随着 虚拟现实技术和计算机技术的发展和成熟，构建基于虚拟现实技术的虚拟实 验，已成为虚拟现实技术应用于教育教学领域的重要方面之一，是实验教学的 一个新的发展方向。 在初中化学实验教学中引入虚拟实验，笔者针对传统化学实验教学中存在 的问题，就如何利用虚拟现实技术开发出适合实验教学的虚拟实验系统的方法 进行了系统性研究。 1 2 虚拟现实与虚拟实验 虚拟现实( v i r t u a lr e a l i t y ，简称v r ) 【1 】是近年来出现的高新技术，也称灵 境技术或人工环境。虚拟现实是利用计算机模拟产生一个三度空间的虚拟世 界，提供使用者关于视觉、听觉、触觉等感官的模拟，让使用者如同身临其境 一般，可以及时、没有限制地观察三度空间内的事物。v r 是一项综合集成技术， 涉及计算机图形学、人机交互技术、传感技术、人工智能等领域，它用计算机 生成逼真的三维视、听、嗅觉等感觉，使人作为参与者通过适当装置，自然地 对虚拟世界进行体验和交互作用。使用者进行位置移动时，计算机可以立即进 行复杂的运算，将精确的3 d 世界影像传回产生临场感。该技术集成了计算机图 形( c g ) 技术、计算机仿真技术、人工智能、传感技术、显示技术、网络并行 处理等技术的最新发展成果，是一种由计算机技术辅助生成的高技术模拟系 统。概括地说，虚拟现实是人们通过计算机对复杂数据进行可视化操作与交互 的一种全新方式，与传统的人机界面以及流行的视窗操作相比，虚拟现实在技 术思想上有了质的飞跃。虚拟现实中的“现实 是泛指在物理意义上或功能意 义上存在于世界上的任何事物或环境，它可以是实际上可实现的，也可以是实 际上难以实现的或根本无法实现的。而“虚拟”是指用计算机生成的意思。因此， 虚拟现实是指用计算机生成的一种特殊环境，人可以通过使用各种特殊装置将 自己“投 到这个环境中，并操作、控制环境，实现特殊的目的，即人是这种 环境的主宰。 虚拟现实的主要特征是：多感知性( m u l t i s e n s o r y ) 、浸没感( i m m e r s i o n ) 、 交互性( i n t e r a c t i v i t y ) 、构想性( i m a g i n a t i o n ) 【3 】。这些使操作者能够真正进 入一个由计算机生成的交互式三维虚拟环境中，与之产生互动，进行交流。 通过参与者与仿真环境的相互作用，并借助人本身对所接触事物的感知和认知 能力，帮助启发参与者的思维，以全方位的获取环境所蕴含的各种空间信息和 逻辑信息。身临其境的沉浸感和人机互动的趣味性是虚拟现实的实质特征，对 2 时空环境的现实构想( 即启发思维，获取信息的过程) 是虚拟现实的最终目 的。 基于虚拟现实技术的虚拟实验是通过模拟人与周围真实环境交互方式来 建立的观察界面进行实验的过程。虚拟现实技术的多感知、交互性、自主性等 特点，突出了实验的形象性和直观性，使虚拟实验的操作过程与真实的实验一 样方便，具有“真实性 。目前使用得最多的是桌面式虚拟实验系统，它是利 用鼠标的点击、拖动，将计算机上虚拟的各种仪器，按实验要求、过程组装成 一个完整的实验系统，同时在这个系统上完成整个实验，包括原材料的添加、 实验条件的改变、数据采集以及实验结果的模拟、分析。 虚拟实验一般是通过虚拟实验室而进行的。虚拟实验室是由虚拟现实技术 生成的适合进行虚拟实验的实验系统，包括实验室环境、相关的实验仪器设备、 实验对象和信息资源等。利用虚拟现实技术构建的各种虚拟实验室如地理、物 理、化学、生物实验室等等，这些虚拟实验室一般具有透明性、资源共享性、 互动操作性、用户自主性、扩展性及安全性等特点，是传统实验室无法比拟的， 决定了它在科研、教育中的良好前景。根据它的作用通常分为三类：1 、为进 行真正的实验( 或操作) 做准备练习；2 、替代实物实验室；3 、在实物实验后 进行分析。由此可见，虚拟实验是实验教学的一个新的发展方向，它必将促进 教学观念与教学形式的改革，也会促进教学内容与教学方法的变革。 1 3 虚拟实验在国内外研究现状 当前国内外有很多组织机构都在积极的开展虚拟实验系统的研究和建设 工作，特别是在一些著名的大学和实验室中，已经有很多建好并投入使用的虚 拟实验系统。 1 3 1 国外研究现状【7 1 8 1 9 】 美国是最早进行虚拟现实研究的国家，从1 9 6 5 年虚拟现实雏形出现至今， 已经有了近四十年的研究历史。 1 麻省理工学院( m r r ) 的w e b l a b 于1 9 8 8 年开始开发并投入使用。2 0 0 0 年秋季s m a ( s i n g a p o r e - m i ta l l i a n c e ) 微电子学科的学生，在新加坡( 而讲师 3 和助教却在麻省理工学院) 通过因特网就可以访问和使用m i t 的w e b l a b ，在实 验中没有遇到难题，学生普遍反映良好：“通过因特网，我们竟然能获得来自 m i t 实验室的实验数据，非常有趣。在信息传递过程中技术优势十分强大 、 “这种训练真的很好，我们可以把真实的数据与模拟的数据相比较 。 另外，m i t 的v i c t o rc h a n g 在w e b l a b 的基础上开发了一个基于协作式的 实验环境，并针对虚拟实验室中的协作效果进行了对比性实验研究。实验研究 发现：虚拟实验中的协作有助于提高实验质量和效果。 2 在美国国家科学基金会支持下，由g e o r g em a s o n 大学和v e t l ( v i r t u a l e n v i r o n m e n tt e c h n o l o g yl a b o r a t o r y ) 合作开发的s c i e n c es p a c e ( 科学空间) ， 目的是为了验证学生通过直接交互式的体验，能否更好地理解科学概念。主要 提供三种虚拟情境：在牛顿世界中学生可以体验牛顿三大定律：在麦克斯韦世 界中，通过检测电磁场的自然属性来验证高斯定律；在p a u l i n g 世界中集中研 究分子。s c i e n c es p a c e 通过游戏式的询问活动，在学生观察过一个或多个现象 之后，就要求他们描述所观察到的现象，并与他们的预测进行比较，解释比较 后的体验，以此来改进自己的预测能力。s c i e n c es p a c e 鼓励学生综合自己在虚 拟环境里体验到的现象和所形成的见解，转变、归纳到一个充分变化的真实环 境之中。 3 美国华盛顿州开发了一种虚拟化学反应的装置，学生只要戴上头盔， 手握操纵杆，眼前就会出现一幅幅栩栩如生的景象。学生可以通过电脑将采集 到的一个氧原子和二个氢原子结合在一起，眼前就会出现一个网状的水球，这 就是学生们自己创造的水分子。 4 由美国科学探索网络开发的学习化学酸碱度知识的“p h 酸碱度”( w w w c s i c t r e d u s g s l n p h f a c t o r p h o h t m l ) 是网上虚拟实验室。学习者在良好的网络 学习环境里通过各种实验活动学习酸碱度知识，丰富化学的认知结构。 除美国之外，其他国家也积极投身于虚拟实验的建设中来。德国的汉诺威 大学建立了虚拟自动化实验室：意大利帕瓦多大学建立了远程虚拟教育实验 室：西班牙大学电子系开发了电子仪器虚拟工作平台；新加坡国立大学开发了 远程示波器实验和压力实验；荷兰应用科学研究组织( 1 n o ) 的物理于电子 实验室( f e l ) 建立了一个仿真训练组，将大家关心的一些仿真问题集中在该 4 训练组进行研究。 1 3 2 国内研究现状【1 0 1 1 1 】 1 2 】 与发达国家相比，国内在虚拟实验方面开展的工作还较少，存在的差距也 较大，但也有一些比较成熟的虚拟实验室。 1 中科院上海有机化学研究所的虚拟化学实验室，涉及化学的很多领域， 可用于结构检索、自动命名、波普模拟、结构解析等，它的模块化结构使得用 户可以根据自己的需要自由选择，组合成最适合自己的虚拟化学实验。 2 北方交通大学的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 se x p e r i e n c e l a b ) 。r e c e l 是网上电工电子教学实验系统。提供通过i n t e r n e t 进行电工电子 实验学习的教学环境，实现了仪器设备等教学资源的网络共享。 3 浙江大学的虚拟化学实验，是基于w e b 的虚拟实验，主要由实验主界 面、实验要求与步骤说明两部分组成，以v r m l 构筑的虚拟实验环境，利用 j a v a 技术实现的人机交互。 4 基于网络的普化实验，以网络多媒体的方式制作的普化实验教学网站。 内容上侧重于理论与应用性，注重知识的整合性。主要由实验原理、实验步骤、 实验结果和生活小常识几个部分组成的，以文字描述为主。 5 在虚拟实验方面，中国科技大学运用虚拟现实技术在物理实验方面， 有着丰富的经验，较高的水准。他们已经形成了比较成熟的产品，基于本地的 大学物理仿真实验软件，广播电视大学物理虚拟实验，几何光学设计实验平台， 大学物理虚拟实验远程教学系统。 ( 1 ) 大学物理仿真实验( 基于局域网) 它利用计算机将实验设备、教学内容( 包括理论教学) 、教师指导和学习 者的思考、操作有机的融合为一体，克服了实验教学长期受到课堂、课时限制 的缺点，并且在内容上进行了的扩充。其内容包含了基本实验仪器的使用，基 本实验技能的训练和基本测量方法与误差的分析，实验分为综合性实验和设计 性实验等，涉及到力、热、电、光等近代物理的各个方面。 ( 2 ) 广播电视大学物理虚拟实验 该实验利用计算机把实验设备、教学内容、教师指导和学生的操作有机地 5 融合为一体，形成了一部活的、可操作的物理实验教科书。通过仿真物理实验， 学生对实验的物理思想和方法、仪器的结构和原理的理解可以达到实际实验难 以实现的效果。不仅提高了学生的动手能力，达到了对物理知识深化的目的， 而且提高了学生对物理实验的兴趣和物理实验教学的水平，是物理实验教学改 革的有力工具。 ( 3 ) 几何光学设计实验平台 这是全国第一套基于虚拟现实的教学软件。它用计算机模拟的智能仪器代 替价格昂贵、操作复杂、容易损坏、维修困难的实验仪器，具有操作简便、效 果真实、物理图像清晰、着重突出物理实验设计思想的特点。 该软件将计算机辅助教学中智能化仪器、计算机技术、虚拟现实技术与物 理教学有机的结合起来，全部采用真三维的形式进行模拟，使教学内容、实验 设备、教学指导与操作者的思考利用计算机有机的融合到了一起，具有广泛的 使用价值。本软件运用纯三维的表现方式，让学生在一个大的实验室环境下进 行实验操作，达到了桌面式的虚拟现实设计水平。 ( 4 ) 大学物理虚拟实验远程教学系统 这是基于目前低速i n t e r n e t 网上的远程教学版本。利用该系统，教师可以 在不同地点上网，组织各种实时或非实时的分布式教学，回答学生问题，批改 实验报告等。学生可以根据自己的时间安排，在学校或家里上网接受教师的指 导，完成各项实验内容，并上交实验报告。 从国内外的虚拟实验发展现状可以看出，虚拟实验的开发建设已经取得了 相当大的成绩，已经从理论上的探索进入了实际应用阶段，人们已经从探索的 过程中获得了许多经验。用于教学中的虚拟实验系统，通过计算机把教学内容、 实验设备、教师指导、学生操作等有机的融合为一体，不仅可以部分的替代真 实实验，而且能在真实实验的前后发挥积极的作用。虚拟实验与真实实验相结 合，共同构成了比较完整的实验教学体系，在一定程度上满足了实验教学的需 要和发展。虚拟实验的应用，激发了学生的实验兴趣、拓宽了实验方法和设计 思路，提高了知识应用能力，为创造性能力的形成奠定了一定的基础。 但通过调查研究发现，我国虚拟实验的研究与应用主要是在高等教育中进 行的，而基础教育受到资金、人才等条件的限制，应用于教学的交互式虚拟实 验的开发还比较少，发展还比较落后。现阶段在初中化学实验教学环节中使用 的虚拟实验主要是单机版，多用于辅助课程设计。在形式上多采用二维，如 f l a s h 、a u t h o r w a r e 等，这类虚拟实验系统对化学仪器进行了抽象处理，学生 在进行学习时，所操作的仪器就是图案和符号，学生理解起来比较困难。也有 一些采用三维的形式，较好的模拟了化学仪器、实验效果及实验原理等，给学 生在视觉上以较大的冲击，有效的提高了学生的实验兴趣，但交互功能不强， 多侧重于演示性，对学生的技能要求不高，不利于学生进行探究性学习。另外， 目前实验教学中使用的虚拟实验大多是企业开发的，不能很好的体现出实验教 学的设计思想。 1 4 本文的研究内容及意义 本文在研究虚拟实验系统的背景下，运用v i r t o o l s 及其他技术，开发出一 个具有3 d 交互式虚拟场景的化学虚拟实验，基本满足化学课程实验要求，能 够有效的解决目前初中化学实验课所存在的部分问题，并且对虚拟实验的三维 虚拟化进行研究，探索化学虚拟实验开发的有效方法。研究重点内容如下： 1 虚拟实验的研究：包括虚拟实验的含义、虚拟实验的特点、虚拟实验 系统的分类、虚拟实验的发展方向等； 2 对主要虚拟实验开发技术进行研究与比较： 3 计算机虚拟实验的设计：选择初中化学实验课中的一个实验“实验室 制取氧气 进行虚拟实验的开发制作，以3 d 形式表现，具有较好交互能力。 技术实现的关键点如下： 1 虚拟仪器和场景的制作。 浸没感是虚拟现实的主要特征之一。这就要求虚拟实验的场景及实验仪器 有较强的真实感，即在它们的物理特征方面( 长、宽、高、颜色等) 要尽可能 的真实，对模型的精度和贴图的大小都要求较高。但是模型精度和贴图越细致， 对计算机软硬件的要求越高，模型精度越高，贴图越大，虚拟实验的运行就会 越慢，甚至会造成死机的现象。这就需要在模型精度、贴图细致度与计算机速 度之间寻找到一个平衡点，在尽可能的细致情况下，尽量满足大多数计算机软 硬件的要求。 7 2 交互性问题 交互性问题一直是虚拟实验难点问题。在本实验的建立过程中，交互性的 问题更复杂，主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 虚拟实验场景的交互性：主要是对虚拟实验仪器的操作等； ( 2 ) 虚拟实验内容的交互性：即在特定的事件发生时，如何显示相应的事 件；实验过程是如何触发、如何实现的等； 本次以初中化学实验实验室制取氧气为内容开发设计的化学虚拟实验 系统，其优势主要表现在以下几点： 1 实验不受时间和空间的限制。学生可以根据自己的需要安排实验的时 间和地点，如放学后在家里利用计算机进行实验等。 2 有效的解决了学校实验设备不足的问题。尽管目前许多学校投入了大 量的资金购买化学实验设备，但要实现每个学生都能亲自进行实验操作仍很困 难。 3 在虚拟实验过程中允许学生犯错误。在进行真实的实验时，犯错误基 本上是不允许的，因为一次小小的错误就可能会造成重大的事故。但在虚拟实 验里，如果犯了错误，只会影响实验的顺利进行，而不会对人产生伤害，造成 危险。 4 虚拟实验为学生进行真实实验的预习和复习提供帮助。在进行真实实 验之前，利用虚拟实验进行预习，了解实验需要的设备仪器的物理特征及使用 方法等，在虚拟实验中对实验的过程进行演练，熟练对仪器的操作，这对进行 真实实验是很有帮助的，可以减少学生在真实实验中出错的机率。真实实验后 利用虚拟实验进行复习巩固，能使复习变得方便简单、形象直观。 5 以3 d 的形式呈现实验环境和仪器，形象直观，便于学生观察和理解， 能较好的提高学生的实验兴趣。 6 具有良好的交互功能。学生在进行实验的时候，不仅可以从不同角度 进行观察，而且可以利用鼠标和键盘对实验仪器进行移动、旋转、装配等操作， 对学生进行实验技能的训练有很好的帮助。 8 1 5 论文的结构 第一章阐述了本文的研究背景、研究内容、研究意义及国内外研究现状， 指出虚拟实验是实验教学的一个新的发展方向。 第二章论述了开发虚拟实验的理论基础；阐述了虚拟实验的含义，并根据 用户参与虚拟实验形式的不同及沉浸程度的不同，对虚拟实验系统进行了分 类；总结了虚拟实验的特点，阐述了虚拟实验的技术背景以及发展方向。 第三章详细论述了虚拟实验开发的设计原则，对拟开发的化学虚拟实验进 行了需求分析及其在模式和性能上的定位，并对目前虚拟实验开发的主要技术 进行了对比分析，从而确定了本次开发的主要工具软件。 第四章对本次开发的主要工具软件v i r t o o l s 的特点、工作环境和方法进行 了详细的介绍。 第五章详细论述了化学虚拟实验环境和仪器的创建。在三维软件m a y a q b 进行建模，在图形图像处理软件p h o t o s h o p 中进行贴图的绘制，然后将创建好 的模型导入v i r t o o l s 中进行三维交互、动画、特效的实现及摄像机、灯光的设 置。对虚拟实验场景的优化方法进行了详细论述。 第六章详细论述了化学虚拟实验功能模块的总体设计及实现；详细介绍了 开发本次虚拟实验的关键技术，包括主要的交互功功能、虚拟仪器的装配、数 据的暂存、火焰特效的实现等技术；对v i r t o o l s 文件的发布进行了简单介绍。 第七章对本虚拟实验系统的特点和不足进行了详细的剖析，并对今后的进 一步工作进行了展望。 9 第二章虚拟实验的研究 2 1 教育理论与虚拟实验 虚拟实验是虚拟现实技术应用于教育的重要方面之一。虚拟实验的开发和 应用需要教育理论的支持和指导。 2 1 1 认知理论 认知主义学习理论对学习的基本解释是：学习是一种内部发展的过程，是 一种由同化和顺应交替发生作用从而导致生理、心理从平衡状态到不平衡状态 的循环过程。认知主义的教学观念是：为学生提供一种对自身进行认知加工的 特定情境和特殊过程，从而在促进学生认知结构的形成过程中推动学生的认知 发展。 认知心理学家认为，知识是个体通过与其环境相互作用后获得的信息及其 组织。皮亚杰认为，经验( 知识) 来源于个体与环境的相互作用，这种经验可 分为两类，一类是物理经验，它来自外部世界，是个体作用于客体而获得的关 于客观事物及其联系的认识；另一类是逻辑数学经验，它来自主体的动作，是 个体理解动作与动作之间相互协调的结果。 知识的掌握是学习者通过新、旧知识经验之间的相互作用而完成的，有符 号性学习、观察性学习和技能性学习三种途径。技能性学习是指通过个体与客 体的相互作用，通过活动实现的知识经验的增长。在虚拟实验过程中，既有符 号性学习，如原理、规则的理解和掌握，也存在观察性学习，如教师的演示、 实验现象的观察等，但更多的还是技能性学习，如虚拟实验中设备的使用、实 验的操作等。 虚拟实验系统为实验活动的有效开展提供了及其丰富的实验环境，大到宇 宙天体，小到微生物的细胞核。因此，在进行虚拟实验系统的设计时，要综合 利用多种媒体和技术，为实验者提供丰富逼真的、主动的、发现式的实验环境。 2 1 2 建构主义理论 随着心理学家对学习过程认知规律的研究的不断深入，作为认知学习理论 的一个重要分支建构主义理论逐渐流行，并愈来愈显示出其特殊的生命 1 0 力。 建构主义理论认为，知识不是通过教师传授得到，而是学习者在一定的情 景即社会文化背景下，借助其他人( 包括教师和学习伙伴) ，利用必要的学习 资料，通过意义建构的方式获得。学习是一个动态的适应的过程，个人在学习 过程中的活动是对环境的特定反映，不能脱离社会环境而孤立地学习，只有当 学习材料与学习者的动机、情感和社会生活相互做用时，学习才能发生，对知 识的理解和掌握才能在意义建构过程中完成的。 由于学习是在一定的情境即社会文化背景下，借助其他人的帮助即通过人 际间的协作活动而实现的意义建构过程，因此建构主义学习理论认为“情境”、 “协作、“会话和“意义建构 是学习环境中的四大要素或四大属性【l 引。 虚拟实验系统能有效地创设建构主义学习环境，为学生提供丰富的资源和大量 的经验背景，使学生可以在这一环境中进行自由探索和自主学习，激发学生的 学习积极性，帮助学生建构自己的知识，形成自己的观点和见解，促进知识和 意义的建构。可以看出，建构主义学习理论为发展虚拟现实在教育中的应用提 供了最好的理论基础。 2 1 3 情境认知理论 进入2 0 世纪9 0 年代后，出现了挑战认知信息加工观点的情境认知学习理 论，这一新兴学习理论强调学习过程中学习环境的作用，关注学习者所处社会 文化对其学习的作用。 “知识是具有情境性的，知识是活动、背景和文化产品的一部分，知识正 是在活动中，在其丰富的情境中，在文化中不断被运用和发展着。学习的知识、 思考和情境是相互紧密联系的，知与行是相互的知识是处在情境中并在 行为中得到进步与发展的。”【”】情境有多种类别，可以分为：物理的或基于任 务的( 包括人工智能或信息的外部表征) ；环境的或生态的( 如工作坊或商业 中心) ；社会的或互动的( 教育、教学或临床背景中) 。麦克莱伦认为情境可以 是：真实的工作场景：高度的真实或真实的工作环境的虚拟代用品；一种可停 留的环境，如影像或多媒体程序。在情境学习理论看来：知识是基于社会情境 的一种活动，而不是一个抽象具体的对象；知识是个体与环境交互过程中建构 的一种交互状态，不是事实；知识是一种人类协调一系列行为，去适应动态变 化发展的环境的能力。个体心理常常产生于构成、指导和支持认知过程的环境 之中，认知过程的本质是由情境决定的，情境是一切认知活动的基础。因此， 在一个真实的环境中进行学习，是学生进行有意义、有目的学习的有效途径， 对学生知识的获得十分重要。 虚拟实验是利用虚拟现实技术仿真或虚构某些情境，供学生观察、操纵、 建构其中的对象，使学生产生一种身临其境的感觉，从而获得体验或有所发现。 如有一个名叫“电子工作台 ( e l e c t r o n i cw o r k b e n c h ，e w b ) 的软件系统允 许学习者利用它提供的元件构造各种模拟电路和数字电路，并能动态地测试电 路的性能。另一个名叫“虚拟青蛙 的解剖实验室，学生可以做非常逼真的 青蛙解剖实验，可“剥开青蛙的皮肤和肌肉观察骨骼，还可“解剖”眼睛和 大脑了解其内部构造。 虚拟实验既符合建构主义学习理论的关于“学习是一种真实情境的体验” 【1 4 】的观点，又符合情境认知学习理论的关于“认知过程的本质是由情境决定 的 的观点。 2 2 虚拟实验系统的含义 目前，对虚拟实验还没有统一的定义和表述。 1 9 9 9 年5 月，在美国爱荷华州立大学举行的虚拟实验室专家会议上的定 义是：虚拟实验室是利用分布式信息通信技术，为研究和创新活动提供远程协 作和实验的一个电子平台【1 6 j 。 从技术层面上来看，虚拟实验是指在计算机系统中采用虚拟现实技术实现 的各种虚拟实验环境，实验者可以像在真实的环境中一样完成各种预定的实验 项目，所取得的学习或训练效果等价于甚至优于在真实环境中所取得的效果 1 7 】 o 从虚拟实验室的功能来看，虚拟实验室是一个创造和引导模拟实验的交互 环境，即实验场所。它由实验所依赖的模拟程序、实验单元、工具和参考资料 组成。用户可以通过增加新的物体、建立新的实验来对实验室进行扩充【1 8 1 。 虽然这些定义的表述各有不同且不够完善，但却从不同的角度揭示了虚拟 1 2 实验系统的内涵，让我们能够更好的把握虚拟实验系统的定义，为我们开发设 计虚拟实验提供了依据。 2 3 虚拟实验系统的分类 根据用户参与虚拟实验形式的不同及沉浸程度的不同，可以把虚拟实验系 统分为以下几类： 1 沉浸式虚拟实验系统。它通常采用洞穴式立体显示装置或头盔显示器 和其他设备把用户的视觉、听觉等感觉封闭起来，产生一个虚拟的感觉空间， 再利用数据手套等传感装置与虚拟空间中的对象进行自然交互，让用户有一种 置身于虚拟境界中的感觉。如飞行模拟训练中使用的模拟飞行舱。这种虚拟实 验系统对硬件的依赖性强，所需的专业设备复杂且昂贵，很难在教育领域推广 普及。 2 桌面式虚拟实验系统。主要是利用计算机及虚拟现实开发软件在显示 器上营造与客观世界类似的环境，用户通过鼠标、键盘等设备，从显示器上观 察和操纵虚拟环境中的对象。这种虚拟实验是一种初级的虚拟状态，用户很容 易受周围环境的影响，沉浸感较弱。但由于其成本相对较低，因而在各领域应 用较为广泛。目前，在教育领域中使用的主要就是这种系统。 3 分布式虚拟实验系统。这种虚拟实验系统是虚拟现实技术和网络技术 发展和结合的产物。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。这 种虚拟实验环境有如下特点： ( 1 ) 分布式虚拟实验环境允许一组分布在不同地理位置上的用户进行实时 交互，这个用户组能同时容纳几千个用户，甚至更多。 ( 2 ) 分布式虚拟实验环境对用户的视觉和听觉来说都应该是三维的。 ( 3 ) 分布式虚拟实验的每个用户在环境中都以替身出现，这个替身或者是 一个自定义的图形描述，或者是用户的视频，或者是两个的组合。 ( 4 ) 用户之间可以交互外，同样可以和其他用户计算机的仿真实验设备交 百。 2 4 虚拟实验的特点 虚拟实验是对真实空间的一种映射，与真实环境中的实验相比，有以下几 个方面的特点： 1 实验环境及设备的虚拟性。 。 在虚拟实验中的实验环境和设备虽然能看到、感觉到，但它们事实上并不 存在，而是由计算机所模拟的设备，依赖的是对实物的模拟，是虚拟的。实验 设备的虚拟性在很大程度上能减少实验设备与空间，节约资金，改善实验条件。 同时，由于实验设备的虚拟性，可以使一些具有危险性、破坏性的实验在虚拟 实验系统中进行，拓展了实验内容的范围。 2 开放性 开放性在这里有两方面的含义，第一是指学生能随时随地自主选择或组合 虚拟实验所需要的环境和条件。这样，远程教育的任何学生能在任何时间、任 何地点选择实验内容、实验仪器设备、实验信息资料、实验同组合作人员、 实验指导教师等，以及取得实验结果的评估，并具有完全的自由度。此外，虚 拟实验对于做了实验后没有掌握的实验过程或实验技术片断的学生，可以自己 方便地多次重复。这样，学生始终处于实验教学的主导地位，掌握学习的主动 权，大大增强了学习效果。第二是指虚拟实验内容和组织形式上的开放。虚拟 实验系统的功能软件的模块化提高了资源的可重复利用率，具有良好的扩充 性，系统的组建灵活简单。 3 实验过程的灵活性。 实验过程的灵活性主要表现为：在虚拟实验的过程中，学生能方便地改变 事物的条件以观察所发生的变化，有利于学生获得丰富的感性认识，便于学生 根据自己的假设分析实验数据。在此环节中并不一定需要一种理论或假设做指 导，但却可能会为某一理论提出某些观点或意见。实验过程的灵活性使得学生 能从实验过程中学习，不仅知道实验的结果，而且能体验知识的发现过程，激 发学生进一步提出问题与寻求解决问题的兴趣。另外，在虚拟实验中，评价的 侧重点不仅仅是实验数据的处理和实验结果，更重要的则是学生是否发展了相 关领域的概念、解决问题的基本技能以及从虚拟向真实情境迁移的能力。 4 超时空性 1 4 指虚拟实验具有超时空的特点，拓展了实验对象的范围。它能够将过去世 界、现在世界、未来世界、微观世界、宏观世界、客观世界、主观世界、幻想 世界等拥有的物体和发生的事件单独呈现或进行有机组合，并提供给实验者进 行实验。比如，虚拟实验室可以构建超越现实时空的环境，如探索星系时的虚 拟太空，研究分子原子结构时的虚拟微观世界，获取人体组织信息时的虚拟人 体的组织和器官之间等等，从而学生能身临上述虚拟环境进行实验。虚拟实验 彻底打破了空间的限制，缩短了实验周期，有利于科学研究的进行。如生物中 的孟德尔遗传定律，用果蝇做实验需要几个月的时间，而通过虚拟实验在一堂 课内就可以实现。 5 形象直观性 指虚拟实验可以做到把枯燥的实验变为形象的实验。例如在虚拟实验室 里进行化学实验，学生将采集到的一个氧原子和二个氢原子结合在一起，眼前 就会出现一个网状的水球，这就是他自己创造的水分子。再如，根据相对论和 量子力学法则，可以模拟宇宙太空和微观的原子世界里发生的情况，学生可以 进入那里，对于实验过程中发生的变化现象取得感性认识。形象性的意义， 在于可以使做实验的学生将许多抽象的学习变成具象的学习、理性的学习变成 体验的学习、想象的学习变为现实的学习、枯燥的学习变成生动的学习等等， 从而轻松有效地从中获取知识。 6 安全性 指在虚拟实验室里做实验比在现实实验室里安全。比如，化学实验中有 些药品具有剧毒、刺激性气味的特性，且有些化学反应比较剧烈，学生在虚拟 实验室里进行这些实验，既可对实验现象和过程进行很好地观察而，又可避免 发生伤害或意外爆炸的危险。学生也可放心地在虚拟实验室里试用新的实验技 术，不用担心发生事故。安全性不仅是对于实验操作人员而言的，它也包括实 验对象、实验环境等，这一点对于生物实验、医学实验、农业实验等特别重要 和特别有意义。譬如，医学院学生可用“虚 的解剖刀在“虚”的人体上解剖， 而无须冒危害真实患者的风险。安全性也使以往一些可能对自然、社会造成很 大影响的实验( 如环保实验、生态实验等) 得以在虚拟实验中实现。 虚拟实验的出现有助于培养学生的学习兴趣，拓宽学生的知识面，有效地 支持理论学习。在虚拟实验中如果学生能把虚拟环境与真实的相比较、在合作 的基础上进行探究等，必将产生很大的教育价值。 2 5 虚拟实验的技术背景 建立虚拟实验所包含的技术主要有以下几个方面： 1 三维建模技术 三维建模是虚拟实验开发的前提和基础，建模的好坏将直接影响到生成的 三维场景的显示质量。一般情况下，建模越精细，建模文件就越大，耗费的成 本也越多。目前，实现虚拟场景建模的方法主要有以下两种：一种是基于计算 机图形学的三维几何模型建模( g e o m e t r y b a s e dm o d e l i n g ) ，又称为基于图形 的建模( g r a p h i c s b a s e dm o d e l i n g ) ，即传统的建模方法，另一种是近几年发 展起来的基于图像的建模( i m a g e b a s e dm o d e l i n g ) 技术，它采用待建三维虚 拟空间的多幅图像样本，在一定的图像处理算法和视觉计算算法的基础上来构 造三维场景。基