（计算机应用技术专业论文）远程教育中的虚拟实验室研究.pdf

模， 行为建模是实 现其真实性的关键。 接着， 本文分析了v r ml 动画的流程， 对 v r ml中的动画进行了分类，即分为插值器动画、 视点动画和帧动画， 讨 论了它们各自的实现原理和方法。 接着， 详细讨论了虚拟实验中用v r ml实 现交互功能的方法，指出要完成虚拟实验的简单交互功能，可以利用传感器 节点实 现， 要实 现复 杂的 交互功能， 需要j a v a 与s c r i p t 节点、 e a i 的 相互 配 “ 通 过 以 上 分 杯 森 得 出 在 远 程 教 育 中 建 立 虚 拟 实 验 室 必 要 而 且 可 行 的 结论， 同时对如何将虚拟现实技术引入到虚拟实验室中， 如何用v r m l 设计 虚拟实验提出了一些方案。最后，对全文进行了总结，指出了进一步努力的 方向。 关键词:远程教育、虚拟实验室、虚拟实验、虚拟现实、虚拟现实建模语台 硕士学位论文 ma s t e r s ni g s i s ab s t r a c t 峨 wi t h t h e d e v e l o p m e n t o f t h e t im e s , d i s t a n c e e d u c a t i o n h a s b e e n t u r n i n g i n t o i m p o rt a n t c o m p l e m e n t o f t h e t r a d i t i o n a l t e a c h i n g g r a d u a l l y . t h e d e v e l o p m e n t o f d i s t a n c e e d u c a t i o n h a s e x p e r i e n c e d t h r e e s t a g e s : t h e b r o a d c a s t t e a c h i n g , t e l e v i s i o n t e a c h i n g a n d n e t w o r k t e a c h i n g . c o m p a r e d w it h t r a d it i o n a l t e a c h i n g , n e t w o r k t e a c h i n g h a s i n t e r a c t i v i t y a n d p e r f o r m s p l e n t i f u l l y , m a k in g f u l l u s e o f t h e a d v a n c e d t e a c h i n g m e a n s , s u c h a s i m a g e s , s o u n d a n d a n i m a t i o n . i t r e p r e s e n t s t h e d i r e c t i o n o f t h e f u t u r e r e m o t e e d u c a t i o n d e v e l o p m e n t . a l a r g e n u m b e r o f c o u r s e s , e s p e c i a l ly e n g i n e e r in g c o u r s e s u s u a l l y r e q u i r e t h a t s t u d e n t s d o a l o t o f e x p e r i m e n t s t o d e v e l o p t h e i r a b i l it y o f o p e r a t i o n a n d o b s e r v a t i o n . s o h o w t o h e l p s t u d e n t s d o e x p e r i m e n t s o n n e t w o r k a n d b u i l d u p a v i rt u a l l a b o r a t o r y o n i t i s b e c o m in g a n i m p o rt a n t s u b j e c t . t h i s a r t i c l e , f i r s t o f a l l , p r o p o s e s t h e s t r u c t u r a l m o d e l o f t h e v i rt u a l l a b o r a t o r y b a s e d o n w w w, a n d a n a ly z e s t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e v i rt u a l l a b o r a t o r y , t h e m a j o r f u n c t i o n s o f i t , a n d s o m e c r i t i c a l t e c h n i q u e s . i t a l s o c l a s s i f i e s t h e v i rt u a l l a b o r a t o r y , i n t r o d u c e s t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e v i rt u a l e x p e r im e n t s , a n d p u t s f o r w a r d a c o u p l e o f k e y p r o b l e m s a b o u t h o w t o p e r f o r m v i rt u a l l a b o r a t o r y , i n c l u d i n g t h e d e s i g n o f v i rt u a l i n s t r u m e n t , t h e o p e r a t i o n o f v i rt u a l e x p e r i m e n t s a n d t h e d e m o n s t r a t i o n o f e x p e r i m e n t . t h e n , t h e a rt i c l e ana l y z e s t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f j a v a , f l a s h a n d v r ml , t h e t o o l s o f d e s i g n i n g v i rt u a l e x p e r i m e n t s , p o i n t i n g o u t t h e r e a s o n s w h y t h e y a r e s u i t a b l e f o r d e s i g n i n g v i rt u a l e x p e r im e n t s , a n d a l s o c o m p a r e s t h e a d v a n t a g e s a n d d i s a d v ant a g e s r e s p e c t i v e l y . i n o r d e r t o e n h anc e t h e r e a l i t y o f v irt u a l e x p e r im e n t s , t h e a u t h o r e m p h a s i z e s h o w t o a p p l y v i rt u a l r e a l i t y t o t h e v i rt u a l e x p e r i m e n t s . i n c h a p t e r f o u r , t h i s a rt i c l e r e v i e w s t h e h i s t o r y o f v i rt u a l r e a l i t y , ana l y z e s t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e v i rt u a l r e a l i t y and a l s o i n t r o d u c e s t h e h a r d w a r e e q u i p m e n t s o f v i rt u a l r e a l i t y and t h e p l an o f r e a l i z a t i o n . h o w e v e r , t h e p r i c e s o f t h e s e e q u i p m e n t s a r e s o e x p e n s i v e t h a t any i n d i v i d u a l and g r o u p c an t a f f o r d t h e m . i i i t h i s r e s t r i c t s t h e a p p l i c a t i o n o f v i rt u a l e x p e r i m e n t s . t o a p p r o a c h t h i s p r o b l e m , t h e a rt i c l e a d v o c a t e s a s t r a t e g y t h a t a v i rt u a l l a b o r a t o r y i s b u i l d u p b ase d o n s o ft w a r e p r o g r a m c r e a t i o n . b y t h i s m e a n s , t h e m e n c a n g e t a w a y f r o m c o u n t i n g o n e x p e n s i v e e q u ip m e n t s , a p p r e c i a t e t h e e x p e r i m e n t p r o c e s s a t p c , a n d e v e n c a r r y o u t t h e e x p e r i m e n t s .t h e m a i n t o o l i s v r ml . t h e a rt i c l e a n a l y z e s t h e v r ml l a n g u a g e c h a r a c t e r i s t i c s , a n d p o i n t s o u t t h e r e a s o n w h y v r ml i s s u it a b l e f o r d e s i g n i n g v i rt u a l e x p e r i m e n t s i n t h e s u b s e q u e n t s e c t i o n , t h e a rt i c l e d i s c u s s e s i n d e t a i l s o m e k e y t e c h n i q u e s t o c a r r y o u t v i rt u a l e x p e r i m e n t s b y m e a n s o f v r ml , f o r i n s t a n c e , t h e m o d e l i n g o f v i rt u a l e q u i p m e n t s , t h e m a i n m e t h o d s o f c o n f o r m i n g a n i m a t i o n b y u s in g v r ml , a n d h o w t o r e a l i z e i n t e r a c t i v i t y i n v i rt u a l e x p e r i m e n t s . t h e m a in m o d e l i n g m e t h o d s o f v i rt u a l e q u i p m e n t s i n v i rt u a l e x p e r i m e n t s i n c l u d e : g e o m e t r i c a l m o d e l i n g , p h y s i c a l m o d e l i n g a n d b e h a v i o r a l m o d e l i n g . b e h a v i o r a l m o d e l i n g i s t h e k e y t o o b t a i n t h e a c q u i s i t i o n o f t h i s t h i r d d i m e n s i o n . t h e n , t h i s a rt ic l e a n a l y z e s t h e p r o c e s s o f v r ml a n i m a t i o n , c l a s s i f i e s t h e a n i m a t i o n i n v r ml , w h i c h i s i n t e r p o l a t o r a n i m a t i o n , v i e w p o i n t a n i m a t i o n a n d f r a m e a n i m a t i o n , d is c u s s i n g t h e p r i n c i p l e s a n d m e t h o d s r e s p e c t i v e l y . t h e n , t h e a r t i c l e d i s c u s s e s i n d e t a i l h o w t o r e a l i z e i n t e r a c t i v i t y i n v i rt u a l e x p e r i m e n t s b y m e a n s o f v r ml , p o i n t s o u t t h a t t o r e a l iz e t h e s i m p l e i n t e r a c t i v i t y c a n m a k e u s e o f t h e s e n s o r n o d e s . a n d t h e m e n c a n g e t t h e c o m p l i c a t e d f u n c t i o n b y c o o p e r a t i n g w i t h j a v a s c r i p t n o d e s a n d e a i . i n c o n c l u s i o n , t h e p a p e r p u t s f o r w a r d t h a t t o b u i ld u p v i rt u a l l a b o r a t o r y i n d i s t a n c e e d u c a t i o n i s n o t o n l y n e c e s s a r y b u t a l s o f e a s i b l e . wh a t s m o r e i t d i s c u s s e s h o w t o i n t r o d u c e v i rt u a l r e a l i t y t e c h n i q u e s i n t o v i rt u a l l a b o r a t o ry a n d u s e v r ml t o d e s i g n v i r t u a l e x p e r i m e n t s , e t c . f i n a l ly , t h e a u t h o r s u m m a r i z e s a l l t h e m a j o r p o i n t s o f t h e t h e s i s , a n d p o i n t s o u t t h e d i r e c t i o n o f r e s e a r c h . k e y w o r d s : d i s t a n c e e d u c a t i o n , v i rt u a l l a b o r a t o ry, v i rt u a l e x p e r i m e n t , v i rt u a l r e a l i t y , v r ml i v 硕士学位论文 m a s t e r s t i i g s i s 第一章概述 1 . 1 远程教育的发展历史 远 程 教 育 ( d i s t a n c e e d u c a t io n ) 15 1 的 概 念出 现于 十 九 世 纪 初 ， 原 指的 是 有 别 于学校教育的自 修教学， 后来泛指教师与学生不在同一地点 进行的教学【 3 8 1 . 最初的远程教育是函授教育;此后出现了由广播电台传播信息的广播大学; 当电视普及以后，电视大学应运而生。在上述三种远程教育方法中，以电视 大学的教学方式最优。 学生不仅能听到声音， 而且可以 看到图像。 我国从1 9 7 8 年开通电视大学至今，己有数以百万计的人接受了这种教育。但是，电视大 学作为一种教学方法，也有其不足。首先，这种方式不灵活、不方便，授课 须定点定时;其次电 视教学是单方向的，学生只能被动地接受知识，缺乏师 生之间的双向交流，学生提出的问题也不能及时得到解答。 随着计算机网络的普及，我们己经可以利用网络作为教学传播媒介。函 授、广播、电视等远程教育模式的所有功能，在因特网上均能轻易实现。只 要建立一个教育网站，用户就可以不受时空的限制，通过访问教育网站接受 到远程教育。 多媒体远程教育系统在一定程度上弥补了电视大学的某些不足， 学习者能够利用 i n t e rn e t 主动查询自己感兴趣的知识，教师也可以利用发送 电子邮件、在线答疑等方式解答学生提出的问题。但目 前网络远程教育大多 不能实现实验操作，使其教学方式受到很大的限制。实验教学是许多学科特 别是理工科教学中的重要环节之一， 实验教学相对于理论教学更具有直观性、 实践性和创新性。实验教学在加强学生素质教育与培养创新能力方面起着重 要作用。 基于因特网的虚拟实验室的出现， 将远程教育提升到更高的层次上。虚 拟实 验室 是 今 后的 远 程教 育 发 展 主 流的 必要 成 份。 w w w ( w o r l d w i d e w e b , 全球网 ) 模式的虚拟实 验室是以因特网为桥梁， 跨越教师和学生在时间和空间 上的距离，突破传统面对面课堂教学方式的限制，将授课实验室延伸到因特 网所覆盖的任何一个场所的一种新的教学模式。它对提高教学水平具有很大 的促进作用。它的产生向人们展示了信息时代一种全新的教育方式和科学研 究方式。网上虚拟实验室的出现，使远程教育更趋完善，也使远程教育成为 真正的e - l e a r n i n g ( 网络学习) 。 1 . 2 虚拟实验室在国内外发展现状 虚拟实验室( v ir tu a l l a b o r a t o r y ) 概念， 最早 在 1 9 8 9年由美国的 w i l l i a m w o l f 教授提出， 用来描述一个计算机网络化的虚拟实验室环境。 美国国家研 究委员会的定义 s 7 为:虚拟实验室是一个无墙的中心。 研究人员能在其中从 事科学研究和工程设计，不必顾及地理位置的限制，实现同行间、同事间的 互动;共享仪器、设备、数据、计算资源以及数字图书馆的信息。该定义强 调三个方面的问题:一是现代实验室应当是一个无墙的中心，这个中心可以 有逻辑上的限制， 但没有物理空间的限制， 其基础是i n t e r n e t ; 二是协同工作 环境，即计算机支持的协同工作环境:三是充分地实现资源共享。 虚拟实验室概念的提出至今仅为十余年的时间， 但因其广阔的应用前景， 各国均在大力开发，已经取得了一些进展。越来越多的科学家正投身于虚拟 实验室的研究工作中来。 例如，美国巴 尔的摩( b a l t i m o r e ) 约翰霍普金斯大学 的化学工程系的卡尔威教授( p r o f e s s o r m i c h a e l k a r w e i t ) 在电 脑网 络上建立了 一个“ 虚拟实验室” ， 在电脑上模拟各种实验， 让工程系的学生可以通过电脑 网络来做实验，尝试解决工程上遇到的各种问题;德国的汉诺威大学建立了 虚拟自动化实验室;西班牙大学电子系开发了电子仪器虚拟工作平台;意大 利帕瓦多大学建立了远程虚拟教育实验室。 在国内，虚拟实验室的建设也得到了应有的重视。目前，己有部分高校 初步建立了虚拟实验室。例如:清华大学利用虚拟仪器构建了汽车发动机检 测系统;华中理工大学机械学院工程测试实验室将其虚拟实验室成果在网上 公开展示，供远程教育使用;四川联合大学基于虚拟仪器的设计思路，研制 了“ 航空电台二线综合测试仪” ， 将8 台仪器集成于一体， 组成虚拟仪器系统; 淮海工学院电子工程系创建的虚拟实验室，主要用于辅助实验教学，学生通 过 we b浏览器可以查阅和学习相关器件、仪器设备资料及使用方法，以及 相关实验项目 和实验方法.学生的实验报告可以通过本网络来上传给任课教 师，以便批阅:中国科学技术大学人工智能与计算机应用研究室最新研制出 我国第一套虚拟现实教学软件“ 几何光学实验设计平台” 。该系统完成了 光学 虚拟实验室的设计，通过实验所提供的一系列光学仪器，学生可以基本上完 成所有的单透镜实验和组合透镜实验，并且提供了完整的文档和习题系统。 1 .3 远程教育中虚拟实验室的特点 随着我国高等教育体制的深化改革以及招生规模的不断扩大，学生规模 急剧膨胀的普通高等院校普遍陷入了实验教学的困境。特别是一般工科院校 由于底子薄、基础差、经费紧张，实验室建设规模严重滞后于迅速膨胀的学 生规模。 因此， 必须对实验教学进行全面彻底改革， 改变传统实验教学模式， 计算机虚拟实验室为实验教学提供了一种新的解决方法。 虚拟实验室具有传统实验室无法比 拟的特点， 决定了它在科研、 教育( 特 别是远程教育) 中良 好的应用前景。 1 ) 经济性。 传统实验需要借助于具体的实验设备， 在实际操作中， 一些 实验设备价格昂贵，损耗大，实验成本高，这对于实验经费不足的地方院校 而言，是难以承受的。而网络中的虚拟设备不存在着磨损、破坏，可反复使 用。既满足了教学要求，又能提高办学效益。 2 ) 开放性。 网 上实验打破了 传统实验的模式， 实验者不再受到时间、 空 间上的制约，可随时、随地进入虚拟实验室网站，选择相应的实验，进行虚 拟实验操作。实验者还可根据需要，选择不同的实验伙伴，共同完成实验。 3 ) 针对性。 在网上进行试验， 可以 将实验现象、 实验结果重点突出， 而 将与此无关的细节忽略掉。利用计算机的模拟功能、动画效果能够实现缓慢 过程的快速化或快速过程的缓慢化，使学生加深理解。另一方面，实验者可 随时控制实验的进展情况，实验中相应的数据也可按其需求反馈给操作者。 4 ) 安全性。 一些实验比如化学实验危险性比较高， 若操作疏忽， 容易对 操作者造成危害，而在网上进行实验却无任何危险。对有毒有害、污染环境 和破坏性实验，也可在虚拟实验室内完成。 1 .4 全文的主要内容简介 首先，在第一章概述中，对远程教育的发展历史作了一个回顾，明确了 在远程教育中建立虚拟实验室的必要性。 然后介绍了虚拟实验室的研究现状， 分析了虚拟实验室的功能特点和应用前景。 在第二章中， 探讨了基于www的虚拟实验室模型， 虚拟实验室的主要 功能和实现虚拟实验室的几项关键技术。同时对虚拟实验的特点、分类及其 制作中的关键因素进行了分析。 接着在第三章中，介绍了 适合虚拟实验的两种制作工具j a v a 和 f l a s h , 分析了它们适合制作虚拟实验的原因，以及制作虚拟实验的方法，提出了把 虚拟现实技术引入虚拟实验中的必要性。 在第四章虚拟现实与虚拟实验中，介绍了虚拟现实的发展历史、特点， 分析了用虚拟现实技术实现虚拟实验的优势，最后介绍了虚拟现实建模语言 vrm l. 在第五章中，详细说明了用虚拟现实技术实现虚拟实验的方法，具体包 括:虚拟实验中的建模， 用v r m l实现实验现象的演示，用v r ml实现虚 拟实验的交互功能等。 在第六章结论与展望中，对全文的研究工作进行了总结，指出了下一步 努力的方向。 虚拟实验室是信息时代的产物，它在教育、科研领域中具有广阔的应用 前景。在网上进行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变革，同时也将促进教学内容与教学方法的变革。 第二章 虚拟实验室 2 . 1 基于www的虚拟实验室模型 基于远程教育中虚拟实验室的重要性，各院校纷纷组建自己的虚拟实验 室，开展网上实验。其实虚拟实验室可以统一建立，比如由国家、教育部或 省、学会出面组织，集中人力、物力建立各个专业的虚拟实验室。例如:电 工电子虚拟实验室、 化学虚拟实验室等。 这样既可充分实现资源的共享，避 免重复开发，又可保证虚拟实验室的质量。 目前， 远程教学的实现形式主要有两种， 一种是基于视频会议技术的实时 交互式系统，它是传统教学模式的异地延伸。在国家教育部正式批准的首批 开展现代远程教育试点的四所院校( 清华大学、 浙江大学、 北京邮电大学和湖 南大学) ， 都主要采用了这种远程教学模式:远程教学的另一种实现形式是基 于w w w 网络的异步多媒体教学模式。 在第二种教学模式中， 教学活动可以真正 做到不受时间和地点的限制， 学员可以随时随地通过互联网络进行学习。 这种 模式同时实现了个别化教学和交互式教学， 学生可以根据自己的需要决定学 习的内容和学习进度，能利用网络与教师和同学进行交流，真正实现了学生 的主体性地位。异步多媒体教学模式代表了未来远程教育的发展方向。 这里讨论www 模式的远程虚拟实验方式， 在因特网上创办实验教学 基地。学生可以利用任何一个联网计算机终端浏览、学习演示实验的内容， 进行虚拟实验。基于 www 的虚拟实验室模型如图2 . 1 所示。www 模式 的虚拟实验室系统包括计算机通讯网络、www 浏览器/ 服务器、虚拟实验 室几大部分。 ( 1 ) 计算机网 络 计算机通讯网络可直接利用国内己建成的教育科研网、邮电网和金桥网 等公共计算机网络作为信息交换渠道，由于网络速度的限制，建议在校园网 进行。如果其他学校要进行实验，可申 请在本校建立相应的镜像站点，以加 快仿真实验的速度。 ( 2 ) w e b 服务器 5 虚拟实验室 图2 . 1 基于ww ww的虚拟实验室模型 通过we b 服务器，用户可以访问we b 站点， 控制虚拟仪器， 并且获得实 验结果。 公共网关接口 ( c g d 和传输控制协议( t c p ) 是客户端与w e b 服务器以 及w e b 服务器与虚拟实验室之间的主要通讯方法。 c g i 以超文本传输控制协 议( h t t p ) 为基础， 它规定了在w e b 服务器、 用户浏览 器和应用程序之间的数 据交换格式。用户向服务器端发送c g请求，we b 服务器接收到来自 用户端 的请求和控制参数后， 将这些参数传送给c g i 程序。 由c g i 程序决定参数是 否被接受。 如果参数是可接受的， c g i 程序将建立起w e b 服务器与客户端以 及 w e b 服务器与实验室服务器之间的t c p连接。反之，c g i 程序将返回错 误信息给用户端。 通过w e b 浏览器，实验者可实时浏览实验现象，进行实验操作。 ( 3 ) 虚拟实验室 虚拟实验室 ( 指的是为远程教育服务的虚拟实验系统) 主要由虚拟仪器、 虚拟实验平台和虚拟实验组成。虚拟实验室是由一系列虚拟实验组成的。所 谓虚拟实验是指在计算机系统中采用各种技术实现的一种虚拟实验环境，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。在虚拟实验中，每个 虚拟实验要完成的功能各不相同。但它们往往要用到相同的实验仪器，如果 单独为每个虚拟实验都制作虚拟仪器，不仅费时费力，而且需要用户适应同 一仪器的不同变形，不同使用方法，人为地给用户制造障碍.我们可以将这 些常用的仪器，仪表集中起来组成一个虚拟仪器库。每次做实验时，实验者 可以在仪器库中提取需要的实验器材。另一方面，我们可以将制作优秀的虚 拟实验加入到虚拟实验室中，以达到资源的共享。虚拟实验平台就是给学生 提供一个虚拟、逼真的实验环境、实验所用的各类仪器设备，使学生在此环 境下完成实验的全过程， 最后通过仿真得到实验结果及相关数据; 2 .2 虚拟实验室的主要功能 ( 1 ) 管理虚拟仪器和实 验的 功能。当 今正处于知识 爆炸的 时 代， 远程教育 中的实验内容不断变化。远程教育中的虚拟实验室应能添加、修改和删除虚 拟仪器和虚拟实验，以使虚拟实验系统适应实验教学的要求。 ( 2 ) 实验功能。 这是虚拟实验室的核心功能。 每一个典型实验在结构上又 包括:实验仪器设备、实验内容步骤、实验目 的原理和实验报告几部分。其 中，实验仪器设备主要是对实验过程中所用的各类仪器的功能及使用方法进 行介绍;实验内容步骤包括实验的内容以及实验实施的具体步骤;实验目的 原理部分详细介绍该实验的主要目的、要求等;实验报告是一个电子实验报 告生成系统， 实验过程中记录的实验数据、 现象和波形等可以 直接进入实验报 告中， 并且可对实验数据进行分析处理， 绘制各种实验曲线， 最终生成规范的 实验报告。 ( 3 ) 安全机制。 安全性是开放、 透明、 资源共享的 合作环境所必需的保障 条件。虚拟实验室采取必要的措施和技术手段维护系统软件、硬件以及用户 知识产权的安全。通常采用用户鉴别注册、权限验证技术、邮件、文献加密 技术等手段保证系统的安 全性。具有安全措施的虚拟实验室，系统能够做到 拒绝非法访问者进入虚拟实验室， 也可以将合法访问者的不当操作及时中止。 例如采用登录机制，用户进入虚拟实验室，首先必须登录，以核对用户的使 用权限。 这样一方面可以阻止非法用户的入侵; 另一方面可针对不同的用户， 赋予不同的使用权限。例如:教师用户可以将自己创建的虚拟实验上传给数 据库，以充实虚拟实验室的内容。而学生用户则无此权限。 ( 4 ) 保存功能。 保存功能是指用户在实验结束后， 可以 将实验的结果保存 下来。或用户开始实验后临时有事离开，而实验尚未结束，可将当前的实验 状态保存下来。下次做实验时，接着进行而无需从头操作。 ( 5 ) 协同工 作环境。 虚拟实验室应该为用户提供相互交流的工具。 用户间 的交流可以 简单 地通过文本的形式来实现， 如在j a v a a p p l e t 界面中 包含接收 对话框和发送对话框。 而对一个大型的实验， 则应能使多个实验者协作分工、 共同完成。 ( 6 ) 成绩管理功能。 在远程教育中， 学生做完实验后， 能够将实 验报告提 交给教师。教师对学生完成实验的情况进行记载，并给出相应的反馈意见。 2 . 3 实现虚拟实验室的关键技术 ( 1 ) 虚拟现实 技术与仿真技术 要使虚拟实验变得更加真实，在虚拟实验室中引入虚拟现实技术是非常 必要的。一个虚拟现实系统没有仿真是不可能再现相同或类似于真实世界的 特征的，也就是说虚拟现实技术需要仿真技术支持来模拟自 然世界并确定虚 拟世界的状态，可以说仿真是虚拟现实系统的核心。仿真是一门利用计算机 软件模拟实际环境进行科学实验的技术，从模拟实际环境这一点看，仿真技 术与虚拟现实技术有一定的相似性，但在存在感方面，仿真软件基本上把用 户视为“ 旁观者” ， 可视场景不随用户的视点变化， 用户也没有身临其境的感 觉;在交互方面，仿真软件不强调交互的实时性。这些都可以用虚拟现实技 术加以弥补。例如:在传统上，仿真结果是以曲线形式来显示，大量三维数 据的自 然显示、观察和理解是一个瓶颈问题。将虚拟现实技术与仿真技术结 合起来， 利用虚拟现实建模语言v r ml不仅可以方便地实现曲面等三维图形 的显示，而且还可以利用浏览器从各个角度去观察和理解它。 ( 2 ) 网络技术 虚拟实验室的本质是一个无墙的中心，基于计算理论与远程控制技术， 在网络环境下协同工作，实现虚拟实验与设计，实现充分的资源共享。因此 虚拟实验室的研究还应包括以下几方面:一是如何构建一个基于 i n t e m e t 的 协同工作环境;二是如何实现基于 i n t e r n e t 的远程实时控制和监视。具体而 言，实验者身份的确定，网络流量的监控，实验者相互间的协作配合等等， 这都是涉及到网络技术方面的问题。 ( 3 ) 多媒体技术 对于实验原理、 实验目的以及实验内容的讲解和实验仪器的介绍， 都必须 采用多媒体技术。多媒体技术的应用主要包括多媒体制作、编辑和压缩三个 方面。在开发设计中可使用包括文本、图形、图像、动画、视频、音频等多 种多 媒 体 数 据 制 作 技 术 ，运 用p h o t o s h o p , 3 d s m a x , f la s h , f r o n t p a g e 等 制 作工具。 在网络环境下使用多媒体技术，一个重要的前提就是在使用者能接受的 品质下，将庞大的多媒体信息进行最大程度的压缩。对使用的图片，可先用 p h o t o s h o p 对其 进行必要的 效果处理， 再 将其 压缩输出 为j p g 格式。 对于音频 和视频的压缩， 主要借助p r e m i e r e , v i d e o s t u d i o 在不影响播放效果的前提下， 将其压缩为mp e g格式。 2 . 4实现虚拟实验室的几个关键问题 组建虚拟实验室的目的就是进行虚拟实验。而进行虚拟实验首先要有虚 拟仪器，因此如何制作虚拟仪器和虚拟实验是构建虚拟实验室要考虑的关键 问题。 1 虚拟仪器的制作。 虚拟器件的制作我们主要考虑两方面:一是它呈现给实验者的外观，即 它外在的几何特征 ( 长、宽、高、颜色等) ;另一方面，更重要的是虚拟元器 件要能反映真实器件本身内在的物理 ( 如质量、密度、速度等)或化学 ( 如 氧化型等)特性。即虚拟对象的建模问题。这个问题将在后面具体讨论。 2 . 虚拟实验的制作 虚拟实验的制作必须考虑用什么工具制作和如何制作的问题。虚拟实验 的制作工具和方法是由虚拟实验的特点决定的。 网上虚拟实验有以下特点: 首先网络环境复杂， 带宽差异很大。 从m o d e m方式拨号上网的5 6 k , i s d n 的6 4 k , 1 2 8 k 到a d s l 上网的 下行最高 速率 达到8 m b p s ， 上行达到1 m b p s , 此外还有通过局域网上网的。这就要求设计网上实验必须考虑实验者的网络 环境，大多数实验者的上网方式，从而确定实验的制作方法，以及与实验者 的交互方式。其次，与传统实验截然不同，网上实验中，实验的仪器、材料 都是虚拟的，不是真实存在的。因此，如何构造一个相对真实的环境，让实 验者就像在一个真实的实验室中做实验，是一个极其重要的课题。最后，网 上实验的目的是为实验者提供一个虚拟的实验室环境，应该给实验者充分动 手操作的机会。 网上实验包含两类:一类是 “ 演示型”实验，只对实验现象进行演示， 实验者仅为观众;另一类是 “ 操作型”实验，实验者亲自 参与实验，是实验 的主导者。设计演示型实验可采取多种方法。例如把真实的实验用摄像机拍 摄下来，然后转换成 a v i 或其它格式的文件供下载播放，许多教学软件都采 用这种方式。也可用fl a s h 或其它多媒体软件如3 d制作动画进行演示。 操作型实验的制作就要复杂一些，主要涉及到以下几个问题: ( 1 ) 实验现象的 演示。 即在 特定的事件发生时， 如何调出 相应的事件， 动 画是如何触发，如何实现的。 ( 2 ) 虚拟仪器操作的实 现。 如虚拟仪器的移动、 放置等。 即如何实现用户 与虚拟仪器之间的交互。 本文重点要解决的就是实验现象的演示、虚拟实验中交互功能的实现以 及虚拟仪器的建模，这些问题在后面几章都要具体讨论。下一章将首先讨论 制作虚拟实验的工具。 第三章 虚拟实验的制作工具 网络教育的重要性越来越受到人们的重视， 基于 we b的网络多媒体实 验教学软件的设计与开发迫在眉睫。原来我们开发多媒体软件的工具如 a u t h o r w a r e , v b . d i r e c t o : 等， 开发出的软件动辄几十兆、上百兆， 若 想应用于制作虚拟实验，对于目前网络的状况来说，无疑是不现实的。 虚拟实验的特点，决定了适合制作虚拟实验的工具必须具有以下特征: 首先，虚拟实验在网上运行，决定了由设计工具制作出来的文件占据的存储 空间必须少;其次，要对实验现象进行演示，即实现动画。决定了设计工具 必须支持多媒体属性，对图像、声音都支持;最后，要实现实验者对虚拟仪 器的操作，决定了用设计工具设计出的对象必须支持交互性。 j a v a . f l a s h和 v r ml都是符合上述要求的语言，因此用它们制作虚拟 实验是可行的。 3 . 1 用j a v a 设计虚拟实验 3 . 1 . 1 j a v a 语言是一种适合网上编程的语言 j a v a 语言有三个最主要的特征: ( i ) 平台 独立性。 我们知道， 运行在u n i x平台上的程序是无法直接运行在 wi n d o w s 环境下的， 这是因为它们所基于的硬件和操作系统不同。 所以， 要 想使一个运行在u n i x平台上的软件能够运行在wi n d o w s 平台上， 就需要开 发人员对这种软件进行移植。然而移植的代价通常较大，不仅会消耗大量的 人力物力，而且很可能使这个在原来运行平台上非常不错的软件变得平庸。 j a v a 语言是一种解释执行的语言， 在用j a v a 语言编写完程序之后， 首先把源 代码编译成一种特殊的独立于平台的机器码， 即j a v a 字节码， 然后由虚拟机 负责解释执行字节码。我们只需针对各种平台编写各种虚拟机，就可以使字 节码在各种平台上由各自的虚拟机解释执行，从而实现平台独立性。 ( 2 ) 安全性。 网 络安 全性一直是非常令 人头 痛的问 题， 尤其是在 i n t e rn e t 上。 如果用来编程的语言没有良 好的安全性， 那么就会造成很大的损失。 j a v a 语言在设计时就考虑了程序的安全性问题。 例如:在运行时，j a v a 字节码被 u 严格限制在特定的内存区域内，任何对这个内存区域之外的访问都是被禁止 的，甚至对于一些基本资源 ( 例如本地的文件)的访问都被禁止了。 ( 3 ) 面向 对象的 特征。 j a v a 是一 种面向 对象的程序设计语言， 用它编写的 程序具有可重用性、可扩展性、可管理性。 正是以 上特征， 使得j a v a 语言非常适合于i n t e r n e t 编程。 3 . 1 .2 用j a v a 实现虚拟实验中的动画 任何形式的动画都有其共同之处， 即都是通过以高速连续不断地显示画 面而获得动感。 传统的手工动画使用每秒8 帧( 8 个画面) ， 计算机动画通常使 用每秒 1 0 2 0 帧。 电影和电视的画面可以理解为一种动画显示， 它们一般以 每秒2 4 帧的速度显示图象， 利用人眼的暂停效应， 产生一个连续的动作显示 过程。因此， 动画的本质是运动的图形， 只要动画的速度( 帧速度) 足够快， 则 分散的静态图形就会合井为一个连续运动的流程。 j a v a 动 画的 实 现， 首 先 用j a v a .a w t 包中g r a p h ic s 类的d r a w lm a g e ( ) 方 法 在屏幕画出图像， 然后通过定义一个线程， 让该线程睡眠一段时间， 到时再切 换成另外一幅图像。如此循环，从而达到显示动画目的。 使用j a v a 语言设计动画程序，需进行如下工作: ( 1 ) 创建动画内 容， 即每帧图像，以 便于在 p a i n t ( ) 方法中 将每一帧的画面 画出来。 ( 2 ) 编写连续显示各帧的代码。 在循环中， 程序应重复做以 下事情: 调用 r e p a i n t ( ) 方法， 使p a i n t ( ) 方法得以 被调用， 相应延迟一段时间，增加当前帧 号。 下面为编程实例。 i m p o r t j a v a . a p p l e t . a p p l e t ; i m p o rt j a v a .a w t * ; p u b l i c c l a s s s h o w a n i m a t o r e x t e n d s a p p l e t 毛 i m a g e m i m a g e s ; t o t a l i m a g e s = 1 2 ; c u r e n t l ma g e = 0 ; / / 保存图片序列的i m a g e 数组 / 图片序列中的图片总数 刀 当前时刻应该显示的图片序号 1 2 走. nn :且.勺二 p u b l i c v o id i n