（机械电子工程专业论文）基于vrml技术的虚拟实验研究及实现.pdf

浙江大学硕士研究生论文摘要 摘要宰 计算机网络技术、多媒体技术的蓬勃发展，有力地推动了国内外远程教学、 计算机辅助教学的发展。本课题系统地讲述了远程教学走过的各个历史发展阶 段，针对远程教学中虚拟实验这一技术难点，结合当前信息网络技术的实际应 用情况，并参考了前人在这方面的经验，提出了基于i m l 技术实现网络虚拟 实验的具体方案。在浙江大学教务部与浙江大学流体传动及控制国家重点实验 室的大力资助下，成功地实现了液压系统节流调速实验的虚拟。在这个虚拟实 验台架上，异地的实验者可以通过i n t e m e t ，i n 啪e t 远程访问，完成液压系统节 流调速实验，基本上达到了远程教学的要求。 本课题首先阐述了国内外远程教学的发展，计算机辅助教学的发展以及虚拟 实验技术的发展和应用情况。接着研究了架构虚拟实验的几种可行方案，着重 讨论了基于v r m l 技术的实现方法，并引出采用此方案的特殊意义。以液压系 统节流调速实验为实例，对如何建立网络虚拟实验作了详尽的探讨： 1 ) 应用v r m l 技术，并巧妙地结合3 d sm a x 强大功能，对节流调速实验台 系统进行了3 d 模型的设计。由于t m l 的跨平台性及多种常用浏览器( 如： m 、n e t s c 叩en a v i g a t o r 等) 的支持，为满足各种不同的实验用户奠定了坚实 的基础； 2 ) 研究了用户和v r m l 世界的交互方法。v 】蝴l 可以在浏览器环境中为3 d 实验台模型添加多种感知器，能够良好地感知操作者的各种意图；在v r m l 和j a 、，a 技术的接口中，可以利用j a 、，a 程序代码来完成一些复杂的任务， 从而实现了实验的交互：实验者感知实验台的各种仪器，程序完成相应的任 务，然后返回相应的结果； 3 ) 仔细研究了节流调速实验的液压回路原理，对实验过程建立了相关数学模 型，进行仿真分析并获得了仿真结果，实现了基于模型驱动方法的虚拟实验： 4 ) 实验台远程访问的实现。运用w l 和j a 、，a 的跨平台性，特别是j a 、，a 的 字节码无需重新编译这一特性，远程的客户机可以通过h e m e t 在本地浏览 器上直接访问。 究。 最后对本课题的发展做了一个展望，特别是在协同实验方面有待于深入的研 关键词：远程教学虚拟实验v r ，感知器j a 、，a 模型驱动 t 本课题获浙江大学教务部资助 基于v r m l 技术的虚拟实验研究及实现 浙江大学硕士研究生论文 a b s l 限a c t a b s t r ac t 1 h er a p i dd e v d 叩m e n to ft e c l l n o l o g yo fn e 伸。尚卫ga di i n l l n 础m aa c c e l e r a t e st l l es t e po f d i s t a n c ee 山l c a d o nf 朗t l yt h i sm 髂i sr e c a p i t l l l a t e d 吐1 ed e v e l o p ! m n tp h a s e so fd i s t a c e e d h l c a n o 玑t o o kt h er e a lc o n d i d o n so fi n f 缸m a t i o nn e 押出gi m oa c c o m ，r d 斑e dt oo 崎 e x p 盯j e n c ei nt h i s 石e l d 卸dp u tf b r w a r di n yo w np r o j e c to 血ev i r t l l a le x p e r i m ：mb a s c do n v l i m l ( v h t u a lr e a l 时m d d e l i n gl a g i l a g e ) c o 皿b 血dt h e 路p e r i i m tc o d i 垃o so fn l es t a c e k e yl a b o ff 1 1 1 i dp o w 盯a d s i 玎i s s i o a dc o 的lt h i sp a p 口1 1 s c dt h ei i 础0 dt op ml h e t b r o t 【l i gc x p e r i 】c n t o fah y d r 枷i cs y s t e mi n t oe f r e c t i nt 1 】缸v i r 【u a le x p e r i t m l 血er e l d t c 0 p e r a t o r sc a nd ot h e i re x p e r i n 茁m 。u 曲t h ei m e r n e 仉n 订a n c l 1 h e 丘r s tp a r to f t l l i sp a p e rd e s c 抽e dt h ed e v e l o p m e n to fd i s t a n c ee d u c 撕。皿c o i n p u t e ra i d e d i s 1 l c t i o a n dd i s t a n c ee d u c a d o na th o r i 】ea n da b r o a dt h e ns m m e ds o r ma v a i l a b l ep r o j e c t so f v i 巾脚e x p 盯i i 工碡m ，t h e o eb a s e do v r m lw a sm a i n l yd i s c l l s s e d1 幽“gt h e 也r o m i n g e x p e r i m e ta sa ne x 卸叩1 e ，也i sp 叩e r 曲d e 删c hd e 血1s m d yo nh o wt oc o n s c tac o m p l e t e v i r 七l l a le x p 舐r m m ： ( 1 ) w 血恤a i do f v r m lc o 曲i 吨s 扛o gf i l n c 曲mo f3 d sm a ) ( ，id e s i g n e da3 d m o d e lo ft 1 1 i s 血砌i n ge x p e r i 腓n fd 1 1 et ov i u 叫sc 0 1 印a 曲m t y0 f 删l 虹s y s t e l a 工1 ds u p p o r to f l l l n p l eb r o w s 盯ss u c ha s 正o rn c t s c 8 p en a v i g a t o li h i sm o d e lc a nb e 、i s i t e di nd i 丘b 咖t1 l s 盯sw 1 1 0a r ei nd i 仃h e mp l a c 龄 ( 2 ) d e t a i l e ds t u d i e d 吐坞a l 时撕o nb e 时e e no p 盯a t o r sa n dt h ev i n i l a lw 叮l dv 撕0 1 l s s e n s o r s l a ta r eb e s o t t e di m e3 dw o r l dt h o u g h t m lc a ne 脓t i v d ys e s ea 1 1 蜘d so fo p 盯a t o r s b e 哳i o r s ；j 越，ab y t ec o d 既t h a ta r eb e s o 他di nt h e i n l 盯f a c e b e v r m l 舡dj a v a t h r o u g h t h e “s c i j p t ”o 出c 姐缸n i s h 蛐c i i l t t a s b s o t h e a l t e r a d o nc a b ec o n c l u d c da s f 0 o w s ：o p 盱a t o r st o u c hp a r t so f l es h e 址a n dm e j a v r ab y t ec o d e se x e c u t et h er e l a 虹v ef u c 吐o n 丘a yr 鼯i l l t s 盯er 印o r t e dt 0t h e 叩目a l o r s ( 3 ) n o u g l ld e t a i l e ds t u d y i n gt h ew o r h g 劬c n o o ft h et l l r o m i 丑ge x p 盯j n 瑚t ，i c o m 廿i l c t e dam a t l l e m a 廿c a lm o d e lo ft h ee x 口盯i m e ta i l ds i l l l a t e dt h em o d d f i a 1 1 yit 0 0 k 血ev i n l l a le x l ) 仃i n 蜘i b a s e do ni m d dd r i v i n gi n t oe 曲c t ( 4 )r e a l i z i n gm er e 啪t ev i s i tt h r o u g hi n t 盯n e 仉曲a e t b e c a u s ev r a dj a v aa r e b o t ha 盯0 s so p 盯撕o ns y s t e i 璐，e s p i a l l y 丽t ht h cc o 呷a 曲皿yo f j a v a b y t ec o d e s ， m er e m o t ec u e n t sc 姐曲e c yv i s i tt b ev i m l a le x p 谢l m e n t i no n es e 丑s e ，i t ，sj u s tl i h a3 d w e b s j t e a t l 吼a 汕砌a r yo f 恤s t h 船i s i sg i v 呱a d f 咖r 嚣e 盯c h n 哪t sa r ea l s op r o s p e c t e d ， e s p e c i a l l yi nc o n c l r e n tw o r h n g k e y w o 皿s ：d i s t 如c c 池c a 曲n ，v i n u a j 唧f i 蚴lv r s 哪呱j 越皿心商v j g 蟊鬲面两丽面甄丽历面2 基于t m l 技术的虚拟实验研究及实现2 浙江大学硕士研究生论文第一章绪论 第一章绪论 【摘要】本章首先讲述了课题的研究背景，然后综述了远程教学的发展历史、计算机辅助 技术的发展、现代远程教学的表现形式和虚拟实验在国内外的研究现状，并在此基础上提 出本课题的研究内容、目的和课题意义。 1 1 引言 虚拟实验是远程教学的一个重要的组成部分，它也是一种虚拟现实的技术， 虚拟现实技术目前国内外已经有人做过许多一些相关的研究，也有一些比较好 的网站，像中国虚拟现实秀( h t t p ：，w w w8 6 v l c o m ) ，还有一些商业网站。但作 为教学性质的相对较少，特别是在液压领域，目前国内很少有相关的虚拟实验 软件。本课题是在浙江大学教务部和浙江大学流体传动及控制国家重点实验室 的帮助下，主要研讨液压系统领域如何实现虚拟实验。 在此之前，首先讨论一下远程教学的发展状况。 1 2 远程教学的发展状况2 】 由于网络的发展和迅速普及，特别是基于w _ e b 的共享数据资源的爆发性增 加和网络带宽问题的逐步解决，基于w 曲的多媒体教学课件开始火爆起来。教 育方式的变革总是伴随着新技术的出现而不断进步的。2 0 世纪中叶，以广播和 电视传播为主的远程教学方式、打破了教育信息传播在时间与空间上的藩篱， 使先进的教学方法和实验条件等教育资源得以共享，节省了在基础设施上的大 量重复投资、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，近年来通信、网络、多媒 体及虚拟现实等新技术的出现，给远程教育注入了新的活力，尤其是基于 m t e 皿e t 的现代远程教学更是从根本上改变了人们传统的教育观念，克服了早期 远程教学交互性不强的弱点、教师与学生之间可以实时地相互交流，使教学气 氛变得更加平等和主动，教学活动变得更加方便、真实、直观和有效。 1 2 1 远程教学的内涵p l 广义的远程教学( 教与学) 指在非连续面授指导的情境中，助学者( 教师) 和 学习者( 学生) 之间通过各类教育资源和双向通信实现教与学的双边交互活动。 其中广义的远程学习指学习者( 学生) 利用各类学习资源、在没有助学者( 教师) 连续面授指导情境下的学习行为活动；而广义的远程教学( 教导) ，指助学者( 教 师) 通过技术媒体而不是连续面授为学习者发送课程材料并利用双向通信设施 对学习者( 学生) 的远程学习进行指导或辅导( 也称学习支助服务) 。于是，我们 可定义广义的远程教育：指通过远程教学和远程学习实现的教育( 包括各类学校 基于讯见技术的虚拟实验研究及实现5 浙江大学硕士研究生论文 第一章 绪 论 或其它社会机构组织的教育和社会生活情境中的教育) 的总称。狭义的远程教育 指通过远程教学和远程学习实现的各类学校或其它社会机构组织的教育，也可 称为机构远程教育或学校远程教育。可以将学校远程教育( 机构远程教育或狭义 远程教育) 独立定义为：学校远程教育是对教师和学生在时空上相对分离，学生 自学为主，教师助学为辅，教与学的行为通过各种信息技术和媒体资源实现联 系、交互和整合的各类学校或社会机构组织的教育的总称。 学校远程教学是具有以下属性和特征的教育形态： 教师和学生在时空上相对分离( 这是远程教育、也是远程教学和远程学 习的首要本质属性，并以此与以最高程度的连续面授教学为本质属性的传统 教育相区别) ； 建立在对各种信息技术和媒体资源的开发和应用的基础上( 是其重要本 质属性、是远程教育、也是远程教学和远程学习赖以发生的必要条件) ； 由各类学校或其它社会机构组织实施( 学校远程教育、也即机构远程教 育或狭义远程教育的限定条件，并以此与社会生活情境中的广义远程教育相 区别) ； 学生自学为主、教师助学为辅，教师和学生通过双向通信实现教与学的 行为的联系、交互和整合( 学校远程教育，即机构远程教育或狭义远程教育 的首要本质属性，并以此与个人独立自主学习相区别) 。 1 2 2 计算机辅助教学的发展c 。 计算机辅助教学( c 0 驴u t e r 舢s “e dh l s t r u c 廿0 n 简称g u ) 的含义：是运用 屯视图像和计算机技术而产生的一种全新的信息交流的教学手段，它不仅能够 处理数字、文字，而且还能处理图形、图像、声音乃至二维三维动画，通过学 生与计算机之间的交互式活动，帮助学生学习，改进教学方法，提高教学质量。 它打破了单向传授知识的局面，把传授、练习和能力的培养紧密结合，代表了 一种新的教学方法。 从8 0 年代末开始，随着计算机技术、多媒体技术、网络技术的迅速发展， 以及信息技术被引人教育科学和数育理论研究，计算机辅助教学发展进入了一 个新的阶段。尤其是9 0 年代人工智能、虚拟技术、超文本和超媒体技术的实用 化，计算机辅助教学内容的组织和呈现方式表现出多样化特点。计算机辅助教 学在许多国家和地区得到应用、推广和普及。 我国计算机辅助教学起步晚，但发展较快。从7 0 年代末期开始，我国开始 了计算机辅助教学的研究和应用实践。1 9 7 8 年教育部在华东师范大学和北京师 范大学首先成立了现代教育技术研究所，专门从事电视和计算机等高新技术在 教育领域中的应用研究。8 0 年代初期有些高校研制了一些计算机辅助教学系统， 如华东师范大学的“微机辅助b a s i c 语言教学系统”。1 9 8 7 年上海成立了中国 计算机辅助教学学会。该学会对推动我国计算机辅助教学的发展起了很大的作 用。同年在国家“七五”攻关项目中，列入了两项计算机辅助教学方面的专题 基于v r m l 技术的虚拟实验研究及实现6 浙江大学硕士研究生论文第一章绪 论 项目，一项是面向大专院校，另一项是面向中小学。到8 0 年代末期，已开发上 千个中小学教学软件，其中通过评审发行的有1 5 0 个。9 0 年代，我国许多师范 院校成立了电化教育系或电教中心，同时，国家在“九五”科技攻关项目中， 投资了两千多万元用于大中小学多媒体教学软件的开发，各学科出现了一些较 为优秀的教学软件。这些都为我国多媒体计算机辅助教学的发展奠定了良好的 基础。这些教学软件就是我们通常说的多媒体课件，那么什么是多媒体课件呢? 1 、多媒体课件的概念b 】 多媒体课件( 简称课件) 是实现和支持特定课程的计算机辅助教学软件及配 套的教学资料。广义地讲，凡具备一定教学功能的教学软件都可称之为课件。 在课件中除包括一定学科的教学内容外，还应包括计算机与学习者间的各种信 息传递和信息处理。其体过讲，课件中应包括：( 1 ) 各种教学信息；( 2 ) 对学习 过程进行诊断、评价、处理和引导的各种信息i ( 3 ) 为了提高学习积极性，制造 学习动机来强化学习、刺激学习的评价信息和信息处理；( 4 ) 用于更新学习数据， 实现学习过程控制的教学策略和学习过程的控制方法。 2 、多媒体课件按照模式分类如下： 1 ) 课堂演示型 这种模式的课件是教师演示教学过程，创设教学情境，进行标准示范等的 多媒体教学软件，这种课件设计的主要目的是提示教学内容的内在规律，将抽 象的教学内容用形象具体的动画等形式表现出来。 2 ) 课堂学生自主学习型 这是在课堂教学中，学生利用学生工作站进行个别自主学习的教学模式。 对于具有协作学习功能的多媒体c a i 网络教室，学生还可以利用网络的通信功 能进行协作学习。在学生进行自主学习的时候，教师可对学生进行监控或个别 指导。目前，在学校的课堂多媒体教学中，集中演示教学模式和学生自主学习 模式常常结合在一起使用。 3 ) 专业技能训练型 这种类型的教学软件主要是采用问题的形式来训练、强化学生某方面的知 识和能力。或在学科多媒体专用教室的环境下，利用专门的教学功麓进行专业 技能的示范和训练，或进行特殊情境的仿真及实验数据的分析处理等。 4 ) 课外学生检索阅读型 这种类型是学生在课余时间里，进行资料的检索或浏览，以获取信息，扩 大知识面的教学软件。这种类型的软件包括各种电子工具书、电子字典以及各 类图形库、动画库、声音库等。这种类型的教学软件只提供某种教学功能或某 种教学资料，并不反映具体的教学过程。 5 ) 教学游戏型 这种类型的教学软件与一般的游戏软件不同。它是基于学科知识内容的， 寓教于乐的。它通过游戏的形式，教会学生掌握学科的知识和能力，并引发学 生对学习的兴趣。对于这种类型软件的设计，特别要求趣味性强、游戏规则简 基于l m l 技术的虚拟实验研究及实现7 浙江大学硕士研究生论文第一章绪论 单。 6 ) 模拟型 模拟也称仿真，就是用计算机来模仿真实的自然现象或社会现象。模拟在 教学中的应用是近几十年才发展起来的。多媒体教学的模拟首先要建立一个经 过简化的模型，课件提供用户与模型间某些参数的交互，模拟出事件的发展结 果。它有实验模拟、管理模拟及训练模拟等多种形式。 3 、多媒体课件的发展方向 c a l 教学正朝着网络化、智能化、虚拟化等方向发展。 1 ) 网络化 多媒体c a i 的发展不是孤立的，而是与其他方面的技术密切相关。综合利 用计算机网络，特别是利用i n t e r n e t 的优点，人们在网上建立了许多“在线” ( 。n l j n e ) 教育助学系统，出现了虚拟教室、虚拟图书、虚拟实验室、虚拟校园、 虚拟大学等新概念。这些系统的应用开发远远超出教育的范畴，实际上是一个 计算机化的社会系统。 2 ) 智能化 多媒体方式下，个别指导型c a i 的教学内容程式可变得图文并茂、声色俱 全，并且使交互形式更为生动活泼。如智能导师系统，此为利用人工智能技术 来模拟“家教”的智能c a i ( i c a i ) 系统，己始于7 0 年代。人们曾预料9 0 年代 会比较普遍地应用i c a i 技术。然而，事实上i c a i 的发展并末像预料的那么快， 当前发展的实际情况是，多媒体的豪华似乎冲淡了人们对于人工智能精致性的 追求。或许人们在对多媒体的热情高潮过后，i c a i 将重新成为人们追求的重要 目标。当前仍有一些学者在致力于此，并在理论上有所发展。传统的i c a i 观念 是让计算机模拟教师的行为，并提出了智能导师系统的模型。i c a i 并不向学生 教授新的内容，而是由计算机向学生逐个提出问题，学生在机上作答，计算机 给予适当的评价。 3 ) 向虚拟现实方向发展“： 虚拟现实技术，是一种能超越物理局限性和时空局限性的高级模拟手段。 在c a i 系统中使用虚拟现实技术，可使学生在教学和实习中获得临场的感觉。 在i n t e r n e t 和w w 上研究与开发适于教学训练的c a i 课件，形成有效的虚 拟校园，这己成为当前国际上的研究热点之一。目前，英、美等许多国家的普 通高校都相继建立了虚拟大学( v i r t u a lu n i v e r s i t y ) ，积极进行网上教学的试 验与研究。下面是一些实例： 英国的c v l j 项目 c v u 是科林德虚拟大学( c l y d ev i r t u a lu n i v e r s i t y ) 的缩写，该项目由荚格 兰高等教育基金委员会资助并于1 9 9 6 年8 月初步建成，共投资4 0 0 万英镑。主 干间由4 6 万米光纤组成，服务器采用s u nu l t r as e r v e r 1 7 0 工作站。c v u 是一个虚拟机构，它将分散在格拉斯哥( g l a s g o w ) 地区附近的四所大学，通过高 速区域网c l y d e n e t 连接起来，集中使用这些大学的c a i 课件及其他教学资源， 基于t m l 技术的虚拟实验研究及实现 8 浙江大学硕士研究生论文第一章 绪论 实现网上资源共享和远程教学服务。 n b c c 虚拟校园 加拿大新布鲁斯威克( b r u n s w i c k ) 社区学院( n b c c ) 是一个遍布全州的包括 l o 个分校的学院。这所学院目前正在建设一个运行于w w w 网上的、为校内外学 生提供教学课件的虚拟校园。该虚拟校园不仅可用于对边远地区进行远距离教 育，而且可作为对学生提供更高质量的教学与训练手段。 我国的虚拟大学 目前，我国最大的双向教育虚拟大学之一湖南大学多媒体学院己招收丁近 干余名学生，提供正规的学历教育。同时，开设了各类考试辅导班、短训班等 非学历教育。l 9 9 8 年，清华大学、北京邮电大学也开通了远程教育，在全国设 立3 0 个站点。香港现行一种名叫“网上互动教学”的远程教学方式，并将全面 推行至校内大部分科目，以加强教学效益。 最后需要指出的是：c a i 不完全等同于远程教育，一般情况下，c a i 多指在 某一局部网络上实现的，因而相应的有一网络教室；然而远程教育则更大地突 破了时间和空间上的限制，通过i n t e r n e t 可以实现虚拟教室。也就是说大多 数c a i 软件并没有真正达到网上远程地实时地教与学，有些甚至只是一本简单 的电子书刊，无法实现教与学的交互，也不可能充分地将优秀教师的教学方法 溶于其中。因此开发新的能够实现实时教学的c a i 已势在必行了。 1 2 3 国内远程教学的发展阶段一j 从我国远程教学的发展历程看，可以区分出如下几个主要的历史发展时期： 萌芽和准备期，创建和起步期，起飞和繁荣期。 l 、萌芽和准备期 从2 0 世纪初到4 0 年代末是我国远程教学的萌芽和准备期。在我国历史上， 近代学校教育制度的起始在1 9 世纪末、2 0 世纪初，比世界上许多国家晚得多。 商务印书馆创设函授学社( 1 9 1 4 年) ，成为我国最早的函授学校。在我国，应用 各种视听技术媒体开展以成人为对象的各种社会电化教育和以学校学生为对象 的正规学校电化教育也是起始于2 0 世纪初。自2 0 年代起开始利用幻灯、电影 进行教学。此后，广播、电唱、录音等也逐渐引进和发展起来。 但是，实际上电化教育委员会并未开展太多活动。总之，2 0 世纪上半叶是 我国教育技术发展史上的起步时期，而在我国远程教育发展史上只是一个萌芽 和准备时期。 2 、创建和起步期 2 0 世纪下半叶的前期( 5 0 年代到7 0 年代末期) ，是我国远程教学的创建和 起步期。我国第一代和第二代大学层次远程教育均创建于这一时期。作为第一 代大学层次的远程教育的代表，即由中国人民大学和东北师范大学为先驱的普 通高校创建的函授部和函授学院，于5 0 年代末成立了。而作为第二代大学层次 的远程，我国广播电视高等教育起始于6 0 年代初，即在我国中心城市建立的城 基于t m l 技术的虚拟实验研究及实现 9 浙江大学硕士研究生论文第一章绪论 市电视大学。 3 、起飞和繁荣期 在1 9 8 0 年，中国的高等函授教育进入了新的历史发展时期。到1 9 8 6 年， 提供函授教育的普通高校达到3 7 1 所，占普通高校总数的3 5 。开设高等函授 教育专业2 8 6 ，占普通高校开设的全目制专业总数的3 5 。1 9 9 7 9 8 学年，共有 6 3 5 所普通高等学校提供高等函授教育，另有4 所独立的函授学院。 1 9 7 0 年末，中国进入了一个新的历史发展时期。此时，覆盖全国绝大多数 省区的彩色电视网己经建成，举办面向全国的广播电视大学的条件已经基本成 熟。1 9 7 9 年2 月6 日，全国广播电视大学举行了开学典礼，这一天成为中国广 播电视大学的校庆日。全国广播电视大学的建立，标志着我国远程高等教育进 入了一个全面发展的历史新时期。 以上是根据远程教学的历史发展阶段来划分的，另一方面，从其发展形式 上可分为三种形式： 表1 一l 远程教学的发展形式 阶段名称实现手段信息手段 交互性 广播函授有线、无线广播声音无 教育网、收音设备 广播电视有线、无线广播、声音、图形、无 教育电视接受设备图像、文字 数据网络计算机互联网、声音、图形、有 教育多媒体计算机图像、文字 1 2 4 国内外数据网络教学的发展 1 、国内数据网络教学的现状 本课题中所指的主要指数据网络教学，它是现代远程教学的发展形式，下 面通称为现代远程教学。我国现代远程教学起步较晚，投国现代远程教学规划 是1 9 9 7 年经酝酿提出的，1 9 9 8 年正式批准立项，1 9 9 9 年是整个项目启动的关 键一年。规划的近期目标是到2 0 0 0 年要通过网络互联1 0 0 0 所各级学校，并使 8 0 0 0 所贫困、边远地区的中小学具备利用卫星上网的能力。目前，我国的清华 大学、北京大学、湖南大学、浙江大学等一大批大学建立了自己的远程教育实 验室或远程教育中心，基于综合数据网的远程教育研究正在部分院校蓬勃展开。 我国现代远程教学采用卫星通信与计算机网络相结合的技术方案。卫星数 字广播传送教师授课内容，主要用于课堂教学；血e m e t 网主要传送课件、答疑、 作业等信息，用于课后学习。学员可以在远程校外辅导站进行听课和学习。 开展远程教学的大学设立远程教育管理中心，负责制定教学计划，并组织相关 教师讲课，同时通过卫星播出。各校外辅导站设立了听课教室，并根据学生专 基于v r m l 技术的虚拟实验研究及实现l o 浙江大学硕士研究生论文第一章绪论 业和上课时间组织学生听课。有条件的地区还建立了视频会议系统，学生在课 堂上可以随时提问并与老师进行交流。 远程教学管理中心，设有w e b 站点、e 】a i l 服务器、b b s 以及电视会议系 统和留言电话等设施。各校外辅导站提供上网条件，学生可有选择地点播课件 进行学习，使用不同方法与老师交流，进行答疑、讨论、复习和提交作业，学 生可以通过网络查阅课余的学习内容。 我国现代远程教学分为学历教学与非学历教学，教学层次从本科生到研究 生，学历教学可分为高中起点的本科、大学专科起点的本科和研究生教学等； 非学历教学可分为以大学专科为起点和高中起点的本科课程班、研究生课程班、 名家名师专题讲座以及各种类型的高级研讨班、培训班和双学位班。 现代远程教学的学历教学部分按学分制的要求对学生进行管理，学员在入 学时领取教学计划，根据教学计划的安排上课，教学计划期满时，学员学满学 分者即可毕业，不满者按学分制要求在规定的年限内补修学分，在规定时间内 修完学分的即可毕业，并颁发相应的毕业文凭，符合条件者，可颁发学位证书。 从上述我国远程教学的形式可以看出，目前我国远程教学基本基于非自主 式学习方式，学员必须到远程教育中心指定的辅导站集中听课学习，课后可以 通过计算机网络辅助学习。 2 、国外数据网络教学的现状 在国外，基于数据网络的计算机现代远程教学研究始于8 0 年代后期，9 0 年 代步入实践。1 9 8 9 年1 0 月，香港公开大学首次招生，录取学生共4 2 3 7 人，至 今已增至2 4 4 7 9 人并计划近期全面推行一种名叫“网上互动教学”远程教学方 式以加强教学效益。在日本，终身教育的观念为社会普遍接受，目本高校的远 程教学己呈网络化发展，并有鲜明的特色，一是教育层次较齐全，有大专、本 科、研究生课程，二是尽可能地利用现有教育资源，组织联合办学，最大限度 地提高教育教学效率；三是从行政上给予远程教学以相应的地位，规定了学分 的认可制度、学籍整理制度，这些均值得我们学习借鉴。美国的远程教学已经 颇为盛行，1 9 9 8 年9 月，美国斯坦福大学开始实施一项在线硕士教育计划，学 生可以通过因特网完成全部课程的学习并取得硕士学位。f 8 】f 9 j ”】f 1 1 下面主要介绍美国远程教学现状【l 2 】 美国的远程教学己处在蓬勃发展阶段，许多大学都开展远程教学项目，1 9 8 7 年美国国家远程教学协会的成立，标志着美国远程教学正式启动。该协会将远 程教学定义为，通过间接的信息和教授而获取知识和技能( t h ea c q u i s i t i o no f k 丑o w l 甜g eo f s 妯1 1 1 r 0 1 l g h m e d i a t e dh f o 衄a t i o na n dm s 仃u c t i o n ) 。经过十几年的 发展，美国的远程教学几乎贯穿到教育的所有领域，包括初等教育、高等教育、 家庭教育、继续教育、技能培训、军事培训和官方培训等。美国的远程教学属 于异步远程教育模式，在高等教育领域，远程教学提供了本科及研究生学历教 育，学员可以在办公室、大学校园、甚至在家里，通过卫星或h e r n e t 接受教育。 基于v r n 技术的虚拟实验研究及实现 断江大学硕士研究生论文 第一章绪论 图1 1 中国现代远程教育的典型拓扑结构图 图1 2 美国远程教育技术方案 3 、中国和美国远程教学之间的差异 从技术方案的角度来看( 如以上两图所示) ，中国的远程教学属于同步远程 教学，即学员必须坐在远程教学中心授权的远程校外站，有组织地同步收看通 过卫星传送的教师授课内容，属于现场直播授课方式，有条件的远程校外站还 建立了视频会议系统，使学员在课堂上可以随时提问并与教师进行交流。课后 学员通过i n t 锄e t 浏览课件，提交作业，参加讨论等。由于这种形式的远程教学 必须是有组织的教学活动，导致中国的远程教学仅局限于高等教育范围。 美国的远程教学属于异步远程教育范畴。由于美国的h e m e t 技术高度发达， 学生可以通过卫星( 无线联网) 、有线电视( 视讯宽带网) 或血e m e t 等多种方式， 随时随地点播远程教学中心的视频授课内容( 不受带宽的限制) ，即学生可以基 于w w w 浏览器在网上自主学习。 由于中美远程教学技术方案的不同，导致教育层面的巨大差异。中国的远 程教育仅在少部分的重点大学中开展，局限在高等教育范围，属于教育机构一 基于t m l 技术的虚拟实验研究及实现1 2 一黼能 舳囊蚋蝥礤 新江大学硕士研究生论文 第一章绪论 一教育机构的传播方式。美国的远程教学几乎覆盖了所有的大学，在各个层面 展开。从小学到大学；从基础教育到专业培训，都可以通过网络来实现，属于 教育机构最终用户( 学生) 的传播方式。 导致中美远程教学差异较大的主要原因，是双方技术方案的不同。中国属 于同步远程教学，美国属于异步远程教学。同步远程教学要求学员在同一时间， 接受由远程教学中心通过卫星发送的视频讲课内容。由于经济上的原因，学员 家庭不可能自己安装卫星接收装置。这就要求远程教学中心在不同的地区、教 育机构，设立校外辅导站，组织学员集体收视讲课内容。异步远程教学就没有 上述限制，任何学生只要有条件( 电脑和网络带宽达到一定要求) ，就可以1 天 2 4 h ，1 周7 d 随时随地基于w w w 浏览器在网上自主学习。因此美国的远程教学 在高等教育范围及其它教育层面发展迅速。 1 3 虚拟实验的历史发展阶段 1 3 1 虚拟实验的含义 简单地说，虚拟实验就是借助虚拟现实的环境来完成相关的实验。下面着 重介绍基于w e b 的虚拟实验。 基于w e b 的虚拟实验就是在w e b 中创建出一个可视化的三维环境，其中每 一个可视化的三维物体代表一种实验对象。通过鼠标的点击以及拖曳操作，用 户可以进行虚拟的实验。 基于w e b 的虚拟实验环境的基本功能： l 、完全基于w e b ：完全基于w e b 就是要求客户端处理浏览器和一些浏览特 殊数据格式的p 1 u 豇n 插件以外不需要其他的客户端软件支持，分布在各地的用 户只要访问特定的网址便可以进入这个虚拟环境中进行学习。 2 、三维的立体环境：虚拟实验环境是利用计算机建立的三维的模拟实验场 景，在三维实验场景中应能够从不同的视角观察一个实验对象，并且能够事先 设置多个焦点视角，用户可以直接在这些视角之间做切换。 3 、具备可视化的实验对象：虚拟实验中的每一个实验对象都应由可视化的 三维物体来代表。对象应是实际物体的仿真。用户与虚拟实验环境之间的交互 通过这些可视化的实验对象来完成。实验对象的设计应有效的突出实验目标， 相关的场景应详细描绘，对于实验目标以外的场景以抽象描绘为主。 4 、可用鼠标和可视化实验对象进行交互：虚拟实验对象和用户之间可以通 过鼠标的点击或者拖曳操作进行交互。例如在化学实验中可以将化学实验的各 个器材用三维方式表示出来，用户通过鼠标操作它们，完成实验。 1 3 2 虚拟实验是远程教学的一个难点1 3 】 虚拟实验过去一直被称作思想实验( t h o u g h te x p e r i m e n t ) ，那是因为过去 只有在人的头脑中才能进行这样的实验。现在我们一般认为，思想实验是以科 基于t m l 技术的虚拟实验研究及实现 1 3 浙江大学硕士研究生论文第一章绪论 学实验为基础，以逻辑推理为根据，在思想中塑造的虚拟实验，它是揭示客观 过程或现象的本质联系和规律的一种科学认识方法。 目前国内的大多数多媒体课件都过于简单，有些仅仅是一本简单的电子文 档，网上实验更是较少或只是简单的示意，没有重要的实际意义；显然这并不 是说实验不重要了，这是由于各种原因使得网上实验较难做到、做好。 1 3 3 虚拟实验的几个发展阶段 1 9 4 6 年第一台电子计算机的发明使思想实验走出人脑而步入一个新的阶段 一计算机实验阶段。早先的计算机实验主要是指计算机仿真( c o m p u t e r s i m u l a t i o n ) ，它是指利用电子计算机对实验对象的数学模型进行模拟实验，以 求得对实物原型系统规律性认识的一种实验方法。计算机仿真实验一般包括以 下几个步骤：( 1 ) 分析实际模型；不管这个模型是已经存在的还是将要存在的， 它都不应是一个抽象的概念，而是包含特定质与量的规定性的对象物。( 2 ) 建立 数学模型；从实际模型中抽取数量与逻辑关系，用一系列数学方程和逻辑表达 式来描述实际模型的相互作用与变化过程。( 3 ) 建立仿真模型；指数学模型中 的数学关系式和逻辑结构用计算机语言表达出来，并进行相应的调试。( 4 ) 进 行仿真实验：根据不同的实验条件对仿真模型设置不同的初始条件，计算机则 根据这些条件进行大量数值计算与逻辑判断，并输出结果。( 5 ) 实验分析；一 次计算机仿真实验往往可以得到一系列的结果，对应于不同的初始条件。实验 者还必须对这些结果进行系统分析，从中找到一定的规律或所期望的最佳条件。 下面详细介绍虚拟实验的发展历史： 虚拟实验的第一个阶段是形象化阶段，从时间上来说是指在1 9 4 6 年电子计 算机发明以前的历史时期。在这一段漫长的历史中产生了许多虚拟实验的光辉 典范，例如伽利略发现惯性定律的虚拟实验，他在实验中设想了一个既没有摩 擦也没有任何外力作用的永远运动的物体。这个虚拟实验被爱因斯坦称为是物 理学的真正开端。”再如爱因斯坦创立狭义相对论而进行的“思想火车”实验， 以及创立广义相对论而进行的“思想升降机”实验。这些实验都对物理学的发 展做出了划时代的贡献。对这一阶段的虚拟实验进行概括可以发现，这时的虚 拟实验都是在科学家的头脑中进行的形象思维过程，实验显得很直观。其中的 实验对象是实际实验中经常能接触到的物体如小球、火车、升降机等。而改变 的只是实验条件，如没有任何外力、以光速运行等。由于这些实验条件在现实 中是无法达到的，所以这一阶段的虚拟实验又常常被称为理想实验。 虚拟实验的第二个阶段是数字化阶段，它主要指利用电子计算机所进行的 计算机仿真阶段。虚拟实验被数字化是由两方面原因造成的，首先是电子计算 机在处理数据方面的优势，使人们提出了在形象化的虚拟实验中增强分析性和 精确性的要求，并且借助计算机实现了这种要求；其次，早先的电子计算机在 处理图像和动画方面的欠缺，也使得计算机在实验中只能充当数据处理机。这 一阶段与形象化阶段相比，它的长处在于可以凭借电子计算机从事大量信息的 基于t m l 技术的虚拟实验研究及实现1 4 浙江大学硕士研究生论文第一章 绪论 处理，使虚拟实验的范围从简单性转向复杂性研究；通过计算机强大的计算能 力使虚拟实验从定性研究转向定量研究。不足之处在于计算机仿真选用的实验 对象是高度抽象的数值关系，这样就失去了形象性与直观性，增加了理解实验 过程与实验结果的准确度。而且计算机仿真实验太注重逻辑性和确定性，忽视 了入的因素，这样也使它的应用范围受到一定的限制。 虚拟实验的第三个发展阶段是虚拟现实( v i r t u a lr e a l i t y ) 阶段。虚拟现实 技术起源于2 0 世纪7 0 年代，第一个虚拟现实设备是一个头盔显示器，实验者 戴上它阻后即可看到眼前漂浮的一个发光的立方体，随着实验者头部的转动， 还能看到它的不同侧面。而9 0 年代的虚拟现实技术已能做到随着实验者眼球的 转动来看到相应的场景变化了。以前人们进行的所谓人机对话是操作者面对着 电脑屏幕，通过键盘或鼠标来输入指令。虚拟现实技术使人一下子“进入”到 多媒体世界中去，并可以通过数据手套和数据头盔对所看到的对象物进行控制。 作为一种技术，可以将虚拟现实定义为是一种通过模拟人与周围真实环境交互 方式而发展起来的一种人与计算机进行交互的工具。与一般的计算机多媒体不 同，虚拟现实具有如下几个特征：( 1 ) 多感知性；即在虚拟现实中能体验到视觉、 听觉、肤觉、动觉、平衡觉等多种感觉甚至还将给人以味觉和嗅觉的感受。( 2 ) 存在性；指使用者体验到的身临其境的感受，理想的虚拟现实应该达到以假乱 真的程度。( 3 ) 交互性；指使用者能对虚拟环境中的物体进行操作并得到相应的 反馈。( 4 ) 自主性：指虚拟现实中的物体严格依据物理定律来运动。 本课题中采用的是基于v r 札技术的虚拟现实，它是一种桌面虚拟现实系 统，这样的一些系统主要是通过计算机显示器来显示虚拟世界。计算机图形技 术在其中起着非常重要的作用，与其他沉浸式虚拟现实系统比较，它的逼真程 度较低，沉浸感较差。但是其突出的优点是实现相对容易，开发成本较低。 1 4 课题概貌 1 4 1 课题背景与意义 远程教学是计算机网络和多媒体技术相结合的新一代教育技术。利用远程 教学，广大受教育者可突破传统教育在教育资源和教育方法方面的限制，实现 优秀教育资源和教育方法不受时间和空间等约束的共享。远程教学对社会而言， 是一种推动社会进步的手段；对运营商而言，是一种潜力巨大的增值业务，对 大众而言，则是获取知识的极佳途径。 目前国内一些高校也纷纷组织开发自己的教学软件，浙江大学流体传动及 控制国家重点实验室应浙江大学教务部的要求也在积极地开发有关“液压与气 压传动”的教学软件，本课题是整个教学软件的一个重要组成部分。 目前在国内相关的教学软件应用较少，而且逼真感不强、交互性也较差， 往往都不能够反应现实实验的本来面目，实验者没有身临其境的感觉。本论文 中采用虚拟现实建模语言v r m l 和j a v a 协同开发，其突出的优点如下： 基于t m l 技术的虚拟实验研究及实现 1 5 浙江大学硕士研究生论文第一章绪论 1 ) 仿真的三维实验台架具有较好的临境感 2 ) 良好的实验交互方式完全模拟了真实的情况 3 ) 基于w e b 浏览器的结构容易实现i n t e r n e t 上的远程教学的要求 4 ) 大大地节约了实验成本 由于网络的发展和迅速普及，特别是基于w 曲的共享数据资源的爆发性增 加和网络带宽问题的逐步解决，基于、，r m i 技术的多媒体教学课件必将有力地 推动远程教学的发展。 1 4 2 研究目标 整个课题作为浙江大学流体传动及控制国家重点实验室开发的有关“液压 与气压传动”的教学软件的一个有机组成部分，整个课题旨在实现对浙江大学 流体传动及控制国家重点实验室中某液压实验台的虚拟实验，即通过对v r m l 的三维模型建立，实验台的数学模型建立仿真，达到一种逼真的临境感。最终 使得实验者能够跨越时空的限制进行实验，并获得良好的实验效果。 1 4 3 课题的主要研究内容 课题主要的研究内容主要包括如下几个方面： l 、虚拟实验的构建模式研究 2 、i