2022年《现代教育技术》虚拟实验室的设计方案与实现 .docx

精品_精品资料_现代训练技术虚拟试验室的设计与实现李欣<浙江师范高校老师训练学院,浙江金华 321004 ）摘要： 虚拟试验系统丰富了试验教案的教案模式和学习方式,为实践教案的创新供应了新的平台和拓展空间.结合国家精品课程现代训练技术的建设,以认知科学及建构 主义学习理论为基础,提出了利用虚拟现实及多媒体技术构建虚拟试验系统的架构方案, 并对系统的开发流程进行了探讨,在此基础上设计了虚拟试验系统原型.最终以实例描述 了虚拟试验系统开发的关键技术.关键词： 虚拟试验.建构主义.Vitrtools. Moodle 平台中图分类号： G434文献标识码： A现代训练技术以培育将来老师的训练技术理论、训练技术技能为根本目标,是我国高师院校老师训练课程体系中一门重要的公共基础课程.浙江师范高校的现代训练技术课程于2022 年进入国家精品课程行列,在这一理论与实践并重的课程中,如何加强并完善试验教案已成为精品课程建设中的重要环节.为了丰富和完善试验教案体系,更有效的推动该课程的试验教案,我们开头了“现代训练技术”虚拟试验室的研发, 设计并实现了“现代训练技术”虚拟试验系统原型.随着虚拟现实技术的进展,虚拟试验在试验教案中得到越来越多的应用,国内外学者在这方面做了大量的讨论工作1-6：文 123进行了虚拟试验的交互设定和网络体系结构的讨论,文 456介绍了对象、建筑物、自然环境的构建方法.文1-6有一个共同特 点,即均采纳VRMLVirtual Reality Modeling Language>技术.由于目前 VRML不供应可视化开发环境,基于VRML的虚拟现实可视化工具仍有待进一步讨论78,开发者必需从VRML供应的基本形体动身搭建复杂场景.虽然3DS Max 和 Maya等建模工具供应导出VRML 的*.wrl文件格式的功能,但后期的文件优化耗时费劲.以VRML为基础的基于Java 技术通过 EAI<External Authoring Interface）进行的交互掌握,要求用户必需熟识Java 语言以及 VRML的交互编程,因此,基于VRML或采纳高级语言如JAVA、C 语言等实现虚拟试验系统 9101112,在实际开发过程中存在难度大、实现复杂、帮助功能不强等诸多问题,易用性和有用性都不甚抱负.基于 PCS Product-Context-Scenario>技术的 Virtools Dev采纳特别直观的方式出现 3D內容 13 ,为研发人员供应了一个便利的整合、沟通与共享三维体验的开发平台,在可视化开发环境方面有明显的优势.本文针对上述的不足,在充分调研的基础上,本着“技术设计为教案设计服务”14 的原就,提出了3D-Virtools-Moodle构建虚拟试验室的架构方案.即在3DStudio Max中完成虚拟试验室、教案媒体设备的三维建模、动画制作.在Virtools Dev中进行相关数据处理、三维对象的掌握及交互设定.在Moodl e 教案治理平台中实现虚拟试验的绩效评估和教案治理.实现结果说明,采纳该架构方案能克服上述方法的不足,具有真实性、交互性、简洁和易实现等特点.一、虚拟试验室总体设计 一> 设计目标“现代训练技术”虚拟试验室的设计目标是,转变高校现有试验教案中普遍存在的生均实验设备拥有量、设备更新周期以及学习时间冲突等根本问题15 ,切实贯彻教案改革目标,以认知科学及建构主义学习理论为基础,利用虚拟现实及多媒体技术构建三维虚拟实可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_验环境,为同学供应一个具有剧烈真实感以及强大交互功能的“现代训练技术虚拟试验 室” <见图 2）,支持探究学习、协同学习、体会学习等基于建构主义学习理论概念,并供应学问猎取工具.主要特点有：对试验室、试验仪器及附属设施,按实际尺寸进行三维建模,并以三维空 间向量形式表示各试验模型形体和位置的相对关系.支持实时交互功能.试验者可以通 过鼠标、键盘完全操控场景中试验者的虚拟化身,实现从不同角度观看对象,以及闲逛、 转身、抬头、低头以及跑、跳等功能,为探究学习、体会学习供应支撑.支持多媒体信 息帮助,通过设置3D音效、背景音乐、多用户实时对话,构建一个逼真的三维虚拟世界.学问库,为学习者的学问猎取、形成意义建构供应技术支持.通过Moodle 平台实现对试验行为、结果的绩效评估.<二）系统体系结构虚拟试验室依据现代训练技术课程试验的要求进行开发,主要由虚拟试验手册、虚拟试验工程、虚拟教案媒体模型库、学问库以及Moodle 治理平台五大模块组成.系统的体系结构如图 1 所示.图 1现代训练技术虚拟试验系统的体系结构虚拟试验模块：包括常规媒体、多媒体教案环境、素材采集与处理、课件开发、网页设计与制作五个基础试验,以及自适应帮助工具集.同学在虚拟试验环境中按试验步骤完成整个虚拟试验,答应多次重做,直到娴熟为止.图3 为虚拟试验之一的常规媒体虚拟试验主界面.虚拟试验手册模块：介绍每个虚拟试验工程的学习背景、学习目标、学习任务、详细操作步骤,操控字母键的含义,以及虚拟试验环境的漫游、操控方法.教案媒体模型库模块 <图 4）：虚拟试验中常用的教案媒体设备,主要有：光学投影仪、数字投影仪、实物展现台、多媒体教室综合平台等.通过键盘上的方向键可实现从各种不同 角度观看媒体设备的构造,通过鼠标点击模型上的按钮、开关实现交互,以此明白教案媒 体设备的主要构造及操作.学问库模块：包括现代训练技术国家精品课程< p）、现代训练技术技能训练学习网站</index.htm）、部分教案视频以及教案案例库等.主要通过二维的文本及视频信息让同学可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_明白试验背景、充分把握每个试验的相关信息.Moodle 治理平台模块：动态记录和治理同学的试验过程,关注同学在试验过程中的投入程度和过程性评判.通过平台内嵌的评判反馈功能准时核查同学报告中的试验行为,监督和考评同学的实践技能. 三>虚拟试验室主界面可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_二、虚拟试验的开发方法Virtools是由法国全球交互三维开发解决方案公司Virtools所开发,透过可视化的图形开发界面,开发人员只需要拖曳所需要的行为模块就可以建构出复杂的交互应用程序.可同时满意无程序背景的设计人员以及高级程序设计师的设计需求,让3D 美术设计与程序设计人员进行良好的分工与合作,有效缩短开发流程、提升效益.由于软件内置超过500 组的行为模块,可以让使用者快速设计出多样的3D数字媒体内容.其三维引擎已成为微软X Box 认可系统.其特点是便利易用,应用领域广.本系统开发所应用的主要是Virtools的主开发程序Virtools Dev. 一>开发平台 Virtools简介开发工具的选取是否合适,对能否实现预定目标特别重要.虚拟试验作为整个系统的核心模块,数据处理量大、交互频繁.我们采纳Virtools DEV作为开发平台,理由有三： Virtools的三维引擎己经成为微软XBox 认可系统,其特点是便利易用,应用范畴涵盖嬉戏开发、数字消遣、工业设计、新媒体艺术、视景仿真等多元领域,已有赛伯丽亚 <Syberia ） 16和国际象棋在线 <Online Chess Kingdoms） 17 等胜利的开发案例. Virtools在 3D 互动展现方面技术强大、组成完善,主要由创作应用程序、动作引擎、渲染引擎、Web播放器、软件开发工具包构成.除了自身的3D/VR 开发平台 Virtools Dev以外,仍有 5 个可选模块：网络服务器Virtools Server、物理属性 Ph ysics Pack、人工智能 AI Pack 、嬉戏开发 XBox Kit和沉迷式平台VR Pack,为虚拟试验室的预期功能实现及拓绽开发供应技术保证.界面直观、使用简洁.Virtools包含有 50 0 多个行为模块 Building Blocks,简称 BBs>,并供应重力、摩擦力、弹力、力场等多种物理属性设定,这些功能大大缩短了开发周期,防止了繁复冗长的动态交互设定与程序代码的撰写,只需通过简洁的拖、拉、放,就能完成对象的物理属性和行为的设定.Virtools供应应开发者的是一个整合了多样化技术的单一使用界面,上手简洁,符合采纳“大众化技术”来实现虚拟试验室的开发原就. 二> Virtool设计虚拟试验的关键环节1. 三维建模及 Virtools资源库的建立虚拟试验环境的构建主要是指试验室及媒体设备模型的构建.由于Virtools本身自带的基本图元建模功能不强,所以建模一般是采纳3DStudio Max 、Maya 等建模功能较强的三维动画软件来实现.笔者采纳在3DStudio Max创建三维模型,并完成材质、贴图及动画关键帧 的设定,通过安装好的插件导出文件,并以Virtools Dev的资源文件格式 *.NMO储存.然后将 NMO文件导入到 Virtools的 3D Layout三维编辑区 >进行交互设定.在 Virtools Dev 中用 Resources/ Create New Data Resources 创建新的资源库,把预备好的各种 *.nmo 资源文件拷贝到资源库相应的文件夹中, Virtools Dev 将自动分类并加载.这步工作是为在 Virtools 中进行拖放操作做好前期预备.对每个不同的虚拟试验工程应建立单独的资源库,这样更便于后期的修改更新及文件治理.2. 用行为模块实现交互掌握虚拟试验的操作步骤可以归结为模型对象的交互设定问题.详细来说,就是将试验步骤分解成详细的动作,并与键盘的操控和鼠标的拖曳、点击等动作构成映射.交互设定是通过Virtools中内置行为模块实现的,能够对二维或三维模型进行各种基本操作,如平移、旋转、缩放、颜色和透亮度变化、二维贴图等,复杂操作如投影、燃烧、行走、奔跑、后退等.在 Virtools Dev中进行交互设定的最大特点,就是行为模块之间只需通过相互连接便能形成敏捷的互动成效.每个行为模块<BBs）封装了特定的作用和功能,把很多功能不同的行为模块用相互连接的方式进行编辑,即可实现虚拟试验的要求.可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_一般情形下, Virtools自带的 BBs 已基本能满意设计的要求.另外,仍有两种方法可以设计出具有特别功能的BBs来满意交互设计的要求：一种是通过VC+编程18 另一种是利用 Virtools的软件开发工具包SDK,通过 SDK,可以创建一个新的动作<BB s）、修改现有动作的运行、通过给输入和输出文件写BBs可实现一些特别格式的模型文件 的导入导出、修改替换或扩充Virtools Dev的渲染引擎.3. 虚拟试验的发布虚拟试验室一般由两部分组成：一是虚拟试验环境,二是详细的虚拟试验.其中,虚拟试验环境是指由三维建模构建的虚拟试验空间,如门窗、墙、的板,以及置放其间的试验 台、试验仪器设备等.详细的虚拟试验就是指对模型的交互掌握,两者共同构成完整的虚拟试验室.虚拟试验在完成建模及交互设定后,可以采纳两种方式进行发布：一种是通过“Export to Virtools Player”命令直接储存为*.vmo 格式.另一种是通过“ Creat Web Page”命令,将文件储存为htm 格式.这样,客户端只需下载并安装插件“3D Life Play”即可进行虚拟试验.三、详细实现案例三维虚拟试验环境,能让同学从三维空间对设备进行全方位的观看并进行交互操作,加深对设备的结构、使用方法的懂得和把握.下面通过实例说明利用Virtools实现虚拟试验系统的关键技术.<一）虚拟试验环境基础属性的实现1. 用户 <User）的基础属性设置.虚拟角色不能漂在空中,也不能穿透实体对象,为此, 需设定角色始终在的板上,能对实体对象进行碰撞检测,同时,可通过键盘实现对虚拟角色的掌握.建立用户脚本,设定相关参数,所需的BBs 为： Enhanced Character Keep On Floor 、Keyboard Controller、Prevent Collision、Key Event 、 Send Message,详细的脚本流程如图5 所示.2. 试验室大门的自动启闭用户走近试验室大门,门自动开启.进入试验室后,门自动关闭.为门Door 建立脚本,所需的 BBs 为 Proximity、 Nop 以及封装的行为模组OpenDoor 和 CloseDoor ,靠近度检测模块 Proximity用于检测用户与门的距离,门的初始状态为关闭,用户走近大门并距离小于5M时门打开,离开大门并距离大于5M时关闭.大门脚本流程如图6 所示.可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_3. 虚拟试验环境漫游通过键盘上的方向键掌握角色的前进、后退和左传、右转,摄像机跟随角色的运动,从而实现漫游虚拟试验场景的目的.建立漫游摄像机脚本,设定相关参数,所需的BBs 为 Keep At Constant Distance、 Look At ,漫游摄像机脚本流程如图7 所示.<二）实物展现台虚拟试验的实现实物展现台虚拟试验场景由虚拟角色、实物展现台、置于实物展现台上的书本和茶壶以及投影屏幕组成.展现台初始状态为镜头和侧灯均收拢于展现台面板上.当用鼠标单击镜头和侧灯时,镜头和侧灯绽开到工作状态,同时侧灯灯光打开,再次用鼠标单击,就复位到初始状态.镜头绽开到工作状态后,将实物展现台上的书及茶壶投影到屏幕上.当用鼠标拖曳书本和茶壶对象时,屏幕上的图像跟随实时变化.图8、图 9 为实物展现台实现效果.可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_图 8 实物展现台初始状态图 9 实物展现台打开状态1. 实现鼠标单击掌握镜头和侧灯的绽开和复位.鼠标单击镜头绽开、再次单击复位,所需的 BBs 为： Wait Message 、Sequencer 、Send Message、Unlimited Controller,脚本流程如图 10 所示.侧灯的绽开和复位动作的脚本流程和镜头很相像,不再赘述.2. 实现将实物对象投影到屏幕.建立摄像机RT Camera,并为 RT Camera 建立脚本, 设定相关参数,所需的BBs 为： Wait Message 、Sequencer 、Delayer 、Keep Active、Rend er Scene in RT View、Set MipMap Texture、Change Texture Size,脚本流程如图 11 所示.3. 实现鼠标对实物对象的拖曳操作功能：为书本对象建立脚本,设定相关参数,所需的B Bs 为： Wait Message 、Mouse Waiter 、2D Picking、Keep Active、Place Entity Under Mouse,脚本流程如图 12 所示.茶壶对象的脚本与书本的相像,此处略去.可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_<三）其它技术在系统开发中的应用应当指出,仅用纯3D 虚拟现实技术来开发整个虚拟试验系统并非上佳方案,由于,诸如“素材采集与处理”、“课件开发”、“网页设计与制作”等基于软件平台的操 作型试验,用纯 3D技术开发一是没有必要,二是实现成效也不肯定抱负.因此,在虚拟实验系统的开发过程中,我们综合采纳了流媒体、Flash 以及多媒体技术,以实现3D 技术和多媒体技术的优势互补.如在“素材采集与处理”、“课件开发”等虚拟试验模块,主要以流媒体播放的形式实现.综上,常规媒体虚拟试验,利用键盘上的方向键即可实现虚拟试验室的漫游,仅用鼠标的单击或拖曳操作,即可进行实物展现台虚拟试验的操作,真正实现了在逼 真的三维虚拟环境中进行人机动态交互的虚拟试验.四、终止语现代训练技术虚拟试验系统在实际教案中的使用,一方面能缓解设备更新压力、提高试验效率,另一方面,进行虚拟现实教案,能有效的发挥同学的各种感官作用,使同学接受更多、更详细、更完整的信息,从而更加深刻的熟识事物,将原先单纯的媒体操作技能转变为将媒体使用技能与学科教案整合才能的综合训练,提高同学的训练技术应用技能.由于虚拟试验系统能够有效的创建学习情境、支持合作、便利沟通、促进学问表达和应 用,是一个特别优良的建构主义学习环境,有着庞大的训练应用潜能.它不但可以模拟真实试验,仍可以做出真实试验无法实现的内容19 ,虚拟现实技术在训练领域的应用和发展,丰富了现有训练体系中教与学的表现形式20 ,有助于同学的学问懂得才能、问题分析才能以及新学问探究和运用才能的提高.它对转变传统教案观念,切实贯彻教案改革起到了积极的推动作用.本讨论期望通过“现代训练技术虚拟试验室”所供应的三维虚拟实验平台,让学习者能够不受时空制约、身临其境的操控场景中的试验对象来完成课程试验,也为同类虚拟试验室或相关学习资源的开发和应用供应思路和借鉴.参考文献：1 卢洁 , 游运华 , 马燕, 王传华 .基于 VRML的动物解剖虚拟试验的交互设计J.运算机仿真,2022,2>: 266268.2 谢红薇 , 于晓霞 , 李三燕等 . 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