《现代教育技术》虚拟实验室的设计与实现

1、现代教育技术虚拟实验室的设计与实现李 欣（浙江师范大学教师教育学院，浙江 金华 321004）摘要：虚拟实验系统丰富了实验教学的教学模式和学习方式，为实践教学的创新提供了新的平台和拓展空间。结合国家精品课程现代教育技术的建设，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实验系统的架构方案，并对系统的开发流程进行了探讨，在此基础上设计了虚拟实验系统原型。最后以实例描述了虚拟实验系统开发的关键技术。关键词：虚拟实验；建构主义；Vitrtools；Moodle平台中图分类号：G434 文献标识码：A       现代教育

2、技术以培养未来教师的教育技术理论、教育技术技能为根本目标，是我国高师院校教师教育课程体系中一门重要的公共基础课程。浙江师范大学的现代教育技术课程于2004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，如何加强并完善实验教学已成为精品课程建设中的重要环节。为了丰富和完善实验教学体系，更有效地推动该课程的实验教学，我们开始了“现代教育技术”虚拟实验室的研发，设计并实现了“现代教育技术”虚拟实验系统原型。随着虚拟现实技术的发展，虚拟实验在实验教学中得到越来越多的应用，国内外学者在这方面做了大量的研究工作1-6：文123进行了虚拟实验的交互设定和网络体系结构的研究，文456介绍了对象、建筑物、

3、自然环境的构建方法。文1-6有一个共同特点，即均采用VRML(Virtual Reality Modeling Language)技术。由于目前VRML不提供可视化开发环境，基于VRML的虚拟现实可视化工具还有待进一步研究78，开发者必须从VRML提供的基本形体出发搭建复杂场景；虽然3DS Max和Maya等建模工具提供导出VRML的*.wrl文件格式的功能，但后期的文件优化耗时费力；以VRML为基础的基于Java技术通过EAI（External Authoring Interface）进行的交互控制，要求用户必须熟悉Java语言以及VRML的交互编程，因此，基于VRML或采用高级语言如JAV

4、A、C语言等实现虚拟实验系统9101112，在实际开发过程中存在难度大、实现复杂、辅助功能不强等诸多问题，易用性和实用性都不甚理想。         基于PCS (Product-Context-Scenario)技术的Virtools Dev采用非常直观的方式呈现3D內容13，为研发人员提供了一个便捷的整合、沟通与分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“技术设计为教学设计服务”14的原则，提出了3D-Virtools-Moodle构建虚拟实验室的架构

5、方案。即在3DStudio Max中完成虚拟实验室、教学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、三维对象的控制及交互设定；在Moodle教学管理平台中实现虚拟实验的绩效评估和教学管理。实现结果表明，采用该架构方案能克服上述方法的不足，具有真实性、交互性、简单和易实现等特点。一、虚拟实验室总体设计(一) 设计目标“现代教育技术”虚拟实验室的设计目标是，改变高校现有实验教学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，切实贯彻教学改革目标，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验环境，为学生提供一

6、个具有强烈真实感以及强大交互功能的“现代教育技术虚拟实验室”（见图2），支持探索学习、协同学习、经验学习等基于建构主义学习理论概念，并提供知识获取工具。主要特征有：对实验室、实验仪器及附属设施，按实际尺寸进行三维建模，并以三维空间向量形式表示各实验模型形体和位置的相对关系；支持实时交互功能。实验者可以通过鼠标、键盘完全操控场景中实验者的虚拟化身，实现从不同角度观察对象，以及漫步、转身、抬头、低头以及跑、跳等功能，为探索学习、经验学习提供支撑；支持多媒体信息辅助，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；知识库，为学习者的知识获取、形成意义建构提供技术支持；通过Mo

7、odle平台实现对实验行为、结果的绩效评估。（二）系统体系结构虚拟实验室依据现代教育技术课程实验的要求进行开发，主要由虚拟实验手册、虚拟实验项目、虚拟教学媒体模型库、知识库以及Moodle管理平台五大模块组成。系统的体系结构如图1所示。  图1  现代教育技术虚拟实验系统的体系结构虚拟实验模块：包括常规媒体、多媒体教学环境、素材采集与处理、课件开发、网页设计与制作五个基础实验，以及自适应辅助工具集。学生在虚拟实验环境中按实验步骤完成整个虚拟实验，允许多次重做，直到熟练为止。图3为虚拟实验之一的常规媒体虚拟实验主界面；虚拟实验手册模块：介绍每个虚拟实验项目的学习背景、学习目标

8、、学习任务、具体操作步骤，操控字母键的含义，以及虚拟实验环境的漫游、操控方法；教学媒体模型库模块（图4）：虚拟实验中常用的教学媒体设备，主要有：光学投影仪、数字投影仪、实物展示台、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察媒体设备的构造，通过鼠标点击模型上的按钮、开关实现交互，以此了解教学媒体设备的主要构造及操作；知识库模块：包括现代教育技术国家精品课程（）、现代教育技术技能训练学习网站（）、部分教学视频以及教学案例库等。主要通过二维的文本及视频信息让学生了解实验背景、充分掌握每个实验的相关信息；Moodle管理平台模块：动态记录和管理学生的实验过程，关注学生在实验过程中

9、的投入程度和过程性评价。通过平台内嵌的评价反馈功能及时核查学生报告中的实验行为，监督和考评学生的实践技能。(三)虚拟实验室主界面二、虚拟实验的开发方法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。可同时满足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XBox认可系统。其特点是方便易用，应用领

10、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非常重要。虚拟实验作为整个系统的核心模块，数据处理量大、交互频繁。我们采用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，其特点是方便易用，应用范围涵盖游戏开发、数字娱乐、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等成功的开发案例； Virtools在3D互动展示方面技术强大、组成

11、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，还有5个可选模块：网络服务器Virtools Server、物理属性Physics Pack、人工智能AI Pack、游戏开发XBox Kit和沉浸式平台VR Pack，为虚拟实验室的预期功能实现及拓展开发提供技术保障；界面直观、使用容易。Virtools包含有500多个行为模块 ( Building Blocks，简称BBs)，并提供重力、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，避免了繁复冗长的动态交互设定与程序代码的撰写，只需通

12、过简单的拖、拉、放，就能完成对象的物理属性和行为的设定。Virtools提供给开发者的是一个整合了多样化技术的单一使用界面，上手容易，符合采用“大众化技术”来实现虚拟实验室的开发原则。(二) Virtool设计虚拟实验的关键环节1三维建模及Virtools资源库的建立虚拟实验环境的构建主要是指实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，所以建模一般是采用3DStudio Max、Maya等建模功能较强的三维动画软件来实现。笔者采用在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

13、的资源文件格式*.NMO保存；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，把准备好的各种*.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准备。对每个不同的虚拟实验项目应建立单独的资源库，这样更便于后期的修改更新及文件管理。2用行为模块实现交互控制虚拟实验的操作步

14、骤可以归结为模型对象的交互设定问题。具体来说，就是将实验步骤分解成具体的动作，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、颜色和透明度变化、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灵活的互动效果。每个行为模块（BBs）封装了特定的作用和功能，把许多功能不同的行为模块用相互连接的方式进行编辑，即

15、可实现虚拟实验的要求。        一般情况下，Virtools自带的BBs已基本能满足设计的要求。另外，还有两种方法可以设计出具有特殊功能的BBs来满足交互设计的要求：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（BBs）、修改现有动作的运行、通过给输入和输出文件写BBs可实现一些特殊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虚拟实验的发布虚拟实验室一般由两部分组成：一是虚拟实验环境，二是具体的虚拟实验。其中，虚拟实验环境

16、是指由三维建模构建的虚拟实验空间，如门窗、墙、地板，以及置放其间的实验台、实验仪器设备等；具体的虚拟实验则是指对模型的交互控制，两者共同构成完整的虚拟实验室。虚拟实验在完成建模及交互设定后，可以采用两种方式进行发布：一种是通过“Export to Virtools Player”命令直接保存为*.vmo格式；另一种是通过“Creat Web Page”命令，将文件保存为htm格式。这样，客户端只需下载并安装插件“3D Life Play”即可进行虚拟实验。三、具体实现案例三维虚拟实验环境，能让学生从三维空间对设备进行全方位的观察并进行交互操作，加深对设备的结构、使用方法的理解和掌握。下面通过实

17、例说明利用Virtools实现虚拟实验系统的关键技术。（一）虚拟实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，需设定角色始终在地板上，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控制。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，具体的脚本流程如图5所示。2实验室大门的自动启闭用户走近实验室大门，门自动开启；进入实验室后，门自动关闭。为门D

18、oor建立脚本，所需的BBs为Proximity、Nop以及封装的行为模组OpenDoor和CloseDoor，亲近度检测模块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5米时门打开，离开大门并距离大于5米时关闭。大门脚本流程如图6所示。3虚拟实验环境漫游通过键盘上的方向键控制角色的前进、后退和左传、右转，摄像机跟随角色的运动，从而实现漫游虚拟实验场景的目的。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）实物展示台虚拟实验的实现实物展示台虚拟实验场景

19、由虚拟角色、实物展示台、置于实物展示台上的书本和茶壶以及投影屏幕组成。展示台初始状态为镜头和侧灯均收拢于展示台面板上。当用鼠标单击镜头和侧灯时，镜头和侧灯展开到工作状态，同时侧灯灯光打开，再次用鼠标单击，则复位到初始状态；镜头展开到工作状态后，将实物展示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为实物展示台实现效果。图8 实物展示台初始状态图9 实物展示台打开状态1实现鼠标单击控制镜头和侧灯的展开和复位。鼠标单击镜头展开、再次单击复位，所需的BBs为：Wait Message、Sequencer、Send Message、Unlimited

20、Controller，脚本流程如图10所示。侧灯的展开和复位动作的脚本流程和镜头很相似，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、Render 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BBs为：Wait Message、Mouse Waiter、2D Pi

21、cking、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似，此处略去。（三）其它技术在系统开发中的应用    应该指出，仅用纯3D虚拟现实技术来开发整个虚拟实验系统并非上佳方案，因为，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实验，用纯3D技术开发一是没有必要，二是实现效果也不一定理想。因此，在虚拟实验系统的开发过程中，我们综合采用了流媒体、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

22、拟实验模块，主要以流媒体播放的形式实现。        综上，常规媒体虚拟实验，利用键盘上的方向键即可实现虚拟实验室的漫游，仅用鼠标的单击或拖曳操作，即可进行实物展示台虚拟实验的操作，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实验。四、结束语现代教育技术虚拟实验系统在实际教学中的使用，一方面能缓解设备更新压力、提高实验效率，另一方面，进行虚拟现实教学，能有效的发挥学生的各种感官作用，使学生接受更多、更具体、更完整的信息，从而更加深刻地认识事物，将原来单纯的媒体操作技能转变为将媒体使用技能与学科教学整合能力的综合训

23、练，提高学生的教育技术应用技能。由于虚拟实验系统能够有效地创建学习情境、支持合作、方便交流、促进知识表达和应用，是一个非常优良的建构主义学习环境，有着巨大的教育应用潜能。它不但可以模拟真实实验，还可以做出真实实验无法实现的内容19，虚拟现实技术在教育领域的应用和发展，丰富了现有教育体系中教与学的表现形式20，有助于学生的知识理解能力、问题分析能力以及新知识探索和运用能力的提高。它对转变传统教学观念，切实贯彻教学改革起到了积极的推动作用。本研究希望通过“现代教育技术虚拟实验室”所提供的三维虚拟实验平台，让学习者能够不受时空制约、身临其境地操控场景中的实验对象来完成课程实验，也为同类虚拟实验室或相

24、关学习资源的开发和应用提供思路和借鉴。参考文献：1 卢洁,游运华,马燕,王传华. 基于VRML的动物解剖虚拟实验的交互设计J. 计算机仿真,2007,(2): 266268.2谢红薇,于晓霞,李三燕等. Java与VRML结合实现煤矿事故救援系统的交互控制J .电脑开发与应用, 2007,(1): 4446.3杨彦军,赵瑞斌,周海军. 基于jsp-vrml-java技术的网上虚拟情境性学习平台的建构J. 现代教育技术, 2005, (5): 5862.4Shake-A-Leg Foundation, Virtual Access ModelDB/OL. , Accessed April 22,

25、 2002, Created 2001.5 B.Campbell, P.Collins, H.Hadaway, etc. 3D Technologies for the World Wide WebC.The 7th International Conference on 3D Web Technology, 2002. 8591.6David Rnadeau. Building Virtual Worlds with VRMLJ.IEEE Transactionson Compueter Graphics and Applications, 1999,19(2):1297 魏东,黄有群,基于

26、VRML的可视化虚拟场景生成工具的研究J.系统仿真学,2005,17(1): 7274.8 王汝传，孙开翠，辛晨均，等。基于VRML的可视化工具的研究J.系统仿真学报，2001, 13(Suppl): 476-478.9 John R. Lee, Andrew B. Williams. The Very Best Papers from CASA 2004 C. Chichester, UK. John Wiley and Sons Ltd. 2004. 327337.10 J.Fischman. Working the Web With a Virtual Lab and Some Java

27、J. Science, 1996,(273): 591593.11 D.Shawver, S. Stansfield. The First Workshop on Simulation and Interaction in Virtual EnvironmentsC, US. The University of Iowa, 1995. 120125.12徐隽,翟正军,杜高鹏. 分布式虚拟实验室的构建J. 科学技术与工程,2006,(5): 636638.13 Southwest. Virtools技术DB/OL. 2007.08.2014叶志宏. 网络课程的设计原则对中国法制史网络课程设计的思考J. 中国电化教育,2002, (3): 636515黄立新, 张剑平. 国家精品课程“现代教育技术”实验教学的组织与实施J. 中国大学教育,2006,(8): 1314.16 爱迪斯