基于虚拟现实的远程学习平台研究

来源:用户上传      作者: 陈懿炜

　　摘要：通过虚拟现实技术实现计算机硬件的三维仿真组装，并且将其融合到远程学习平台中；以期为《计算机文化基础》的远程教学提供一个全新的环境，让学生可以通过网络学习平台动手实践，相互交流，获得与真实实验一样的体会，从而丰富感性认识，加深对教学内容的理解。
　　关键词：虚拟现实；virtools；远程学习
　　中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2013）20-4648-02
　　1 概述
　　《计算机文化基础》是高校各专业必修的公共基础课，以培养学生的动手能力为主，作为实践课程，需要将计算机理论知识运用于各种实践中。在实际教学中，计算机硬件实验受到场地，时间，经费等得诸多因素限制，上课前器材的准备和后期的维护需要大量的人力和物力，实验中用到的器件也做不到规格齐全，且不易于升级和增加新品种，因此要让学生能完成计算机硬件组装实验十分困难。并且各高校都有大量的远程教育学员，他们面授次数很少，大部分都在计算机网络上进行自主学习，更不可能接触到实际的硬件设备。目前虚拟现实技术飞速发展，这是我们建立各种虚拟实验平台的基础。虚拟现实技术使计算机生成的虚拟世界如同真实一般，使人沉浸在其中，而且能与虚拟世界中的各种对象自然而然进行交互。虚拟现实技术可以克服实际教学中设备、场地、经费不足等缺点，使计算机文化基础课程的实验教学全面展开。
　　本课题组希望借助虚拟现实技术实现计算机硬件的三维仿真组装实验，并且将其融合到远程学习平台中；为《计算机文化基础》教学提供一个全新的环境，让学生可以通过网络学习平台动手实践，相互交流，获得与真实实验一样的体会。
　　2 系统平台的构建
　　技术基础：虚拟现实雏形从1965年在美国出现至今，已经有了四十年多年的研究历史。但虚拟现实技术在教育领域的应用才不过有三十年的历史。目前在美国使用虚拟现实技术的教育项目主要包括：虚拟实验室，虚拟演播室，虚拟校园等等方面。相当多的高校在相关学科领域开发了虚拟教学系统。如西班牙大学电子系的电子仪器虚拟工作平台；意大利帕瓦多大学的远程虚拟教育实验室；新加坡国立大学的远程示波器实验和压力实验等。
　　我国由于成本费用等问题，虚拟现实技术研究一直发展较慢。近年来，由于科技的进步，虚拟现实技术的应用成本大幅下降、功能日益丰富，我国开始逐步对虚拟现实进行了研究应用。但是，真正的研究历史也只有十多年。1996年，天津大学利用虚拟现实技术开发了虚拟校园系统，至此开启了我国教育领域应用虚拟现实的序幕。从此虚拟现实技术大量的投入教育领域。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。
　　虚拟现实技术有很多种软件可以实现，Virtools是由法国Dassault systems公司开发具备丰富的动作行为模块的即时3D环境虚拟编辑软件。此虚拟现实软件最大的优点是行为交互模块（Building Block），利用其内建的行为交互模块在开发时只需要用鼠标拖曳Building Block就可以建构出复杂的互动程序。普通的开发者可以像堆积木一样，利用鼠标拖放（BB）的方式，将动作行为模块赋予在适当的物件或角色上，以流程图的方式决定BB的处理先后顺序，逐渐编辑组合成一个完整的互动式虚拟世界。
　　本课题研究的系统其开发流程如下：
　　1）建立计算机虚拟硬件库。虚拟实验环境和虚拟仪器模型主要基于3DMAX创建，然后导入VIRTOOLS DEV中进行三维交互设置，并通过virtools软件实现三维互动。
　　2）用Virtools的动作行为模块Building Block（BB）来实现特定事件。BB是一组用来描述“该组件在特定的条件或既定的事件之下应该如何行动或反应”的描述档案文件。每个行为模块都有自己的动作行为功能。利用每个行为模块的动作输入Bins和动作输出Bout以及行为链接Blinks可以将多个单独的行为模块连接起来形成具有一定功能的行为模块组，并且赋予给特定的组件，构成脚本。
　　3）除了虚拟的计算机硬件实验外，其他部分内容使用HTML 技术以实现和远程学习平台的嵌入。在网页中， 使用超链接方式调用VMO文件 ， 就可以进入三维虚拟环境，在此环境中可以展示三维仪器设备， 并进行演示操作及进行虚拟拼装。
　　3 平台开发的主要过程
　　虚拟硬件库的建设：
　　因为Virtools本身是没有建模能力的，我们使用3DSMAX进行模型的建立，在3DSMAX中先建立好模型，再通过Virtools Exporters插件导出到Virtools中。建立模型的时候，最好要建立简单的模型，减少不必要的多边形，减少模型的面数，这样可以大大提高系统的运行速度，并且保障在网络上发布时的流畅程度。为了提高模型的真实感，可以选用比较细致的贴图。每一种类型的硬件我们都可以对他进行建模，但计算机硬件的更新速度是相当快的。根据英特尔创始人戈登·摩尔总结的广为人知的关于芯片性能每18个月倍增的定律，一年之后就有更新更快的设备出现，届时硬件的外观，板块的接口都将不同。那么我们就需要创建一个硬件资源库，将新的硬件资源进行建模后存放到资源库中，这样学生就可以根据自己的要求来选择各种型号、规格的硬件来进行计算机组装。因此他应该是一个可以不断扩充的数据库，能够让学生感觉与时俱进，在真实的电子市场中一样进行组装体验。
　　然而实际上由于Virtolls发布的文件是静态文件，并不能动态的生成个性化的实验数据，我们目前还没有很好解决对外部模型的动态导入功能，要创建一个硬件模型资源库，学生可以在库中进行自由的选择，并实时导入到虚拟实验环境，这个功能目前还没有实现。我们根据设备的分类，将市面上主流的几种配置进行归类，让学生进行选择，比如发布多个实验文件，有INTEL系列，AMD系列等，让学生选择后进行操作。 　　行为模块Building Block：
　　在行为模块的输出和输入端会有直线连接，这条直线叫做bLink （行为链接） 线，它定义行为模块的运行顺序。按这个顺序运行叫做激活流程。当动作行为模块被触发时，就会按照顺序执行其功能，并显示效果。这就是输入端（inputs）的作用，它接收以事件为基础的讯号，并且负责触发该动作行为模块激活后的一连串处理程序。一旦行为模块完成了任务，模块就会传送一些事件信号出去，透过位于模块右边的输出端（outputs），继续触发连结到这些输出端的其它行为模块，完成它们的后续任务。
　　在各种硬件进行匹配组装时，我们采用的策略是通过鼠标单击拖动物体，物体会随之移动，当移动到正确安装位置时，相应位置显示高亮色，表明用户选定的位置时正确的，物体自动就移动到位置进行安装。
　　由于涉及到的硬件模型数量很多，不可能每个模型都建立BB，比如每个板块都有被选中和移动，旋转展示这样的过程。在
　　Virtools中我们可以通过BG继承来实现，BG是Behavior Graph，是一系列 BB、VSL，甚至变量声明组成的一组脚本程序，一般一个 BG 对应一个完整功能。BG可以用来定义自己的BB，就像一个类。
　　网络平台的嵌入：
　　最终我们将虚拟硬件组装实验融合到基于网络的《计算机文化基础》学习平台中去，我们将CMO文件发布成HTML网页格式。但是学生要在浏览器中运行这个实验，需要安装1M大小的Virtools Web Player。在实际的使用中，多用户体验容易导致服务器网络堵塞，这个主要是由于三维模型数据量大造成，在以后的研究中需要尽量精简模型数据。
　　4 结束语
　　基于网络平台的远程学习正是快速发展的阶段，越来越多的现实因素制约着真实的实验环境，在网络平台中用三维虚拟实验来替代真实实验正成为一个远程学习平台开发的方向，我们以《计算机文化基础》这个课程为基础，进行了远程虚拟实验系统的开发和应用。但实际问题还很多，比如如何实现学习小组内部的网上虚拟互动，如何使系统更加稳定和流程，都是我们今后要继续研究的课题。
　　参考文献：
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