基于Ｗｅｂ３Ｄ技术的远程实践教学研究

朱韶平

摘 要：本文首先研究了Web3D技术的基本概念和实现方法，同时探讨了Web3D技术在远程实践教学系统中应用的必要性和科学性，重点阐述了运用Web3D技术构建虚拟实验室在远程实践教学中的应用。

关键词：Web3D技术 虚拟实验室 远程教学

中图分类号：TP391.9 文献标识码：A 文章编号：1673-8454（2009）03-0072-02

随着计算机网络技术的不断发展，以网络技术为支撑的远程教育得到迅速发展，并取得重大成就，推动了教学改革进程；使得教学体制、教育观念、教育思想、教学模式、教学方法和教学内容发生了深刻的变革，特别在实践教学上尤为突出。运用Web3D、虚拟技术、网络技术、多媒体技术组建的虚拟实验室是一种基于网络的实验教学、技术交流、共同研究协同工作的平台，其在教学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，最大限度地丰富了我国的高等教育资源，尤其解决了高校信息类专业实践教学设备落后、资源短缺等问题。同时它对转变传统教学观念切实贯彻教学改革起到了积极推动作用。

一、关键技术

Web3D技术是虚拟现实技术中一种实现形式。它是指基于Internet的、依靠软件技术来实现的桌面级虚拟现实技术。其主要特点是具有高沉浸感、高交互性和超级想像力。Web3D的实现技术，主要分三大部分，即建模技术、显示技术、三维场景中的交互技术。

1.虚拟现实

虚拟现实 （ＶＲ，Ｖｉｒｔｕａｌ Ｒｅａｌｉｔｙ）技术，就是利用计算机、传感设备生成一个逼真的、可与环境交互体验的三维虚拟环境的新技术，综合了计算机图形学、图像处理和模式识别、传感信号处理、智能网络等技术，将计算机获得的数字化信息变为人能感受到的具有各种表现形式的多维信息。[4] 虚拟现实是模拟环境、视景系统和仿真系统三者的有机结合，它能够创建与客观相似的环境效果。虚拟现实系统由人类操作者、人机接口和计算机三部分组成。其系统组成如图1所示。

2.虚拟现实建模语言（VRML）

虚拟现实技术的关键是建模，建模采用虚拟现实建模语言（VRML）。VRML是在Internet上建立3D多媒体和共享虚拟世界的一个开放标准。它的基本特征：分布式处理方式、三维交互功能、与平台无关性和多媒体集成等。VRML被设计成使用于分布式处理环境中，内建了支持多个分布式文件的多种对象和机制，包括内联式嵌入其他VRML文件，通过超链接指向其他文件和采用已制订的针对其他文件格式的Internet和ISO标准等。利用层次性文件的包含关系可以创建任意大的虚拟现实环境。每个VRML文件，都定义了一个基于时间的三维空间，它包含了可通过多种机制动态修改的视听觉对象。VRML定义了几种传感器节点类型，它们能够决策用户和虚拟环境中几何造型的交互动作（如按动开关），用户在虚拟环境中的行为以及时间推移。传感器提供的这些信息通过由VRML定义的整个事件体系产生视觉或听觉效果，给用户造成与虚拟环境的交互体验。

VRML的访问方式是基于客户机/服务器模式，其中服务器提供VRML文件及支持资源（图像、视频、声音等）。客户端通过网络下载希望访问的文件，并通过本地平台上的VRML浏览器交互式地访问该文件描述的虚拟环境。由于浏览器是本地平台提供的，从而实现了平台无关性。

3.显示技术和交互技术

显示技术是把建立的三维模型描述转换成人们所见到的图像。在浏览Web3D文件时，一般只需要给用户安装一个支持Web3D的浏览器插件即可。

网络的关键在于交互，Web3D技术实现的用户和场景之间的交互是相当丰富的，而在交互的场景中，实现用户和用户的交流也将成为可能。

总的来说，建立模型是用户首先要做的事情，也是相对困难的步骤；而显示是由软件通过计算机的运算完成的，用户不需要过问，只要选择显示质量能满足我们要求的技术即可；交互功能的强弱由Web3D软件本身决定，但用户可以通过适当的编程来改善软件的不足。

二、虚拟实验室的功能和构成

网络虚拟实验是由Web3D、虚拟现实技术生成的一类适于进行虚拟实验的实验系统，组件一般包含实验虚拟原型、应用程序特定的信息数据库、网络设备、虚拟软件（模拟、数据分析、可视化软件）等应用模块。[5][6]它融合了远程多媒体教学和远程互动操作的特点，利用多媒体计算机技术与网络技术，在Web中创建出一个可视化的环境，并由计算机、控制软件、传感器和信号采集、硬件接口模块等构成，完成对被测信号的采集、传送、显示输出结果。虚拟实验室作为一个仪器设备和数据等资源的交互与控制平台，支持完全基于B/S的系统结构，应具有可视化测试环境、监控管理、决策与控制、数据信息库管理等功能。对于实践教学来说，它具有以下特点：操作简单；通过浏览器访问的形式可以远程管理、实验和维护；点击URL链接就可以完成客户端的自动下载、安装、升级和进入系统等一系列操作；实验仪器可自由操作；图形界面友好；通过控制仪器对被测试量进行采集、分析、判断、显示、存储及数据生成；学生可以选择实验内容、设计方案、进行实验。学生通过使用虚拟或真实仪器、装置系统的模拟装置来熟悉实验过程，掌握相关技术；能满足不同知识背景学生的要求，根据其能力、实验经验等调整资源（如设备、组件、仪器、生成器、数据采集板等），保证学生使用模拟环境时能进行各种实验操作。还能使参与实验的人员在远程相互合作，进行实验研究。在虚拟实验室中，实验者有逼真的感觉，像在真实的现实实验室中近距离进行现场操作。

根据所完成的功能不同，系统软件分为仪器驱动、应用程序和系统操作三个层次。仪器驱动层的作用是初始化设备，设置工作状态、工作方式和参数；应用程序层的作用是采集并处理数据；系统操作层提供操作界面，用户通过操作界面上的开关和按钮来操作各种信息设备和仪器。基于Internet的虚拟实验室系统框图如图2所示。

三、基于Web3D技术的虚拟实验室在实验教学中的应用

虚拟实验室有着独特的技术特色，它以较低的成本获得一定程度的虚拟现实体验，它利用VR技术在可视化方面的强大优势以及可交互地探索虚拟物体的功能，为对象进行几何、功能、制造等方面交互的建模与分析。虚拟实验室的数据可做到规格品种齐全，且易于升级换代和增加新品种，从根本上解决了因实验元器件和仪器仪表不全而影响实验的问题。同时虚拟实验室省去了大量的基于物理原型实验的简单劳动，使用者可集中精力于实验对象本身的特性和规律，还可充分利用计算机优势，使虚拟实验室具有良好的在线帮助和学习功能，从而帮助使用者迅速掌握实验研究本身和达到实验研究的具体目标和要求，大大提高了学习和研究效率。教育过程中很重要的一个过程就是呈献知识信息，而Web3D在呈献知识信息方面有着独特的优势，它可以在广泛的网络教学领域提供难得的VR学习资源、学习情境体验，从而巩固和加速学生在Internet上学习知识和技能的过程。

虚拟电子实验室在电子、信息专业实验教学中的应用：利用数据采集和仪器控制技术组建虚拟实验室，利用专用软件（LabView等）设计所需要的虚拟仪器，并利用现有的互联网技术使虚拟实验室加入Internet。用户无需安装应用软件，只需配置网络浏览器，开发的LabView虚拟仪器软件开发平台以及数据采集和仪器控制硬件分别位于远程的WWW服务器和仪器控制服务器，由用户登录到远程实验室进行相应的实验内容。

虚拟实验室的使用效果令人十分满意。在兴趣态度方面，100%的学生表示对此软件很有兴趣，并愿意使用它来进行学习；95%的学生认为它能够较好地解决实验教学中的难点，对于理解所学知识内容有很大帮助；100%的学生认为它是一种很好的多媒体教学资源。

四、结束语

随着计算机网络技术的发展，远程网络虚拟实验室融合了网络技术、虚拟技术、多媒体技术支持远程协作，具有成本低、效率高、功能齐、真实感强、可交互等特点，是今后实验教学研究的一种新型模式。它在网络教育、教学领域有着十分广泛的应用前景；而且由于不需要特殊的硬件和附属设备，也使其在网络教育、教学领域中的应用成为可能。

参考文献：

[1]徐循,何增强.高等学校创新创业教育理论与实践的研究[M].大连:大连出版社,2003.

[2]伍红林.从“博耶报告三年回顾”看美国研究型大学本科生研究性教学[J].高等工程教育研究,2005(1).

[3]http://www.huawei.com/mmweb/zh/solutions/view.

[4]石教英.虚拟现实技术以实用算法[M].北京:科学出版社，2002.

[5]邱进冬.基于Web的虚拟现实的开发与应用[J].计算机应用研究,2003(3).

[6]梁宇涛.虚拟现实技术及其在实验教学中的应用[J].实验技术与管理,2006(3).

[7]姚顾波.基于虚拟现实技术的网络课件写作系统[J].教育技术通讯,1999(3).