全新角度构建虚拟实验室

文/杨俊珂 马德俊

全新角度构建虚拟实验室

文/杨俊珂 马德俊

从“第二人生”中得到启示，从全新的视角提出虚拟实验室的构建模型。该模型从硬件环境、软件体系和教学管理三个方面实现沉浸性、交互性、自主性、开放性等特点，从而既能改善虚拟实验室仪器设备的不足，节约大量的教育经费的任务，又能解决传统实验的机械重复问题。

“第二人生”中的“公民”不但可以看到想看到的东西，最重要的是，他们还可以完全参与进去做任何想做的事情。这给构建更好的虚拟实验室带来启示。

目前在线教育绝大多数都是沉闷乏味的，与传统教学类似，网络课件制作的重点几乎都放在素材内容本身的制作与呈现，却忽略了提供学习者学习过程的趣味性、主动思考意识、动手和体验等机会。美国在线多媒体教材界的一位专家也曾指出，现在绝大部分在线教育方式偏重在内容记忆上，学习过程里缺少有创意的互动或能让学生亲自参与的活动，以致于学生感觉无聊，造成中途离场率高达七成。因此，人们为了提高学习者的体验和参与度，构建了各种虚拟实验室。目前建设的虚拟实验室基本上能够完成实验，但仍存在很多问题，如传统实验的机械重复、学生因沉闷乏味而感到无聊、开放自主流于形式等。

“第二人生”的启示

“第二人生”（Second Life）是由美国林登实验室于2003年首次推出的一个模拟真实的大型多用户在线三维网络虚拟现实平台。当时，这个崭新的虚拟世界完全可以用“荒无人烟”加以形容，但时至今日，红遍全世界，几年的时间注册人数已超过10亿多。“第二人生”不是一款游戏，而是一个互动的虚拟平台，它的“公民”不但可以在该平台上看到想看的东西，最重要的是，他们还可以完全参与进去，公民们可以做任何他们想做的事情。它为用户提供一个类似真实的环境，它成功之处就在于其沉浸性、交互性、自主性和开放性的特点。

“第二人生”融合了桌面虚拟现实技术与网络技术的众多优点。首先，“第二人生”具有沉浸性特点。它以化身为基础，通过对化身的操作与控制，用户可以沉浸于逼真的虚拟环境中。其次，“第二人生”具有较强的交互性。它不仅支持实时的文本和语音交流，同时用户可以通过化身的动作、表情来传递更多的信息。再次，“第二人生”具有自主性特点。它支持和鼓励用户建造自己的物品，创建属于自己的虚拟环境。最后，“第二人生”具有很强的开放性。它整合众多优势资源，实现资源的开放与共享。“第二人生”作为一项新技术，为教育发展提供新的形式和技术支持[1]。

由“第二人生”的成功经验告诉我们，一个理想的虚拟实验室也应该具有沉浸性、交互性、自主性和开放性。

理想的虚拟实验室

本质是无墙实验室

虚拟实验室是一个基于网络的实验教学、技术交流、共同研究、协同工作的平台，是利用虚拟现实及仿真技术进行科学研究与工程设计的方法，也是目前除理论与实验之外的第三种研究设计手段和形式[2]。虚拟实验室的定义主要有两种：一是指在计算机系统中采用虚拟现实技术实现的各种虚拟实验环境， 实验者可以如同在真实的环境中一样完成各种预定的实验项目， 所取得的学习或训练效果等值于甚至优于在真实环境中所取得的效果；二是指一个创造和引导模拟实验的交互环境， 即实验场所， 它由实验所依赖的模拟程序、实验单元、工具和参考资料组成，用户可以通过增加新的物体， 建立新的实验，并把它们转换成超文本文件来扩充实验室。两种定义侧重不同方向， 但都指出虚拟实验室本质上是一个无墙实验室， 它通过计算机网络系统远程控制与交互系统， 使用者将不受时空限制， 能随时随地进行虚拟实验操作， 共享仪器设备、数据和计算机资源，进行协作或得到远程指导等。

四大特点

理想的虚拟实验室应具备如下特点：

1. 沉浸性：是指实验者对虚拟世界的情感反映，这种感觉能使用户全方位地投入这个虚拟世界，通俗地说沉浸性就是身临其境感。虚拟实验室为学生提供逼真的实验环境，使学生的实验操作效果接近或超过真实实验。

2. 交互性：指虚拟实验环境中对象的可操作程度和从环境得到反馈的自然程度，这种自然程度也包括实时性。在虚拟实验的过程中，学生可以随意改变实验条件、实验状态，观察实验结果。虚拟软件可以根据学生要求任意放慢或加快实验进程，从而使学生看到传统实验条件下观测不到的结果，从而使学生在实验的过程中加深对知识的理解和对知识的创新。

3. 扩展性：虚拟仪器的功能可由用户自定义产生，而不是像传统实验设备那样，出厂时由厂家来设定。用户只需要在软件中加入一些通用模块，就可以根据自己的需要对虚拟仪器功能进行设定和升级。

图1 沉浸式虚拟实验室的硬件环境

虚拟现实平台：第二人生

“第二人生”（Second Life）是由美国林登实验室于2003年首次推出的一个模拟真实的大型多用户在线三维网络虚拟现实平台。“第二人生”的媒介不是浏览器，而是提供逼真三维图像的客户端软件，用户只要从“第二人生”的官方网站（secondlife.com）下载一个客户端软件，就可以进入这个栩栩如生的三维虚拟世界进行三维模型的搭建。“第二人生”里只有游戏规则，没有计算机预设好的情节，所有情节完全由居民自己创造，甚至游戏场景都是由个人制作的，如在游戏中可随时打开控制面板来修改自己的模样——从着装到身材、从面部表情到走路姿态、从左边眼影的渐变色彩到脚下鞋子的跟部长度。

4. 开放性：指虚拟实验室是一个开放的平台，学生可以不受时间、空间和实验次数、实验内容和试验方式的严格限制，可以随时随地进入虚拟实验室，根据自己的想法进行实验。

实现的功能[3]

1. 教育功能

学生通过使用虚拟或真实仪器、装置或系统的模拟装置熟悉实验过程， 掌握相关技术；能满足不同知识背景下的学生的要求， 根据其能力、实验经验等调整资源模块(如设备、组件、仪器、生成器、数据采集板等) ， 保证学生在单独使用模拟环境时能进行各种实验操作。

学生可以根据自己的需求和想法改变实验方式、参数；可以根据学生要求任意放慢或加快实验进程，从而使学生看到在传统实验条件下观测不到的结果，实现知识创新。

3. 协同实验和研究功能

虚拟实验室利用当前网络技术和设施，使参与实验的人员在远程相互合作以进行实验研究， 为分布在世界各地的研究人员提供共同从事一个项目的分布式问题解决环境。

4. 仿真研究功能

虚拟实验室可根据人们的设想完成现实实验无法完成或者成本很高的实验项目。

引入虚拟现实技术

虚拟现实技术可以帮助虚拟实验室实现上文所述的教育功能。

何良诸也觉得饿了。井上大概发生了重大变故，如果小勺酒店被围抄，警方将赵集、小勺、驼子带走，他们会活活饿死。何良诸将上面的情况，告诉了两位难兄难弟。

虚拟现实，又称灵境技术，它是利用三维图形生成技术、多传感交互技术以及高分辨显示技术，生成三维逼真的虚拟环境，通过运用多种传感器和可视化设备，将视觉、听觉、触觉等作用于用户，使用户融入到特殊的环境中去感知和操作虚拟世界中的各种对象及对环境进行控制，成为虚拟环境的一员，从而获得身临其境的感受和体会[3]。

虚拟现实技术具有3个基本特征：

1. 沉浸性，虚拟现实技术是根据人类的视觉、听觉的生理心理特点，由计算机产生逼真的三维立体图像。使用者戴上头盔显示器和数据手套等交互设备便可将自己置身于虚拟环境中，成为虚拟环境中的一员。使用者与虚拟环境中的各种对象的相互作用，就如同在现实世界中。当使用者移动头部时，虚拟环境中的图像也实时地跟随变化，比如，拿起物体时，物体会随着手部的移动而运动，而且还可以听到三维仿真声音。使用者在虚拟环境中，一切感觉都是那么逼真，有一种身临其境的感觉。

2. 交互性，虚拟现实系统中的人机交互是一种近乎自然的交互，使用者不仅可以利用计算机键盘、鼠标进行交互，而且能够通过特殊头盔、数据手套等传感设备进行交互，计算机能根据使用者的头、手、眼、语言及身体的运动，来调整系统呈现的图像及声音，使用者通过自身的语言、身体运动或动作等自然技能，就能对虚拟环境中的对象进行考察或操作。

3. 多感知性，由于虚拟现实系统中装有视、听、触、动觉的传感及反应装置，因此，使用者在虚拟环境中可获得视觉、听觉、触觉、动觉等多种感知，从而达到身临其境的感受。

图2 虚拟实验室的软件体系结构

图3 虚拟实验教学管理模型

虚拟实验室的建构新模型

构建虚拟实验室，就是根据虚拟实验室的需求搭建一个网络平台系统，其主要包括硬件环境、软件体系和教学管理三个方面。

硬件环境

全方位的硬件系统支持是实现虚拟世界沉浸性的基础，它可以保证实验者以自然和谐的方式与虚拟实验环境进行交互，这类用于输入与输出的硬件设备共同构成虚拟实验系统的交互界面，从不同的方面促进沉浸感的形成，主要有视觉感知设备、听觉感知设备、触觉反馈设备、数据手套、数据衣、空间位置跟踪器、输入设备。用于沉浸式虚拟实验系统的视觉感知设备主要有头盔式显示器和洞穴(Cave)式立体显示装置等。通过这类显示装置，为实验者呈现三维的逼真场景，并且可以使用户在视觉上与外界隔离开来，保证系统的沉浸性需要。当然，完全沉浸的虚拟现实系统目前只能处于设想阶段。此外，高性能的计算机是整个虚拟系统的核心，由于要并行地处理来自多个感知通道的信息，这就要求计算机系统应有高速的数据处理和计算能力。硬件环境的结构[4]如图1所示。

软件体系结构

沉浸式虚拟实验室的软件部分是保证系统成功的又一关键因素，硬件设备是基础，而软件部分则负责对实验过程和实验结果的科学性、精确性以及实验评价进行控制，此外还负责对各种底层硬件设备的驱动和控制以及各种媒体信息的复杂处理以形成沉浸感。虚拟实验室的软件系统所包含的各个模块及其相互关系[4]，如图2所示。

虚拟实验教学管理

虚拟实验教学管理是整个虚拟实验室建设的目的，虚拟实验室的沉浸性、交互性、自主性、开放性都会在这里得以展现和实施。这个模块包括学生学习管理、教师教学管理和实验管理员管理。虚拟实验教学管理模块如图3所示。

在实际构建虚拟实验时的我们应根据实验教学的特点和人才培养的需要，综合考虑各方面的因素来开发一个合适的虚拟实验室，由于开发一个虚拟实验室需要投入很大的人力和物力，所以在开发之前一定要先进行需求分析，根据不同的实际情况来建构不同的硬件环境、软件体系结构和教学管理模块，但总体来说我们还是要在坚持虚拟实验的真实模拟性原则的同时进一步追求其沉浸性、交互性、自主性和开放性，从而使虚拟实验室在实验教学中起到更好的效果。

目前该模型已被相关研究人员借鉴并应用于某一个高校的虚拟实现技术课程的教学实验中。据相关研究人员介绍，学生通过实验课教学能够更好地学习和掌握相关知识，学生在这个逼真的、强交互性的虚拟实验环境中，通过鼠标和键盘的操作进行各种实验，由于学生自己动手搭建人机交互的虚拟场景，使学生能够成为虚拟环境的一名参与者，在虚拟环境中扮演一个角色，获得与真实实验相同的感受，满足了学生的好奇心和求知欲，更调动了学生的学习积极性，激发了学生无限的学习兴趣、开发创新意识，对突破教学的重点、难点，培养学生的技能起到积极的作用。总之，利用虚拟现实技术开发的具有沉浸性、交互性、自主性、开放性等特点的虚拟实验室在实验改革教学中有着广阔的应用前景。

（作者单位为徐州师范大学信息传播学院）

扩展阅读：

[1] 刘学勤，郭宁. 亚利桑那大学“第二人生”教育应用实践及其启示.河北大学成人教育学院学报，2009.12（第11卷第4期）.

[2] 刘筱兰等. 虚拟实验室的类型及发展趋势.计算机应用研究，2004年第11期.

[3] 张艳，樊莉，方秦.基于虚拟现实技术的虚拟实验室建设.科技创新导报，2008年第20期.

[4] 吕耀中.沉浸式虚拟实验室的建设构想.现代远距离教育，2008年第3期.