1、基于 VRP 的研究性虚拟实验系统设计与实现*摘要：虚拟实验解决了实验教学设备缺失的问题，同时给实验教学带来了新的教学方式，但基础教育中大部分由企业开发的虚拟实验系统注重技术实现，没有很好地体现教学设计的思想。针对这个问题，结合高中信息技术实验教学实施需求，以研究性学习理论为基础，提出了利用 VR-Platform 设计开发研究性虚拟实验系统的方案。并以高中信息技术选修课网络技术应用为例，论证了方案的可行性。关键词：虚拟实验系统；研究性学习；VR-Platform中图分类号：G434 文献标志码：B 文章编号：1673-8454（2014）07-0068-04引言新课改实施后，高中信息技术课程
2、体系发生了很大的变化，选修模块增加了很多实验性的课程内容，例如计算机硬件组装、网线的制作、网络服务配置、机器人装配与调试等都具有很强的操作性，其目的是要培养学生的创新精神和实践能力。但目前很多学校由于实验设备的缺乏学生无法真正动手进行实验，为了解决实验教学环境缺失这一难题，我们设计与开发了虚拟实验系统。近年来随着虚拟现实技术的发展，国内外的学者在虚拟实验这方面做了大量的研究和开发工作，但主要面向的是高等教育理工科实验教学，基础教育中的研究比较少，主要也是针对物理、化学、生物等主科，作为副科的信息技术长期不受重视，在虚拟实验方面的研究屈指可数：有文献介绍了用虚拟机技术搭建虚拟实验平台的方法；1也
3、有文献介绍了用 3Ds Max 和 VR-Platform（以下简称 VRP）开发一个可交互的课件。2从技术实现的角度来看，采用虚拟机技术能够解决硬件设施不足的问题，方便硬件设备的管理，但是平台缺乏交互性；1也有的给高中信息技术实验教学带来了新思路，却仅仅是一个单独的虚拟实验实例，不具有扩展性。2本文针对上述不足，提出利用 VRP 构建研究性虚拟实验系统的方案，即以 VRP 作为虚拟场景的开发工具，以研究性学习理论为基础指导虚拟实验系统教学设计。该方案能够克服上述方法中技术实现的不足，同时注重系统的教学特性，具有交互性、平台扩展性，易于实现和自主性、探究性等特征。一、研究性虚拟实验系统的设计本
4、文以高中信息技术选修课程网络技术应用为例，依据网络技术应用课程实验要求设计和实现基于 VRP 的研究性虚拟实验系统，系统设计的总目标是要改善目前实验设备缺乏的现状以及培养学生的创新精神和实践能力。其中研究性虚拟实验系统中的“研究性”，指的是以研究性学习理论为指导思想，设计出来的虚拟实验具有研究性学习的特点，能使学生通过实验增强实践探究能力和创新意识。目前对研究性学习的定义没有统一的界定，普通高中研究性学习实施指南（试行）给出的定义是：研究性学习特指学生在教师指导下，从自然、社会和生活中选择和确定专题进行研究，并在研究过程中主动地获取知识、应用知识、解决问题的学习活动。3根据此定义，这里将研究性
5、学习理解为一种学习方式，它相对应于接受性学习，学生的学习是一个主动探究问题、创造性地解决问题的过程。具有自主性、开放性、主题性、实践性、探究性和创造性等特点。41.教学设计（1）学习者分析学生是虚拟实验系统使用的主体，因此在系统开发前必须充分考虑学生的特点、认知水平和认知风格等基本特征，为后续的开发工作提供依据。高中生的生理和心理都进入成熟期，思维具有创造性和灵活性，喜欢新事物和创造性的活动，因此在新颖而有趣的虚拟实验环境中进行自主探究学习，能够激发学生的学习兴趣，满足学生的求知欲和探索精神。（2）研究性教学内容与学习资源设计本系统中包含网络技术应用教材中大部分的实验内容，通过对实验内容的整合
6、，选取能够体现虚拟实验系统教学优势、实践体验性强的实验内容，每个实验都是以问题的形式呈现，学生在这个问题情境下，可以提出具体的研究问题作为实验学习目标。为辅助学生自主实验，系统提供理论丰富的学习资源，如文本学习资料、图片、动画及视频案例等，学生可以自由地组织和获取各种学习资源。以上设计体现了研究性学习开放性的特点，学生可以自主选择实验内容与学习资源进行实验，另外，虚拟实验系统能够使学生不受时间和空间的限制随时随地进行实验，体现了整个研究性虚拟实验系统的开放性。（3）教学目标分析教学目标是教学的出发点和归宿，也是对学生学习效果评价的依据。虚拟实验的具体目标分为两个：知识、技能目标和实验活动目标，
7、其中实验活动目标中包含情感态度、精神素养方面的要求。（4）自主实验策略制定研究性学习强调学生的主体地位，要充分发挥学生的主动性，因此自主实验的设计应以学生为中心，学生自主对实验引导的问题进行探索，从实验仪器的选择、实验操作步骤的确定、学习资源的利用到实验报告的填写，都是由学生自主安排，教师不参与实验过程，而是给出相关知识点解析、视频或 PPT 演示示例供学生参考，学生可以根据自己的学习情况安排自己实验进度。整个实验过程具有自主性、探究性和实践性，同时学生探究实验的过程也是一个创造性的过程。（5）反馈评价设计研究性虚拟实验系统的反馈评价设计，主要是通过填写实验报告进行的，同时也注重学生在实验过程
8、的评价与学生的自我评价。目的在于让学生及时了解自己的实验情况，反复修正和探索实验问题，教师也可以通过学生的实验反馈了解学生的学习情况。2.系统框架设计虚拟实验系统包括简介、仪器库、实验列表、背景音乐、帮助和退出系统六个组成部分，其中最核心的部分是虚拟实验模块，每个虚拟实验功能设计大致一样，主要由实验介绍、演示示例、仪器选择、自主实验及反馈自测五大功能模块组成。系统的框架设计如图1 所示。实验介绍模块：介绍每个虚拟实验的学习背景概述、教学目标、教学重点和难点。示例演示模块：包括视频教程和 PPT 动画演示文稿，通过鼠标点击虚拟投影屏幕模型上的按钮进行播放。仪器选择模块：虚拟仪器桌上主要有水晶头、
9、双绞线、网线测试仪、压线钳、路由器、交换机等虚拟仪器，通过鼠标点击虚拟仪器模型实现交互，从而选择实验所需要的仪器设备。自主实验模块：这是学生进行自主虚拟实验的开放性场所，学生在虚拟小女孩角色的引导下进入虚拟实验室中进行自主实验探究。本模块中提供的资源包括动画漫游、问题引导、知识点解析、操作内容和实践拓展，学生实验前可以通过动画漫游熟悉整个实验环境，然后根据给出的操作内容，自主进行实验探究，实验中有疑惑可查看教师给出的问题引导及相关知识点解析，学有余力的学生还可以完成实践拓展中的内容，进一步提高自己能力。反馈自测模块：附有实验记录表、实验中问题分析和实验结论填写。3.流程设计根据系统设计实现的先
10、后顺序，虚拟实验系统的实现流程图包括前期准备阶段、3D 建模阶段和交互设置阶段三个步骤，如图 2 所示。（1）素材收集在系统实现的前期准备阶段，除了对教学设计“软”素材的准备，还要对虚拟场景制作的“硬”素材进行收集。由于虚拟实验系统是以实体实验室为基础进行仿真构建的，因此要对实验室的外形构造信息和纹理材质、贴图照片等进行采集。（2）三维模型建立本文采用功能强大、界面友好的 3ds Max 2010 进行网络技术应用虚拟实验环境的构建，主要包括虚拟实验室、虚拟实验仪器设备如水晶头、双绞线、压线钳、PC 机、路由器等模型的构建。模型框架创建后，为模型添加材质和贴图、布置灯光及场景烘焙，其效果如图
11、3 所示。（3）交互设计在 3ds Max 2010 中完成虚拟实验环境建模后，通过安装好的 VRP-for-Max 插件导入VRP 编辑器中，导出的时候可以进行预览。成功导入 VRP 编辑器后便可对虚拟实验场景进行编辑和调整，进行交互设计。本文所实现的是桌面式虚拟实验系统，学习者与系统的交互主要是通过鼠标、键盘及界面的按钮进行，通过设置模型或按钮的事件触发脚本命令实现与场景中对象的各种互动，如实现对模型的平移、缩放、旋转及在场景中进行漫游、行走等。（4）虚拟实验系统发布VRP 虚拟实验系统的发布比较简单灵活，既可以将文件编译成单机可独立执行的*.exe文件，也可以输出为 Vrpie 文件通过
12、互联网在线浏览交互。二、具体实现案例1.开发环境介绍VR-Platform(Virtual Reality Platform，简称 VRP)是北京中视典数字科技有限公司独立开发的虚拟现实软件，VRP 软件的适用性比较强，操作简单，软件功能强大，已经广泛应用于城市规划、室内设计、教育科研、古迹复原、工业仿真及军事模拟等领域。本文采用 VRP 软件最新版本 VRP12.1212 作为虚拟实验系统开发平台，选择的理由：一是 VRP 软件是全中文界面，高度可视化，所见即所得，最大的特点就是易学易用，可以说在目前虚拟现实软件中是最容易上手的。5对编程基础没有大的要求，这可以打消很多高中信息技术一线教师“
13、想做虚拟现实却苦于编程基础一般”的疑虑，激励更多一线教师参与进来，设计出更多符合高中生学习特点的虚拟实验。二是交互性良好，在 VRP 中模型和二维界面都可以进行鼠标事件或距离触发事件的脚本编写，简单设置参数后，就可以实现功能强大的交互。三是与 3Ds Max 无缝集成，支持 3Ds Max 中绝大多数的灯光、材质、贴图，支持 3ds Max 中的相机动画、骨骼动画、位移动画和变形动画，这些模型和动画都可以很方便快捷地导入到 VRP 中，导出时还可以进行预览。6四是 VRP 具有良好的兼容性，能够兼容大多数 Windows 系统，VRP 中还提供了 ActiveX 插件方式、基于脚本方式和基于
14、C+源码的 SDK 三种强大的二次开发接口，具有良好的扩展性。2.具体实现下面通过部分实例来说明如何利用 VRP 实现研究性虚拟实验系统：（1）演示示例的实现当用鼠标单击二维界面“演示示例”按钮时，虚拟实验场景切换到投影仪屏幕，用鼠标单击屏幕上的开始播放按钮，即可播放虚拟实验的演示示例视频或 PPT 动画演示文稿。图 4 为实验案例一“网线的制作”演示示例效果。其中“演示示例”按钮的脚本代码设置为：切换相机（通过名称），定点-投影屏幕，1开始播放按钮脚本设置为：加载视频,E:li实验 例子VRP 文件网线的制作.avi,0应用视频到模型,网线视频按钮,1视频播放控制,网线视频按钮,1变量赋值,
15、视频显示,1（2）虚拟仪器选择的实现单击“仪器选择”按钮，系统通过定点相机切换场景到仪器桌，仪器桌上的仪器设备信息都记录在连接的 Access 数据库中，鼠标左键双击仪器可以调出数据库显示面板查看仪器信息，如图 5 所示。学习者根据实验需要自主选择仪器，单击鼠标中键可选择所需仪器，当选择错误仪器时，系统会给出温馨提示，学生自己考虑选择或取消，取消选择点击鼠标右键即可。“仪器选择”按钮脚本设置如下：切换相机（通过名称），定点-仪器桌，1时间轴播放，仪器操作时间轴更改时间轴播放方式，仪器操作时间轴，0，1激活时间轴，仪器操作时间轴，1，1（3）自主实验的实现学生进行自主实验是虚拟实验系统的核心部分
16、，单击二维界面上“自主实验”按钮，进入自主实验开始场景，其界面如图 6 所示。学生通过小女孩角色引导进入虚拟实验室进行虚拟实验探索，如图 7 所示为学生正在通过 ping 命令测试网络连接，界面用大窗口实现电脑桌面内容便于观看和操作，使用到的是 VRP12 版新增加的“渲染到贴图”功能。7“自主实验”按钮脚本设置为：切换相机(通过名称),定点-室外,1。“漫游”按钮脚本：切换相机（通过名称），动画相机漫游，1。小女孩角色脚本设置为：时间轴播放,室外行走动画。切换相机（通过名称），角色控制-小女孩，1。开门动作脚本：播放刚体动画，vrp_rigid 开门，0，0，1。三、结束语本文以高中信息技术
17、选修课网络技术应用为例，设计和实现研究性的虚拟实验，打破了传统的教学方式，为高中信息技术实验课程提供了新的教学模式和学习方式。注重实验内容的研究性教学设计和界面设计，可以提高学生的兴趣，培养学生的创新精神和实践能力。选用 VRP 作为虚拟实验的开发工具，并且给出了整个开发流程，为高中信息技术一线教师自主研究开发提供参考。只有信息技术教师首先重视学科教学，信息技术学科的地位才能得到有效提升。参考文献：1陈万伦.虚拟机技术在高中信息技术教学中的应用J.计算机光盘软件与应用,2012(7):254-256.2刘力.虚拟现实技术在高中人工智能教学中的应用研究D.沈阳:沈阳师范大学,2009:28-32.3中华人民共和国教育部.普通高中研究性学习实施指南(试行)EB/OL.http:/ Max 虚拟现实制作技能实训教程M.北京:科学出版社,2010:12-18.6VR-Platform 中视典三维互动虚拟平台帮助教程EB/OL.http:/ VRP 深度交互实例精解M.北京:印刷工业出版社,2012:132-137.（编辑:王天鹏）