《计算机教育》：网络教育中基于Web的虚拟实验实现方法研究（西北工业大学：冷国伟、苗胜）.pdf_大学文库

学/科/建/设/与/教/学/研/究网络教育中基于Web的虚拟实验实现方法研究冷国伟,苗胜 (西北工业大学网络教育学院,西安710072) 摘要:在网络教育过程中,无法以传统方式开设实体技术为主要媒体,在互联网上跨时空、跨地域进行验课程这一问题,一直影响网络教育的质量,虚拟实实时或非实时交互式教学的现代远程教育—一网络教验的出现,给出了解决这一问题的新思路。本文通过育。对现有技术进行比较,最终选用虚拟现实建模语言然而,在网络教育中,由于教学机构和学生在空 VRML进行虚拟实现环境的创建,并利用 JavaScript编程间上的分离,学生难以到学校实验室进行实验。目前语言对ⅦRML进行扩展,实现了一个虚拟实验实例,为大多数网络教育学院不开设实验课,这明显影响了网络教育中虚拟实验的建设,提供了可行的实施方案。络教育,尤其是其工科专业学生的质量。教育部科学 Research on the Implementation of virtual Experiment技术司司长谢焕忠在《2006年中国国际远程教育大 Based on Web in Network Education 会》的发言《教育信息化规划和发展战略》中明确指 Leng guowei Miao Sheng 出,“第五,加大关键技术的攻关力度……包括……虚 ( College of Network Education, Northwestern Polytechnical拟实验、虚拟实习和实训技术……”因此,根据网络 University, Xi an Shannxi 710072) 教育的特点,开设好网络教育中的实验课是一个非常 Abstract: The problem of how to implement experiment always必要和有意义的研究课题 affects the teaching quality in network education, and virtual experi ment is an altemation to solve this problem. After analyzing the2实验课程的开设途径和要求 existing technical, Virtual Reality Module Language(VRML)and Javascript were eventually selected to design virtual experiments 网络教学的特点之一,就是教师和学生在时间和 An instance of virtual experiment had been implemented in this空间上的分离,学校和学生在空间上的分离。这一特 ane. which provided a feasible approach to create virtual experI点使得我们很难以传统方式实施实验教学,为了保证 ments in network education Keywords: Virtual Experiment; VRML Java Script 网络教育的质量,要求我们必须寻找新的途径来解决关键词虚拟实验虚拟现实建模语言 JavaScript 这个问题。中图分类号:G642 文献标识码:A 如果条件允许,即学习中心具备实验条件或学生文章编号:1672-5913(2007)05-0035-0 可以到实验室上课,最好用传统的方法开设实验课实际情况中,一方面绝大多数学习中心不具备开设实 1引言验课的条件:另一方面利用现代网络和计算机技术进行远程教学,是网络教育较传统远程教育的最大优势, 随着计算机、通信和网络技术的高度发达,使得因此,以虚拟实验的方式进行远程虚拟实验,是解决以函授教育为主体的传统远程教育逐渐转变为以多媒网络教育中缺少实验环节的一种重要手段。 c1094-200 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.中计算机教育12007335

学 / 科 / 建 / 设 / 与 / 教 / 学 / 研 / 究计算机教育 3 5 2007.3 摘要：在网络教育过程中，无法以传统方式开设实验课程这一问题，一直影响网络教育的质量，虚拟实验的出现，给出了解决这一问题的新思路。本文通过对现有技术进行比较，最终选用虚拟现实建模语言 VRML进行虚拟实现环境的创建，并利用JavaScript编程语言对VRML进行扩展，实现了一个虚拟实验实例，为网络教育中虚拟实验的建设，提供了可行的实施方案。 Researchonthe ImplementationofVirtualExperiment BasedonWebinNetworkEducation Leng Guowei Miao Sheng (College of Network Education，Northwestern Polytechnical University，Xi’an Shannxi 710072) Abstract：The problem of how to implement experiment always affects the teaching quality in network education, and virtual experiment is an alternation to solve this problem. After analyzing the existing technical, Virtual Reality Module Language (VRML) and JavaScript were eventually selected to design virtual experiments. An instance of virtual experiment had been implemented in this article, which provided a feasible approach to create virtual experiments in network education. Keywords：Virtual Experiment;VRML;JavaScript 关键词：虚拟实验；虚拟现实建模语言；JavaScript 中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1672-5913（2007）05-0035-05 1 引言随着计算机、通信和网络技术的高度发达，使得以函授教育为主体的传统远程教育逐渐转变为以多媒体技术为主要媒体，在互联网上跨时空、跨地域进行实时或非实时交互式教学的现代远程教育——网络教育。然而，在网络教育中，由于教学机构和学生在空间上的分离，学生难以到学校实验室进行实验。目前，大多数网络教育学院不开设实验课，这明显影响了网络教育，尤其是其工科专业学生的质量。教育部科学技术司司长谢焕忠在《2006 年中国国际远程教育大会》的发言《教育信息化规划和发展战略》中明确指出，“第五，加大关键技术的攻关力度……包括……虚拟实验、虚拟实习和实训技术……”因此，根据网络教育的特点，开设好网络教育中的实验课是一个非常必要和有意义的研究课题。 2 实验课程的开设途径和要求网络教学的特点之一，就是教师和学生在时间和空间上的分离，学校和学生在空间上的分离。这一特点使得我们很难以传统方式实施实验教学，为了保证网络教育的质量，要求我们必须寻找新的途径来解决这个问题。如果条件允许，即学习中心具备实验条件或学生可以到实验室上课，最好用传统的方法开设实验课。实际情况中，一方面绝大多数学习中心不具备开设实验课的条件；另一方面利用现代网络和计算机技术进行远程教学，是网络教育较传统远程教育的最大优势，因此，以虚拟实验的方式进行远程虚拟实验，是解决网络教育中缺少实验环节的一种重要手段。网络教育中基于 Web 的虚拟实验实现方法研究冷国伟，苗胜（西北工业大学网络教育学院，西安 710072）

学/科/建/设/与/教/学/研/究 2.1虚拟实验的可行性是占用的存贮空间小,适合于在网络上传播。但是其随着计算机和网络通讯技术的发展和成熟,在20面向对象脚本语言 ActionScript实现的交互性尚有不世纪80年代,美国国家仪器有限公司在科技界首先提足,而且 Action Script的指令虽然也可以完成实验的出了“虚拟仪器”的崭新概念,并不断开发出基于计后台计算,但是由于 Flash采用矢量图,无形中增加算机的测试测量仪器。经过约30年的发展,目前,国了许多计算量,难以完成大量图像的快速更新。由此, 内外有几百家研制、生产和销售虚拟仪器的公司,上 Flash只适用于实现较为简单的虚拟实验。千种虚拟仪器产品,应用遍布电子、机械、通信、汽3.2 Activex实现方法车制造、生物、医药、化工、科研、教育等各个行业 Activex是一种体系结构,它允许使用不同编程领域。在科技界,虚拟仪器已经不是一个陌生的概念。语言开发的软件组件在网络环境中相互操作。开发者目前,利用计算机软件来表现实验过程已被高校教师可以创建自己的 Activex控件,其中包含片断或独立普遍接受,并应用于教学。所以,开发虚拟实验课件,的组件,不但可以在程序中重复调用,也可以嵌入其对网络教育的学生开设虚拟实验课程具有现实意义和他应用程序而成为其一部分,这种技术为虚拟实验的实际作用创建带来了极大的便利。但每一种 ActiveX控件在初 2.2编制网络教育虚拟实验课件的基本要求次运行时都需要进行下载并注册,这给用户的使用带网络教学的特点就是远程教学,因此对虚拟实验来了不少麻烦。课件的制作有以下要求 3Java实现方法 *必须在网络环境下制作虚拟实验课件,使得学 Java是一种通用的网络编程语言,它不但具有强生能够通过网络在异地完成虚拟实验。大的编程能力和良好的可移植性,而且也具有很好的 *具备实验指导模块。内容包括文字指导和实验稳定性和安全性,这些特性对于构建虚拟实验来说都指导教师真实实验的视频录像,以便学生通过是非常重要的。但是对于纯粹的Java平台来说,开发教师的实际操作和文字阅读加深对实验的理和维护代价很高。解,顺利完成虚拟试验。 *具备虚拟试验模块,即本文讨论的内容。在该3.4VRML实现方法模块中,除了正常实验外,还应具备智能操作虚拟现实建模语言一—VRML( Virtual real- 判断功能,即在实验中,学生操作失误,系统 ity Modeling language)是三维造型和渲染的图形会自动指出错误并要求返回上一步,继续试验。描述性语言。利用其可以在 Internet建立交互式的,三 *具备反馈模块。要求实验课件系统能够把实验维多媒体的境界,国际标准化组织1998年1月正式将结果自动存入服务器,以便教师批阅后反馈给其批准为国际标准。VRML的基本特征包括分布式学生。交互式、平台无关、三维、多媒体集成、逼真自然等, 3虚拟实验实现方法比较被称为“第二代Web”。其应用范围相当广泛,包括科学研究、教学、工程、建筑、商业、娱乐、广告、电目前,虚拟实验的实现应有多种途径,按照其实子商务等,已经被越来越多的人们所重视现的技术手段可以分为基于 Flash交互技术的网络虚通过以上几种实现方法的比较看出,VRML能更拟实验,基于 Activex技术的网络虚拟实验,基于Java 好地实现虚拟实验。虽然VRML的出现为基于Web 技术的网络虚拟实验,基于VRM技术的网络虚拟实的虚拟实验提供了新的解决途径然而其在复杂计算、精确控制以及文件操作等方面仍存在不足。如果单纯使用其来实现虚拟实验,在大型虚拟实验的实现方面 3.1 Flash实现方法受到很大限制。目前,在VRML2.0中已添加了对 Flash技术采用矢量图形技术生成动画,其优点Java、 JavaScript等接口的支持,使得我们能够通过 C136计算机教育e20073中clectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.http:/www.cnki.net

学 / 科 / 建 / 设 / 与 / 教 / 学 / 研 / 究 3 6 计算机教育 2007.3 2.1 虚拟实验的可行性随着计算机和网络通讯技术的发展和成熟，在20 世纪80年代，美国国家仪器有限公司在科技界首先提出了“虚拟仪器”的崭新概念，并不断开发出基于计算机的测试测量仪器。经过约30年的发展，目前，国内外有几百家研制、生产和销售虚拟仪器的公司，上千种虚拟仪器产品，应用遍布电子、机械、通信、汽车制造、生物、医药、化工、科研、教育等各个行业领域。在科技界，虚拟仪器已经不是一个陌生的概念。目前，利用计算机软件来表现实验过程已被高校教师普遍接受，并应用于教学。所以，开发虚拟实验课件，对网络教育的学生开设虚拟实验课程具有现实意义和实际作用。 2.2 编制网络教育虚拟实验课件的基本要求网络教学的特点就是远程教学，因此对虚拟实验课件的制作有以下要求： * 必须在网络环境下制作虚拟实验课件，使得学生能够通过网络在异地完成虚拟实验。 * 具备实验指导模块。内容包括文字指导和实验指导教师真实实验的视频录像，以便学生通过教师的实际操作和文字阅读加深对实验的理解，顺利完成虚拟试验。 * 具备虚拟试验模块，即本文讨论的内容。在该模块中，除了正常实验外，还应具备智能操作判断功能，即在实验中，学生操作失误，系统会自动指出错误并要求返回上一步，继续试验。 * 具备反馈模块。要求实验课件系统能够把实验结果自动存入服务器，以便教师批阅后反馈给学生。 3 虚拟实验实现方法比较目前，虚拟实验的实现应有多种途径，按照其实现的技术手段可以分为基于Flash交互技术的网络虚拟实验，基于ActiveX技术的网络虚拟实验，基于Java 技术的网络虚拟实验，基于 VRML 技术的网络虚拟实验。 3.1 Flash 实现方法 Flash 技术采用矢量图形技术生成动画，其优点是占用的存贮空间小，适合于在网络上传播。但是其面向对象脚本语言ActionScript实现的交互性尚有不足，而且ActionScript的指令虽然也可以完成实验的后台计算，但是由于Flash 采用矢量图，无形中增加了许多计算量，难以完成大量图像的快速更新。由此， Flash只适用于实现较为简单的虚拟实验。 3.2 ActiveX 实现方法 ActiveX 是一种体系结构，它允许使用不同编程语言开发的软件组件在网络环境中相互操作。开发者可以创建自己的ActiveX控件，其中包含片断或独立的组件，不但可以在程序中重复调用，也可以嵌入其他应用程序而成为其一部分，这种技术为虚拟实验的创建带来了极大的便利。但每一种ActiveX控件在初次运行时都需要进行下载并注册，这给用户的使用带来了不少麻烦。 3.3 Java 实现方法 Java是一种通用的网络编程语言，它不但具有强大的编程能力和良好的可移植性，而且也具有很好的稳定性和安全性，这些特性对于构建虚拟实验来说都是非常重要的。但是对于纯粹的Java平台来说，开发和维护代价很高。 3.4 VRML 实现方法虚拟现实建模语言—— VRML（Virtual Reality Modeling Language）是三维造型和渲染的图形描述性语言。利用其可以在Internet建立交互式的，三维多媒体的境界，国际标准化组织1998年1月正式将其批准为国际标准。VRML 的基本特征包括分布式、交互式、平台无关、三维、多媒体集成、逼真自然等，被称为“第二代 Web”。其应用范围相当广泛，包括科学研究、教学、工程、建筑、商业、娱乐、广告、电子商务等，已经被越来越多的人们所重视。通过以上几种实现方法的比较看出，VRML 能更好地实现虚拟实验。虽然 VRML 的出现为基于 Web 的虚拟实验提供了新的解决途径，然而其在复杂计算、精确控制以及文件操作等方面仍存在不足。如果单纯使用其来实现虚拟实验，在大型虚拟实验的实现方面受到很大限制。目前，在 VRML 2.0 中已添加了对 Java、JavaScript等接口的支持，使得我们能够通过

学/科/建/设/与/教/学/研/究 JavaScript编程语言对VRML进行扩展,弥补其不足,要在各实验设备之间传递一定的实时参数,例如:需同时,利用VRML的可视化工具来实现复杂三维场要将开关的状态、滑线变阻器滑块的位置、导线的接景的独特优势,以降低直接编程难度,提高建模效率,线情况传递给电压表和电流表,以便显示出当前实时就可以实现复杂、大场景的的网络虚拟实验。的电压和电流值通过分析看出,使用VRML并通过 Javascript对于简单的交互行为和数据传递,可以通过编程语言对VRML进行扩展可以比较好地实现虚拟VRML中的交互传感器和路由语句( Route)来实现, 验本例中开关的开启、闭合,滑块的拖动等交互行为,均 4设计实例一一伏安特性的虚拟实验是通过接触传感器、平面传感器等交互传感器完成的。用接触传感器实现开关的开启、闭合,如图2所示。在电学元件两端加上直流电压,元件内部即有电流流过,电流随电压变化的关系称为该元件的伏安特性。本文中,以VRM和 JavaScript为主要工具,设计实现了基于Web的伏安特性虚拟实验模块 4.1基本模型的构建图2开关的开启、闭合任何一个VRML虚拟场景中的空间造型都必须使用 Shape节点加以创建。对于简单的几何模型来说, 对于较为复杂的交互行为,由于VRML本身不能可以通过VRM场景造型中的立方体、球体、圆柱体、完成普通程序设计中的转折、分支、循环等基本特征圆锥体等基本几何造型来进行构建对于复杂的模型, 因此需要由VRML的 Script节点来完成, Script节点可以通过VRML的点、线、面方式进行构造,也可以的原型为通过如3DMAX等第三方三维建模工具来进行。本文 Script( 中的所有模型都是通过VRML场景造型中的基本几何造型来构建的,包括:桌子、电源、电流表、电压 mustEvaluate FALSE 表、灯泡、滑线变阻器、开关、导线等。构建好的基 directoutput FALSE 本模型及其布局如图1所示。 #f any number of field fieldtypeNar Script节点的url域的域值为一个URL列表,该列表中的URL值所指定的程序脚本可以是由任何 VRML浏览器支持的语言写成的,通常是Java语言或 JavaScript语言。一个 Script节点可以定义多个入 1基本模型及其初始布局事件( eventin)和出事件( event out),用来实现 VRML和Java(或 JavaScript)之间的交互,其交互 4.2交互能力的产生和各模型之间的数据传递过程为: 对于已经构造好的基本模型,需要加入一定的交 *通过 eventIn将事件传至 Script节点中的脚本互性才能形成真实的实验环境,例如开关的开启、闭 *在 Script节点中的脚本中调用相应的Java类合,滑线变阻器划块的拖动,导线与各实验设备的连 (或 JavaScript)进行处理接等。同时,为了实现各模块之间显示效果的统一,需*通过 event out将结果送回到VRML场景以实 c1094-200 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.中计算机教育120073|37

学 / 科 / 建 / 设 / 与 / 教 / 学 / 研 / 究计算机教育 3 7 2007.3 JavaScript编程语言对VRML进行扩展，弥补其不足，同时，利用 VRML 的可视化工具来实现复杂三维场景的独特优势，以降低直接编程难度，提高建模效率，就可以实现复杂、大场景的的网络虚拟实验。通过分析看出，使用 VRML 并通过 JavaScript 编程语言对 VRML 进行扩展可以比较好地实现虚拟实验。 4 设计实例——伏安特性的虚拟实验在电学元件两端加上直流电压，元件内部即有电流流过，电流随电压变化的关系称为该元件的伏安特性。本文中，以 VRML 和 JavaScript 为主要工具，设计实现了基于 Web 的伏安特性虚拟实验模块。 4.1 基本模型的构建任何一个 VRML 虚拟场景中的空间造型都必须使用Shape节点加以创建。对于简单的几何模型来说，可以通过 VRML 场景造型中的立方体、球体、圆柱体、圆锥体等基本几何造型来进行构建；对于复杂的模型，可以通过 VRML 的点、线、面方式进行构造，也可以通过如 3DMAX 等第三方三维建模工具来进行。本文中的所有模型都是通过 VRML 场景造型中的基本几何造型来构建的，包括：桌子、电源、电流表、电压表、灯泡、滑线变阻器、开关、导线等。构建好的基本模型及其布局如图 1 所示。图1 基本模型及其初始布局 4.2 交互能力的产生和各模型之间的数据传递对于已经构造好的基本模型，需要加入一定的交互性才能形成真实的实验环境，例如：开关的开启、闭合，滑线变阻器划块的拖动，导线与各实验设备的连接等。同时，为了实现各模块之间显示效果的统一，需要在各实验设备之间传递一定的实时参数，例如：需要将开关的状态、滑线变阻器滑块的位置、导线的接线情况传递给电压表和电流表，以便显示出当前实时的电压和电流值。对于简单的交互行为和数据传递，可以通过 VRML 中的交互传感器和路由语句（Route）来实现，本例中开关的开启、闭合，滑块的拖动等交互行为，均是通过接触传感器、平面传感器等交互传感器完成的。用接触传感器实现开关的开启、闭合，如图 2 所示。图 2 开关的开启、闭合对于较为复杂的交互行为，由于 VRML 本身不能完成普通程序设计中的转折、分支、循环等基本特征，因此需要由VRML的Script节点来完成，Script节点的原型为： Script{ url [ ] mustEvaluate FALSE directOutput FALSE # any number of: field fieldTypeName eventIn eventTypeName eventOut enentTypeName } Script节点的url域的域值为一个URL列表，该列表中的 URL 值所指定的程序脚本可以是由任何 VRML 浏览器支持的语言写成的，通常是 Java 语言或JavaScript语言。一个Script节点可以定义多个入事件（eventIn）和出事件（eventOut），用来实现 VRML 和 Java（或 JavaScript）之间的交互，其交互过程为： * 通过eventIn将事件传至Script节点中的脚本； * 在 Script节点中的脚本中调用相应的 Java类（或JavaScript）进行处理； * 通过 eventOut 将结果送回到 VRML 场景以实