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基于虚拟现实的电子学习系统
Hatem Abdul-Kader
埃及，Menofiya大学，计算机与信息学院
摘要：电子学习是信息时代的新兴需求之一。因此远程教育发展潜力巨大。电子学习系统的虚拟环境界面最近出现在互联网上。使用虚拟现实环境，这些应用程序看起来更有希望使电子学习任务更具自然性和互动性。同样使用这种技术，可以获得三维环境和用户沉浸感的水平。可扩展3D（X3D）是构建电子学习系统的三维查看和浏览的最常用工具。本文阐明了在电子学习应用程序中使用X3D开发虚拟现实环境的好处。这些将通过演示两个网络虚拟环境电子学习系统来展示。第一个是在线虚拟化学实验室系统。这个应用程序让学生能够在一定的关键执行所有的实验。第二个应用是在线英语教育系统。此应用程序使学生能够通过在线交互系统可视可听地学习语言。X3D作为主要的实现工具，为系统用户提供了所有学习步骤的完全可视化和交互性。
关键词：电子学习，虚拟现实，虚拟实验室，远程学习和X3D。
- 概述
电子学习是为了达到一定学习目标而利用通讯技术，在人与资源之间建立联系。就这一定义而言，在线学习是指网络学习的人员之间的相互联系。电子学习活动的大部分增长是因为互联网的惊人增长。 万维网已经发展成为一个通用平台，可以满足不同地区、不同背景下各种客户的信息需求[4]。
虚拟现实（VR）是人类对计算机以及复杂的数据可视化处理、操作并与之交互的一种方式。可视化部分是指为计算机内的世界生成视觉的，听觉的或者其他可被用户感知输出。虚拟现实系统据沉浸水平分三种类型，即桌面虚拟现实，鱼缸虚拟现实和沉浸式虚拟现实。VR的应用范围广泛，从游戏行业到建筑业再到教育领域。X3D是互联网上指定动态和交互式（3D）虚拟世界的标准文件格式。 X3D浏览器广泛用于许多平台[4,5,10]。
虚拟现实的最新应用之一是电子学习应用的接口[1]。使用这种技术，可以了解配备有三维物体查看功能的网站的三维环境。当用户使用具有3D浏览功能的浏览器时，3D环境的强大功能使得用户得以360度查看整个环境，缩放场景，快速浏览所在世界的各个地方，并以不同视角查看世界。三维物体建模的效果在于更加吸引用户的注意力，增加用户与对象的交互性。为了提供身临其境的环境（虚拟课堂和实验室），用户可以体验到虚拟环境的导航既是3D又是交互式的，设计这种沉浸式环境的标准语言是X3D。如果HTML语言是为了设计2D（平面）网页而开发的，那么X3D就可以用来在互联网上交换3D信息[3,9]。虚拟现实的最新应用之一是电子学习应用的接口[1]。使用这种技术，可以了解配备有三维物体查看功能的网站的三维环境。当用户使用具有3D浏览功能的浏览器时，3D环境的强大功能使得用户得以360度查看整个环境，缩放场景，快速浏览所在世界的各个地方，并以不同视角查看世界。三维物体建模的效果在于更加吸引用户的注意力，增加用户与对象的交互性。为了提供身临其境的环境（虚拟课堂和实验室），用户可以体验到虚拟环境的导航既是3D又是交互式的，设计这种沉浸式环境的标准语言是X3D。如果HTML语言是为了设计2D（平面）网页而开发的，那么X3D就可以用来在互联网上交换3D信息[3,9]。
本文通过使用X3D语言构建两类虚拟课程，展示了在电子学习应用程序中使用虚拟现实的好处。这些虚拟课程将配备到远程学习设计网站。
本文组织如下：在第2节中讨论了相关工作和X3D语言的概述。 第3节讨论了X3D的可视化交互功能。虚拟现实在网络学习中的应用在第4节中介绍。虚拟环境实验的实现在第5节中展示。最后在第6节中得出结论。
- 相关工作与X3D
虚拟现实技术被广泛地认为是的重大技术进步，这种技术可以提供新的教育方式。 虚拟现实技术可以促进学习过程，避免传统教育方法的许多问题。 其主要目标是在完全沉浸式，交互式和三维虚拟世界中提供虚拟课堂的高度逼真和可信的模拟。 这些应用的好处是学生会积极参与学习。此外，学生可以观察或进行虚拟训练，这些训练在真实的课堂上难以进行[2,8]。
最近，为了充分利用虚拟现实技术和Web技术在许多教育学科领域的潜力，人们进行了大量的研究[8]。 有很多使用虚拟现实的电子学习教育系统被开发出来。 医学和科学学科是最常见的使用虚拟现实技术的电子学习应用[6]。
X3D是用于描述场景和对象行为的高级面向对象语言。X3D的语法基于具有参数（字段）的对象（节点）。多个节点负责场景的设计：几何体的描述，模型的渲染，材质和纹理。其他节点（即传感器，路由和插值器）的组合引入了动态。传感器检测观看者动作（例如，鼠标移动，点击和拖动），时间变化和观看者位置（可见度，接近度，碰撞）。将捕获的事件直接引导到插值器以改变某些域（颜色，位置，方向，比例）。尽管适用于直接动画，但是该机制不足以描述复杂的动作，例如用鼠标对对象连续点击。在复杂的移动和操作的情况下，可以使用涉及Java小应用程序和JavaScript的脚本节点。原型节点为用户提供了一个工具来设计他自己的传感器和插值器。嵌入在X3D文档主体中的通用网关接口（CGI）脚本允许与服务器上任何应用程序建立连接。有关X3D语法的更多细节可以在[10]中找到。这样的系统大部分以三层架构实现，如图1所示。
图1. 三层架构组件
根据X3D设计的场景存储在一个ASCII码文件中。 需要特定的可视化软件，即VR浏览器在屏幕上显示数据。X3D文档和VR浏览器的作用是不同的。X3D文档提供场景设计的参数和对象的动态特性，而VR浏览器负责场景渲染和在模型中导航和交互的界面。最初，VR浏览器的基本功能除了可视化以外，只能通过模型进行实时导航，即提供虚拟现实技术：飞越，走动，平移和缩放。X3D的第二版授予VR浏览器新的责任，即检测用户与对象之间的交互，如果在X3D文件中有描述的话。 VR浏览器的许多免费版本可以从3D Web联盟的站点下载[4]。 图2显示了X3D架构及其组件。
X3D和VR浏览器对3D建模的潜力仍然被低估。X3D-VR浏览器大多被认为是一个可以让实时搜索网站上的3D图形可视化的系统。这种印象主要是由电子学习供应商创造的，这些供应商在X3D中提供他们的模型出口。创建的模型是静态的3D世界，缺乏动态性和点击能力。 在接下来的部分，笔者阐明X3D和VR浏览器可以服务于3D电子学习所需的更复杂的任务，即查询模型的对象以获得专题信息或空间信息[4]。
- X3D的可视化和交互性
如上所述，可以将X3D文档创建为仅用于可视化和导航的简单文档，也可以创建为动态启用的文档。在第一种情况下，只能使用VR浏览器的功能，即飞越，漫步，平移，缩放。就电子学习而言，简单的X3D文件仅适用于最终可视化，即不提供进一步的信息。这种类型的虚拟现实可以作为远程学习的有用工具[12]。
第二种类型几乎无限地扩展了与模型交互的能力。 例如，当前X3D文档中的每个对象都可以是调用Java applet，CGI或Java脚本的可点击对象。因此，对数据库（在服务器上）的新查询或到达X3D文档的查询（在客户站上）可能是下一个操作。 新的查询可能会导致复杂的X3D文档。
电子学习应用最有趣的问题之一就是复杂的X3D文档的动态组合。 第一个基本操作是识别某个对象。如前所述，VR浏览器不是完整的GUI，例如，点击操作不是浏览器的责任。只有在X3D文档最初明确描述的情况下，浏览器才会对用户操作（导航除外）作出反应。 在用户能够与该对象交互之前，特定的传感器必须附加到特定的对象。
下一步是响应的组成。 用户选择这个对象是想要实现什么：文本，图形，图像和空间分析，属性信息，关于所选对象或其他对象的数据？ 在这种方法中，传感器类型，目标对象和结果事件（CGI脚本或Javascript，或适当的X3D节点，或远程服务器上的文件）必须由CGI脚本在文件动态创建过程中决定 [3,10]。
到目前为止，只有用户动作被认为是可能启动动作的输入事件。正如开始时提到的，X3D能够感知两种其他类型的事件：1）对象之间的动态交互2）时间相关的变化。 例如，两个移动物体之间的碰撞，一段时间之后的建筑物倒塌，或者接触到其他物体引起事故（例如飞机），飞机碰撞地面时发生坠毁等。显然，X3D 有描述复杂的静态和动态空间相互关系的潜力。 然而，这种复杂的X3D文档的动态创建并非易事。
为了避免或减少CGI脚本的不良影响，促进对动态交互的管理，系统可以在数据库中储存合适的对象行为补充信息[7]。 该行为定义了与对象的特性（如形状，位置，颜色等）相关的动态变化和交互行为。然而，该行为可以扩展以包含虚拟世界中的变化和交互情况。 因此，可以在数据库中捕获每个对象的各种参数，脚本，小型X3D文件，动画等，以方便和简化CGI脚本的工作。结果是CGI脚本标准化的可能性，从而减少它们的数量并减小它们的尺寸。大的世界（即长的X3D文件）可以通过将行为分配给特定对象（门，窗口等）来分割成几个较小的世界。之后根据用户请求重建世界，因为只有一个脚本足以传送整个文件。
X3D/VRML文件流
网页传递的事件
原型和外部原型
X3D节点类型
场景图形管理器
VRML编码
场景创作界面（SAI）
内部创作
脚本引擎（Ecmascript，Java等）
应用程序接口（API）
场景图形数据结构 事件图
二进制编码
X3D XML
X3D浏览器
图2. X3D系统架构
- 适于电子学习的虚拟现实技术
教育虚拟实验室或课堂的主要目标是提供必要的模拟，工具，应用和条件，这将构成一个高效的平台，在这个平台人们可以通过实验，交流和协作的方式交换丰富的知识。因此，模拟实验室、模拟学习全过程的虚拟环境，首先应该提供给用户所有必要的功能，以便尽可能地模拟真实的过程[5,11]。
虚拟实验室由虚拟世界组成，在这个世界用户可以以三维人体的形式呈现，并能够在环境中进行导航，通过与模拟设备交互进行实验，通过与其他参与者交互进行协作。因此，在化学虚拟实验室中，例如应用领域，系统将根据教学大纲提供给具有实验能力的学习者。
为了达到平台的目的，虚拟实验室提供的功能可以根据被模拟的实验室的类型而变化。 但是，平台在任何情况下都应该支持以下内容：
- 创建的虚拟实验室可放置和操纵实验物体。
- 虚拟实验室中既要有代表老师的对象也要有代表学生的对象。
- 为物体创建动态特性属性，如颜色，灯光等。
- 定义可能的沟通方式。
先前的功能可以满足真实实验室中可能有的各种需求。缺乏创建真实实验室的资源或可用空间不足会限制学习过程，而即使在这种情况下，这样的虚拟环境也可以依靠经验支持学习。这种方法的好处如下：
- 因为它只需要在现有的信息学实验室增加必要的软件，所以可以大大降低组建实验室的成本。
- 老师和学生的错误不会给实验室或实验者造成任何问题
- 与虚拟环境的交互可以激发用户的兴趣。
- 可以模拟只能存在于计算机中的实验室，不能在真实条件下实现的情况。
如上所述，虚拟实验室的设计和开发的首要标准是选择模拟的领域。这个领域将定义应该模拟的程序以及知识和经验的学习过程。下一步是向最终用户提供一切必要的服务，以达到高度的真实感[5,11]。
- 虚拟实验室的组建
本节展示了两个虚拟实验室的组建过程。第一个是虚拟化学实验室，第二个是虚拟英语教学实验室。
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- 虚拟化学实验室
本小节演示了在线虚拟化学实验室的组建。这个虚拟实验室的目的是帮助远程的学生通过一个电子学习网站来进行所有的化学实验。这个网站是依据某个化学实验室的教学大纲建立的。
我们的虚拟化学实验室网站使用X3D语言简单地模拟真实的化学实验室。 这个网站是基于三层架构实现的[11,13]。 主页屏幕如图3所示。在这个图中，网站中有五个基本部分，即：a）虚拟实验室模型，b）周期表链接，c）实验室图库。 d）第一学期和第二学期的实验。 每个链接将在下面的小节中简要介绍。
图3. 电子学习网站主页
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- 虚拟实验室模型
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当用户进入实验室时，他会发现两个基本观点，即前后视点。 实验室的视图简洁明了，如图4所示。它包含2个用于放置化学材料和设备的橱柜和一个用于进行实验的中心桌子。桌子上有两组不同的设备，每个都连接到不同的实验。后面挂着元素周期表。
图4. 虚拟实验室模型
图5.元素周期表链接
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- 元素周期表链接
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此链接将打开一个页面，其中包含含有化学元素符号和基本编号的元素周期表的图像。 该页面如图5所示。
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- 典型化学实验
资料编号：[12497]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
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