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1、基于W e b 和V R M L 技术的土木工程结构系列课程 C A I 多媒体课件的研制 张玉峰徐礼华 ( 武汉大学土木建筑工程学院，湖北武汉4 3 0 0 7 2 ) 摘 要：本文是武汉大学教改课题“基于W e b 和V R M L 技术的土木工程结构系列课程C A I 多媒体 课件的研制”研究成果的总结。文中阐述了当前C A I 课件的现状，介绍了虚拟现实技术及其特点与应用 前景，指出了基于虚拟现实和网络技术是现阶段多媒体课件发展的方向。在分析了土木工程结构课程特 点的基础上，基于W e b 和V R M L 技术开发了“混凝土结构”、“水工混凝土结构”、“建筑结构抗震”、“高层 建筑结
2、构”等四门课程的多媒体网络课件，介绍了这些课件的功能特点。 关键词：虚拟现实；网络；多媒体；课件；土木工程结构 引言 进入2 1 世纪，随着经济全球化步伐的加快，以及知识经济和信息时代的到来，传统的教育理念、教学 方法和教学手段已经无法满足人才培养的需要，必须进行全面改革。信息时代的工程教育改革，要求施 教者以全新的教育理念，采用最先进的技术，最有效地改革教学方法、教学手段和教学过程，以获取最佳 的教学效果，从而培养具有创新意识和创新能力的高素质人才。 随着多媒体技术的日趋成熟和广泛应用，多媒体教学已经成为当前各级各类教育机构实施教学的主 流教学方式，它所取得的优良的教学效果是传统教学方法无法
3、替代的。同时，随着计算机网络的普及，网 上教学已成为实现远程教育的最佳形式，网络多媒体远程教学，能为学习者提供一种全新概念的学习方 式，学习者可以突破时空和地域的限制，随时随地地自主学习，同时可以实现双向交互及实时多点交流。 另一方面，网络教学能够很好地解决国家教育资金紧缺，教育资源有限和配置不均衡的矛盾，是实现终身 教育和教育可持续发展的最佳平台。在现阶段，这种以网络技术和多媒体技术为基础的现代教育模式是 传统教育模式的强有力补充，它能提供丰富多彩的辅助教学手段，代表着未来的发展方向。网络多媒体 课件能利用图、文、声、影等多种媒体结合的特性，直观而形象生动地展现教学内容，使不同地域的学习者
4、能共享优质教育资源，随时随地地自主学习，提高学习效率，获取良好的学习效果，从而提高教学质量。 本文围绕武汉大学教改课题“基于W e b 和V R M L 技术的土木工程结构系列课程C A I 多媒体课件的 研制”的研究，就如何充分利用多媒体技术、网络技术、虚拟现实( V R M L ) 技术开发多媒体网络课件展开 讨论。 二、C A I 课件的现状与发展趋势 目前，我国高等学校已经基本普及了多媒体教学，C A I 课件的来源主要有两个，一个是授课教师自行 作者简介：张玉峰( 1 9 6 6 ) ，甘肃人，副教授，主要从事混凝土结构和工程结构C A D 的科研与教学。 基金项目：湖北省教育厅立项
5、教改项目：基于W e b 和V R M L 技术的土木工程结构系列课程C A I 多媒体课件的 研制。 高等学校土木工程专业建设的研究与实践 制作或研制的课件，另一个是从C A I 课件专业开发商那里购买的课件。随着高校立体化教材建设的逐 渐推进，C A I 课件已经是立体化教材必不可少的组成部分。当前，应用于实际教学中的C A I 课件大体上 呈现出三种层次，第一个层次，也是制作最简单，最普及和流行的课件形式，就是用M i c r o s o f tP o w e r P o i n t 软件制作的幻灯片，可以有文字、图形、图像、动画和视频等，易于组织和编辑教学内容；第二个层次的课 件就是用
6、A u t h o r w a r e 、F l a s h 等多媒体开发工具软件开发的课件，可以制作出丰富的动画素材，具有良好 的用户界面，内容组织严密紧凑，逻辑性强；第三个层次的课件是网络多媒体课件，通常用网页制作F r o - n t P a g e 、D r e a mw e a v e r 等工具软件设计和制作出课程的网页，用超文本、超链接方式组织教学内容，提供 动画、声音、图像、视频等媒体，必要时还需进行编程。网络课程开发时要兼顾动画、视频的质量和网络传 输速度的相互影响，限于当前网络传输速度和带宽的制约，高质量的动画和视频难以保证。后两个层次 的课件对一般的教师来说制作难度大，因
7、而大多依赖于C A I 课件专业开发商研制，一旦研制完成，用户 不能随意进行修改和编辑，因而适用范围受到一定限制。总之，这些课件基本上都是基于个人计算机或 局域网的，能够用于远程教学的网络课件还比较少。尽管这些C A I 课件中可以插入大量的图形、图像、 动画、视频文件，但动画与视频文件容量较大，不利于网上传输和实时下载，因而不利于多媒体网络远程 教学的实施。此外，我们还应该看到，三维模型与三维动画已成为当前多媒体现代教育技术的重要组成 部分。但遗憾的是这些模型与动画是软件设计者事先设计好的，用户只能被动地按软件设计者的意图和 设定的路径去浏览和观察动画，只能被动地接受知识，而不能进行实时交互
8、，以发挥其主观能动性，不利 于学习者创新能力的培养。 随着虚拟现实技术的发展及其在教育培训中的应用，近年来在网络多媒体课件开发中应用虚拟现实 技术，充分发挥其沉浸性、自主性、交互性、多感知性等特点，开发新一代的网络多媒体课件受到人们的普 遍关注，不仅能使直接用于课堂教学的课件水平得到大大提高，同时也有利于基于互联网的远程教学的 实施。具有关文献报道，这方面的研究已经取得了一些成果，目前还在进一步研究和探索之中。总之，基 于网络技术和虚拟现实技术的课件是未来多媒体课件的发展方向。 三、虚拟现实技术及其特点与应用前景概述1 2 虚拟现实( v i r t u a lr e a l i t y ，V
9、 R ) ，是一门涉及计算机、传感与测量、仿真、微电子等技术的综合集成技 术。该技术是利用三维图形生成技术、多传感交互技术以及高分辨率显示技术，生成三维逼真的虚拟境 界，使用者戴上特殊的头盔、数据手套等传感设备或利用键盘、鼠标等输入设备，便可以进入虚拟空间，成 为虚拟境界中的一员，与之进行实时交互、感知和操作虚拟境界中的各种对象，从而获得身临其境的感受 和体会。虚拟现实的研究始于2 0 世纪6 0 年代，1 9 8 9 年美国V P L 公司的创始人J a r o nL a n i e r 正式提出 “v i r t u a lr e a l i t y ”一词。1 9 9 4 年3 月，在瑞
10、士举行的第一届全球信息网( W W W ) 研讨会上，T i mB e r n e r s L e e 与D a v eR a g g e t t 组织了一个B O F ( b i r d s o f - a f e a t h e r ) 会议，讨论在全球信息网上建立虚拟现实的议 题，首次提出了虚拟现实建模语言( v i r t u a lr e a l i t ym o d e l i n gl a n g u a g e ，V R M L ) 的概念。后来出现了 V R M L 联盟，它是致力于研究和发展I n t e r n e t 上的虚拟现实技术的国际性非盈利组织。1 9 9 8
11、年，V R M L 联盟更名为W e b 3 D 联盟，该组织先后提出了V R M L l 0 、V R M L 2 0 、V R M L 9 7 和X 3 D 等规范。近年来， 虚拟现实技术正在日新月异地不断发展。虚拟现实的基础是人机接口，人的感觉器管的工作原理和感觉 的形成是虚拟现实工作原理的核心。人们对客观存在的外部世界的反映是人的大脑通过感觉器管获得 的，人的感觉器官感知外界的各种刺激( 如声、热、光、气味等) ，并将这些刺激变换成神经脉冲，神经脉冲 沿着神经系统的通道送到大脑的特定区域，就形成了各种感觉。虚拟现实系统可以处理和显示一个仿真 的境界，它的输出设备将电子信号转变成各种人体
12、感官可以感觉到的刺激，从而使参与者可以感受到仿 真境界的存在，而它的输入设备利用电子方法测量和记录人体的各种反应，并将其转化成计算机可以理 解的数字信号，从而实现参与者与计算机之间的交互性作用。虚拟现实系统与其他类型的计算机系统一 张玉峰等：基于W e b 和V R M I 。技术的土木工程结构系列课程C A I 多媒体课件的研制 2 6 3 样，必须利用硬件和软件才进行仿真，虚拟现实系统的硬件包括虚拟现实发生器以及输入输出设备，虚拟 现实系统的软件是指虚拟现实境界构造程序。虚拟现实技术正处在发展过程中，其基本的硬件系统和软 件系统都没有最终定型，众多的研究机构和商家正在为虚拟现实技术的发展做
13、着大量的研究工作，其中 不乏卓有成效的研究成果。 虚拟现实技术作为一种新的媒体形式应用于教学具有其他媒体形式无可比拟的优势，主要体现在以 下几方面： ( 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，学习者通过一定的虚拟现实输入输出设备，如头戴式显示器、数据手套或者是简单的2 D 鼠标， 便可将自己置身于虚拟境界中，成为虚拟境界中的一员。学习者与虚拟环境中各种对象的相互作用就如 同在现实世界中的一样。当学习者移动头部或改变自己在虚拟境界中的位置时，虚拟境界中的图像也实 时的跟随变化，拿起物体可使物体随着手的移动而运动，而且还可以听到三维仿真
14、声音，学习者在虚拟境 界中，一切感觉都是那么逼真，他所体味到的将是一个与现实世界及其接近的教学情景。 ( 2 ) 自主性。虚拟现实场景是一个三维立体的空间，学习者处于虚拟现实场景中具有实时任意活动 的自由。因而，利用虚拟现实技术来表现教学重点和难点问题，学习者可以根据个人特点选择最佳认知 策略，迅速掌握所学知识的精华。虚拟现实的这种自主性是其他媒体形式所无法比拟的，如要展示房屋 建筑结构的组成，传统的媒体形式是三维动画，为了在不同的侧面展示房屋结构的组成，甚至在其内部漫 游，课件设计者一般需要事先设定一定的观察路径，学习者可以通过这些设定的路径来浏览房屋的细部 结构，了解各种构件之间的连接构造
15、。但这些路径设定时无论考虑如何周全都只是设计者的“一厢情 愿”，而学习者只能局限于这个固定的观察模式，无法按自己的意愿和适合自己的观察方式进行观察；如 果是用虚拟现实的方式进行展示，学习者就可以按意愿选择观察的角度和侧面，可以随意旋转不同的角 度，对于复杂的结构组成，可以将遮挡视线的构件暂时隐藏，只显示学习者关心的部分构件。使其迅速掌 握各种房屋结构的特点。 ( 3 ) 交互性。交互性是虚拟现实系统最显著的特征。虚拟现实系统中的人机交互是一种近乎自然 的交互，学习者不仅可以利用电脑键盘、鼠标与虚拟境界中的物体进行交互，而且能够通过特殊头盔、数 据手套等传感设备进行交互。计算机能根据学习者的头、
16、手、眼、语言及身体的运动，来调整系统呈现的 图像和声音，学习者通过自身的语言、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。例如，我们可以用虚拟现实技术建造一个虚拟实验室，在这个虚拟的实验室里，学习者几乎可以进 行在真实实验室里所进行的一切操作。虚拟现实系统的交互性决定了它在技能训练和虚拟实验等方面 的特殊优势。 ( 4 ) 多感知性。虚拟现系统中装有视、听、触、动觉的传感及反应装置，学习者在虚拟环境中可获得视 觉、听觉、触觉、动觉等多种感知信息，因而可以充分调动各种感官的积极性，进行实时的全方位的学习。 ( 5 ) 功能替代性。虚拟现实境界能提供多种感知信息，学习者在学习时可以利用一种感知能力代替 另一种感知能力来进行学习，因而身有残疾的学习者可以利用多种感知信息来弥补其在某一方面的不 足，例如，有视觉障碍的学习者可以通过听觉、触觉等方面的刺激来弥补其在视觉信息获得上的不足，而 手部有残疾的人则可以利用声音与虚拟境界中的物体交互。虚拟现实系统的这种功能替代性不仅使得 残疾人的特殊教育成为可能，也为正常人的学习提供了更多的方便。 虚拟现实系统
