构建基于WEB的运动生理学桌面虚拟基础实验室

摘 要： 将虚拟现实技术融入运动生理学课程实验中，能够极大地改善运动生理学的实验条件与教学质量。本文以虚拟现实建模语言（VRML）和QTVR为基础，重点讨论了运动生理学虚拟实验室的构建过程，并指出了一些在构建虚拟实验室过程中需要注意的问题。

关键词： 构建基于WEB的运动生理学桌面虚拟基础实验室 体系结构 关键技术 实施重点

运动生理学是研究人体运动能力和对运动的反应与适应过程的科学，是体育科学中重要的应用基础理论学科。运动生理学实验是联系课堂理论教学的桥梁，是理论与实践相结合的重要环节。教育部《关于加强高等学校本科教学工作提高教学质量的若干意见》（2001年）4号文件特别强调了“实验教学对于提高学生综合素质、培养学生的创新精神与实践能力具有特殊的作用”的重要性。实验课教学是关系到教学质量优劣的一个重要环节，好的教学方法能充分调动学生学习的积极性，提高教学质量，强化学生的实验技能，促进学生综合能力的发展。但在运动生理学实验中，存在实验内容多而实验课时少，一些传统经典实验成本高、耗时长、难度大、失败率高等现象，已经成为制约运动生理学教育质量的一个重要因素。

本研究的目的是通过WEB构建运动生理学桌面虚拟基础实验室环境，使得一些实验现象能够通过计算机在网络中模拟，学生不必担心缺乏实验条件，也不必为做实验到处奔波，这对运动生理学实验教学改革具有十分重要的意义。

1.基于WEB的运动生理学桌面虚拟基础实验室体系结构

基于WEB的运动生理学桌面虚拟基础实验室（以下简称虚拟实验室），其实就是构建一个网络平台系统，它包括接入了互联网的校园网络、开发运动生理学桌面虚拟基础实验室平台软件系统和相应虚拟实验管理监控系统，该系统由六大模块构成［１］。

1.1虚拟实验管理模块

由学生管理、教师管理、虚拟仪器管理和学生成绩管理等组成。在学生管理方面，学生通过浏览器进行注册登录，登陆成功后可浏览实验项目、阅读实验指导、查看实验的详细资料、在线发送和接收消息、进行问题讨论、进行实验登记，以及实验完成后可通过网络写实验报告并提交报告。在教师管理方面，教师可对实验内容添加、修改、整理、删除，批改学生提交的实验报告，填写评语和成绩，提交批改结果，与学生进行讨论。在虚拟仪器管理方面，对新设计开发的虚拟仪器上传并进行分类整理，以图形的方式直观呈现出来，供学生在实验时进行选择使用。在成绩管理方面，对学生的实验情况（实验次数、实验报告及完成情况）给出成绩，并进行统计分析及提供查询，等等。

1.2实验指导模块

包括实验介绍、实验原理、实验目的、实验准备、实验方法及步骤、实验的重点及难点、实验报告的要求及实验应注意的事项等。

1.3实验报告模块

主要对学生完成实验后，提供相关的实验报告模板，供学生下载，由学生填写相关内容及实验的结果，完成后上传电子版实验报告，由教师进行批阅，并进行记载。

1.4实验答疑模块

对学生实验中出现的疑难问题，由专业教师进行及时解答，帮助学生顺利通过实验。同时，教师和学生可以通过该模块进行充分的交流，学生可以将实验中的收获、经验和体会及问题发布到论坛上，供教师和其他同学探讨。学生在这样宽松的环境下发表自己的见解，教师从中可以得到及时的实验教学反馈信息，以便整改。

1.5虚拟实验环境与虚拟实验模块

该模块是虚拟实验室建设的重要部分。利用多媒体计算机技术、网络技术与虚拟仪器技术的结合，通过WEB在客户端模拟实验现象和仿真实验环境，即在WEB中创建出一个可视化的三维环境和一个个可视化的三维物体（代表一种实验对象），学生通过鼠标的点击及拖曳等操作三维物体，就可以进行虚拟实验。

1.6实验帮助模块

创建一个三维造型作为帮助按钮，当用户点击它的时候在空间相应位置就会出现文字说明，再次点击将文字说明从空间中移除，以免妨碍虚拟实验室的使用。

2.构建基于WEB的运动生理学桌面虚拟基础实验室的关键技术

2.1VRML技术

VRML（Virtual Reality Modeling Language，即虚拟现实建模语言）是第二代WWW的标准语言，一种用于在WEB上构筑3D多媒体和共享虚拟世界的开放式语言标准。VRML的基本原理是：用文本信息描述三维场景，在Internet网上传输，并在本地机上由VRML的浏览器解释生成三维场景。正是这种思想使得其在Internet上传输很少的数据，就可以在WEB上实现三维虚拟场景浏览成为可能。由于用VRML能丰富媒体表现形式、协同工作角色的可视化管理、改善协同环境的用户接口、增强协同环境的交互性，因此将VRML融合到基于WEB虚拟实验室的开发过程中，既可增强表现力和用户的接受力，又可实现较好的协同工作虚拟化环境。国内外一些高等院校利用VRML2.0语言，已成功开发了基于集成声音、图像及其它多媒体技术的三维空间的虚拟实验中心，它制造了一个完全立体化的模型，虚拟出真实的实验室环境，用户进入其中如同进入真正的实验室一样。［2］

2.2QTVR技术

QTVR（Quick Time Virtual Reality）是由美国苹果公司所开发的跨平台多媒体套件，支持各种格式的影片、图片、流媒体、动画、声音、虚拟现实，以及具有互动效果的文件的虚拟实境技术。它不需要传统虚拟现实技术所要求的特殊硬件和附属设备（如图形工作站或者资料手套等）支持，在普通的PC机或Mac机上就可产生相当程度的虚拟现实的体验。QTVR不必进行任何几何造型，只需通过图像采集系统采集真实世界的图像、QTVR系统软件处理离散的图像，即可完成三维空间、三维物体的造型；然后操纵普通鼠标、键盘即可实现对三维造型的全方位观察。QTVR可应用照片、录像或数字图像来创建虚拟环境，使它较之多媒体技术、传统虚拟现实技术有着更高的真实感、更丰富的图像和更鲜明的细节特征。此外，QTVR制作简单，制作周期较短，制作的可控性也很强。对于体育教师这类非计算机专业人士来说，比较容易掌握其技术，据此要开发一些简单的网络实验教学软件，也不至于难度太大。［3］

3.基于WEB的运动生理学桌面虚拟基础实验室构建的实施

利用VRML较强的用户交互功能和QTVR实景建模的功能结合起来实现基于WEB虚拟实验室。QTVR基于静态图像的三维实景建模特性，使得它特别适合于对虚拟实验室中的仪器设备或对虚拟实验室环境进行展示，这样可以增加实验者的临场感和沉浸感；与VRML相比，它的交互能力差了一些。而VRML虽然可以利用静态图像进行纹理映像，也可以用来介绍虚拟仪器设备和虚拟实验室场景，但是它最为广泛的应用还在于三维物体的创建和与虚拟空间中的物体进行交互，二者互补，从而可实现构建真实感很强的、具有良好交互性的虚拟实验室。

3.1制作运动生理学实验中虚拟实验仪器

实验教学离不开实验仪器，运动生理学实验也不例外，这就需要对实验仪器详细介绍和说明用法。比如为运动跑台创作有解说词和文字说明的三维旋转体图片，让学生在虚拟实验室中对该虚拟运动跑台进行随意地旋转和任何视觉角度的观察，从而详尽了解它的构造、功能和使用方法，同时达到预习实验、复习实验的目的。通过对实验仪器实物的拍摄，借助QTVR在立体空间的展示的独特的优势，制作QTVR物体电影即可虚拟出相应的实验仪器。使用这种物体电影就可以对实验仪器进行360°查看，这一过程需要用QTVR物体电影自带的缝合软件来完成。

3.2制作三维的运动生理学实验场景

使用VRML可视化编辑软件来制作三维的运动生理学实验场景并进行交互过程的开发。如果要使空间具有交互性，可以在VRML中，将传感器附在一个造型上，该传感器使用定点设备来感知学生实验中的动作，用来检测学生的移动、点击和拖动。当学生点击到一个附带有传感器的仪器部位时，传感器就输出一个事件，该事件就被路由到其它的节点来开始一个动画。当学生与可感知的仪器部位相互作用时，就可以把传感器的输出连入一个线路中，从而引起仪器的移动和动画的播放。这些传感器对于实现与VRML空间的交互来说是最为基础的，但却远远不能达到创建虚拟实验室的要求。因此在VRML中还提供了Script节点，它专门用于对基本交互节点的扩展，描述用户制作的感应器和内插器。Script节点可以看作是一个节点的外壳，它拥有域、eventIn事件、eventOut事件，其本身没有任何动作，然而设计者可以通过程序脚本来赋予脚本的动作。这里的程序脚本一般是使用JavaScript或Java来编写成。

3.3系统整合形成终端浏览网页

将前面完成的QTVR物体电影和VRML场景用JavaScript和VRMLScript相结合，整合成具有交互效果的整个虚拟实验系统，这样就完成了对整个虚拟实验室的创建。教师和学生在这个虚拟现实环境中，可以沉浸其中，全身心地投入实验的教与学的过程，既生动了教学情景，又提高了学生的学习效率与积极性。

4.网络虚拟实验室开发过程当中应注意的要点

4.1模拟声音

要使实验达到逼真，除了模拟控制台实物景象外，还要模拟它们实验环境中的各种声音，如按钮按动声、内部机械动作声等。这样才能使学生在实验室有身临其境的感觉，全身心地投入。

4.2模拟台面各种动作的结果

台面上每个控件的动作都会触发一定的事件，这些事件在实物设备中是靠机械、电路等去完成，而现在将这些机械及电子逻辑关系使用计算机软件实现。

4.3实验仪器的差异

在虚拟实验中，智能化程度比较高，当操作不正确时，会弹出提示窗口。而实际实验中，学生首先要掌握实验中所有实验仪器的使用，只有规范熟练地掌握实验仪器的操作技巧，才能顺利完成实验。［4］

4.4实验环境的差异

设计者要对虚拟环境中的学习资源要素及其布局特征能够正确把握。VRML不是一种造型语言，而是一种建模语言。在应用VRML构建虚拟环境时，设计者必须通过已有视频、图片等获得虚拟环境的原型。虽然VRML能够提供功能完整的三维虚拟现实场景，并具有较强的交互功能，但这只是一个桌面系统而非完整意义上的虚拟现实，鼠标和键盘很多时候并不能实现某些实践操作功能。要组建高端沉浸式系统，需要借助立体头盔显示、数据手套、位置和方向跟踪等设备。

4.5虚拟实验环境的互动

虚拟实验环境的互动并非是对人们现实实验环境中互动的恰当模拟，并不符合学习者的互动习惯。设计者应综合考虑各种技术手段选择符合现实场景的互动方式。

5.结语

虚拟实验室技术是未来高校实验教学模式发展的必然趋势，它能够充分利用现有资源和网络带来的益处，实现各种资源合理有效的配置，为运动生理学实验课程的教学改革提供了条件和技术支持，具有现实的使用意义，其优越性会被越来越多的人认识［5］。但要使运动生理学桌面虚拟实验技术真正得到推广应用，关键是运动生理学专业教师及实验师观念的改变，除了具有创新精神和能力外，还应不断地进行有关虚拟现实技术知识学习和更新，从而为建设更好的虚拟运动生理学实验室打好坚实的基础。

参考文献：

［1］胡礼广，谢海燕.基于WEB的虚拟金相实验室构建.实验室研究与探索［J］.2010，29，（1）：69-70.

［2］张翰峰.第二代WWW标准语言VRML.［EB/OL］.http：///vrml/vrml_042.htm，2009-5-16.

［3］何童.Quick Time VR （QTVR）之简介.［EB/OL］.http：///BBS/viewthread.php?tid=9099，2009-1-22.

［4］王元娟.基于高校虚拟实验室发展若干问题的建［J］议.科技信息，2009，（7）：130.

［5］薛得凤.基于图形化编程语言Labview的一种虚拟仪器的实现［J］.自动化与仪器仪表［J］.2003，109，（5）：24-26.