虛擬現(xiàn)實場景虛擬現(xiàn)實(Virtual Reality，簡稱VR，又譯作靈境、幻真)是近年來出現(xiàn)的高新技術(shù)，也稱靈境技術(shù)或人工環(huán)境。虛擬現(xiàn)實是利用電腦模擬產(chǎn)生一個三維空間的虛擬世界，提供使用者關于視覺、聽覺、觸覺等感官的模擬，讓使用者如同身歷其境一般，可以及時、沒有限制地觀察三度空間內(nèi)的事物。

VR是一項綜合集成技術(shù)，涉及計算機圖形學、人機交互技術(shù)、傳感技術(shù)、人工智能等領域，它用計算機生成逼真的三維視、聽、嗅覺等感覺，使人作為參與者通過適當裝置，自然地對虛擬世界進行體驗和交互作用。使用者進行位置移動時，電腦可以立即進行復雜的運算，將的3D世界影像傳回產(chǎn)生臨場感。該技術(shù)集成了計算機圖形(CG)技術(shù)、計算機仿真技術(shù)、人工智能、傳感技術(shù)、顯示技術(shù)、網(wǎng)絡并行處理等技術(shù)的發(fā)展成果，是一種由計算機技術(shù)輔助生成的高技術(shù)模擬系統(tǒng)。

概括地說，虛擬現(xiàn)實是人們通過計算機對復雜數(shù)據(jù)進行可視化操作與交互的一種全新方式，與傳統(tǒng)的人機界面以及流行的視窗操作相比，虛擬現(xiàn)實在技術(shù)思想上有了質(zhì)的飛躍。

虛擬現(xiàn)實中的“現(xiàn)實”是泛指在物理意義上或功能意義上存在于世界上的任何事物或環(huán)境，它可以是實際上可實現(xiàn)的，也可以是實際上難以實現(xiàn)的或根本無法實現(xiàn)的。而“虛擬”是指用計算機生成的意思。因此，虛擬現(xiàn)實是指用計算機生成的一種特殊環(huán)境，人可以通過使用各種特殊裝置將自己“投射”到這個環(huán)境中，并操作、控制環(huán)境，實現(xiàn)特殊的目的，即人是這種環(huán)境的主宰。

1 分光計調(diào)節(jié)的虛擬系統(tǒng)

分光計，是一種測量角度的精密儀器。其基本原理是，讓光線通過狹縫和聚焦透鏡形成一束平行光線，經(jīng)過光學元件的反射或折射后進入望遠鏡物鏡并成像在望遠鏡的焦平面上，通過目鏡進行觀察和測量各種光線的偏轉(zhuǎn)角度，從而得到光學參量例如折射率、波長、色散率、衍射角等。

資料上傳、資源等模塊。

在已有的網(wǎng)絡教學資源設計中，三維虛擬學習環(huán)境模塊是隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)的出現(xiàn)引入到教學設計過程中的，其他模塊的研究和開發(fā)已經(jīng)較為成熟，這里主要討論3D虛擬學習環(huán)境中學習資源的開發(fā)，該模塊包括3D學習環(huán)境、知識點描述、3D建模和VRML場景實現(xiàn)功能。

2 系統(tǒng)建模

在設計和實現(xiàn)虛擬環(huán)境下分光計實驗的各模塊功能時，使用了虛擬場景、虛擬設備建模技術(shù)和虛擬學習環(huán)境集成技術(shù)等。要構(gòu)建三維虛擬學習環(huán)境必須為分光計的各個重要組成部分建模，分光計主要由四大部分組成：平行光管、望遠鏡、載物臺和讀數(shù)裝置。平行光管是發(fā)光源，發(fā)出平行光，望遠鏡觀察平行光，載物臺用來放置要觀察的光學器件，讀數(shù)裝置測量光線偏轉(zhuǎn)角度。為分光計調(diào)節(jié)過程中用到的部分進行建模，建模所用工具為3D Max。

建模只是構(gòu)建三維虛擬學習環(huán)境的一部分，要實現(xiàn)良好交互的三維虛擬學習環(huán)境還需要通過虛擬現(xiàn)實建模語言VRML在虛擬現(xiàn)實編輯器VRMLPad中將各個場景和三維模型整合，并在虛擬現(xiàn)實瀏覽器中觀看場景和操作物體。先用3D Max進行建模，然后將這些模型導入VRML編輯器中，只需要在導入時設置相應的空間向量坐標和單位，對于同一類型的設備只需要建模就可以多次重復使用。多媒體電教室中的主要設備是多媒體教學電腦以及投影設備。這些主要是靜態(tài)場景建模，用建模軟件建模之后再導入VRML即可。

　3 系統(tǒng)實現(xiàn)

交互是三維虛擬學習環(huán)境的重要特征之一，良好的交互性是三維虛擬學習環(huán)境構(gòu)建成功與否的關鍵。VRML語言提供的傳感器節(jié)點[5]就可以實現(xiàn)學習者與場景中物體的交互。VRML主要提供七種傳感器，這七種傳感器是虛擬現(xiàn)實技術(shù)中交互實現(xiàn)的關鍵所在，通過為這些傳感器設置路由信息，學習者可以與虛擬場景中的物體進行交互[4]。

接觸傳感器(TouchSensor)用來感知用戶接觸和鼠標輸入的節(jié)點，是比較常用的節(jié)點，檢測用戶的接觸并將相應的事件輸出。

平面?zhèn)鞲衅?PlaneSensor)、圓柱體傳感器(CylinderSensor)、球體傳感器(SphereSensor)這三種傳感器統(tǒng)稱為環(huán)境檢測器，它們都是用來檢測用戶在三維空間中所做的動作，并將這些動作以合適的空間造型輸出。當瀏覽者接觸到PlaneSensor時，系統(tǒng)的反饋使他感覺是在二維平面上觀察世界，當瀏覽者接觸到CylinderSensor時，就會感覺是在圍繞圓柱體中的軸觀察世界，當瀏覽者接觸到SphereSensor時，他就能以球心為原點從各個角度觀察物體。

接近傳感器(ProximitySensor)，可以作為任何組的子節(jié)點。在ProximitySensor節(jié)點中有一個size閾值，該閾值可以定義瀏覽者的接近范圍，這個接近范圍是一個長方形區(qū)域，當瀏覽者進入、退出、移動到定義的范圍之內(nèi)時，被作用物體就可以做出相應的反饋。

可視傳感器(VisibilitySensor)，合理定義該節(jié)點可以節(jié)省系統(tǒng)資源，加快瀏覽速度。size閾值定義了瀏覽者在所處的位置和角度所能看到的景物，并且能夠定義該區(qū)域中的物體何時可見，可以用于場景優(yōu)化。

碰撞傳感器(Collision),用來檢測瀏覽者和其他物體是否發(fā)生了碰撞，bboxsize閾值指定了碰撞范圍和collide閾值的布爾值一起決定碰撞是否應該發(fā)生，當collide閾值為FALSE，碰撞檢測無效，瀏覽者可以穿過碰撞物體，否則瀏覽者就無法移動，只能繞行通過。

在采用VRML和3D Max構(gòu)建的三維虛擬學習場景中，交互性主要體現(xiàn)在兩個方面，即學習者與瀏覽場景的交互，以及學習者與場景內(nèi)物體的交互。

(1)與場景的交互

學習者與場景的交互[6]主要包括開關門的操作，以及對多媒體的操作。

①開關門實現(xiàn)代碼：

Transform {

translation      0.0 7.0 10.0

children [

Shape {                                  //定義自動門

}

]

};

Group {

children [

DEF    DoorOpen   ProximitySensor

{ //傳感器控制門開合感應范圍　　        center  0.0  0.0  15.0

size  30.0 15.0 50.0

};

ROUTE  ……   TO    ……  //  連接入事件和出事件，響應用戶交互操作

②多媒體操作實現(xiàn)

Transform {

translation    10.0 1.0 -18.0

children [

DEF OpenMedia  TouchSensor

{ // 感知用戶操作，控制多媒體開關}

Shape                   { //定義多媒體控制開關按鈕}

}

}

]

}

(2)與物體的交互

在分光計的調(diào)節(jié)與使用的試驗中，對分光計的調(diào)節(jié)主要包括對調(diào)焦手輪的調(diào)節(jié)、對調(diào)平螺絲、鎖緊螺絲、微調(diào)螺絲的調(diào)節(jié)、對狹縫裝置的調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)過程異曲同工，都是通過路由將不同傳感器的入事件和出事件聯(lián)系起來響應學習者的操作。具體實現(xiàn)代碼如下：

Group {

children [

DEF    touch   TouchSensor(或PlaneSensor、CylinderSensor、SphereSensor){

//通過接觸傳感器、平面?zhèn)鞲衅鳌A柱傳感器、球體傳感器感知用戶操作

center  0.0  0.0  15.0

size  30.0  15.0  50.0

};

ROUTE  ……   TO    ……

//連接入事件和出事件，響應用戶操作

虛擬現(xiàn)實技術(shù)是新興的交叉學科，有著廣闊的應用前景，尤其在教育領域。目前虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應用還屬于起步階段。雖然各高校和科研單位已經(jīng)取得了一些成果，但是尚未廣泛應用，對虛擬現(xiàn)實技術(shù)在教育中的應用也還停留在理論研究階段。基于已有的研究成果，探討如何將虛擬現(xiàn)實技術(shù)更好地應用在學習者的自主學習和輔助教學中，具有重要研究意義。研究通過用虛擬現(xiàn)實技術(shù)再現(xiàn)教學中的重點、難點和關鍵知識點的方法，將虛擬現(xiàn)實技術(shù)與教學有機結(jié)合起來，有助于教學效果的有效提高。