基于网络的虚拟实验系统研究

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1、长安大学硕士学位论文2．1虚拟实验及其模式第二章虚拟实验的研究虚拟实验是指利用仿真技术、数学建模技术和多媒体技术等在计算机上所营造的可辅助、部分替代甚至全部替代传统实验各操作环节的相关操作环境吲。随着网上虚拟实验技术研究的不断发展，网上虚拟实验的类型也在不断拓展，目前，网上虚拟实验的类型按教学科目的不同可分为演示型、交互型和分布式等【8】19】。2．1．1演示型虚拟实验模式演示型虚拟实验的主要目的是让学生清楚的看到实验的整体过程及实验结果的生成，对学生交互性操作的要求不高。它主要应用于像物理学等需要大量图形、图片演示教学的学科中，使学生能够比较容易地观察到实验的具体步骤及

2、结果。计算机模拟的演示型虚拟实验与传统演示型实验相比具有以下特点：(1)直观性①计算机模拟能够同时对两处动态的实验现象进行观察，如在观察振动形成的振动波时，用传统的方法观察到质点的振动，就无法观察到波的传播；而观察到波的传播，又无法观察到质点的振动，而用计算机模拟这一实验时，可以很清楚地同时观察到这两种运动，比较容易得出质点振动和波的传播的关系。②计算机模拟能对不同的物理现象进行类比，如运动学中的自由落体运动、平抛运动和斜抛运动，用计算机模拟实验时可把它们投入同一坐标轴上研究，比较容易找到它们的共性和个性。③计算机模拟的状态可以使得一些推理性的结论直观化，如牛顿第一定律是

3、在一定实验基础上理想化推理得出的，在现实生活中无摩擦现象是不存在的，因而无法表示这种状态，但在计算机中可模拟实现。(2)灵活性传统的演示实验是用实物进行的，形象性较强，而计算机的模拟实验将这些实物在计算机显示屏上绘制出来。从视觉上来讲，实物的形象性同样存在，而且其灵活性更大，需要观察的部位可以通过预先编制的程序来观察角度，增强了视觉感。如用计算机模拟a粒子散射实验，实验装置按教材的要求在计算机的显示屏上绘出，并用亮点表示a粒子S第二章虚拟实验的研究的运动轨迹，而两种原子核相遇的情况可只对一个原子核进行放大说明，比较容易得出原子的核式结构。(3)准确性这是因为传统实验受器材

4、的限制、环境因素的影响和实验误差的影响，这些都会影响试验结果的准确性，而用计算机模拟实验时，由于事先将实验规律输入计算机，不会受上列因素的影响，因而准确程度高，并且数据可随时由计算机输出，更容易找出规律。(4)多功能性比如普通物理学包括力学、热学、电磁学、光学、原子和原子核物理五大类，演示实验大小有几十个，用传统的实验需要大量的设备，而用计算机模拟的模拟实验时，只要一台计算机，编制不同的虚拟软件就可实现多种功能。2．1．2交互式虚拟实验模式交互式虚拟实验利用现有的虚拟现实技术进行开发，建立起二维或三维的虚拟实验环境，对实验设备进行仿真建模并对实验设备之间的交互进行开发，让

5、学生进入虚拟实验系统后能有很好的操作性。这种试验模式的主要优点是很好的实现了虚拟现实技术所要求的沉浸感，学生在进行实验时就像身处实验室对真实实验设备进行操作一样，实现系统与人的充分交互，增强了学生的感知认识和对操作的兴趣。交互式虚拟实验系统的开发难于前面的演示型实验，实现这种实验模式要解决的关键技术问题包括实验设备的建模和实验过程中的各种交互性问题。这种实验模式的开发要根据实际情况采用不同的技术进行处理。2．1．3分布式虚拟实验模式分布式虚拟实验基于一种分布式的网络环境，系统运行在多台计算机上，可以进行实时交互，共享相同的虚拟实验环境。这种虚拟实验环境有如下特点：(1)分

6、布式虚拟实验环境允许一组分布在不同地理位置上的用户进行实时交互。(2)分布式虚拟实验环境对用户的视觉和听觉来说都应该是三维的。(3)分布式虚拟实验的每个用户在环境中都以替身出现，这个替身或者是一个自定义的图形描述，或者是用户的视频，或者是两个的组合。(4)用户之间可以交互外，同样可以和其他用户计算机的仿真实验设备交互。6长安大学硕士学位论文2．2虚拟实验的主要技术虚拟实验的主要技术包括虚拟实验场景的建模技术和虚拟实验的人机交互技术【10】：2．2．1虚拟实验场景的建模技术虚拟场景建模问题的解决方式主要有两种：一种是基于图形建模(graphics．basedmodeling

7、)技术，这种建模方法下，用户可以方便的在虚拟场景中和虚拟对象进行交互，并可以方便的获得虚拟对象的深度信息，因此这种“以人为本”的深交互建模方式深受广大用户的青睐，基于图形的建模技术在众多虚拟现实系统中得到了广泛的应用。不过这种建模方式的模型真实感是建立在对几何物体表面材质的光照基础上，其阴影和纹理要在基于某种光照模型的计算下，通过硬件绘制，并配以图形加速性能显示出来，这在场景模型复杂的情况下，将会因计算量较大，而产生延迟，从而使场景的复杂度受到限制；另一种是近年来兴起的基于图像建模(image．basedmodeling)技术