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基于Virtools的虚拟现实仿真实验室构建研究蔡华【摘要】提出了一种虚拟现实实验室开发的方法,借助于Pro-E、UG、3dsMax等3D软件在可视化的情景下构建场景,对场景内模型分类进行优化处理,通过Virtools软件进行交互控制、数据处理,架构了一种虚拟实验室,并结合省级精品课程项目,阐述了在实验室开发过程中及后续使用管理、持续提升时应注意的各类事项.【期刊名称】《沙洲职业工学院学报》【年(卷),期】2016(019)004【总页数】5页(P14-18)【关键词】虚拟现实;实验室;场景构建;项目管理【作者】蔡华【作者单位】南京科技职业学院,江苏南京210048【正文语种】中文【中图分类】TP311.51965年，虚拟现实之父Sutherland发表了《终极的显示》论文中首次提出了虚拟现实概念，过去50多年，虚拟现实的应用逐步从一些高端行业进入到游戏开发、教育和工业设计等领域[1]。
美国巴尔的摩约翰霍普金斯大学化学工程系为配合课程《What is Engineering》的教学建立了虚拟工程科学实验系统[2]，引导学生掌握数据采集、问题求解、实验和科学分析的方法；华中科技大学机械学院设计了工程测试虚拟实验室[3]，让学生通过网络在计算机终端进行仿真实验；南京林业大学依托国家级实验教学示范中心，设计了面向园林规划设计的虚拟现实实验室[4]，介绍了该实验室硬件和软件建设情况。
笔者依托江苏省精品课程，结合学校实验室情况，针对高职院学生特点，基于Virtool技术，讨论虚拟实验室设计的构建思路。
Virtools [5]提供了多种开发语言，内置了完整的程序开发工具，结合其他建模软件，可以完成较复杂需求的场景设计，其内部自带了近千种互动行为模式，用户可以参考、修改该行为方式，为用户提供了简单的动作编辑方式，其可视化式的编辑模式，给设计者带来了轻松的互动体验。
同时，Virtools基于3D界面的编辑开发流程，让开发者只需拖曳已有的行为模块即可创建出丰富的互动作品，能满足无程序背景或较少程序背景的教育工作者的需要，大大降低项目开发的时间，减少了开发的成本。
基于Virtools 的路由交换技术虚拟实验室设计与实现虚拟实验室融合了计算机技术、网络技术、虚拟现实技术、人机交互技术等，构建出与真实环境高度一致的实验环境。
学生可随时随地登录到虚拟实验室进行学习、实验，将学习过程延伸到了课前、课中、课后，能激发学生的学习热情、提高学习效率，还打破了时空限制，大幅度减少了实验耗材的消耗，提高了实验效率。
目前，虚拟实验室在国内外高校中已经开始应用。
虚拟实验室建设作为教育部《教育信息化2.0行动计划》中的一项重要内容，对于解决实验室存在的问题具有重大意义[1]。
“路由交换技术”作为高等职业院校计算机网络技术专业、通信技术专业的一门核心课程，实验部分占有较大比重。
学生在掌握交换机、路由器的基本原理的基础上，需要掌握虚拟局域网（VirtualLocal Area Network ，VLAN ）、端口安全、链路聚合、路由协议、访问控制列表的配置，并能够根据公司或企业的需要组建网络、维护网络安全，这对学生的操作能力提出了更高要求。
目前，很多高等职业院校建立的路由交换实验室在培养学生的实践能力方面起到了很大作用，然而也存在一些问题。
一方面，由于信息技术（In -formation Technology ，IT ）行业发展迅速，新技术不断出现，传统实验室面临更新换代问题；另一方面，在“路由交换技术”课程实践教学过程中，前期需要实验室工作人员和教师做大量的准备工作，包括数据预设、设备维修、还原等，严重影响了课程教学效率。
针对这些问题，笔者借助各种现代技术，设计与实现了基于Virtools 的路由交换技术虚拟实验室，为“路由交换技术”课程实验部分的教学实践提供帮助。
1路由交换技术实验目前存在的问题1.1实验设备陈旧且数量不足高等职业教育作为高等教育的一个重要组成部分，目的是培养具有创新能力的技术技能型人才。
为了达到这个目的，实验实训中心对“路由交换技术”课程的实践教学内容进行了改革，更新了大量的实验项目。
基于Virtools的初中化学虚拟实验研究随着新课改的不断深入，化学实验教学改革也取得了一定的进展，但是当前化学教学中依然存在一些问题，如实验室硬件设备不齐全，实验内容的广度和深度不够、大部分实验都是教材上已给出实验步骤，要求学生按照实验步骤检验知识，无法对学生的思维形成拓展作用，也不利于学生创新能力和探究能力的培养.所以，改善化学实验环境，提高化学实验质量就成为初中化学教学的重点.将Virtools应用于初中化学实验教学中，通过虚拟实验，提高学生对化学实验的兴趣，实现化学实验手段的现代化，利用形象、逼真的三维动画演示化学实验，能够提高化学实验教学质量，对实现初中化学教学目标具有重要作用.一、明确实验目标，引导学生思考受传统课堂教学模式的影响，有些学生对于化学实验存在误解，认为化学实验只是教学内容的一小部分，化学实验就是按照实验步骤进行操作，最终得出结论.由于化学教材中通常会直接给出实验步骤和结论，导致学生对于化学实验的兴趣和热情进一步降低，认为“实验结论都已经给出来了，为什么还要进行实验？只要记清楚重要实验步骤和结论就可以了”.在这种错误思想的引导下，学生的化学水平普遍不高.在初中化学实验中应用Virtools，教师要使学生明确实验的目标，引导学生对于实验目的进行深入思考，从而积极参与到化学实验中.例如，在讲“粉尘爆炸”实验时，教师发现教材中给出的实验步骤，实验效果并不明显，于是结合教材教学内容，要求学生思考实验的目标.通过思考，学生认为该实验的目标是明确粉尘爆炸的条件和原理，根据燃烧的条件，学生总结出粉尘爆炸的条件：空气中含有足够浓度的可燃粉尘、有充足的空气和氧化剂、有火源或者强烈振动与摩擦.在实验前，教师引导学生逐步分析实验目标，使学生逐渐融入到化学实验环境中，增强学生对于化学实验的注意力.由此可见，学生对于化学实验缺乏浓厚的兴趣，就会出现化学实验参与度不高的情况，从而对于化学实验效果产生不利影响.在初中化学实验教学中，应用Virtools模拟化学实验，能够激发学生对于化学实验的兴趣，通过3D直观形象的实验展示，使学生感受到化学实验震撼的同时，加深对化学实验原理的理解.二、应用Virtools进行化学虚拟实验Virtools的最大优势就是能够将化学实验形象、直观地展示出来，给学生更加直接的冲击作用，从而加深学生对于化学知识的理解.在初中化学实验教学中，利用Virtools进行化学虚拟实验，要充分展现出Virtools的优势，提高初中化学实验的质量.例如，在讲“粉尘爆炸”实验时，实验前，教师引导学生对于实验目的和实验原理进行猜测，使学生逐渐进入到化学实验的氛围中，再利用Virtools将粉尘爆炸的全过程展现出来.在实验中，直观的画面和形象逼真的音效都对学生造成很大程度的震撼，在实验结束后，教师引导学生对实验中发生爆炸的条件和实验前对于发生爆炸条件的猜测进行比较，发现学生的猜测与实验中的原理无误.在无法开展化学实验的前提下，为学生营造出一种化学实验的场面，给予学生化学实验形象直观的感受，有利于加深学生对于化学知识的理解，还可以营造出一种学生参与实验的环境，有利于激发学生对于化学实验的兴趣，对提高化学实验质量具有重要意义.三、建立知识框架，梳理知识系统在初中化学实验中应用Virtools进行化学虚拟实验，能够帮助学生在脑海中形成系统的建立知识框架，梳理知识系统，从而逐步提高学生生的化学水平.例如，在讲“粉尘爆炸”实验时，通过这个实验，学生发现粉尘爆炸的条件与燃烧的条件非常相似，于是教师按照学生得出的结论，利用Virtools建立知识框架，在知识框架中将粉尘爆炸的条件与燃烧的条件进行比较，将两个实验的操作过程也放在一起进行比较.通过比较，不仅加深了学生对于粉尘爆炸实验原理的理解，而且加深了学生对于燃烧实验的印象.由此可见，在初中化学实验中，利用Virtools建立知识框架，帮助学生梳理知识系统，将所学的知识结合起来，能够加深学生对于化学知识的理解，从而提高学生的化学水平.。
基于Virtools的三维虚拟实验的研究与实现曾令菊【摘要】：随着虚拟现实技术的不断发展,虚拟实验得到了广泛的研究和应用,为创新实验教学模式提供了一种新的思路。
虚拟实验不仅可以解决学校实验教学中存在的问题,还能有效的改变远程教育实验教学的现状,因此对虚拟实验进行研究、开发具有非常重要的意义。
Vir tools是一款功能非常强大的三维交互设计软件,具有简单易用、交互功能强大、可视化界面、可扩展性强等特点,被广泛的运用于游戏开发、工业仿真、技能训练、虚拟实验开发等方面。
因此,本文尝试研究如何利用Virtools来构建三维虚拟实验,希望能够将虚拟现实技术的优秀成果转换成实际的虚拟实验教学系统,并将其很好的运用于实验教学中。
本文包含六部分内容,第一部分阐述了本文研究的目的、意义及研究方法,分析国内外虚拟实验研究的现状及研究中存在的问题；第二部分对虚拟现实技术及其特征进行了简单分析,对虚拟实验的含义、特点、发展趋势进行深入探讨,重点研究了虚拟实验在学校教育和远程教育中的具体应用,最后对虚拟实验的缺点与不足及构建虚拟实验的理论基础进行了深入分析。
第三部分对可用于虚拟实验开发的相关技术进行比较分析,并对选择Virtools作为主要开发工具的理由进行详细阐述,最后对Virtools进行详细介绍,并深入分析了基于Virtools的三维虚拟实验的开发流程。
第四部分以电视节目摄像实验为例,对虚拟实验的总体结构框架、交互功能、交互界面及技术路线和实现方案进行分析、设计。
第五部分根据设计好的各项功能,对电视节目摄像虚拟实验进行具体开发。
对三维模型建构和实验交互功能实现的关键技术和实现方法进行深入分析,最终开发出一个具有一定使用价值的电视节目摄像三维虚拟实验系统。
最后一部分对全文的研究进行总结,指出研究中存在的问题与不足,并提出以后研究的方向。
通过研究,本文对虚拟实验的相关理论及其在教育中的应用进行了深入的分析,对如何运用Virtools设计和开发虚拟实验摸索出了一些解决方法,希望对以后的研究和学习提供一定的思路和借鉴。
基于3D MAX和Virtools的虚拟实验的研究与设计摘要：构建基于virtools技术虚拟教学系统，有助于提高课堂教学的效率和效果。
本文概括了virtools技术的特点和优势、分析了虚拟教学的理论基础和特点，并以计算机的虚拟组装现为例介绍了virtools技术的具体应用。
关键词：virtools 3d max 虚拟实验虚拟现实技术1、虚拟现实技术虚拟现实技术（virtual reality，简称vr），是利用电脑模拟产生一个三维空间的虚拟环境，它借助多种专用输入输出设备向计算机传达各种动作信息，通过视觉、听觉、触觉、嗅觉等作用，使用户产生现实中一样的感觉即虚拟现实技术是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机系统。
普通意义上的虚拟现实需要大型计算机、头盔式显示器、数据手套、洞穴式投影、密封舱等昂贵的设备，目前在军事训练、飞行模拟、医学等方面应用较为广泛，但在教育部门很少用到。
桌面级的虚拟实验室具有便于制作、使用和推广的特点，只需要少量的制作资金和较为简单的硬件设备就可以把一台普通的pc机变成一个满足能实验教学需求的虚拟实验系统。
2、虚拟现实技术在实验课教学中的实现意义2.1突破了实验在时间和空间上的限制利用虚拟现实技术打破了实验在空间上的限制，可以进入事物的内部进行观察，比如学生可以进入虚拟发动机的内部，观察发动机的各个组成部件及其工作过程，这是二维动画和录像不能比拟的。
一些生物、医学实验有些需要几个月甚至更长的时间，通过虚拟现实技术可以将实验的变化过程在很短的一堂课的时间内展现给学生。
2.2有效的解决了学校实验设备和资金不足的问题目前很多学校由于实验场地、昂贵的实验设备和耗材使得许多实验都无法开展，将虚拟现实技术引入实验教学弥补了在这方面的不足，使学生能够获得与真实实验一样的体会，加深对教学内容的理解。
2.3在实验过程中允许学生犯错误，避免危险的发生和实验设备的过度损坏在真实的实验过程中学生犯一次小小的错误就有可能导致整个实验的失败或者事故的发生。
2011年第14期随着计算机网络、虚拟现实等技术的发展，网上虚拟实验系统已成为远程教育中实验教学的一种有效方式。
与传统实验教学相比，网上虚拟实验系统还具有减少实验设备购置成本、实验操作过程安全、实验不受时间和空间的限制、实验室易于维护管理、易于实现资源共享等优点。
因此，它很快得到了远程教育工作者和学习者的认可，并取得了较快的发展。
典型的案例有牛津大学的化学虚拟实验室、美国麻省理工学院的 MIT Microelectronics Web Lab、中山大学的虚拟化工实验，以及清华附中的网校虚拟实验室等等，它们为学习者提供了良好的网上虚拟实验环境，一定程度上满足了远程教育中实验教学的需求。
然而，现有的网上虚拟实验系统大多还局限于单人独立操作或多用户异步操作，存在着不能为多用户提供一个实时同步的协作环境的问题。
网上协同虚拟实验系统的出现已成为解决该问题的一种有效途径。
网上协同虚拟实验系统是指借助多媒体、虚拟现实、计算机支持协同工作等技术在计算机上模拟相关软硬件实验环境、实验对象和实验过程，使多个用户在同一网络环境下协同完成各类虚拟实验。
[1]它在传统的虚拟实验系统基础上实现了计算机支持的协同工作（CSCW ），具有成本低、实时交互性、感知性、共享性、协同性、可重用性等特点。
一、系统构建的理论基础网上协同虚拟实验系统是一个开放式的虚拟学习环境，以提高学习者学习质量为中心，为学习者提供一种身临其境的体验方式，充分调动学习者各种感官，激发学习者的学习兴趣，提高学习效率。
其构建的理论基础包括两部分。
1.建构主义理论建构主义提倡在教师指导下的以学习者为中心的学习，既强调学习者的认知主体作用，又不忽视教师的指导作用，教师是意义建构的帮助者、促进者，而不是知识的传授者与灌输者。
知识是学习者在一定的情景下借助其他人，利用必要的学习资料，通过有意义的建构的方式获得的。
它强调“学习情境”、“协作”在学习过程中的重要性，主张以学习者为中心的学习设计，积极创设符合学习内容要求的学习情境，并有效引导、提示新旧知识之间的联系，帮助学生建构当前所学知识的意义。
[2]2.学习共同体理论学习共同体（Learning Community ）是基于多用户环境下虚拟协作学习平台的重要的特征之一。
学习共同体是指一个由学习者及其助学者（包括教师、专家、辅导者等）共同构成的团体，他们彼此之间经常在学习过程中进行沟通、交流，分享各种学习资源，共同完成一定的学习任务，因而在成员之间形成了一种相互影响、相互促进的人际联系。
[3]二、系统的体系结构系统采用三层B/S结构，第一层为客户层，第二层为应用服务层，第三层为数据层，系统的体系结构如图1所示。
[1]1.客户层（1）实验模式选择：实验者可以进行两种实验模式选择，第一种为单独实验，即实验者独自完成实验；第二种为协作实验，多个实验者组成一个实验小组，协同完成实验。
（2）电子白板：实现组内实验者之间的实时信息（包括文本、音频、视频等）的交流和讨论。
（3）协同信息生成与执行：通过发送和接收协同实验信息创建一个协同虚拟实验环境，每个实验者在这个模块中形成自己的协同信息并调用通信部件发送它，同时执行服务器发来的其他实验者的协同信息以保持同组实验成员操作的一致性。
[1]（4）虚拟环境生成：根据实验情况生成逼真的虚拟实验环境，包括实验场景、实验仪器设备、实验者角色等。
2.应用服务层（1）场景调度：实验系统中包含有多个实验，每个实验又包含有多个场景，通过场景调度模块来监控当前的实验状态，完成不同场景之间的切换和对资源的有效管理，减少系统资源开销，提高系基于Virtools的网上协同虚拟实验系统研究方利伟摘要：针对目前远程教育中虚拟实验系统的不足，提出构建一个网上协同虚拟实验系统。
文中给出了网上协同虚拟实验系统构建的理论基础，描述了系统的体系结构，重点阐述了采用Virtools技术构建网上协同虚拟实验系统的关键技术，包括多用户连接、用户间的信息通信、多用户协同操作等技术，最后给出了网上协同虚拟实验系统的具体实验案例。
关键词：虚拟实验系统；协同；远程教育；Virtools作者简介：方利伟（1978-），男，浙江永康人，浙江师范大学信息传播实验教学中心，工程师。
（浙江 金华 321004）基金项目：本文系浙江省教育科学规划2010年度（高校）研究课题“协作式三维虚拟实验室及其在远程教育中的应用研究”（课题编号：SCG19）的研究成果之一。
中图分类号：G434 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2011）14-0134-02DOI编码：10.3969/j.issn.1007-0079.2011.14.068统运行效率。
（2）虚拟设备调度：实验所需各种仪器设备设计成虚拟仪器设备库，根据实验所需从库中调用设备元件，实现对虚拟仪器设备的有效管理。
（3）用户协作管理：实现协作任务的信息发布，场景、角色动作的同步等管理，以及共享信息的访问与查询服务。
（4）实验管理：负责对系统中实验者信息、实验要求、实验内容、实验结果、实验报告等的管理。
3.数据层数据库是协同虚拟实验系统的基本组成部分，用于存储系统中的各种数据，这些数据主要包括有用户信息库、虚拟仪器设备信息库、实验信息库等。
三、网上协同虚拟实验系统实现的关键技术与传统虚拟实验系统相比，网上协同虚拟实验系统的实现除了涉及数据库访问、场景切换、实验设备操作等技术外，还包括多用户连接、用户间的信息通信、用户协同操作等关键技术，下面将对这些关键技术进行阐述。
1.开发工具选择目前虚拟实验系统的开发技术主要包括:VRML技术、Flash技术、Cult3D技术、Java技术和Virtools技术等等。
[4]与其他技术相比，Virtools技术具有图形化人机交互界面，3D交互性强，界面美观，作品支持网页格式等特点。
同时，Virtools自身带有脚本语言，采用模块化脚本设计，方便用户快速生成3D交互式产品。
2.多用户连接分布式实验环境中首先要解决的是多用户的连接。
在Virtools 中使用Multiuser Module模块可以开发多用户产品。
具体操作是：第一，在Virtools Server Controller界面中选择该模块，为其添加一个Session Type，并配置好该Session Type的属性，包括Name、Max.Sessions、ers、Lobby、Type ID等，服务器端配置完成；第二，用Connect To Server建立客户端与服务器的连接，设置其Modules参数为“Virtools Client Multiuser Module”，如果连接成功会获取到一个唯一的连接ID，然后用Get Session List行为交互模块来获取服务器中有效的Session列表，如果发现有Session存在则加入该Session，如果不存在则建立新的Session，脚本流程图如图2所示。
当与服务器建立连接并加入同一个Session以后，实验者之间可以进行实验虚拟场景和虚拟设备的共享，以及相互之间进行通信，实现虚拟实验系统的多用户连接。
3.用户间的信息通信用户之间的协作需要进行信息通信，在Virtools中，用户间的通信主要有两种方法：网络信息（Network Messages）和分布式对象（Distributed Objects）。
Network Messages方法是一种基本的通信方法，它在客户端之间主要通过两个行为交互模块Network Send Message和Network Wait Message来相互传递信息，这些Message还可以附加上其他的一些数据一起传递。
这种方法适合于一些简单的信息传递，比如各用户之间的聊天信息，或者某个对象简单的位移信息等。
Distributed Objects是另一种发送信息的机制。
一个Distributed Object跟一个本机控制的角色相关联，它们之间是一一对应的关系，而Distributed Object的状态可以通过网络发送给其他客户端，至于所发送的状态包括哪些内容可以在Manage Distributed Classes 行为交互模块中预先定义好，比如位置、方向、动画、颜色等等。
这样就可以把本机所控制角色的一举一动，通过与它相关联的Distributed Object发送出去并显示在其他客户端上。
这种方法适合于复杂的信息传递或是某些对象复杂的动作、运动的同步等。
4.用户协同操作Virtools中的Distributed Objects可以让多个用户对同一个对象进行协同操作，并且每个用户都能实时看到该对象被协同操作的结果。
通过建立Distributed Objects可以让多个实验者“置身”于同一个实验场景中，他们彼此能看见对方的虚拟角色，以及虚拟角色进行的操作、动作等。
Distributed Objects是多用户进行协同实验的关键。
（1）角色动作同步。
当实验者刚进入实验室时，我们用Create Distributed Object来新建一个表示实验者形象的用户角色，创建成功后它会发送一个信息给网络中的其他用户，通知其他用户有一个新的分布式对象被建立，其他用户通过Distributed Object Created可以监听到这个消息，并用Bind Distributed Object与新建立的用户角色进行绑定。
创建该分布式用户角色后，它的状态信息（例如动作、位置等）都会实时的反映给网络中的其他用户，实现用户间角色动作的同步。
（2）多用户对设备的协同操作。
在协同虚拟实验系统中，多个用户协同实验，需要保持实验者之间设备状态信息的一致，即一个实验者对设备进行操作后，实验设备的状态信息要在其他实验者那里得到实时的反馈。
通过Manage Distributed Classes行为交互模块为实验设备建立一个类，并且通过该行为交互模块为实验设备添加属性、实验参数等，增加其对数据的处理能力。
当第一个实验者进入实验场景时，用Create Distributed Object建立该实验设备类的分布式对象，当再有用户进入该实验场景时，则直接用Bind Distributed（下转第137页）3.合理利用实验室工科院校专业实验室往往是与教师的科研方向有关，科研完成，设备放置实验室，绝大多数时间该实验室都是空闲，甚至出现一名教师占用几十间实验室的现象。
而指导毕业设计的年轻教师又没有自己的科研方向和实验平台，导致大部分学生无实验场地。
笔者认为如能够进行协调，实验场地不足的问题也是可以解决的。
4.应用现代手段实现交流随着学校对教师要求的提高，部分教师的确存在着科研和教学的双重压力，但是如能够采用合理的现代通讯手段，通过网络、电话、短信等方式和学生进行交流，及时与学生进行技术讨论还是很容易实现的。
