MOOCS下虚拟实训系统模型的研究与实践

凌财进

（河源职业技术学院，广东 河源 517000）

引言

当前MOOC被称之为一场教育的风暴，获得了井喷式的发展［1］，但学习者在MOOCS自主学习时无法直接从事实验或实训，更无法通过实验检验或探索自己的想法，如何解决这种困境呢？本文提出在MOOCS下虚拟实训系统的建设思路并实现了的初步系统模型。

当前，国内虚拟实训软件系统可以分为两个类型。一是直接的实物仿真型，此类型的系统一般是相对固定的仿真模型，以展现为主；另一类是模拟原理和计算结果的软件，主要以EWB和MATLAB等软件为代表。前者形象直观，但适应性不如后者好，不利于自主学习。为此，作者在研究虚拟实训系统模型综合了两者的优点，并结合软件构件化算法和理念进行模型设计，具体研究如下。

1 模型设计

1.1 设计原则

为达到虚拟实验的视听触的强现实效果，加强虚拟实验的适应性和扩展能力，系统模型的设计时须注意以下设计原则：

（1）“一致性”原则。系统模型要遵守设计目标一致、元素外观一致、交互行为一致的三个原则，软件中存在多个组成部分（组件、元素），不同组成部分之间的交互设计目标需要符合一致性。交互元素的外观往往影响用户的交互效果，同一个（类）软件采用一致风格的外观，对于保持用户焦点，改进交互效果有很大帮助。遗憾的是如何确认元素外观一致没有特别统一的衡量方法。在交互模型中，不同类型的元素用户触发其对应的行为事件后，其交互行为需要达到一致。因此，模型设计需要对目标用户进行调查取得反馈。即所有实验参与者对于环境的相同部分有一致的感觉；

（2）“协作性”原则。虚拟实验参与者能意识到协作者彼此的存在，而且还能进行协同完成任务、接受指导或指导别人。

（3）“实时性”原则。一是实验与控制的信息传递满足一定的实时。二是模型扩展做到“即插即用”。

（4）“开放-封闭”原则。要求系统模型的可扩展开放，并不影响模型的修改关闭。通过扩展已有软件系统模型，可以提供新的行为，以满足对软件的新的需求，使变化中的软件有一定的适应性和灵活性。已有软件模块和规则，特别是最重要的抽象层模块不能再修改，这使变化中的软件系统有一定的稳定性和延续性［2］。

（5）依赖倒置原则（DIP）。要依赖于抽象，不要依赖于具体。简单理解为抽象不应当依赖于细节，细节应当依赖于抽象，要针对接口编程，而不是针对实现编程。

1.2 模型构建

为加强实验系统的适用性，实验的原始器材或物件要求粒度非常小，可以是一个概念模型或软件接口，也可以是单根电线或一个小电阻，甚至可以是几何中点线等，我们称之为粒子，粒子组成的库，是最小的、认识世界的基本要素的集合。从理论上讲，利用这些基本单元，可以构造任意形式和无穷多个模型。系统模型默认分为5个基库，分别为对应法则库F、粒子库A、元器件库B、仪器仪表库C、物体仿真库M、场景库S等，8个基库之间关系可以简单用集合和函数表示如下。

F={f1，f2，f3...，fn}，A={a1，a2，a3，...，an}，B={b |b=f(x),x∈A,f∈F}，C={c|c=f(x,y),x∈A,y ∈B,f∈F}，

M={m|m=f(x),x ∈M,f∈F}，S={s|s=f(x,y,z),x ∈A,y∈B,Z ∈M,f∈F}，

5个基库之间关系如图1.1实验模型基库关系模型所示。

图1 实验模型基库关系模型

1.3 工作流程

第一步，元件和仪器制作。实验相关元件和仪器的组装，若前期实验有制作，则可重复使用。

第二步，实物的仿真模型制作。实验人员制作实物的仿真模型，或向第三方购买或部分模型还可以通过实物图像计算合成。

第三步，实验场景设计。可以是简单空集，也可能是复杂的生物链系统，简单实验视需要设计。

第四步，实验对应法则确立。实验逻辑设计，包括参数、过程与结果等对应法则。

第五步，学习者开展实验。

工作流程的前四步操作，可由实验老师或学生提前做好，或由前期实验继承下来，学习者实验过程只需完成第五步，学习者的操作基本上和在线下实验室实验一致。

2 关键技术和实现

2.1 虚拟场景和用户替身

虚拟场景是实验的环境，可能直接影响实验结果和实验体验效果。虚拟场景的构建主要考虑两个因素，即如何模拟场景的真实性、如何保证实验结果的准确性。模拟场景方面可借助第三方软件，如3DSMAX、MAYA等输出，并通过合并共面多边形法、顶点簇法、Hammmann三角形删除法等优化［3-5］，在降低复杂度的同时保证真实性。

此外，在场景精度要求不高的情况下，可以使用实物图像进行柱面投影的方法获得了较高质量的柱面全景图来实现。柱面全景图的正投影是指将平面照片投影到柱面形成全景图的过程；反投影是将柱面全景图在某个特定的观察区域投影到柱面的切平面上供屏幕显示的过程［6］。一张实景图像I，P（x，y）是实景图像上的任意一个像素点。P在照相机坐标系下的坐标为：P（x-W/2，y-H/2，-f）其中，W和H分别是实景图像I的宽度和高度。柱面正投影示意图如图2.1所示。

图2 柱面投影示意图

照相机坐标系原点与像素点P的直线方程可以表示为参数方程的形式：

u=t（x-W/2） （2-1）

v=t（y-H/2） （2-2）

w=t（-f） （2-3）

其中以数码相机的像素焦距f作为圆柱面的半径，t是参数。圆柱面可以表示为：u2+w2=f2

联立以上两个方程，可以求得：

（u，v，w）是像素点（x，y）在圆柱面上的投影点Q的参数坐标，把所有这样的投影点组合在一起便得到全景图像。投影点为三维坐标，为了便于存储，需要转换为二维图像坐标。根据以下方程，可以求得像素点Q的二维坐标为（x1，y1）：

显然同一条垂直线上的两个像素点P1（x，y）和P2（x，y1），它们在柱面全景图像上具有相同的横坐标x，那么它们正投影到柱面全景图上横坐标x，也必然相等，也就是说，柱面全景图中的景物在垂直方向上不会发生形变。

替身是用户形象和行为在虚拟环境中的特殊表现，也是用户体验虚拟实验环境沉浸的依据［7］，因此，用户在虚拟场景中以虚拟的3D替身来实现。系统模型中通过服务器端控制对用户替身进行统一认证与管理，对替身的所有实验操作送到服务器，在实验对应法则对比下，对替身状态进行更新，并决定是否以广播的方式通知其他客户端，使用多个实验者用户替身之间可视化与协同感知。

2.2 MUVE协同与通讯模型

基于开放式虚拟实训系统的一个实验有可能多个团队同时操作，并且要求虚拟实训室尽量还原到真实的实验环境，这就需要解决一个多用户虚拟环境［8］（MUVEs）下进行实验的数据准确性、安全性、共享性等问题。我们是通过开发基于协同的通讯部件，把各客户端的实验操作送到服务器，由服务器端的实验法则去判断处理，做好各个客户端操作的更新，使得学习者可视化和感知从而达到协同实验的目标。简单的模型如图2.2

图3 MUVEs下协同与通讯模型

此外，MUVE下须避免多个用户同时对某个对象操作而引发的冲突［8］，可通过优先级控制方法，将客户端用户按照不同的优先级存入数据库，可以允许多个用户同时进入同一场景，当两个以上用户操作场景中同一个实验操作时，根据优先级规则所定义的触发顺序，决定那个用户对物体进行有效操作，当用户操作完被返回到服务器更新后，第二个用户方能做相应的操作，保证协同实验的准确性。

2.3 数据库交互

在实验过程中，学习者在客户端实验操作与服务器进行通讯，为防止网络中断等问题，所有操作须运用数据库技术在服务端存储起来，阶段性的操作先暂存在客户端，能很好地应对断电断网等情况，另外，数据库将记录学生的整体项目实验步骤和教师评价结果。

3 应用实例

本项目研究的虚拟实训平台以应用电子专业为研究对象，以《电子电子》、《模拟电路》、《数字电路》等课程为实例开发虚拟实训平台，开发各种虚拟实验环境和虚拟实验仪器，初步完成5个试验库的构建，并作为广东省高职院校示范校特色项目组成部分。

4 结语

系统模型的构建为MOOCS下的虚拟实训的系统平台的建设提供了对象建模和数据交互，梳理了子系统之间的关系等等，为下一步的系统建设提供了关键技术、数据关系。课题是以应用电子专业类课程为研究对象，初步完成了电子相关实验模型的构建，基本搭建成可扩充、内容丰富的、逼真的3D虚拟实训设备库。经学生和老师的反馈，通过此系统实验比单纯的EWB要形象直观，实验过程和原理易理解，操作如玩游戏似的享受。接下来将完善相关研究，增加化学、生物相关实验模型，并把项目MOOCS等网上学习课程结合起来，为网上学习起到推动作用。

［1］顾小清，胡艺龄，蔡慧英.MOOCS的本土化诉求及其应对［J］.远程教育杂志，2013（5）：3-5.

［2］GAMMA E.设计模式：可复用面向对象软件的基础［J］.机械工业出版社，2007（1）：35.

［3］孙范荣，王鹏，黄有群.基于VRML的交互式三维地形生成技术的研究［J］.系统仿真报，2007，19（16）：3731-3733.

［4］张菊.虚拟现实技术在实训中的应用研究［J］.计算机光盘软件与应用，2014（04）：310-311.

［5］胡松伟，雷波.一种武器装备虚拟训练平台开发方法及其应用［J］.四川兵工学报，2015（01）：35-36.

［6］彭红星，宋鸿陟等.柱面全景图生成技术的研究与实现［J］.计算机工程，2010，36（9）：208-209.

［7］庞辽军，李慧贤等.基于JAVA的VRML网络通信功能的实现［J］.计算机工程，2007，33（11）：47-49.

［8］NELSON B，KETELHUT D J，CLARKE J，BOWMAN C，DEDE C.Design-based research strategies for developinga scientific inquiry curriculum in amulti-user virtual environment［J］.Educational Technology，2005，（4）：21-27