基于虚拟现实系统(VRML)的土力学网络课件制作方案

2022-09-12

1 利用虚拟现实技术进行课件制作的现状和发展趋势

近年来随着网络通信速度的提高和带宽的发展, 信息社会对教育方法提出了新的需求。虚拟现实技术的研究已经从高投入的航天、军事领域开始进入教育领域, 国内外都在加紧进行如何在教育领域使用虚拟现实的研究。虚拟现实技术涉足高等教育的各个学科, 由于多维信息系统具有亲临其境的真实感和超越现实的虚拟性, 使用者能够沉浸其中、超越其上、实时交互, 已显示其实用性和先进性, 技术潜力十分巨大, 应用前景非常广阔。虚拟现实应用于教育是教育技术发展的一个飞跃。就教育理论而言, 虚拟现实实现人的临场化, 参与者与虚拟环境是互相作用、互相影响的一个整体的两个方面, 它营造了“自主学习”的环境, 由传统的“以教促学”的学习方式代之以由学习者通过自身与信息和环境的相互作用来得到知识、技能的新型学习方式。虚拟实验既可以缩短训练的时间, 又可以获得直观、真实的效果, 还能对那些不可视的结构原理和不可重组的设备作仿真实训, 一方面培养学生操作、维护和检修的技能, 另一方面培养学生自我训练的意识和创新能力。

目前在我国, 利用虚拟现实技术进行教学课件的制作还非常少见。在土力学教学中, 许多内容需要辅以图形的讲解、实验过程和实验结果的演示, 特别是土力学实验, 由于仪器少, 学生多, 实验教师不容易讲解清楚, 学生很难真正掌握和领会实验的方法。用传统的课件制作方式, 很难模拟土力学的实验过程 (例如, 仪器的安装调试、仪器的操作以及土样受力过程的直观模拟) , 采用录像技术制作的课件, 对特殊部分、特殊标志及关键性操作不可能明显地表示出来;再者大部分内容又无法采用录像技术制作, 不宜用于学校多人次教学实践。利用虚拟现实技术制作的课件, 能有效地克服上述缺陷。课件的动画生动、形象、画面标记鲜明、重点突出, 互联网上传输速度快, 特别适合远程教学。可使学生能够沉浸其中、超越其上、实时交互, 更好地掌握土力学的基本概念和实验方法。采用虚拟现实技术还能满足高校因实验条件所限而暂不能解决的实践教学要求, 获得土力学实验室的教学效果, 增强学生的实践能力。

2 基于虚拟现实系统的土力学网络课件制作目标和主要内容

2.1 本课件制作所要达到的目标

制作一套基于虚拟现实平台下 (V R M L) 的《土力学》教学课件, 具有实现虚拟真实教学场景的模拟、实时交互等功能;并以土力学教学大纲和土力学教材为根本, 以各章节公式或重要概念为知识节点, 由教师详细讲解各章节教学内容, 同时显示相应的静止或动态图形, 模拟真实情况。

利用VRML对该课件进行二次开发, 使其具有远程教育的功能, 使学生即使在宿舍、家里等教室以外的地方也能通过计算机网络完成对《土力学》的学习。

利用该课件, 老师可以通过网络对学生进行个别答疑。

利用该课件, 学生可以通过网络对土力学每一项实验进行虚拟操作和练习。

土力学综合训练系统对课程整体知识进行总结, 内容包括: (1) 基本概念部分; (2) 解题指导部分; (3) 模拟测试部分。

2.2 本课件包含的主要内容

本课件依据土力学教学大纲的要求并结合工程实际制作, 包含了大纲规定的课堂内容和工程实际采用的实验内容, 具体如下。

2.2.1 课堂内容

(1) 土的物理性质和工程分类;2) 土的渗透性与渗流计算;3) 地基的应力与沉降;4) 土的压缩性和地基沉降计算;5) 土的抗剪强度;6) 地基承载力;7) 土坡稳定计算;8) 土压力和挡土墙。

2.2.2 实验内容

(1) 土的颗分试验; (2) 土的液、塑限试验; (3) 土的压缩试验; (4) 土的直剪试验; (5) 土的三轴试验; (6) 土的渗透试验; (7) 土的击实试验。

3 课件的实现方法和技术路线

3.1 实现方法

撰写脚本:综合以往授课的教案, 大量收集有关土力学的最新教学资料并进行整理, 撰写课件脚本;

数学建模:对不同的章节内容, 分别采用不同的土力学理论模拟土在不同受力情况下的受力过程。例如, 在讲解土的压缩时, 采用太沙基固结理论模拟土的沉降过程 (土的沉降、土的压缩实验过程) ;在讲解土的抗剪时, 采用剑桥模型来模拟土的抗剪过程 (剪胀、剪缩特性, 土的应力应变关系, 土的受剪的实验过程) 。

利用V R M L和J A V A S C R I P T编程语言, 结合A U T O C A D, 3 D S M A X和P H O T O S H O P等图形动画软件工具, 开发出一个基于W E B的虚拟现实土力学远程教育软件。

在基于WWW的教学系统中, 研制以下网上交流与合作工具:

课程公告板 (Electric Board) :提供给所有参加课程的学生、指导教师用来讨论与课程有关的问题;

电子邮件 (E m a i l) :是为用户设置的一个私人间的信息交流工具, 学生之间、学生与教师之间经常需要交流一些信息, 如讨论、答疑、讲评、成绩通知等;

交谈工具 (Communication Tool) :提供给课程参加者一个实时交谈工具, 要求交谈者必须同时注册到系统中;

共享白板 (B B S) :是同一学习小组之间的交流空间。系统为每一个小组设立一个共享白板, 这对于小组内讨论某一个共同感兴趣的问题非常有用。