QTVR技術(shù)在物理實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)中的應(yīng)用
摘要：本文就QTVR(QuickTime Virtual Reality)技術(shù)在物理實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)中的應(yīng)用問題作了初步探討。首先就其教學(xué)優(yōu)勢(shì)作了分析。接著以虛擬儀器為例，說(shuō)明在物理實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)中如何應(yīng)用QTVR技術(shù)。
關(guān)鍵詞：QTVR技術(shù)，全景，對(duì)象，場(chǎng)景，虛擬世界，虛擬實(shí)驗(yàn)室，虛擬儀器
正文：
QTVR是QuickTime Virtual Reality 的簡(jiǎn)稱，是美國(guó)蘋果公司Quick Time技術(shù)的拓展。它是新一代的、基于靜態(tài)圖象處理的初級(jí)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)①。它不需要傳統(tǒng)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)所要求的特殊硬件和附屬設(shè)備，在普通的PC機(jī)或Macintosh機(jī)上就可產(chǎn)生相當(dāng)程度的虛擬現(xiàn)實(shí)的體驗(yàn)。它不需要進(jìn)行任何幾何造型，只需通過圖像采集系統(tǒng)采集真實(shí)世界的圖像、QTVR系統(tǒng)軟件處理離散的圖像，即可完成三維空間、三維物體的造型;操縱普通鼠標(biāo)、鍵盤即可實(shí)現(xiàn)對(duì)三維造型的全方位觀察。
QTVR有三個(gè)核心概念：全景圖像(Panoramas)，對(duì)象(Object)，場(chǎng)景(Scene)。全景圖像：是空間中的一個(gè)視點(diǎn)對(duì)周圍環(huán)境的360度視圖，用戶可在全景圖像的360度范圍內(nèi)任意切換視線，也可在一個(gè)視線上改變視角，來(lái)獲得距離遠(yuǎn)近的視覺效果。對(duì)象(物體)：是從分布在以一件物體為中心的立體360度的球面上的眾多視點(diǎn)來(lái)看一件物體，從而生成的對(duì)一件物體全方位的圖像信息。經(jīng)QTVR系統(tǒng)軟件的處理，形成用戶可觀察的各個(gè)視點(diǎn)。場(chǎng)景：利用熱點(diǎn)手段將一個(gè)或多個(gè)全景圖像或?qū)ο箅娪斑M(jìn)行連接，從而生成的有序集合體。在場(chǎng)景中，用戶可在很多全景圖像和對(duì)象電影中漫游。
雖然是初級(jí)的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，但是QTVR以其獨(dú)特的技術(shù)特色與獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，開創(chuàng)了多媒體技術(shù)與仿真技術(shù)相結(jié)合的新途徑，為虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的大眾化鋪平了道路。尤其重要的是，它的出現(xiàn)使得建立網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室有了廣闊的前景②。
身處網(wǎng)絡(luò)時(shí)代，作為物理教學(xué)論實(shí)驗(yàn)物理方向的學(xué)生，我們所關(guān)注的問題是QTVR技術(shù)能為物理網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)做些什么? QTVR技術(shù)在物理教育領(lǐng)域中已有了廣泛的應(yīng)用，例如虛擬固體物理中的晶格結(jié)構(gòu)、虛擬核物理中的核反應(yīng)堆等，在這些理論教學(xué)中，QTVR技術(shù)都有了極為成功的應(yīng)用范例;但是在網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面，國(guó)內(nèi)的QTVR技術(shù)應(yīng)用基本上還處于探索階段。因此，我們想就這個(gè)問題做些探討。
1978年，在英國(guó)牛津召開了一次國(guó)際物理教學(xué)委員會(huì)，討論的主題是“實(shí)驗(yàn)室在物理教育中的作用”。會(huì)議認(rèn)為實(shí)驗(yàn)課的作用之一就是學(xué)會(huì)使用儀器③。可是，傳統(tǒng)的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在著不重視儀器使用的問題。有的實(shí)驗(yàn)室因?yàn)槟承⿲?shí)驗(yàn)儀器價(jià)格昂貴而無(wú)力購(gòu)買，因此無(wú)法開設(shè)一些實(shí)驗(yàn);有些儀器不可能拆卸開讓學(xué)生熟悉內(nèi)部構(gòu)造;有些實(shí)驗(yàn)因?yàn)闃悠反嬖谖ｋU(xiǎn)性，由老師演示學(xué)生觀摩。以上因素造成學(xué)生不能動(dòng)手實(shí)驗(yàn)，這顯然是與開展實(shí)驗(yàn)的目的相悖的。另外，實(shí)驗(yàn)室大多數(shù)實(shí)驗(yàn)都是采用菜譜式教學(xué)方式，也就是給出具體實(shí)驗(yàn)步驟，學(xué)生依樣畫葫蘆，這就導(dǎo)致學(xué)生不重視儀器的構(gòu)造、功能、和使用方法、參數(shù)指標(biāo)、誤差范圍等。再者，多數(shù)實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理已由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)完成，實(shí)驗(yàn)過程比較枯燥，只是機(jī)械地重復(fù)對(duì)幾個(gè)按鈕的操作，學(xué)生的興趣普遍不高。
此外，目前的物理網(wǎng)絡(luò)教學(xué)實(shí)驗(yàn)僅提供計(jì)算機(jī)二維仿真系統(tǒng)，真實(shí)感不夠強(qiáng)，不能給人以身臨其境的感覺。因此，綜合以上幾個(gè)方面的因素，我們考慮在網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中引入QTVR技術(shù)，以期能在一定程度上解決以上問題。
那么，在物理網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)用QTVR技術(shù)有哪些優(yōu)勢(shì)呢?首先，由于QTVR獨(dú)特的技術(shù)特色，使得它在立體空間的展示、立體物體的展示、展品的介紹、虛擬空間的營(yíng)造與構(gòu)建、虛擬場(chǎng)景的構(gòu)造等方面有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。教育過程的很重要的一個(gè)過程就是呈現(xiàn)知識(shí)信息，而QTVR在呈現(xiàn)知識(shí)信息方面有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)④。我們可以為某些儀器創(chuàng)作配以解說(shuō)詞和文字說(shuō)明的三維旋轉(zhuǎn)體圖片，讓學(xué)生在虛擬的實(shí)驗(yàn)室中對(duì)虛擬儀器進(jìn)行隨意地旋轉(zhuǎn)和任何視覺角度的觀察，以便學(xué)生詳盡了解儀器的構(gòu)造、功能和使用方法，同時(shí)達(dá)到預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)、復(fù)習(xí)實(shí)驗(yàn)的目的。更重要的是，教師和學(xué)生在QTVR創(chuàng)造的虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中，可以沉浸其中，全身心地投入教與學(xué)，既生動(dòng)了課堂教學(xué)，又提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)效率與積極性。
QTVR制作簡(jiǎn)單，制作周期較短，制作的可控性也很強(qiáng)，對(duì)于物理教師這類非計(jì)算機(jī)專業(yè)人士來(lái)說(shuō)，比較容易掌握其技術(shù);要開發(fā)一些簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)教學(xué)中，也不至于難度太大。
我們初步的工作是制作虛擬儀器，在網(wǎng)上為學(xué)生提供真實(shí)儀器的各種資料;第二步的工作是構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)室，使教師與學(xué)生在網(wǎng)上身臨其境般地完成教學(xué)任務(wù)。由于時(shí)間有限，目前暫時(shí)沒能完成第二步的工作，所以在此僅介紹制作虛擬儀器的工作。
接下來(lái)要陳述的是我們制作虛擬儀器的工作。
首先，選擇實(shí)驗(yàn)儀器。我們選擇密立根油滴儀、γ能譜儀等儀器。(我們以密立根油滴儀為例，說(shuō)明制作過程)。
其次，用數(shù)字相機(jī)獲取密立根油滴儀圖像。我們使用的是Epson PhotoPC 850Z相機(jī)，選擇800*600的分辨率，拍下儀器360度自轉(zhuǎn)的照片，總共拍攝二十四張。在拍攝相片的過程中，可為相片配解說(shuō)詞。Epson PhotoPC 850Z相機(jī)有在拍攝過程中為相片配錄音的功能。
上傳圖像。用USB電纜(Epson相機(jī)自帶)連接相機(jī)和計(jì)算機(jī)，使用Epson Photo !3 Ver.1上傳圖像，并保存。
編輯圖象。我們使用Picture Works公司的Spin PhotoObject軟件來(lái)編輯圖像。
具體步驟如下：
Browse
將所有圖片按順序編號(hào)(一般需三位以上數(shù)字)后放在同一目錄下，在Browse中選中該目錄，此時(shí)會(huì)將目錄中所有文件列出。
Insert
如果需要目錄中所有圖片，選Insert All，否則選定所需文件后選Insert Selection
Align
觀察每一張圖片的位置，使之盡量重合。關(guān)鍵是每一張圖片的尺寸大小(長(zhǎng)和寬)必須一致，如原圖片太大需要切割，則每一張圖片切割的位置必須完全一致
Crop
調(diào)整八個(gè)句柄圍成的范圍大小，其中包含的內(nèi)容是最后顯示的內(nèi)容
Create
建立輸出文檔。注意選擇播放的尺寸。輸出文檔可以是QTVR Object Movie(mov)格式、Quicktime(mov)格式、Movie AVI格式、Animated GIF格式等等。其中最常用是mov格式文件，可用Quicktime Player播放器觀看(含交互性)，若插入頁(yè)中，則需要Quicktime Player的插件(Plug In)支持。我們把它插入頁(yè)中，用Microsoft FrontPage制作網(wǎng)頁(yè)。包含虛擬儀器的HTML文件的地址A:\VRinstruments.files\VirtualInstruments.htm，打開它，可以瀏覽我們所制作的虛擬儀器。
Picture Works公司的Spin PhotoObject軟件制作三維旋轉(zhuǎn)物體，過程簡(jiǎn)單、快捷，很容易就可在網(wǎng)上實(shí)現(xiàn)360度觀看儀器的目的。
以上陳述的是我們?cè)诰W(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)用QTVR技術(shù)的一部分工作。寫出來(lái)，希望得到同行們的好建議和批評(píng)指正。我們下一步的工作是利用VR Worx(VR Toolbox 公司的軟件)制作擺放虛擬儀器的虛擬實(shí)驗(yàn)室，以期能在網(wǎng)上教學(xué)中使師生充分體驗(yàn)虛擬現(xiàn)實(shí)的身臨其境感。
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