现代教育技术与装备基于WebGL的铸造虚拟实验教学系统的研发

Posted 2021-04-25 中国现代教育装备

文章作者 廖敦明 张兆创 孙飞 陈涛 范淑媛 毛有武 樊自田

原文刊发于《中国现代教育装备》杂志2017年第5期

　　近年来，随着计算机和网络技术的飞速发展，传统的以实体素材为主的教学方式得到了发展和变化，越来越多的教学材料被上传到网络上，供学生自由地查阅和学习。互联网为学生带来了便利，也将改变学生的学习习惯。但现有的大多数教学资源仍然属于传统的课件、相关书籍和视频等形式，没有完全利用好计算机与网络技术优越特性。

铸造虚拟系统设计

　　虚拟系统将运行在服务器中，并通过互联网与学生进行信息传输，其整体的架构如图1所示。

图1　铸造虚拟系统架构

虚拟教学系统关键技术

1

虚拟现实

　　虚拟现实技术，是20世纪末发展起来的由应用驱动的涉及众多学科的高新技术，是在计算机图形学、计算机仿真技术、人机接口技术、多媒体技术以及传感器技术的基础上发展起来的一门交叉技术。不同于三维动画技术，其显示场景中物体的运动路径不再是人为制订好的，观察者有更多的可动性，观察对象有更为具体的细节信息。正如美国科学家Grigore Burdea和Philippe Coiffet在著作"Virtual Reality-Technolgoy"一文中提出的“虚拟仿真技术的三角形”所言，虚拟现实具有3个最突出的特征：交互性、沉浸感以及构想性。

2

B/S模式

　　传统的网络应用程序使用的是C/S模式架构，C/S模式具有强大的数据操纵和事务处理能力，数据安全性高，并且有较强的完整性约束。随着网络技术的发展，研究者在C/S的基础上，提出了一种具有三层结构的B/S模式。其层次结构如图2所示。

图2　B/S模式

　　从本质上讨论，B/S模式可以视为对C/S模式的一种拓展。与C/S模式不同的是，作为客户端程序的浏览器，仅负责与用户直接相关的小部分事务逻辑。在B/S模式的应用中，开发者成本得到很好的控制;用户也不再需要对客户端进行迭代更新。应用程序也将拥有分布性特点，可以随时随地处理业务。

3

WebGL

　　WebGL是由Khronos Group开发和维护、免授权费的跨平台应用程序接口API。WebGL结合了网络技术和3D技术的网络图形标准。WebGL是基于OpenGL ES 2.0标准，并使用OpenGL着色语言GLSL，而且还提供了类似于标准的OpenGL的API。使用过程中，WebGL将与其他3D上下文网页内容捆绑在一起，通过GLSL ES进行底层渲染调用。图3是WebGL应用的一般架构。

图3　WebGL应用架构

4

动画配合与更新

　　整个虚拟教学不是静态画面整合的幻灯片，而是一个动态对象相互影响的过程。为了实现动态，必须使用到动画技术。

　　在虚拟场景中，各个三维模型间不是完全独立的，模型间的动作常常需要彼此的配合才能正确进行。其中包括自身动画配合、与场景中其他动画的配合。自身动画配合要求模型前后各个动作间的时序配合，主要处理动作开始时间和相邻动作的进行。与场景中其他动画的配合，可以通过指定持续时间段进行控制，对于有特定要求的动作，可检测运行前后的运行情况，保证动作正确。

虚拟系统实现

　　以砂型铸造过程为例，说明如何基于WebGL实现铸造虚拟教学系统的开发。系统的整体实现流程如图4所示。

图4　虚拟教学的实现流程

　　针对砂型铸造的造型、喷涂料、浇注和铸件凝固过程中使用到的模式进行建模。

　　建模、纹理映射和模拟结果处理为虚拟教学系统提供了内容的原材料。对照砂型铸造中的各个阶段，使用这些原材料进行流程与动画设计，将数据和逻辑整合为整体。

　　系统的渲染以WebGL为核心，通过对应API的编程，为系统内容的合理展现进行了设计。而系统的交互由javascript进行管理，完成与用户的交互响应，并形成系统本身业务逻辑。将数据和交互JavaScript结合实际教学逻辑在服务器上进行部署，并开发服务器内容访问机制。学生通过浏览器连接互联网访问到的实际教学内容。其中，包含了砂型铸造从造型到铸件凝固的一系列过程。

　　铸造虚拟教学系统以WebGL技术为基，并以B/S模式作为架构原则，拥有良好的跨平台、轻量化等特点。学生可以在个人计算机、移动设备上访问，并且系统的更新和维护都由服务器负责，大大便利了学生的使用。虚拟教学系统的开发提供了基本思路和可行方向。并验证了虚拟教学系统可以对教学内容进行多元化的丰富和补充，在一定程度上解决实践教学的难点和痛点，完成教学任务的要求。