QTVR技术在物理实验网络教学中的应用

QTVR技术在物理实验网络教学中的应用 QTVR技术在物理实验网络教学中的应用 QTVR技术在物理实验网络教学中的应用

摘要：本文就QTVR（QuickTime Virtual Reality）技术在物理实验网络教学中的应用问题作了初步探讨。首先就其教学优势作了分析。接着以虚拟仪器为例，说明在物理实验网络教学中如何应用QTVR技术。

关键词：QTVR技术，全景，对象，场景，虚拟世界，虚拟实验室，虚拟仪器

Application Of QTVR In Physics Experiment Teaching&Studying Online

Wenhuan, Douyiyang

Physics Department of NUSC

Abstract

The topic of this text is the application of QTVR in Physics experiment teaching&studying online. At first, the authors analyze the advantages of QTVR in teaching&studying online. Then with the examples of virtual instruments, we introduce how to apply QTVR technology in our teaching&studying online. We emphasize on the uses of Spin PhotoObject (of Picture Works company ) . In our following work, we will use VR Worx (of VR Toolbox company) to make a virtual lab with virtual instruments inside.

Keywords: QTVR technology, panorama, object, scene, virtual lab and instruments

正文：

QTVR是QuickTime Virtual Reality 的简称，是美国苹果公司Quick Time技术的拓展。它是新一代的、基于静态图象处理的初级虚拟现实技术①。它不需要传统虚拟现实技术所要求的特殊硬件和附属设备，在普通的PC机或Macintosh机上就可产生相当程度的虚拟现实的体验。它不需要进行任何几何造型，只需通过图像采集系统采集真实世界的图像、QTVR系统软件处理离散的图像，即可完成三维空间、三维物体的造型；操纵普通鼠标、键盘即可实现对三维造型的全方位观察。

QTVR有三个核心概念：全景图像（Panoramas），对象（Object），场景（Scene）。全景图像：是空间中的一个视点对周围环境的360度视图，用户可在全景图像的360度范围内任意切换视线，也可在一个视线上改变视角，来获得距离远近的视觉效果。对象（物体）：是从分布在以一件物体为中心的立体360度的球面上的众多视点来看一件物体，从而生成的对一件物体全方位的图像信息。经QTVR系统软件的处理，形成用户可观察的各个视点。场景：利用热点手段将一个或多个全景图像或对象电影进行连接，从而生成的有序集合体。在场景中，用户可在很多全景图像和对象电影中漫游。

虽然是初级的虚拟现实技术，但是QTVR以其独特的技术特色与独特的优势，开创了多媒体技术与仿真技术相结合的新途径，为虚拟现实技术的大众化铺平了道路。尤其重要的是，它的出现使得建立网络虚拟实验室有了广阔的前景②。

身处网络时代，作为物理教学论实验物理方向的学生，我们所关注的问题是QTVR技术能为物理网络实验教学做些什么？ QTVR技术在物理教育领域中已有了广泛的应用，例如虚拟固体物理中的晶格结构、虚拟核物理中的核反应堆等，在这些理论教学中，QTVR技术都有了极为成功的应用范例；但是在网络实验教学方面，国内的QTVR技术应用基本上还处于探索阶段。因此，我们想就这个问题做些探讨。

1978年，在英国牛津召开了一次国际物理教学委员会，讨论的主题是“实验室在物理教育中的作用”。会议认为实验课的作用之一就是学会使用仪器③。可是，传统的物理实验教学存在着不重视仪器使用的问题。有的实验室因为某些实验仪器价格昂贵而无力购买，因此无法开设一些实验；有些仪器不可能拆卸开让学生熟悉内部构造；有些实验因为样品存在危险性，由老师演示学生观摩。以上因素造成学生不能动手实验，这显然是与开展实验的目的相悖的。另外，实验室大多数实验都是采用菜谱式教学方式，也就是给出具体实验步骤，学生依样画葫芦，这就导致学生不重视仪器的构造、功能、和使用方法、参数指标、误差范围等。再者，多数实验的数据采集、数据处理已由计算机系统完成，实验过程比较枯燥，只是机械地重复对几个按钮的操作，学生的兴趣普遍不高。

此外，目前的物理网络教学实验仅提供计算机二维仿真系统，真实感不够强，不能给人以身临其境的感觉。因此，综合以上几个方面的因素，我们考虑在网络实验教学中引入QTVR技术，以期能在一定程度上解决以上问题。

那么，在物理网络实验教学中应用QTVR技术有哪些优势呢？首先，由于QTVR独特的技术特色，使得它在立体空间的展示、立体物体的展示、展品的介绍、虚拟空间的营造与构建、虚拟场景的构造等方面有着独特的优势。教育过程的很重要的一个过程就是呈现知识信息，而QTVR在呈现知识信息方面有着独特的优势④。我们可以为某些仪器创作配以解说词和文字说明的三维旋转体图片，让学生在虚拟的实验室中对虚拟仪器进行随意地旋转和任何视觉角度的观察，以便学生详尽了解仪器的构造、功能和使用方法，同时达到预习实验、复习实验的目的。更重要的是，教师和学生在QTVR创造的虚拟现实环境中，可以沉浸其中，全身心地投入教与学，既生动了课堂教学，又提高了学生的学习效率与积极性。

QTVR制作简单，制作周期较短，制作的可控性也很强，对于物理教师这类非计算机专业人士来说，比较容易掌握其技术；要开发一些简单的实验教学软件应用于网络教学中，也不至于难度太大。

我们初步的工作是制作虚拟仪器，在网上为学生提供真实仪器的各种资料；第二步的工作是构建虚拟实验室，使教师与学生在网上身临其境般地完成教学任务。由于时间有限，目前暂时没能完成第二步的工作，所以在此仅介绍制作虚拟仪器的工作。

接下来要陈述的是我们制作虚拟仪器的工作。

首先，选择实验仪器。我们选择密立根油滴仪、γ能谱仪等仪器。（我们以密立根油滴仪为例，说明制作过程）。

其次，用数字相机获取密立根油滴仪图像。我们使用的是Epson PhotoPC 850Z相机，选择800*600的分辨率，拍下仪器360度自转的照片，总共拍摄二十四张。在拍摄相片的过程中，可为相片配解说词。Epson PhotoPC 850Z相机有在拍摄过程中为相片配录音的功能。

上传图像。用USB电缆（Epson相机自带）连接相机和计算机，使用Epson Photo !3 Ver.1上传图像，并保存。

编辑图象。我们使用Picture Works公司的Spin PhotoObject软件来编辑图像。

Spin PhotoObject的工作界面如下所示：

图一

具体步骤如下：

Browse

将所有图片按顺序编号（一般需三位以上数字）后放在同一目录下，在Browse中选中该目录，此时会将目录中所有文件列出。

Insert

如果需要目录中所有图片，选Insert All，否则选定所需文件后选Insert Selection

Align

观察每一张图片的位置，使之尽量重合。关键是每一张图片的尺寸大小(长和宽)必须一致，如原图片太大需要切割，則每一张图片切割的位置必须完全一致

Crop

调整八个句柄围成的范围大小，其中包含的內容是最后显示的內容

Create

建立输出文档。注意选择播放的尺寸。输出文档可以是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播放器观看(含交互性)，若插入页中，则需要Quicktime Player的插件(Plug In)支持。我们把它插入页中，用Microsoft FrontPage制作网页。包含虚拟仪器的HTML文件的地址A:VRinstruments.filesVirtualInstruments.htm，打开它，可以浏览我们所制作的虚拟仪器。

下图是用Quicktime Player播放器观看的密立根油滴仪。

图二 密立根油滴仪

Picture Works公司的Spin PhotoObject软件制作三维旋转物体，过程简单、快捷，很容易就可在网上实现360度观看仪器的目的。

以上陈述的是我们在网络实验教学中应用QTVR技术的一部分工作。写出来，希望得到同行们的好建议和批评指正。我们下一步的工作是利用VR Worx（VR Toolbox 公司的软件)制作摆放虚拟仪器的虚拟实验室，以期能在网上教学中使师生充分体验虚拟现实的身临其境感。