X3DOM技术在网络教育中的与应用

引言

网络教育是一种计算机多媒体技术和互联网技术相结合的现代远程教育.作为一种新型的教育模式,网络教育以其跨地域、跨时空的优势,把普通教育、学历教育与非学历教育、专业教育与职业教育、继续教育与终身教育等融为一体,使得全民教育、终身教育成为可能.[１]我国从１９９８年开始大力发展网络教育,到目前为止,经教育部批准,全国已经有清华、北大在内的６８所重点高校成立了网络教育学院,累计招收本专科生近１千万人,网络教育已初步形成一定的规模.

在网络教育迅速发展的过程中,尽管优势明显,但也暴露出一些缺憾：不能良好地展现３Ｄ内容并对其进行交互式操作就是其中之一.在许多课程中（如机械制造、地理、立体几何等）,往往需要显示一些立体结构或３Ｄ造型,以便清晰地展现教学内容,同时学习者通过操作这些３Ｄ模型而参与到课程中,会获得更真实的感受,从而激发学习兴趣.而网络教学展现在学习者眼前的通常是图片、文字、动画、视频等媒体,不能良好地展示３Ｄ模型,而且学习者只能被动地观看,与展示的教学内容难以进行交互；一些教学系统虽然通过Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋ、３Ｄｍａｘ、ＶＲＭＬ、Ｃｕｌｔ３Ｄ等工具能够展示３Ｄ模型,但是它们的数据格式或者不支持网络平台,或者需要专用插件,也不能完善地解决这一问题.[２][３]

所以,利用新的网络和图形技术,构建方便网络传输、效果逼真、交互性强的３Ｄ教学内容是网络教育亟待解决的问题之一.同时,Ｘ３ＤＯＭ技术的研究与应用在国内还处于空白,我们把这项技术应用于网络教育,以期能够抛砖引玉.

一、Ｘ３ＤＯＭ应用于网络教育的优势

Ｘ３ＤＯＭ[４]由Ｗｅｂ３Ｄ协会开发维护,是一种新的Ｗｅｂ３Ｄ技术,用于在浏览器中呈现逼真的３Ｄ图形场景.其前身为Ｘ３Ｄ语言,Ｘ３Ｄ作为国际标准得到了几十家厂商以及大学等研究机构的支持,应用也非常广泛.不过由于它需要专用的浏览器或插件,其应用受到一定的限制.Ｘ３ＤＯＭ对Ｘ３Ｄ进行了一些改进和扩展,形成了一个开源的标准文件规范和运行时架构.文件规范允许开发者使用融合了ＸＭＬ的Ｘ３Ｄ编码来构建３Ｄ场景,运行时架构则会把包含３Ｄ内容的ＨＴＭＬ页面自动解析为３Ｄ场景.[５]

Ｘ３ＤＯＭ技术不仅不再需要插件,而且和ＨＴＭＬ５紧密结合,并支持一些ＨＴＭＬ事件对３Ｄ对象的操作.[６]因此,Ｘ３ＤＯＭ有良好的发展前景（Ｘ３ＤＯＭ仍然在不断的讨论和演进之中）.同时,Ｘ３ＤＯＭ的这些特性也使其在网络教育中拥有突出的优势,主要表现在如下几个方面：

１．Ｘ３ＤＯＭ丰富了网络教育的媒体类型

网络教育是通过网络把文字、图像、视频等媒体展现给学习者,而Ｘ３ＤＯＭ作为一种Ｗｅｂ３Ｄ技术是通过网络展现３Ｄ内容,二者都是通过网络传输、展现媒体,而且Ｘ３ＤＯＭ所擅长展现的３Ｄ内容正是网络教育需要的.因此,网络教育引入Ｘ３ＤＯＭ技术后使其媒体类型更加丰富.

２．Ｘ３ＤＯＭ交互性强,激发学习者兴趣

网络教育把文字、图片、动画、视频等媒体组织起来呈现课程知识,一般均为线性组织,学习者只能按照其事先安排好的方式、顺序观看学习,并不能参与其中,缺少交互.基于Ｘ３ＤＯＭ技术的３Ｄ模型是实时渲染的,学习者可以对３Ｄ模型进行实时操作,比如：可以用鼠标全视角查看某一机械部件,可以动手操作把各个部件组装起来.这种强大的交互性有助于学习者完全融入虚拟的学习情景中,避免了文字、视频等单纯讲解,灌输知识的弊端,提高了学习者学习的自由度和积极性.

３．Ｘ３ＤＯＭ不需插件,使用方便

Ｘ３ＤＯＭ不仅可以完美地呈现３Ｄ模型,而且和网络结合紧密,不需要安装任何插件即可在网页中展现三维模型并支持交互式操作.这免去了其他３Ｄ技术需要额外安装插件或者软件的麻烦,打开浏览器即可呈现３Ｄ内容无疑会得到学习者的青睐.

二、基于Ｘ３ＤＯＭ的３Ｄ场景构建

使用Ｘ３ＤＯＭ构建３Ｄ场景的基本思路是：首先引入头文件以支持实时渲染；然后建立３Ｄ模型（３Ｄ模型可以使用３Ｄｍａｘ等工具建立,然后导入；也可以直接使用Ｘ３ＤＯＭ的基本几何节点建立）,并通过传感器、插补器等节点设置动画及交互效果；最后以ＸＨＴＭＬ或ＨＴＭＬ方式发布.

１．导入头文件

程序代码首先需要导入如下文件：

＜ｓｃｒｉｐｔｔｙｐｅ＝″ｔｅｘｔ／ｊａｖａｓｃｒｉｐｔ″ｓｒｃ＝″ｘ３ｄｏｍ．ｊｓ″＞＜／ｓｃｒｉｐｔ＞

该文件是一个ＪａｖａＳｃｒｉｐｔ层,我们把它嵌入程序代码中,作为网络应用的一部分.该文件通过调用ＷｅｂＧＬ的３ＤＡＰＩ来实现实时渲染,从而实现不需要任何插件和安装程序就可以绘制３Ｄ图形的目的.

２．模型建立和动画设置

Ｘ３ＤＯＭ提供了对基本几何模型的建模,但是对于一些复杂的模型,则需要使用３Ｄｍａｘ等工具建模,然后以Ｘ３Ｄ的格式导出嵌入Ｘ３ＤＯＭ代码中.模型建立后,可以对模型进行贴图、动画、交互等设置.

下面我们使用Ｘ３ＤＯＭ来演示地理教学中日食和月食的形成,效果如图１所示：

图１日食和月食的形成

画面逼真地展现出地球、月亮和太阳的３Ｄ模型,并且分别按照自身的特点自转、公转,画面以动态的方式真实地显示出三者的外貌、关系以及日食、月食的形成,并且学习者可以用鼠标调整三者的位置,从不同的角度查看.

其中地球模型的建立、贴图以及动画效果代码如下：

＜ＴｒａｎｓｆｏｒｍＤＥＦ＝＇ＥＡＲＴＨ＿ＲＯＴＢＯＤＹ＇＞

＜Ｓｈａｐｅ＞

＜Ａｐｐｅａｒａｎｃｅ＞

＜ＭａｔｅｒｉａｌｄｉｆｆｕｓｅＣｏｌｏｒ＝＇０．７０．７０．７＇ｅｍｉｓｓｉｖｅＣｏｌｏｒ＝＇０．０５０．０５０．０５＇ｓｈｉｎｉｎｅｓｓ＝＇０．３＇ｓｐｅｃｕｌａｒＣｏｌｏｒ＝＇０．３０．３０．３＇／＞

＜ＩｍａｇｅＴｅｘｔｕｒｅｅｎｖＭｏｄｅ＝＇ｍｏｄｕｌａｔｅ＇ｕｒｌ＝″ｅａｒｔｈ．ｊｐｇ″／＞