基于VR的初中物理虚拟实验室设计

    韩奇

    

    

    

    摘? 要 使用3ds Max软件和VRP编辑器设计具有VR特性的虚拟物理实验室，介绍此虚拟物理实验室的功能，以初中物理的两个经典实验为例，经过测试，能够达到物理实验的效果。

    关键词 VR技术;3ds Max;VRP编辑器;初中物理;实验教学;物理实验室;虚拟实验室

    中图分类号：G633.7? ? 文献标识码：B

    文章编号：1671-489X（2020）09-0029-03

    1 前言

    自20世纪末虚拟仿真实验的概念被首次提出后，国内外研究者对其进行了不断探索。随着计算机技术和网络技术的发展，人们利用计算机软件构建模型，使用相关虚拟现实编辑器创建虚拟实验系统。传统物理实验室有着成本昂贵、设备受限等缺点，使用虚拟实验室可降低初中物理实验的成本，不受实验空间、时间的限制。利用虚拟现实技术构建的虚拟实验室，对初中物理实验教学有很好的促进效果[1]。

    2 VR技术、虚拟实验概述与发展

    VR技术

    1）VR技术概述。VR（Virtual Reality，虚拟现实）技术是利用计算机模拟产生一个三维空间的虚拟世界，给使用者提供关于视觉、听觉、触觉等感官的模拟，让使用者如同身临其境，可以及时、不受限制地观察三维空间内的事物[2]。VR技术已经成为信息技术领域继多媒体技术、网络技术之后被广泛开发与应用的热点。

    利用VR技术所实现的虚拟空间能够给人置身在真实环境的感觉，并且使用者能够在虚拟环境中实现与此空间的交互。在虚拟环境中，使用者能够具有自己的视觉角度，环境能够根据使用者视点的变化迅速作出改变[3]。虚拟现实系统具有身临其境的虚拟环境以及实时交互等突出的特点，使得它不仅在某些尖端领域、特殊行业（如军事、航天等）被广泛应用，而且在医疗、教育、培训、娱乐、工业设计、生产制造、信息管理、商业贸易、建筑等领域也有相应的发展，理论研究和应用实践使得虚拟现实技术更加趋于完善，发展也更加迅速。

    2）国内外VR技术发展现状。美国是虚拟现实技术的发源地，美国虚拟现实技术的水平基本上代表国际虚拟现实技术发展的水平，美国拥有完善的VR教育系统。早在1985年，麻省理工学院就成立了媒体实验室，专门进行虚拟环境的相关研究，并在虚拟现实领域对感知、交互、软硬件等方面做了大量研究。此实验室建立BOLIO实验环境，对不同图形仿真技术进行实验[4]。目前，国外发达国家中虚拟现实技术已较成熟并大量应用于教学，如麻省理工学院的WebLab和美国俄勒冈大学物理系主办的物理虚拟实验网站等。

    我国的虚拟现实技术起步较晚，在虚拟现实技术上与发达国家存在一定的差距。经过近年来的发展，我国的虚拟现实技术也取得一定的成果，在教育领域主要体现在虚拟仿真校园、虚拟教学、虚拟实验等[5]。我国对于虚拟现实技术越来越重视，国内许多高校和研究机构都在积极地进行虚拟现实技术的研究以及应用，正在积极进行虚拟环境的建立以及虚拟场景模型分布式系统的开发等，并取得一定成果。

    虚拟实验室

    1）概述。虚拟实验室是利用计算机软硬件构建的相应的虚拟实验系统，可以利用网络发布到各计算机，用户可通过网络下载虚拟实验系统进行实验研究。虚拟实验室借助于计算机、互联网、多媒体、虚拟现实等现代技术手段，实现对传统实验资源的远程访问和高效共享。随着教育技术的进步，尤其是近年来大规模开放课程（MOOC）的出现，远程开放式虚拟仿真实践教学模式越来越得到关注和重视[6]。

    虛拟实验的实现是随着计算技术和网络技术的不断发展而崛起的新型实验技术和方法，虚拟实验在教学领域的运用还处于探索阶段。

    2）虚拟实验室与初中物理实验。物理是一门注重实验的学科。笔者通过调查发现，受实验资源不足的限制和考试压力的影响，大多数学校实验室不开放，教师只在课堂上进行简单讲解，不利于学生发散性思维的培养。物理实验强调过程，学生通过实验操作，观察现象，得出结论，培养实验操作能力，进而提升发散思维能力。培养学生的创造性和探究性是初中教育的关键，要帮助学生在成长时期找到自己的兴趣爱好方向。初中物理探究性实验的设计与实现与学生的创造性和探究性有很大的关联。初中实验在课程标准中占了很大的比重，对学生动手能力的要求也越来越高。

    在虚拟实验室中，能让学生进行自主学习和探究实验，有利于培养学生的创新思维能力和探究能力。探究性实验注重培养学生的实验操作能力，学生可以在虚拟实验系统中进行探究性实验和设计实验，随时随地进入虚拟实验室学习，不受空间限制;可进行重复操作来提高实验操作能力，不必担心仪器损坏和事故的发生，大大提高学习的积极性和主动性。利用虚拟现实技术构建的虚拟实验室相对于传统实验室而言，具有高仿真性、开放共享性、交互性、可扩展性、重复使用性、高安全性等特点[7]。

    3 虚拟实验系统的设计

    此虚拟实验室利用3ds Max软件建立3D模型，利用VRP编辑器对模型进行交互设计。虚拟实验室根据实验室的比例和设备，充分利用虚拟实验的便利和功能，对整个实验室的构建进行升华，使其达到现实实验室的场景和功能，良好的实验环境对于实验探究有很大的帮助。以初中物理探究阻力对物体运动的影响和探究斜面的机械效率为例，介绍此虚拟实验室的运用。

    虚拟实验系统结构设计? 本次初中物理虚拟实验分为两个层级的界面。

    一级界面是打开虚拟实验系统的开始界面，其中有三个按钮，分别是漫游进入、主界面、退出实验。点击漫游进入按钮后，相机会自动带动学习者视角进入实验室，浏览实验室和实验装置，同时进入二级界面。主界面则可以直接切换到室内视角进入二级界面。点击退出实验按钮可直接退出虚拟实验系统。

    二级界面可通过点击漫游进入、主界面两个按钮达到。二级界面包括七个按钮：实验简介、实验演示、实验操作、实验结论、漫游进入、主界面、退出实验。二级界面主要进行实验的操作和探究：实验简介中包括探究阻力对物体运动的影响和探究斜面的机械效率实验原理、器材和方法步骤;实验演示中包括两个实验操作具体过程的视频，对学习者操作有很大的帮助;实验操作包括对两个实验各个小组的实际操作，会有九个不同的视角进行切换，使学习者在最佳位置观察物体运动的状况;实验结论是根据实验操作中的数据进行表格展示和得出实验结论;主界面按钮是为了方便学习者，点击能够迅速回到室内最佳视角。系统结构如图1所示。

    虚拟实验室界面设计? 虚拟实验室的主界面设计要考虑按钮风格以及整个实验室环境的搭配，整个界面要布局合理，色彩搭配协调，在详细传达实验信息的同时，给人简洁的视觉感。如图2所示，在一级界面的右上角标有“初中物理虚拟实验”标识，一级界面选择在实验室的门口，会促使学习者想进入实验室一探究竟，就像进入现实实验室做实验一样。点击漫游进入按钮是跟随相机的自动视角进入实验室;点击主界面按钮可以直接进入实验室，到达操作实验的主界面;点击退出实验按钮，可以随时退出虚拟实验系统。

    点击实验简介按钮后会出现一个菜单，菜单中包含两个选项：探究阻力对物体运动的影响和探究斜面的机械效率。点击其中任何一个选项，都会包含各自的菜单，包括实验的原理和器材以及实验方法步骤。点击实验原理和步骤时可以切换成最佳视角，同时弹出实验的原理和方法步骤，并伴以语音讲解。

    点击实验演示按钮，下级菜单包括实验一和实验二两个选项。点击实验演示菜单中的选项后，界面切换到最佳观看视角，播放与实验相关的视频演示，同时出现视频播放、暂停、停止按钮，以便于对演示视频的控制。如果播放视频时点击其他主界面按钮，则会立刻关闭视频和控制按钮。实验演示中，对实验过程的演示通过播放视频呈现出来，实验演示的视频要位于虚拟实验室适当的位置。实验结论下级菜单中包含实验一和实验二的结果和结论。点击选项中任何一个实验，视角切换到观看最佳视角，可以得到实验的数据测量结果、计算结果和实验结论。进入选项后，弹出数据图片和结论图片，同时有各图片之间的切换按钮。

    虚拟实验室交互设计? 本虚拟实验系统主要运用了高级界面控件中的图片按钮、静态图片和Flash控件。实验简介脚本编写首先要做很多的准备工作，根据简介的不同设计出菜单，根据脚本编辑器中插入语句找到显示隐藏控件，设置点击时弹出/隐藏实验简介菜单，设置最佳观看图片的相机，使其视角在投影幕的中央。

    实验演示脚本中，可切换到视频视角在投影幕，选中不同的选项，显示各个实验的实验演示视频，同时在演示视频的下方添加三个控制视频播放的按钮——播放、暂停、停止。这三个控制视频播放的按钮根据视频的出现而出现，根据视频的隐藏而隐藏，使之达到人性化的标准。实验结论的脚本与实验简介的脚本有着相似之处，不同的是实验结果的数据与实验结论并不是并列的，而是结论在数据之后，这样做的原因是实验结论是根据实验数据的总结而得出的。在实验结论中，实验数据和实验结果可以顺序切换，可用按钮来控制，见图3。

    漫游进入按钮脚本中（图4），控制视角的时间轴是飞行相机运动轨迹的时间轴，设置时间轴时，在不同时间点中，使飞行相机处于不同的位置。

    4 结语

    虚拟实验室是基于VR技术设计的，整个实验场景能够达到真实的效果，体现了虚拟现实的三个最显著的特征——交互性、沉浸性和想象性，即虚拟现实的“3I”特性，代表了与人的充分交互。物理实验讲究的是过程，让学习者观看实验过程，计算出实验数据，进而总结出实验结论。虚拟实验室的设计与开发是未来实验教学发展的必然趋势。虚拟实验室的构建和开发可解决中学实验教学中实验设备缺乏等难题，为探索和发展现代教育新的思想提供了理論依据，为培养拥有创新意识和创新能力的综合人才提供助力[8]。

    参考文献

    [1]周世杰，吉家成，王华.虚拟仿真实验教学中心建设与实践[J].计算机教育，2015（9）：5-11.

    [2]周晓风.基于MAYA和VIRTOOLS的虚拟仓储物流系统的研究与实现[D].上海：上海交通大学，2011.

    [3]马阿曼.基于VRML的虚拟多媒体教室室内场景制作[J].长江大学学报：自科版，2013（31）：82-85.

    [4]詹秦川，弓宸.虚拟现实技术的应用及发展现状分析[J].产业与科技论坛，2014（7）：75-76.

    [5]唐久磊.探究性化学虚拟实验的设计与实现：以碱金属化学性质探究为例[D].兰州：西北师范大学，2015.

    [6]陈珊珊.现代教育技术支持下的初中物理实验教学研究与实践[D].武汉：华中师范大学，2016.

    [7]曾亮，彭绍雄.虚拟实验在装备专业教学中的应用[J].实验技术与管理，2012（9）：86-88.

    [8]冶圣安，王佳婧，马宁.虚拟现实技术在实验教学中的应用[J].软件导刊，2014（5）：198-199.