虛擬物理實驗室的探索

陳太喜

在中等職業(yè)技術學校中，物理是一門文化基礎課。職業(yè)學校的物理教學和普通高中的物理是不同的，在教學中要培養(yǎng)學生的操作技能、分析問題和解決問題的能力。實驗教學是教學的重要組成部分。但中等職業(yè)學校，一般都注重專業(yè)實驗實訓室的建設，而忽視文化基礎課的實驗室建設，因此，建設虛擬物理實驗室就成了一個可行的選擇。

1虛擬物理實驗室

虛擬現(xiàn)實，就是利用計算機技術及傳感設備生成的一個逼真的三維虛擬環(huán)境，是模擬環(huán)境、視景系統(tǒng)和仿真系統(tǒng)三者的有機結(jié)合。

將虛擬現(xiàn)實技術與物理實驗相結(jié)合，建造一個符合物理教學需求的虛擬物理實驗室。虛擬物理實驗室主要由檢測模塊、反饋模塊、傳感器模塊、控制模塊、3D模型庫和建模模塊等構(gòu)成。主要設備包括計算機硬件、虛擬物理實驗室軟件及各類傳感設備、跟蹤設備、控制設備等，以便將學習者的操作轉(zhuǎn)換為施加到虛擬系統(tǒng)中的物體上的作用信息，并將虛擬系統(tǒng)中物體的反饋轉(zhuǎn)換成人能獲得的視覺、聽覺、觸覺等。

在虛擬實驗室中，實驗者有身臨其境的感覺，感覺是在真實的實驗室里近距離地進行現(xiàn)場操作，從而完成實驗教學任務。

2虛擬物理實驗的實現(xiàn)

選用3EdDs Max與Virtools技術組合開發(fā)虛擬實驗室，這一組合可以極大地提高虛擬實驗的交互性和沉浸度，適合在實驗教學中推廣與應用。3ds Max具有強大的建模功能，Virtools擁有超過500組互動模塊，特別是Virtools中PhysicS Library模塊能逼真模擬重力、質(zhì)量、力場、物理行為設定等各種物理屬性，能夠滿足物理學科不同的實驗目標與效果的需求。虛擬實驗室開發(fā)流程如下。

2.1利用3DsMax創(chuàng)建3D實驗場景，裝置等模型

將其實實驗場景吸納到虛擬場景設計之中，將實驗所需設備制作得逼真而富有質(zhì)感。使學習者進入實驗室有種身臨其境之感。

2.2在3DsMax中制作實驗角色及相應動畫

應設計多元化人物模型，體現(xiàn)不同的角色特征，使他們符合參與實驗的學習者的不同喜好和性格特質(zhì)。人物動作主要是人物行走及實驗動作的設定。

2.3從3DsMax中輸出可用的模型與動作

Virtools Dev 4.0版本提供了3Ds Max文件輸出格式轉(zhuǎn)換插件。導出時，把建立在3ds Max中的模型和動畫以NMO格式輸出。

2.4將模型導入Virtools進行交互模塊設計

在Virtools軟件中新建一個資源庫，將制作的NMO文件存入資源庫內(nèi)，添加動作控制腳本，控制人物、操作對象等行為。

2.5虛擬實驗的發(fā)布

實驗制作完畢后，對實驗進行測試，測試無誤后進行發(fā)布。

2.6虛擬實驗的后期包裝設計與功能擴展

根據(jù)需要還可進一步對虛擬實驗進行包裝和美化。根據(jù)具體教學需要還可以對虛擬實驗系統(tǒng)功能進行適度擴展，如與“沉浸式”虛擬現(xiàn)實硬，件相結(jié)合。

3虛擬物理實驗的模塊

每個虛擬實驗，具有相應的實驗操作、實驗報告、實驗保存以及實驗評價等功能模塊。

虛擬操作。在虛擬實驗室中，每個學生要嚴格按照實驗操作規(guī)程進行操作，對實驗現(xiàn)象進行仔細的觀察，對實驗步驟進行詳細記錄，確保每個實驗數(shù)據(jù)準確可靠。

實驗報告。這是一個數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，每一個學生都有自己的ID，學生完成實驗報告后在計算機上提交到數(shù)據(jù)庫中，教師可以通過網(wǎng)絡調(diào)閱、批改學生的實驗報告。

實驗保存。用于對實驗者的實驗信息進行保存，將實驗數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫服務系統(tǒng)，教師從后臺數(shù)據(jù)庫提取實驗數(shù)據(jù)，對學生的實驗過程進行考核。

實驗評價。在虛擬實驗過程中，學生所有的實驗操作都存儲于數(shù)據(jù)庫服務器中，教師可以從數(shù)據(jù)庫中閱讀實驗信息，按照實驗的評價標準對學生實驗進行量化評分，并提出準確的改進意見反饋給學生。

4虛擬物理實驗的特點

虛擬物理實驗室具有很多優(yōu)點，表現(xiàn)在以下幾點。

4.1真實性

虛擬物理實驗室具有高度“真實”，在虛擬實驗室中學生能體驗到視覺，聽覺、觸覺，動覺、平衡覺等多種感覺，甚至還將給人以味覺和嗅覺的感受，使參與的學習者完全沉浸在由虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)所創(chuàng)建的環(huán)境中。

4.2交互性

在虛擬實驗室中，使用者能對虛擬環(huán)境中的物體進行操作并得到相應的反饋。比如對萬用表進行換檔操作，使用者能感覺到旋扭的轉(zhuǎn)動和聽到換檔的聲音。

4.3直觀性

在虛擬實驗過程中，用計算機強大的運算能力分析實驗過程中的數(shù)量關系，最后用直觀的形式將實驗結(jié)果表現(xiàn)出來。避免傳統(tǒng)實驗受器材的限制、環(huán)境的影響等造成實驗結(jié)果不準確的現(xiàn)象。

4.4實體自主性

指虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中，物體的變化依據(jù)物理規(guī)律，再現(xiàn)真實的物理世界。

4.5網(wǎng)絡化

利用網(wǎng)絡，虛擬實驗可實現(xiàn)遠程實驗和多人協(xié)同操作，提高資源的利用率，擴大實驗范圍，增加學生的實驗操作機會。

4.6安全性

利用虛擬現(xiàn)實技術進行虛擬實驗，避免學生處于危險之中，使學生可以放心實驗，大膽操作，積極開拓思維，掌握更多的實驗技巧。

4.7功能全

虛擬實驗室的數(shù)據(jù)庫可做到規(guī)格品種齊全，并易于升級換代和增加新實驗項目。

5結(jié)語

虛擬實驗具有特出的優(yōu)點及豐富的功能，教育專家預測，虛擬實驗將成為虛擬現(xiàn)實技術最重要和最熱門的應用領域之一。正在快速發(fā)展的虛擬實驗室，跟現(xiàn)實中的實驗室是完全一樣的，它不但可以驗證已有的知識，還可探索新的知識。

隨著虛擬實驗的普及，虛擬物理實驗室將獲得快速發(fā)展。中等職業(yè)學校的物理教學改革將更加深入。