基于VR的初中物理虛擬實驗室設(shè)計

韓奇

摘? 要 使用3ds Max軟件和VRP編輯器設(shè)計具有VR特性的虛擬物理實驗室，介紹此虛擬物理實驗室的功能，以初中物理的兩個經(jīng)典實驗為例，經(jīng)過測試，能夠達(dá)到物理實驗的效果。

關(guān)鍵詞 VR技術(shù);3ds Max;VRP編輯器;初中物理;實驗教學(xué);物理實驗室;虛擬實驗室

中圖分類號：G633.7? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2020）09-0029-03

1 前言

自20世紀(jì)末虛擬仿真實驗的概念被首次提出后，國內(nèi)外研究者對其進(jìn)行了不斷探索。隨著計算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，人們利用計算機(jī)軟件構(gòu)建模型，使用相關(guān)虛擬現(xiàn)實編輯器創(chuàng)建虛擬實驗系統(tǒng)。傳統(tǒng)物理實驗室有著成本昂貴、設(shè)備受限等缺點，使用虛擬實驗室可降低初中物理實驗的成本，不受實驗空間、時間的限制。利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)構(gòu)建的虛擬實驗室，對初中物理實驗教學(xué)有很好的促進(jìn)效果[1]。

2 VR技術(shù)、虛擬實驗概述與發(fā)展

VR技術(shù)

1）VR技術(shù)概述。VR（Virtual Reality，虛擬現(xiàn)實）技術(shù)是利用計算機(jī)模擬產(chǎn)生一個三維空間的虛擬世界，給使用者提供關(guān)于視覺、聽覺、觸覺等感官的模擬，讓使用者如同身臨其境，可以及時、不受限制地觀察三維空間內(nèi)的事物[2]。VR技術(shù)已經(jīng)成為信息技術(shù)領(lǐng)域繼多媒體技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)之后被廣泛開發(fā)與應(yīng)用的熱點。

利用VR技術(shù)所實現(xiàn)的虛擬空間能夠給人置身在真實環(huán)境的感覺，并且使用者能夠在虛擬環(huán)境中實現(xiàn)與此空間的交互。在虛擬環(huán)境中，使用者能夠具有自己的視覺角度，環(huán)境能夠根據(jù)使用者視點的變化迅速作出改變[3]。虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)具有身臨其境的虛擬環(huán)境以及實時交互等突出的特點，使得它不僅在某些尖端領(lǐng)域、特殊行業(yè)（如軍事、航天等）被廣泛應(yīng)用，而且在醫(yī)療、教育、培訓(xùn)、娛樂、工業(yè)設(shè)計、生產(chǎn)制造、信息管理、商業(yè)貿(mào)易、建筑等領(lǐng)域也有相應(yīng)的發(fā)展，理論研究和應(yīng)用實踐使得虛擬現(xiàn)實技術(shù)更加趨于完善，發(fā)展也更加迅速。

2）國內(nèi)外VR技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀。美國是虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)源地，美國虛擬現(xiàn)實技術(shù)的水平基本上代表國際虛擬現(xiàn)實技術(shù)發(fā)展的水平，美國擁有完善的VR教育系統(tǒng)。早在1985年，麻省理工學(xué)院就成立了媒體實驗室，專門進(jìn)行虛擬環(huán)境的相關(guān)研究，并在虛擬現(xiàn)實領(lǐng)域?qū)Ω兄?、交互、軟硬件等方面做了大量研究。此實驗室建立BOLIO實驗環(huán)境，對不同圖形仿真技術(shù)進(jìn)行實驗[4]。目前，國外發(fā)達(dá)國家中虛擬現(xiàn)實技術(shù)已較成熟并大量應(yīng)用于教學(xué)，如麻省理工學(xué)院的WebLab和美國俄勒岡大學(xué)物理系主辦的物理虛擬實驗網(wǎng)站等。

我國的虛擬現(xiàn)實技術(shù)起步較晚，在虛擬現(xiàn)實技術(shù)上與發(fā)達(dá)國家存在一定的差距。經(jīng)過近年來的發(fā)展，我國的虛擬現(xiàn)實技術(shù)也取得一定的成果，在教育領(lǐng)域主要體現(xiàn)在虛擬仿真校園、虛擬教學(xué)、虛擬實驗等[5]。我國對于虛擬現(xiàn)實技術(shù)越來越重視，國內(nèi)許多高校和研究機(jī)構(gòu)都在積極地進(jìn)行虛擬現(xiàn)實技術(shù)的研究以及應(yīng)用，正在積極進(jìn)行虛擬環(huán)境的建立以及虛擬場景模型分布式系統(tǒng)的開發(fā)等，并取得一定成果。

虛擬實驗室

1）概述。虛擬實驗室是利用計算機(jī)軟硬件構(gòu)建的相應(yīng)的虛擬實驗系統(tǒng)，可以利用網(wǎng)絡(luò)發(fā)布到各計算機(jī)，用戶可通過網(wǎng)絡(luò)下載虛擬實驗系統(tǒng)進(jìn)行實驗研究。虛擬實驗室借助于計算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)、多媒體、虛擬現(xiàn)實等現(xiàn)代技術(shù)手段，實現(xiàn)對傳統(tǒng)實驗資源的遠(yuǎn)程訪問和高效共享。隨著教育技術(shù)的進(jìn)步，尤其是近年來大規(guī)模開放課程（MOOC）的出現(xiàn)，遠(yuǎn)程開放式虛擬仿真實踐教學(xué)模式越來越得到關(guān)注和重視[6]。

虛擬實驗的實現(xiàn)是隨著計算技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展而崛起的新型實驗技術(shù)和方法，虛擬實驗在教學(xué)領(lǐng)域的運用還處于探索階段。

2）虛擬實驗室與初中物理實驗。物理是一門注重實驗的學(xué)科。筆者通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，受實驗資源不足的限制和考試壓力的影響，大多數(shù)學(xué)校實驗室不開放，教師只在課堂上進(jìn)行簡單講解，不利于學(xué)生發(fā)散性思維的培養(yǎng)。物理實驗強調(diào)過程，學(xué)生通過實驗操作，觀察現(xiàn)象，得出結(jié)論，培養(yǎng)實驗操作能力，進(jìn)而提升發(fā)散思維能力。培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性和探究性是初中教育的關(guān)鍵，要幫助學(xué)生在成長時期找到自己的興趣愛好方向。初中物理探究性實驗的設(shè)計與實現(xiàn)與學(xué)生的創(chuàng)造性和探究性有很大的關(guān)聯(lián)。初中實驗在課程標(biāo)準(zhǔn)中占了很大的比重，對學(xué)生動手能力的要求也越來越高。

在虛擬實驗室中，能讓學(xué)生進(jìn)行自主學(xué)習(xí)和探究實驗，有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力和探究能力。探究性實驗注重培養(yǎng)學(xué)生的實驗操作能力，學(xué)生可以在虛擬實驗系統(tǒng)中進(jìn)行探究性實驗和設(shè)計實驗，隨時隨地進(jìn)入虛擬實驗室學(xué)習(xí)，不受空間限制;可進(jìn)行重復(fù)操作來提高實驗操作能力，不必?fù)?dān)心儀器損壞和事故的發(fā)生，大大提高學(xué)習(xí)的積極性和主動性。利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)構(gòu)建的虛擬實驗室相對于傳統(tǒng)實驗室而言，具有高仿真性、開放共享性、交互性、可擴(kuò)展性、重復(fù)使用性、高安全性等特點[7]。

3 虛擬實驗系統(tǒng)的設(shè)計

此虛擬實驗室利用3ds Max軟件建立3D模型，利用VRP編輯器對模型進(jìn)行交互設(shè)計。虛擬實驗室根據(jù)實驗室的比例和設(shè)備，充分利用虛擬實驗的便利和功能，對整個實驗室的構(gòu)建進(jìn)行升華，使其達(dá)到現(xiàn)實實驗室的場景和功能，良好的實驗環(huán)境對于實驗探究有很大的幫助。以初中物理探究阻力對物體運動的影響和探究斜面的機(jī)械效率為例，介紹此虛擬實驗室的運用。

虛擬實驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計? 本次初中物理虛擬實驗分為兩個層級的界面。

一級界面是打開虛擬實驗系統(tǒng)的開始界面，其中有三個按鈕，分別是漫游進(jìn)入、主界面、退出實驗。點擊漫游進(jìn)入按鈕后，相機(jī)會自動帶動學(xué)習(xí)者視角進(jìn)入實驗室，瀏覽實驗室和實驗裝置，同時進(jìn)入二級界面。主界面則可以直接切換到室內(nèi)視角進(jìn)入二級界面。點擊退出實驗按鈕可直接退出虛擬實驗系統(tǒng)。

二級界面可通過點擊漫游進(jìn)入、主界面兩個按鈕達(dá)到。二級界面包括七個按鈕：實驗簡介、實驗演示、實驗操作、實驗結(jié)論、漫游進(jìn)入、主界面、退出實驗。二級界面主要進(jìn)行實驗的操作和探究：實驗簡介中包括探究阻力對物體運動的影響和探究斜面的機(jī)械效率實驗原理、器材和方法步驟;實驗演示中包括兩個實驗操作具體過程的視頻，對學(xué)習(xí)者操作有很大的幫助;實驗操作包括對兩個實驗各個小組的實際操作，會有九個不同的視角進(jìn)行切換，使學(xué)習(xí)者在最佳位置觀察物體運動的狀況;實驗結(jié)論是根據(jù)實驗操作中的數(shù)據(jù)進(jìn)行表格展示和得出實驗結(jié)論;主界面按鈕是為了方便學(xué)習(xí)者，點擊能夠迅速回到室內(nèi)最佳視角。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

虛擬實驗室界面設(shè)計? 虛擬實驗室的主界面設(shè)計要考慮按鈕風(fēng)格以及整個實驗室環(huán)境的搭配，整個界面要布局合理，色彩搭配協(xié)調(diào)，在詳細(xì)傳達(dá)實驗信息的同時，給人簡潔的視覺感。如圖2所示，在一級界面的右上角標(biāo)有“初中物理虛擬實驗”標(biāo)識，一級界面選擇在實驗室的門口，會促使學(xué)習(xí)者想進(jìn)入實驗室一探究竟，就像進(jìn)入現(xiàn)實實驗室做實驗一樣。點擊漫游進(jìn)入按鈕是跟隨相機(jī)的自動視角進(jìn)入實驗室;點擊主界面按鈕可以直接進(jìn)入實驗室，到達(dá)操作實驗的主界面;點擊退出實驗按鈕，可以隨時退出虛擬實驗系統(tǒng)。

點擊實驗簡介按鈕后會出現(xiàn)一個菜單，菜單中包含兩個選項：探究阻力對物體運動的影響和探究斜面的機(jī)械效率。點擊其中任何一個選項，都會包含各自的菜單，包括實驗的原理和器材以及實驗方法步驟。點擊實驗原理和步驟時可以切換成最佳視角，同時彈出實驗的原理和方法步驟，并伴以語音講解。

點擊實驗演示按鈕，下級菜單包括實驗一和實驗二兩個選項。點擊實驗演示菜單中的選項后，界面切換到最佳觀看視角，播放與實驗相關(guān)的視頻演示，同時出現(xiàn)視頻播放、暫停、停止按鈕，以便于對演示視頻的控制。如果播放視頻時點擊其他主界面按鈕，則會立刻關(guān)閉視頻和控制按鈕。實驗演示中，對實驗過程的演示通過播放視頻呈現(xiàn)出來，實驗演示的視頻要位于虛擬實驗室適當(dāng)?shù)奈恢?。實驗結(jié)論下級菜單中包含實驗一和實驗二的結(jié)果和結(jié)論。點擊選項中任何一個實驗，視角切換到觀看最佳視角，可以得到實驗的數(shù)據(jù)測量結(jié)果、計算結(jié)果和實驗結(jié)論。進(jìn)入選項后，彈出數(shù)據(jù)圖片和結(jié)論圖片，同時有各圖片之間的切換按鈕。

虛擬實驗室交互設(shè)計? 本虛擬實驗系統(tǒng)主要運用了高級界面控件中的圖片按鈕、靜態(tài)圖片和Flash控件。實驗簡介腳本編寫首先要做很多的準(zhǔn)備工作，根據(jù)簡介的不同設(shè)計出菜單，根據(jù)腳本編輯器中插入語句找到顯示隱藏控件，設(shè)置點擊時彈出/隱藏實驗簡介菜單，設(shè)置最佳觀看圖片的相機(jī)，使其視角在投影幕的中央。

實驗演示腳本中，可切換到視頻視角在投影幕，選中不同的選項，顯示各個實驗的實驗演示視頻，同時在演示視頻的下方添加三個控制視頻播放的按鈕——播放、暫停、停止。這三個控制視頻播放的按鈕根據(jù)視頻的出現(xiàn)而出現(xiàn)，根據(jù)視頻的隱藏而隱藏，使之達(dá)到人性化的標(biāo)準(zhǔn)。實驗結(jié)論的腳本與實驗簡介的腳本有著相似之處，不同的是實驗結(jié)果的數(shù)據(jù)與實驗結(jié)論并不是并列的，而是結(jié)論在數(shù)據(jù)之后，這樣做的原因是實驗結(jié)論是根據(jù)實驗數(shù)據(jù)的總結(jié)而得出的。在實驗結(jié)論中，實驗數(shù)據(jù)和實驗結(jié)果可以順序切換，可用按鈕來控制，見圖3。

漫游進(jìn)入按鈕腳本中（圖4），控制視角的時間軸是飛行相機(jī)運動軌跡的時間軸，設(shè)置時間軸時，在不同時間點中，使飛行相機(jī)處于不同的位置。

4 結(jié)語

虛擬實驗室是基于VR技術(shù)設(shè)計的，整個實驗場景能夠達(dá)到真實的效果，體現(xiàn)了虛擬現(xiàn)實的三個最顯著的特征——交互性、沉浸性和想象性，即虛擬現(xiàn)實的“3I”特性，代表了與人的充分交互。物理實驗講究的是過程，讓學(xué)習(xí)者觀看實驗過程，計算出實驗數(shù)據(jù)，進(jìn)而總結(jié)出實驗結(jié)論。虛擬實驗室的設(shè)計與開發(fā)是未來實驗教學(xué)發(fā)展的必然趨勢。虛擬實驗室的構(gòu)建和開發(fā)可解決中學(xué)實驗教學(xué)中實驗設(shè)備缺乏等難題，為探索和發(fā)展現(xiàn)代教育新的思想提供了理論依據(jù)，為培養(yǎng)擁有創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力的綜合人才提供助力[8]。

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