VR自然科學(xué)實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

吳明珠 朱佩儀 陳瑛

摘? ?要：文章針對(duì)目前在中學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的安全隱患、實(shí)驗(yàn)耗材昂貴和浪費(fèi)，以及實(shí)驗(yàn)過(guò)程不可逆等問(wèn)題，提出將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與自然科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)相融合，設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)一個(gè)高效、安全可逆的高仿真實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景平臺(tái)。該實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)包括了PC端和手機(jī)App端，從而打破了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課堂的局限，重構(gòu)了學(xué)習(xí)情境，以沉浸式的交互體驗(yàn)方式提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性與創(chuàng)新性。

關(guān)鍵詞：VR自然科學(xué);實(shí)驗(yàn)室;高仿真;沉浸式;安全

中圖分類號(hào)：G710 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1673-8454（2021）14-0045-04

一、引言

VR技術(shù)又稱為虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，該技術(shù)于20世紀(jì)80年代在美國(guó)興起[1]。這種新型的交互手段是利用計(jì)算機(jī)生成高仿真的三維虛擬環(huán)境，并結(jié)合傳感器讓人們沉浸在虛擬的現(xiàn)實(shí)環(huán)境中。近幾年，VR技術(shù)不斷發(fā)展，不僅應(yīng)用于游戲、影視行業(yè)，在軍事訓(xùn)練、工業(yè)制造、建筑設(shè)計(jì)、醫(yī)療診斷、展館展示等各個(gè)領(lǐng)域中都有廣泛的應(yīng)用[2]。當(dāng)然，如何利用該技術(shù)為教育教學(xué)提供更好的幫助，也是教育工作者們所關(guān)注的問(wèn)題。

2019年11月，《教育部關(guān)于加強(qiáng)和改進(jìn)中小學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的意見》（教基〔2019〕16號(hào)）[3]要求，各地各校要豐富實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)施形式，促進(jìn)傳統(tǒng)教學(xué)和現(xiàn)代新興科技有機(jī)融合，切實(shí)增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的趣味性和吸引力。對(duì)于有危險(xiǎn)性、破壞性和對(duì)環(huán)境有危害的實(shí)驗(yàn)，可用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)手段呈現(xiàn)[4]。2020年新冠肺炎疫情期間，很多學(xué)?！巴Ｕn不停學(xué)”，學(xué)生采取在家學(xué)習(xí)的方式，如果能夠在線開展化學(xué)、物理等相關(guān)實(shí)驗(yàn)操作，將有助于學(xué)習(xí)效果的提升，而VR實(shí)驗(yàn)室能夠讓學(xué)生有更強(qiáng)的參與性。

此外，現(xiàn)在的中學(xué)生是在網(wǎng)絡(luò)中成長(zhǎng)起來(lái)的一代人，他們有著旺盛的好奇心，喜歡接觸和學(xué)習(xí)新的事物，VR實(shí)驗(yàn)室更具趣味性和技術(shù)含量的實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)?zāi)芗ぐl(fā)他們對(duì)新技術(shù)的探究，激發(fā)創(chuàng)新意識(shí)，推動(dòng)創(chuàng)客教育的發(fā)展。

二、傳統(tǒng)中學(xué)自然科學(xué)實(shí)驗(yàn)存在的問(wèn)題

目前，中學(xué)自然科學(xué)實(shí)驗(yàn)主要包括了物理、化學(xué)、生物這三門學(xué)科的實(shí)驗(yàn)教學(xué)[5][6]，學(xué)生通過(guò)在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行實(shí)踐的過(guò)程來(lái)了解這些自然科學(xué)現(xiàn)象，掌握實(shí)驗(yàn)所涉及到的知識(shí)點(diǎn)的基本原理及規(guī)律。目前在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐中主要存在以下問(wèn)題：

1.實(shí)驗(yàn)前后的預(yù)習(xí)與復(fù)習(xí)難以開展

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容需要各種實(shí)驗(yàn)器材、實(shí)驗(yàn)用品耗材和實(shí)驗(yàn)環(huán)境。如果沒有這些材料，僅憑想象來(lái)進(jìn)行預(yù)習(xí)，學(xué)生缺乏興趣，效果也不理想。此外，不同環(huán)境下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果偏差較大，但由于無(wú)法在課后復(fù)制實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，因此課后進(jìn)行復(fù)習(xí)的效率很低，也不利于對(duì)教學(xué)內(nèi)容的鞏固。

2.師生和生生缺乏互動(dòng)

傳統(tǒng)的自然科學(xué)實(shí)驗(yàn)在實(shí)踐過(guò)程中互動(dòng)性不強(qiáng)。大部分課堂的實(shí)驗(yàn)都是教師首先講授實(shí)驗(yàn)過(guò)程中需要掌握的定理，并詳細(xì)講解實(shí)驗(yàn)步驟，實(shí)驗(yàn)結(jié)果也會(huì)提前告知學(xué)生，然后由教師演示實(shí)驗(yàn)過(guò)程給學(xué)生看，整個(gè)教學(xué)過(guò)程比較枯燥，學(xué)生和教師、學(xué)生和學(xué)生之間很少有互動(dòng)，從而缺乏學(xué)習(xí)的興趣和積極性。

3.實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程中存在一定的安全隱患

在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作的過(guò)程中，學(xué)生有可能因?yàn)椴僮麇e(cuò)誤而導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)器材損壞，而有些物理電學(xué)實(shí)驗(yàn)也有可能會(huì)引起漏電、觸電，一些高?；瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)則有可能出現(xiàn)火災(zāi)、爆炸、中毒等危險(xiǎn)情況，從而導(dǎo)致人身安全受到威脅。所以有些學(xué)?？赡芤?yàn)檫@些安全因素，會(huì)避免讓學(xué)生親自實(shí)操實(shí)驗(yàn)過(guò)程。這樣雖然避免了危險(xiǎn)發(fā)生，但是學(xué)生也沒有機(jī)會(huì)親身體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)，對(duì)于實(shí)驗(yàn)原理的理解程度自然也會(huì)有所下降。

4.實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中對(duì)抽象概念難理解

自然科學(xué)實(shí)驗(yàn)中涉及到很多抽象的概念、規(guī)律與原理，如果沒有有效的輔助工具和仿真環(huán)境，教師講解起來(lái)非常困難，學(xué)生也無(wú)法形象地去理解。

5.傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)過(guò)程不可逆

有些科學(xué)實(shí)驗(yàn)的過(guò)程變化速度比較快，學(xué)生可能沒有來(lái)得及看清楚就結(jié)束了，由于當(dāng)時(shí)實(shí)驗(yàn)條件與環(huán)境的限制，又不可能重復(fù)進(jìn)行演示，實(shí)驗(yàn)操作步驟也不能回退，因此會(huì)影響學(xué)生對(duì)于實(shí)驗(yàn)原理的理解與接受。

6.實(shí)驗(yàn)管理人員和耗材的重復(fù)建設(shè)與浪費(fèi)

各個(gè)實(shí)驗(yàn)需要的實(shí)驗(yàn)器材和操作環(huán)境不同，對(duì)實(shí)驗(yàn)員的要求有一定的標(biāo)準(zhǔn)，每一年的實(shí)驗(yàn)器材需要保修、實(shí)驗(yàn)用品需要定期進(jìn)行年限保質(zhì)期的更換，日復(fù)一日、年復(fù)一年，不能更好地循環(huán)利用物資，導(dǎo)致各項(xiàng)資源耗費(fèi)嚴(yán)重。

三、VR自然科學(xué)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的意義

為了解決傳統(tǒng)自然科學(xué)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)中存在的問(wèn)題，我們結(jié)合VR技術(shù)來(lái)建設(shè)自然科學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室，該實(shí)驗(yàn)室可以很好地在不安全、不確定等因素下模擬真實(shí)的實(shí)驗(yàn)，更好地吸引廣大教師和學(xué)生對(duì)學(xué)科實(shí)驗(yàn)的興趣，加上設(shè)備的不斷更新，能夠快速跟上現(xiàn)代社會(huì)的教育發(fā)展，更好地實(shí)現(xiàn)“以教促學(xué)”，高質(zhì)量、高效率地讓師生感受實(shí)驗(yàn)的樂趣和增加對(duì)各種實(shí)驗(yàn)的了解[7]。

VR自然科學(xué)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的意義主要體現(xiàn)在以下六個(gè)方面：

1.輔助教學(xué)資源開發(fā)，創(chuàng)新教學(xué)模式

學(xué)生可以自主進(jìn)行體驗(yàn)學(xué)習(xí)，最大限度地增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。學(xué)生與 VR資源庫(kù)的學(xué)習(xí)內(nèi)容進(jìn)行交互，既可以調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，又能夠讓學(xué)生發(fā)現(xiàn)自己在該模塊學(xué)習(xí)中不懂的知識(shí)。然后由教師介入引導(dǎo)，歸納學(xué)生的問(wèn)題，組織學(xué)生再次學(xué)習(xí)體驗(yàn)，解決他們的問(wèn)題。其次，VR 技術(shù)為學(xué)生提供了一定數(shù)量和質(zhì)量、生動(dòng)有趣的學(xué)習(xí)資料，供學(xué)生開展自主學(xué)習(xí)、探究學(xué)習(xí)、鞏固學(xué)習(xí)。

2.突破環(huán)境局限，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程

虛擬實(shí)驗(yàn)室打破了時(shí)間和空間的局限，相比傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室更加開放。學(xué)生可以靈活安排自己的學(xué)習(xí)時(shí)間，不再受實(shí)驗(yàn)設(shè)備和耗材等因素的限制，可以很方便地提前對(duì)所學(xué)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行預(yù)習(xí)，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。同時(shí)，課后也可以對(duì)掌握不牢的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行復(fù)習(xí)并且反復(fù)實(shí)驗(yàn)，直到掌握實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與原理為止。

3.避免安全隱患，提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)安全系數(shù)

真實(shí)實(shí)驗(yàn)具有一定的危險(xiǎn)性，但通過(guò)VR虛擬仿真設(shè)備可進(jìn)行模擬仿真，強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，可以很好地避免在不安全、不確定等因素下進(jìn)行真實(shí)的實(shí)驗(yàn)，更好地吸引廣大教師和學(xué)生對(duì)學(xué)科實(shí)驗(yàn)的興趣。

4.解決實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地和實(shí)驗(yàn)材料匱乏問(wèn)題，減少經(jīng)費(fèi)投入

從長(zhǎng)期的建設(shè)與發(fā)展目標(biāo)來(lái)看，VR實(shí)驗(yàn)室作為仿真實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地開展沉浸式學(xué)習(xí)，各門課程的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目都可以在這個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)室中統(tǒng)一展開，同時(shí)滿足各科的需要，緩解了實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地緊張的情況，同時(shí)無(wú)需配備多個(gè)實(shí)驗(yàn)員，由任教教師演示和引導(dǎo)即可完成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。并且所有的實(shí)驗(yàn)儀器、實(shí)驗(yàn)耗材都是通過(guò)三維建模虛擬存在的，因此只需要軟件的更新升級(jí)，不存在實(shí)際的損耗與更新問(wèn)題，很大程度上節(jié)省了實(shí)驗(yàn)室建設(shè)中的人力、物力和財(cái)力的投入，降低了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的投入成本。

5.實(shí)驗(yàn)過(guò)程可逆可改

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)，尤其是化學(xué)實(shí)驗(yàn)，一旦實(shí)驗(yàn)進(jìn)行，如果中途出現(xiàn)錯(cuò)誤就只能重新做過(guò)而不能在錯(cuò)誤的地方再做一次，這樣會(huì)造成教學(xué)資源的浪費(fèi)。并且，實(shí)驗(yàn)的過(guò)程不可逆轉(zhuǎn)，難以看到逆轉(zhuǎn)過(guò)來(lái)的實(shí)驗(yàn)效果。利用VR技術(shù)打造的實(shí)驗(yàn)室，實(shí)驗(yàn)的過(guò)程既可逆轉(zhuǎn)也能重復(fù)進(jìn)行或者修改實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的某一步驟。

6.提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣

將枯燥無(wú)味的實(shí)驗(yàn)課堂講述轉(zhuǎn)化為高度仿真的實(shí)驗(yàn)課堂，使學(xué)生猶如沉浸在真實(shí)的環(huán)境中，受到來(lái)自環(huán)境的各種感官的影響，從而調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，提高學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)的興趣。

四、VR自然科學(xué)實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

VR安全實(shí)驗(yàn)室多端平臺(tái)分為PC端、App端和后臺(tái)系統(tǒng)三個(gè)模塊。PC端和App端為前臺(tái)界面供用戶操作使用，后臺(tái)系統(tǒng)為管理員使用。PC端是一個(gè)引導(dǎo)用戶使用VR安全實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)的在線平臺(tái);App端則負(fù)責(zé)引流，加快分發(fā)速度以及變現(xiàn)，進(jìn)行進(jìn)一步的用戶沉淀，設(shè)計(jì)著重于精簡(jiǎn)核心功能。PC端有視頻學(xué)習(xí)、課程定制、互動(dòng)交流、VR體驗(yàn)、軟件下載、個(gè)人中心等六個(gè)主要板塊。VR自然科學(xué)實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)App端將PC端中的六大板塊單獨(dú)出來(lái)，精簡(jiǎn)成VR平臺(tái)、視頻、資訊、商城、論壇、評(píng)分考核等板塊。后臺(tái)系統(tǒng)則由管理員提供管理前端界面的相對(duì)應(yīng)模塊。

1.PC端的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

PC端的VR自然科學(xué)實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)站是作為一個(gè)引導(dǎo)用戶使用VR自然科學(xué)實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)的在線平臺(tái)，它將VR端中缺少的、不完善的、不便于使用的功能分離到另外的平臺(tái)，方便用戶使用。其以高效便捷的特點(diǎn)服務(wù)于實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)，有效地提高了用戶的使用率，以模塊化和規(guī)范化實(shí)現(xiàn)了對(duì)VR端的分流管理，保證能夠銜接VR端的使用。具體如下：第一，單獨(dú)列出商城模塊，讓用戶更加便捷地購(gòu)買VR課程和產(chǎn)品;第二，同步班級(jí)系統(tǒng)，輔助VR端中的班級(jí)系統(tǒng)，幫助教師快速建立班級(jí)，查看學(xué)生成績(jī)，發(fā)布考核任務(wù);第三，同步評(píng)分考核，幫助學(xué)生快速查看自己的實(shí)驗(yàn)成績(jī)，回顧實(shí)驗(yàn)當(dāng)中的錯(cuò)誤;第四，可以節(jié)省人力物力、提高效率，為VR端的成本運(yùn)作節(jié)約資源。

PC端采用了Flex布局，使用JavaScript編程語(yǔ)言來(lái)開發(fā)，使用前后端分離開發(fā)模式。PC端的登錄注冊(cè)頁(yè)面如圖1所示。

VR自然科學(xué)實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)的VR端功能設(shè)計(jì)有登錄系統(tǒng)，可進(jìn)行信息的儲(chǔ)存和清除等功能，如圖2所示，可進(jìn)行實(shí)驗(yàn)科目的查詢和具體實(shí)驗(yàn)的選擇，還可以進(jìn)行計(jì)分來(lái)實(shí)時(shí)顯示實(shí)驗(yàn)進(jìn)程，也可用此功能來(lái)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)操作考核任務(wù)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作的實(shí)驗(yàn)效果圖如圖3所示。

2.App端的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

App端是PC端的優(yōu)化版，負(fù)責(zé)引流，加快分發(fā)速度以及變現(xiàn)，進(jìn)行進(jìn)一步的用戶沉淀，設(shè)計(jì)著重于精簡(jiǎn)核心功能。App端使用Vue框架，前端組件庫(kù)為Vant，腳手架為最新版本4.0。App端實(shí)現(xiàn)的核心功能有首頁(yè)、視頻學(xué)習(xí)、在線商城、班級(jí)管理、學(xué)習(xí)考核等模塊。其中App端首頁(yè)界面如圖4所示，App端在線商城界面如圖5所示。

3.后臺(tái)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

由于前端PC端和App端界面有大量的數(shù)據(jù)需要管理和上傳，因此，一個(gè)與之相對(duì)應(yīng)的后臺(tái)管理系統(tǒng)的出現(xiàn)是極為必要的，它能夠協(xié)助管理員輕松管理前端界面，一鍵添加、刪除、修改各版塊內(nèi)容，同時(shí)作為VR端的中轉(zhuǎn)站，對(duì)接班級(jí)系統(tǒng)和評(píng)分考核成績(jī)。

后臺(tái)系統(tǒng)利用可視化設(shè)計(jì)理念，將平臺(tái)的課程、訂單數(shù)據(jù)直觀展示出來(lái);利用響應(yīng)式布局，實(shí)現(xiàn)手機(jī)端和PC端的一步適配，方便管理員隨時(shí)隨地管理應(yīng)用。后臺(tái)系統(tǒng)采用了Layui框架進(jìn)行開發(fā)，后臺(tái)管理系統(tǒng)頁(yè)面如圖6所示。

五、結(jié)語(yǔ)

VR自然科學(xué)實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合，以優(yōu)質(zhì)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源為核心，集多端平臺(tái)于一體，將抽象概念具象化，為學(xué)習(xí)者打造了高度仿真、可交互、沉浸式、安全的三維互動(dòng)實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)環(huán)境。平臺(tái)主要分為PC端、App端及后臺(tái)管理系統(tǒng)，它主要服務(wù)于VR自然科學(xué)實(shí)驗(yàn)室VR端的高效使用，能夠針對(duì)普遍用戶、教師和學(xué)生對(duì)VR平臺(tái)的了解和使用，有效提高VR自然科學(xué)實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)的使用效率和實(shí)現(xiàn)教師對(duì)班級(jí)考核的管理，靈活便捷通用的多平臺(tái)使用特性能夠讓用戶更好地使用VR自然科學(xué)實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)。

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（編輯：李曉萍）