基于虛擬現實仿真的教學實驗室研究

柴　群　張世祿　李　佳

摘要 利用虛擬現實的“3I”特性和計算機仿真的有機融合所建立的各種虛擬現實仿真實驗室在教育上應用前景廣闊，尤其在物理、化學、生物等需要實驗的學科中更是如此。分析實驗教學的現狀，結合虛擬現實仿真研究的成果，對建設虛擬現實仿真教學實驗室的一種實現方式進行探討。

關鍵詞 實驗教學；計算機仿真；虛擬現實；虛擬現實仿真教學實驗室

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：1671-489X（2009）04-0062-03

Based on Virtual Reality Simulation Teaching-Laboratory Research//Chai Qun, Zhang Shilu, Li Jia

Abstract The use of virtual reality“3I”and the characteristics of the organic integration of computer simulation created by a variety of virtual reality simulation lab in education and broad prospects, especially in physics, chemistry, biology and so on need to experiment, especially in the disciplines. This thesis analyzes the experimental teaching of the status, the combination of virtual reality simulation results, building on the Virtual Reality Simulation Teaching-lab to explore one of the ways to achieve.

Key words teaching experiment；computer simulation；virtual reality；virtual reality simulation Teaching-lab

Authors address West China Normal University, Department of Educational Technology, NanChong, Sichuan637000

實驗教學，在對學生科學素質、創新能力和研究能力的培養方面起著非常重要的作用，是理論教學所不能替代的。有很多實驗都是當時科技發展的突破性成果，有的實驗對概念的深化、對總結規律和規律的解釋作出巨大貢獻，是培養學生科學素質不可缺少的內容。實驗教學應當在教學過程中與理論教學具有同等重要的地位[1]。

但是長期以來，在實驗教學中，學生缺乏個性和創造力。很多學生在做實驗時，只是按照實驗指導書上的要求，按部就班地完成，遇到問題時不去尋找解決問題的方法，而是等待教師去解決，最后機械地填寫數據。還有不少學生對進行實驗的目的存在認識上的錯誤，他們認為實驗只不過是驗證書本上的理論知識，缺乏對實驗的興趣，其結果就是對待實驗的態度馬馬虎虎，敷衍了事。這樣的實驗教學很難培養學生的實際操作能力和創造力。

造成這種現象的原因是多方面的。

1）實驗課教學的單一性。目前實驗課內容過多的屬于驗證性實驗，主要用于驗證書本知識和重復前人的經典實驗。學生由于缺乏時代背景知識，很難體會其意義，因此興趣不高，也就很難激發學習興趣。

2）實驗課開課不足。其中主要的原因是顧慮儀器的損壞和器材的消耗，從而增加實驗開支，以及學生實驗安全。有些精密的現代實驗儀器非常昂貴而且易損壞，有一些學校出于資金投入的考慮只是買入而不使用；有些實驗（如化學中的燃燒實驗、酸堿實驗）在進行時存在一定的危險，學校出于安全考慮，很少開設這部分實驗或者即使開設也是進行演示性實驗；有些實驗周期較長（如種子培育實驗），在規定的時間里學生很難理解其實驗原理，很多學校為了節約時間，很少開設這些實驗課。

針對實驗教學中存在的問題，很多學者提出利用計算機仿真技術進行仿真實驗。所謂計算機仿真技術（Computer Simulation），是一個通過建立與真實系統相對應的數學模型并在計算機上解算的過程。它涉及3個要素（物理系統、數學模型、計算機）和3個基本活動（系統建模、仿真建模、仿真實驗），它們之間的關系如圖1所示[2]。

計算機仿真技術用于實驗教學有很多優點，主要表現在：節約資金投入，一次投入可多次使用；可以進行安全的實驗，實驗室不必考慮儀器的損壞、對身體造成傷害，可大膽進行各種嘗試，不受課時和課堂的限制；高逼真度的計算機仿真實驗可以激發學生的學習興趣。

鑒于計算機仿真的特點，目前許多學校都利用計算機仿真進行實驗。主要應用于：常規教學；進行高難度實驗，如行星碰撞實驗等；進行危險系數很高的實驗，如汽車碰撞實驗等；進行周期漫長的實驗，如小麥育種實驗等。

但是這種仿真技術在實驗教學中存在一定的局限性。首先，在這種仿真技術中人是觀察者。計算機仿真系統在工作時，雖然可以為仿真過程及結果添加文本提示、圖形、圖像或動畫來保證仿真過程的直觀性，但是人只是觀察者，通過觀察獲得結果，而非自身體驗。其次，仿真實驗是“靜態”的，缺乏交互性。所謂交互性（Interaction），是指用戶對虛擬環境內的物體的可操作程度和從環境得到反饋的自然程度（包含實時性）[3]。這種計算機仿真技術無法模擬人對外部環境的感知（聽覺、視覺、觸覺等）。如在進行失重仿真實驗時，人無法親身去體驗失重的感覺；在進行重量實驗，人抓起被仿真的物體時，無法感覺物體的重量。

鑒于此，研究人員結合虛擬現實技術及計算機仿真技術的特點，提出虛擬現實仿真的技術。虛擬現實技術是在計算機技術支持下的一種人工環境，是人類與計算機及其復雜的數據進行交互的一種技術。通常虛擬現實系統具有“3I”特性：沉浸性（Immersion）、交互性（Interaction）和想象性（Imagination）。另外，從目前發展的狀況來看，虛擬現實系統還具備多感知性（Multi-Sensory）。多感知除了指一般計算機技術所具有的視覺感知外，還有聽覺、力覺、觸覺、運動、嗅覺、味覺的感知等，理想的虛擬現實技術應該具有一切人所具有的感知功能。但是由于受到傳感技術的限制，目前虛擬現實技術所具有的感知功能僅限于視覺、聽覺、力覺、觸覺、運動、嗅覺。根據臨場參與感和交互方式的不同，虛擬現實系統可分為桌面虛擬現實（Desktop Virtual Reality，Desktop-VR）系統、沉浸虛擬現實（Immersive Virtual Reality，IVR）系統、分布式虛擬現實（Distributed Virtual Reality，DVR）系統、協同虛擬現實（Collaborative Virtual Reality，CVR）系統[3-6]。

融合了虛擬現實和計算機仿真系統的虛擬現實系統，具有二者的優點，用戶在使用這種系統時，仿真系統不僅能夠自主運行，而且用戶能夠“走進去”，不僅具有良好的交互性和沉浸感，還具有很高的逼真度。這樣既可以滿足人通過運行仿真模型獲取必要的數據和對系統動態性能的認識，而且還能體會到真實系統運行過程的場景，從而真正實現“人在回路中（Man-In-Loop）的仿真” [3]的夢想。

虛擬現實技術本身是多種高科技技術的綜合體，實際工作中需要各個領域的專家，花費大量的時間、金錢、精力，相互協作來建立一個虛擬現實系統，并不是每一個教育教學單位所能負擔起的。但是在實際工作中，主要關注的是仿真，而在仿真領域關心的不是圖形/圖像處理、定位跟蹤設備等，而是仿真建模、仿真過程的演示、仿真結果的分析與表現等。比如，結合VRML（Virtual Reality Modeling Language，虛擬現實造型語言）、Java Applet及VWP（Virtual World Player，虛擬世界播放器）就可以在PC機上實現一個功能強大的虛擬現實仿真系統。盡管VRML可以用來構造虛擬的世界，但是從仿真的觀點來看，純VRML構造的虛擬世界是“靜態”的，所有的運動及反應行為都是預先定義好的。因為大多數的VWP都支持Java、JavaScript及VRML Script語言，所以可以利用VRML中的Script節點作為Java的接口能力來擴展其功能。VRML、Java Applet及VWP三者關系圖如圖2所示。

VWP讀取并解釋VRML文件和Java Applet來構造虛擬世界，VRML創建一個預定義好的虛擬世界，而Java Applet是告訴VWP這個世界是如何動態地運轉。實際上，Java Applet就是虛擬現實仿真系統的仿真驅動核心，它控制仿真的運行，收集仿真統計數據，動態地添加、刪除仿真實體等。VRML文件只不過是用來描述仿真的環境布局，而諸如物體自由轉換視角、碰撞、相應用戶的操作等都是由VWP來處理的。這樣一個復雜的問題就變成一個相對容易的工作，即用Java Applet來實現仿真工作。目前支持仿真的Java的產品有很多，如Simkit、JavaSim、JSIM、SimJava、Silk等[7]。

解決了基礎的問題之后，就可以接著討論怎樣實現的問題。一般虛擬現實仿真實驗可以分為2類[8]：“演示型”實驗和“操作型”實驗。“演示型”實驗只是對實驗現象進行演示，實驗者僅為觀眾。這類實驗仿真系統缺乏交互性，實現也比較簡單，本文不做討論。而“操作型”實驗，實驗者親自參與實驗，是實驗的主導者。這類仿真實驗執行起來主要面對2個方面。

1）實驗現象的演示。即當一定的實驗操作進行時，實驗結果的表示問題。在VRML中，動畫主要依靠一個時間傳感器和一些內插點來控制場景的動畫效果。其基本的方法就是時間檢測器（TimeSensor）給出一個控制動畫效果的時鐘，這個時鐘包含動畫效果的開始時間、停止時間、時間間隔和是否循環等動畫參數，然后通過這個時鐘的輸出在VWP中顯示。

2）虛擬儀器的操作實現，如虛擬儀器的移動、放置、虛擬物品的加入/減出等，即如何實現用戶與虛擬儀器間的交互。

在VRML中，可以在一般的Shape節點上加上類似傳感器（Sensor）的節點，這些傳感器節點可以感應用戶的操作，從而做出反應。前文所提到的單用VRML無法實現動態仿真，必須加入Java Applet來完成一系列復雜交互過程。因此，要想實現虛擬現實仿真實驗的強大交互功能，必須VRML、Java Applet緊密結合。

前文所提到的虛擬仿真實驗都是用于單人，然而在現實生活中，有些實驗需要多人分工協作才能完成。解決此類問題可以引入DVR，建立分布式虛擬現實仿真實驗室，協作者可以利用此系統參與協同實驗。如果再引入CVR技術，如虛擬空間會議系統（Virtual space teleconferencing，VST），教師也可以參與其中對實驗注意事項進行講解或對學生進行單個輔導。這樣就可建成一個基于PC機和Internet的，有教師、學生共同參與的協同式虛擬現實仿真實驗室。

虛擬現實仿真實驗室的應用，不但可以極大地提高學生的學習熱情、動手能力，激發學生的創新精神，而且可以實現實驗資源的共享，縮短教育投資差距。筆者相信，隨著虛擬現實軟硬件的不斷完善，性能的不斷提高，尤其是計算機價格的不斷下降，虛擬現實仿真實驗室將在未來的實驗教學中獲得廣泛的應用。

參考文獻

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