虛擬實驗教學App的設計與實現

郟友濤 吳偉敏 朱英嵐 林佳鑫

摘 要： 如今，學習者日益增長的學習需求與限制較多的傳統實驗教學的矛盾越來越突出。隨著信息化建設的不斷推進以及高校教育理念的不斷更新發展，物理實驗也應符合時宜地上升到具有科技化、信息化，并與時代感相對稱的高水平方法上來。以虛擬實驗教學與移動應用相結合為切入點，搭建了一個以學生為中心的實驗教學虛擬實驗平臺，并進行了相應的教學實踐。實踐表明，實驗教學結合虛擬實驗平臺可以有效改良教學效果并提高實驗資源的利用率。

關鍵詞： 虛擬實驗； 物理實驗； 移動學習； 教育應用； 教學實踐

中圖分類號：G434 文獻標志碼：A 文章編號：1006-8228（2018）07-37-04

Abstract： Nowadays， the contradiction between increasing learning demand of contemporary learners and the limitations of traditional experiment teaching is becoming increasingly prominent. With the continuous advancement of information construction and the development of higher education concepts， physics experiments should also advance to a high-level method that is technological， informative to keep pace with the sense of the times. This article focuses on the combination of virtual experiment teaching and mobile application. Based on that， a student-centered virtual experiment platform for experiment teaching is constructed and experimented by corresponding teaching practice. Practice indicates that the experiment teaching combined with virtual experiment platform can effectively improve the teaching effect and the utilization of experimental resources.

Key words： virtual experiments； physics experiments； mobile learning； educational applications； teaching practice

0 引言

實驗教學是各學科教學中的一個重要的部分，傳統的實驗教學過程中往往伴隨著材料磨損、實驗設備昂貴等各方面問題。而在虛擬實驗平臺中，這些問題可以得到有效的控制和解決，因而虛擬實驗教學與傳統實驗教學的互相結合將是實驗教學中一項有意義的工作。

隨著信息化建設的不斷推進，教育理念也開始發生了改變。慕課、微課等新型教學方式的出現讓建構主義理論也得到了更好的實現，翻轉課堂的應用更讓學生的學習過程不再局限于固定的課堂以及老師的知識灌輸，而是以學生自主構建知識體系為主，教師作為促進者與輔助者提供幫助。在這樣的一種改革浪潮下，移動學習則成為當下教育行業的熱點。

移動平臺為移動學習提供了更加強有力的支撐，也為學生的自主學習提供了更便捷的途徑[1]，搭建以學生為中心的實驗教學虛擬實驗平臺，開發跨平臺的虛擬實驗app，將成為利用碎片化時間進行學習的有效途徑。

1 虛擬實驗平臺

1.1 虛擬實驗的定義

虛擬實驗室最早出現于1989年，是由弗吉尼亞大學第一次提出并建立的一個計算機網絡化的虛擬環境實驗室。隨后聯合國教科文組織將其定義為：利用分散的信息和通訊技術以創造或獲取成果為目的在科研與其他創造性活動中進行遠距離合作和實驗的一種電子協作組。1999年，美國愛荷華州立大學的專家會議中又進行了進一步的定義：虛擬實驗室是為研究和創新活動提供了遠程的協作和實驗的電子平臺，用來描述計算機網絡化的虛擬實驗室環境。

1.2 虛擬實驗教學與傳統高校儀器分析教學的比較

在傳統的實驗教學中，教師往往通過課堂上的講解，以及講臺上的實驗來給學生講授實驗知識。但是教師的講解往往是抽象的，學生若無法真正接觸實驗，那么實驗教學對于學生來說就都是紙上談兵。并且，相較于虛擬實驗平臺，傳統儀器分析教學又有著以下幾點問題。

⑴ 硬件設施不夠齊全，實驗條件有限。一些精密的分析儀器往往價格昂貴，所以一臺儀器可能要被幾位同學共同使用，加之這些儀器的運行成本較高，導致這類儀器主要面向于高校教師和研究生，對于本科生的開放程度則較低，嚴重限制了實驗教學對于高校本科生的普及。

⑵ 學生無法深入理解與掌握。由于高校中本科生的基數大，所以每個實驗小組可能會有比較多的人數，大部分情況下學生動手操作的機會少，只能通過教師的講解和演示實驗來觀察實驗的原理和儀器的構造，了解實驗的操作流程和方法，因此學生對實驗知識停留在了書本上面，不利于培養學生發現問題和解決問題的能力。

⑶ 實驗無需思考，只要達到目標即可。高校的實驗中，一般僅僅局限于教材書本上的幾個小實驗，學生在實驗的時候，只需要保證實驗的基本操作是與實驗指導書上一致的就可以順利通過，而無需在意實驗原理。

⑷ 實驗考核存在一定問題。在高校中，實驗課程的分數主要是通過實驗的結果來進行打分，而缺少了對過程的分析。這樣的實驗評估機制直接導致學生只注重對理論知識和正確實驗操作的機械記憶，課前不需要做預習準備，課上不認真做或只是為了分數而敷衍了事，課后抄襲實驗報告，極度不利于學生的綜合素質的培養[2]。

2 基于移動端的虛擬實驗系統的實現

隨著移動互聯網時代的到來，移動端APP應用越來越廣泛。廣大師生也越來越期望能使用手機端訪問各種應用系統，以充分享受移動互聯網帶來的便利[3-6]。因此，本文基于智能移動終端開發移動虛擬實驗平臺。

2.1 需求分析

虛擬實驗平臺中的實驗資源多種多樣，可以很大程度上滿足學習者的需求，提升實驗學習質量。在提供翻轉課堂的教學支持、學習者自主進行物理實驗等方面，虛擬實驗平臺將發揮重要作用。通過此移動端虛擬實驗室平臺，學習者可以在移動端設備上利用碎片化的時間學習相關實驗操作以及細節，從而加深實驗的理解。

學生需要了解相關物理實驗的知識架構、操作流程、操作結果以及相關課外知識等，教師需要了解學生的學習情況，并掌握實驗數據和實驗成績。因此該平臺的主要功能需求有以下。

⑴ 平臺的注冊和登錄。學生需要有一個自己的用戶賬戶，便于個性化記錄自身學習情況，包括錯誤操作記錄、實驗成績、實驗流程等。

⑵ 模擬實驗的流程、內容或任務。平臺需要提供完善的模擬實驗，能對平臺用戶的模擬操作產生一定的交互，并以此產生操作結果（成績），這也是平臺最核心的功能。

⑶ 后臺數據管理。教師需要一個途徑管理學生實驗數據和相關實驗流程，并對這些數據進行篩選和分析，以此作為實驗成績評判的標準。

2.2 平臺開發實現

學生用戶在使用本平臺的基本行為流程為：注冊用戶信息，登錄虛擬實驗平臺，自主學習實驗操作，完成實驗后提交所得實驗結果。

教師用戶則可以在服務器端提供的web頁面上查看并導出、記錄學生所得的成績，系統的總體框架如圖1所示。

在平臺的搭建過程中，利用unity游戲引擎結合php服務器腳本語言實現客戶端與數據服務器之間的交互，并通過md5碼加密等方式對各級用戶數據進行加密，確保平臺的安全性和穩定性。

2.3 大學物理的設計及實現——以“聲波測速實驗”為例

在大學物理教學過程中，物理實驗是必不可少的一部分，以虛擬物理模型來代替具體物理實驗器材，可以使物理規律及事物的性質得到更加簡明準確的表達，從而增強學習的有效性。

2.3.1 聲波測速實驗的設計思路

在聲波測速實驗中，首先要對儀器器材進行三維建模，利用三維動畫技術增強模擬實驗的仿真效果，通過unity腳本來對實驗流程及可能出現的情況進行相應控制及提示。

2.3.2 聲波測速實驗的實現

該實驗在實現中考慮及需解決的問題：

⑴ 該實驗中物理器材的模型均由3dmax三維建模工具所實現，所以需要研究具體物理設備，以此來更好的制作模型的物理外觀、材質、貼圖等。

⑵ 考慮到移動端僅依靠手指來進行操作的操作特點，需在模擬實驗中構建合理精準的物理碰撞系統，并通過unity腳本編寫算法，實現觸摸事件，以此來提高手指觸碰的精度，實現對器材的操作。

⑶ 示波器所顯示的波形圖由多個物理元件所控制，需要用靜態數據來存儲其控制參數，如振幅，相位等，以實現根據學習者所選擇的操作來動態生成波形曲線。

⑷ 虛擬實驗中由于屏幕大小所限，很多操作會產生儀器的連鎖反應，為了全面地展示實驗的現象，對于儀器間的關聯反應的展現可以采取多相機分屏處理的方法以實現全面展現的效果。

2.3.3 測試運行

在整個虛擬聲波測速實驗場景構建完成之后，我們對該實驗進行了相應的測試，即在移動終端安裝此app，并通過內測賬號登入實驗平臺來進行測試。

通過該模擬實驗，學生清楚地了解到了聲波測速實驗的具體操作流程，明白了示波器、滾輪、游標卡尺等基本器材的基本操作，對于不同操作會導致不同波形的變化也有所了解。學生們通過調節示波器，獲得頻率的均值，通過旋轉滾輪并觀察記錄波形圖峰值位置來測量波長。實驗操作界面如圖2所示。

3 虛擬實驗室app的實踐意義

在實踐教學中，利用虛擬實驗室app來輔助教學，實現“虛實結合”的實驗教學模式，并與傳統實驗教學相比較，得到以下結論：

3.1 虛擬實驗室app結合教學使得實驗教學成本顯著降低

虛擬實驗中使用到的設備是通過計算機構建出來的虛擬物體，而且這些虛擬的儀器設備在使用過程中沒有任何損耗，所以虛擬實驗可以有效的節約實驗教學中的成本[7]。在實踐中，以虛擬實驗室app輔助教學，有效地減少了器材損壞過快，如：同樣新進的器材，采用虛實結合教學模式的器材使用次數可以達到傳統實驗教學模式下使用次數的兩倍以上。

3.2 虛擬實驗室app輔助實驗教學有效提升了實驗教學的效率

傳統實驗教學中，學生在課前預習時沒有以實驗器材作為參照，導致做實驗時的成功率不高，實驗教學沒有達到預期的目標和效果。在“虛實結合”教學模式中，學生在進行虛擬實驗時不需要進行一些簡單的勞動操作，因此有更多的時間去觀察實驗本身的現象，回到現實實驗中，又因熟悉操作而大大提高了實驗的效率。同時，虛擬實驗室還充分利用計算機優勢，實現手把手的教學，從而學習者能更完美的完成實驗研究的要求，有助于學生學習和研究效率的提高[8]。

3.3 虛擬實驗室app的內容全面，自由度高，可以更好地激發學習興趣，培養學生一定的探究能力

虛擬實驗室的開發時考慮到了學生常見的錯誤實驗操作，也加入了一些額外的實驗現象或結果供學生自由發揮。實踐發現，學生更想知道實驗失敗后的現象，虛擬實驗室app滿足了學生對錯誤實驗方法造成的實驗結果的好奇心，將驗證型實驗與探究型實驗有機結合，增加了學習樂趣，也避免了不必要的損耗，有助于開拓學生的想象力和創新能力。

3.4 結合虛擬實驗app的教學模式更具安全性

在相關物理實驗中，往往會存在一些較危險的實驗過程，只要學生在實驗中出現操作失誤，就會帶來一定的安全隱患。虛擬實驗室相比于傳統教學實驗安全性更高，在模擬實驗中，高危操作不會產生危險情況。實踐中，學生群體在虛擬實驗中經歷過各種錯誤操作之后，回歸到現實之中進行操作時，其犯錯率減少至原先的8.3%。由此可見，虛擬實驗可以有效減少現實實驗中的危險性[9]。

3.5 虛擬實驗室app不受時空限制，有效地利用了學生的碎片化學習時間

在傳統的實驗教學環境中，并不是每一個學生都能按照教師規定的實驗計劃完成任務。在對比實驗中，傳統實驗教學出現學生因實驗時間不夠導致的實驗數據記錄不全的情況，實驗結果不盡如人意。基于我國移動端硬件設備的普及，移動端虛擬實驗室實現了真正的突破時空限制，學生可充分地利用各種碎片化時間，享受到隨時隨地學習相關實驗課程的便利，提高了學生對于物理實驗的學習效率。

3.6 缺點與不足

⑴ 虛擬實驗目前僅適用于個人獨立實驗，學生進行實驗時的團隊協作性不足，仍需在開發過程中增強具體實驗的團隊協作性。

⑵ 目前，虛擬實驗只能是輔助手段，還不能完全取代物理實驗。虛擬實驗的交互性也有待提升，學生在實驗過程中所遇到的問題不一定是開發實驗時所預估到的問題，因而未必及時獲得實驗幫助，需要在長期的測試及實踐過程中，總結實驗中學生所反饋的問題信息，提升移動虛擬實驗平臺的可靠性。

4 結束語

目前，移動學習的教學模式已經被廣大學生用戶及教師接受，虛擬實驗平臺相較于傳統實驗教學也確實有著其獨特的優勢。實踐證明，移動虛擬試驗平臺無論是用于翻轉課堂或是輔助具體實驗教學，都能有效地提高學生學習的積極性，培養學生的動手能力，激發學生對于知識的探索熱情。

在未來的教學中，可以進一步擴大移動虛擬實驗平臺的教學應用范圍，促進各行業實驗教學的多元化，并可結合更為先進的移動虛擬現實技術，來提升虛擬實驗的真實性、交互性。

參考文獻（References）：

[1] 閆慧仙，吳天剛，王祖源.虛擬實驗移動Web平臺設計與開發[J].現代教育技術，2014.24（10）：101-106

[2] 白雁，張娟，潘瑾，李永強.“虛擬實驗室”在高校儀器分析教學中的應用[J].實驗技術與管理，2011，28（12）：169-171，174

[3] 周蘇娟，孟江，林存坤，蔣世忠.基于移動平臺的虛實結合實驗教學改革與實踐——以《中藥炮制學》課程為例[J].時珍國醫國藥，2017.28（11）：2770-2772

[4] 任克強，李曉亮，謝斌.基于Android的手機導航系統設計與實驗[J].實驗技術與管理，2014.31（5）：131-135

[5] 李東煒，劉鎮章.基于Android智能手機的實驗室預約系統設計[J].實驗技術與管理，2012.29（12）：196-198，202

[6] 姜文周，王彥超，李先毅.基于Android的個性化校園地圖服務設計[J].實驗技術與管理，2012.29（3）：109-111

[7] 朱柱.基于Unity3D的虛擬實驗系統設計與應用研究[D].華中師范大學碩士學位論文，2012.

[8]劉金玉.八年級（上）物理虛擬實驗室的研發[D].四川師范大學碩士學位論文，2015.

[9] 岳志兵，甘清源.虛擬實驗在中學物理教學中的重要作用[J].考試周刊，2018.20：158-159