基于VR的沉浸式虛擬實驗室設計研究

（江蘇師范大學 智慧教育學院，江蘇 徐州 221116）

一、虛擬實驗室的來由及特性

虛擬實驗室(Virtual Laboratory，簡稱VL)，又稱虛擬實驗系統，可以追溯到威廉·沃爾夫教授提出的“合作實驗室”（Collaboratory），即利用計算機建立網絡化的虛擬實驗室環境[1]，旨在打破空間的限制，進行合作性實驗研究。虛擬實驗室在實踐上具有高仿真、開放共享、可擴展性、重復使用性以及安全性高等諸多優點[2]，可以補充和延伸課堂教學，發展實驗教學的遠程教育和混合學習。但是，目前比較常見的虛擬實驗室大多為基于Web的“非沉浸式”虛擬實驗室[3]，是一種桌面仿真型虛擬實驗室，主要通過對設備和實驗過程的軟件進行仿真操作。因此，這種“非沉浸式”虛擬實驗室的缺點也非常明顯，如僅僅依靠鼠標鍵盤操作，在實踐體驗與實驗效果上的沉浸感不強等。

沉浸式虛擬實驗則是通過利用虛擬現實技術，設計數字化虛擬實驗環境，從而創建沉浸式的實驗交互情境[4]。通過沉浸式虛擬實驗室，學習者借助一定設備進入與真實實驗室一樣的空間場景進行交互操作和體驗，能夠進行反復訓練、實踐并獲得理想的數據進行分析和處理等。同時，學習者借助體感交互設備，可以從視覺、聽覺、嗅覺、觸覺甚至是味覺等多種感知通道來感知虛擬實驗環境中的信息,并且能夠通過基于多種感知通道的輸入設備與之進行交互,從而可以使學習者在限定實驗條件下,操控實驗儀器設備,控制實驗進程,不斷進行實驗訓練、觀察和獲取實驗結果[5]。

二、沉浸式虛擬實驗室設計的理論基礎

依據情境學習理論和具身認知中的教學環境相關理論，學生通過沉浸式虛擬實驗室進行實驗,可以使身體和心理均沉浸在逼真的虛擬實驗場景中，進而完成實驗教學，能夠吸引學生學習興趣、提高學生學習的主動性與實驗的創造性。

（一）情境學習

情境學習理論是基于哈貝馬斯提出的“情境理性”(Situated Rationality)知識觀[6]，他認為人的理性總是嵌入在具體情境里并隨著情境的變化而變化。據此,沉浸式虛擬實驗室通過提供高精度的立體實驗資源和強交互的類真實實驗場景，促進學習者在親身參與實踐訓練的情境中獲得更好的學習效果 。基于“情境理性”知識觀，情境學習理論演繹的學習四大隱喻即“知識具有情境性” “學習是情境性活動” “學習是知識的社會協調” “學習是實踐共同體中合法的邊緣性參與”，是沉浸式虛擬實驗室設計開發的必要性和可行性依據。

（二）具身認知

具身教學認知環境和傳統教學相比，突出了學習者的中心地位，強調學習者對知識和任務的感知和參與，特別是隨著教育技術的不斷發展，很多基于網絡的教育技術可以把虛擬環境和實體環境很好地融合在一起，形成較為真實的混合現實環境。據此設計的沉浸式虛擬實驗室，能夠幫助教師充分調動實驗教學媒體資源，讓學生沉浸在這種具身的實驗教學環境中，從而促進學生主動學習，增強學生的學習效果。

三、沉浸式虛擬實驗室設計的系統架構和關鍵技術

沉浸式虛擬實驗室，以虛擬現實技術為核心，依據體驗式實驗設計的“四原則”嘗試設計虛擬實驗室實驗體系架構[7]，依托虛擬現實和三維建模涉及的關鍵技術創建三維實驗場景。

（一）系統架構

沉浸式虛擬實驗室根據現有的沉浸式虛擬實驗室構想進行設計。數據層、基礎層和資源層為管理層、功能層、應用層和服務層奠基，從而實現信息整合和情境交互。數據層由三維建模技術、立體顯示技術、人機交互技術、數據分析技術支撐；基礎層由HTC Vive設備與steamVR平臺搭建；資源層由3D角色、手柄模型、場景模型、儀器模型等創設；管理層具備系統管理、信息管理、預約管理和實驗管理四大管理模塊；功能層主要包括人機交互、師生交互和生生交互；應用層由物理實驗平臺、化學實驗平臺、生物實驗平臺等構成；服務層則主要包括教師指導模式、學生訓練模式、學生探究模式等多種模式。其中，數據層為資源層提供技術支撐，資源層為功能層提供資源服務(見圖1)。

圖1 沉浸式虛擬實驗室體系架構設計

（二）關鍵技術

沉浸式虛擬實驗室開發主要通過利用Unity 3D開發引擎，結合3D Studio Max（3ds Max）制作的仿真模型搭建虛擬實驗環境，使用C#語言在Microsoft Visual Studio（簡稱VS）軟件上實現交互，主要涉及以下相關技術。

1.三維建模技術

三維建模是利用制圖軟件建立空間模型的過程，是立體顯示的基礎、虛擬現實的關鍵技術之一，對虛擬實驗沉浸性有重要影響。虛擬現實強調沉浸感、真實感，模型的質量直接影響虛擬實驗的質量。本研究通過3ds Max軟件對虛擬實驗室及虛擬實驗器材進行創建、修改、貼圖、調整、渲染，并將其導出，導出的模型以obj或fbx格式均與Unity 3D有很好的兼容性。

2.立體顯示技術

立體顯示是虛擬現實的一個實現方式，能夠使虛擬實驗室更加自然、真實。立體顯示功能主要是借助特定的視覺顯示設備，如3D展示系統、大型投影系統（如CAVE）、頭顯（頭戴式立體顯示器等）、VR眼鏡。本研究采用的是HTC Vive頭盔顯示器（Head-Mounted Display，簡稱HMD），學習者通過頭盔顯示器感知虛擬實驗室與虛擬環境，觀察實驗現象。

3.人機交互技術

人機交互是學習者和計算機進行信息交流的方式，感知交互技術是虛擬現實的關鍵技術。人機交互技術經歷了從桌面端的鍵盤鼠標，到移動端的多點觸控，再到虛擬現實中的體感交互，呈現出交互方式自然化，內容多樣化的特點。目前，虛擬現實在人機交互方面借助的設備主要包括3D體感攝像機數據手套、手柄等。本研究是采用HTC Vive手柄控制器，學習者通過手柄發出的射線與虛擬實驗器材模型進行碰撞檢測實現交互操作，從而完成實驗操作步驟。

四、沉浸式虛擬實驗室的教學模式及實驗流程

（一）教學模式

針對虛擬實驗類型以及真實實驗與虛擬實驗混合活動設計進行實驗教學模式設計，可以將沉浸式虛擬實驗室按照實驗類型應用以下教學模式：（1）真實實驗—虛擬實驗—真實實驗：適用于操作簡便的基礎性實驗，可以依據真實實驗為主，虛擬實驗為輔。（2）虛擬實驗—真實實驗—虛擬實驗（N）—真實實驗：適用于使用實驗儀器設備采集、分析、處理實驗現象等綜合訓練的操作性實驗，即實驗要多次驗證，偏重需要確保真實與虛擬實驗結果的準確性。（3）虛擬實驗—虛擬實驗（N）—真實實驗(專）：適用于設備昂貴、過程危險、難獲得結果的實驗。當然若想做真實實驗可以依靠專業人員演示，在實驗設備、環境等條件允許的情況下可以請專家指導學生進行操作實驗，并且要做好安全防范措施。其中，“虛擬實驗（N）”指的是該類實驗要多次進行虛擬實驗，“真實實驗（專）”指在一定條件下可以通過適當方法進行真實實驗。后兩種教學模式先進行虛擬實驗，旨在降低設備損壞率，增高實驗容錯率(如圖2)。

圖2 虛擬實驗室教學模式

此外，沉浸式虛擬實驗室在教學的課前預習、課堂學習以及課后復習均可以應用，關鍵要根據實驗內容采取適宜的教學模式，這樣才能更好發揮虛擬實驗室的優點。在進行課前預習時，讓學生對實驗的原理、現象以及儀器的使用有一定的了解，從而減少時間的耗損、降低設備的損壞率和失誤率，進而提高實驗效率。在進行課堂學習時，教師明確實驗教學目標，指導學生在平臺上進行多次實驗操作，并通過組內分工合作完成實驗記錄表，采用演示與操作相結合等教學策略有序組織學生進行體驗和操作。在進行課后復習時，學習者在課堂上未掌握的實驗儀器操作技巧以及未觀察全的實驗現象等都可以在沉浸式虛擬實驗室中進行不受限制地重復實驗、訓練等。

（二）實驗流程

1.搭建運行環境

選定一定空間，需要至少一套HTC Vive設備和一臺計算機，根據HTC Vive手冊連接好頭盔、手柄以及感應器并設定好活動范圍。將設備與主機相接，并配置好頭戴式顯示器、傳感定位器、手柄。通過steam打開steamVR配置虛擬空間規模，完成其與虛擬頭盔、手柄以及感應器的連接。完成后打開虛擬實驗項目，進入虛擬實驗室界面(如圖3)。

圖3 沉浸式虛擬實驗室

2.選擇虛擬實驗

點擊主界面“幫助”按鈕，可彈出幫助界面，對軟件的操作以及相關的計算機要求進行了具體的展示。沉浸式虛擬實驗室提供不同種類的實驗，學習者可以通過點擊平臺界面上的交互按鈕操作進行多個不同實驗之間的切換。在選擇好實驗后，軟件自動根據學習者所選取的實驗提供相應器材和虛擬實驗室。

3.開始虛擬實驗

實驗操作的方式有兩種，一種是“實驗演示”，另一種是“實驗操作”。“實驗演示”是指學習者在系統提示的幫助下進行實驗操作，“實驗操作”是指學習者在沒有系統提示的情況下獨立完成實驗操作：①點擊“實驗演示”按鈕可以進入模擬版虛擬實驗室，根據提示框里的內容指導進行正確的實驗操作學習和模擬；②點擊“實驗操作”按鈕可以進入訓練版虛擬實驗室，通過無提示框的個人實驗操作進行檢驗和訓練。在虛擬實驗室中，系統根據學習者的操作在實驗臺的上方進行提示，以便學習者能夠順利地進行實驗操作。

4.實驗案例演示

由于本案例中的“硫的燃燒實驗”在進行真實實驗時，會產生有毒氣體，污染環境，而且在實際操作中稍有不慎還會危害師生健康。因此，案例使用第二種“虛擬實驗—真實實驗—虛擬實驗（N）—真實實驗”教學模式進行實驗教學。其中，虛擬實驗（N）視頻演示二維碼如圖4所示。

圖4 沉浸式虛擬實驗視頻演示二維碼

五、結語

具體來說，利用沉浸式虛擬實驗室進行實驗教學具有以下價值：（1）減少實驗室建設的資金和空間投入、彌補實驗場地的不足；（2）節省實驗器材的損耗，緩解設備的缺少或陳舊帶來的壓力等情況；（3）避免實驗中的危險和危害，降低污染；（4）更新教學觀念，教師由知識講授的權威者、講授者轉變為實驗的設計者、引導者和組織者，學生由知識容器和知識受體轉變為學習主體，主動獲取知識；（5）提供實時監測、模擬自檢等多種訓練模式，給予反饋性提示；（6）促進開放式、個性化教學。沉浸式虛擬實驗室通過三維模型和訓練環節能夠有效集中學生注意力、吸引學生學習興趣、提高學生動手能力，促進學生轉變 “學習只能依靠被動接受”的固化思維，主動學習和模擬訓練，可以不受傳統實驗室開放時間的限制，靈活安排自己的實驗時間，也可以根據自己的進度或興趣選擇實驗內容進行課外拓展和補充；（7）引導橫向拓展與縱向應用相結合。沉浸式虛擬實驗室的橫向拓展是指由教學者開發設計性和綜合性實驗，提高學生實驗動手能力，增強科學實驗素養；縱向應用是指開設新技術成果的應用以及其他新型實驗，提供相應的實驗課題，由學習者根據個人興趣和能力選擇進行實驗探究，培養學生的創新能力等。對于實驗這種需要學習者親身參與的實踐活動來說，沉浸式虛擬實驗室是一種發展趨勢，更是一種創新變革的教學應用。

雖然沉浸式虛擬實驗室有諸多優點，但是要想達到一定的教學效果，關鍵還是在于教師的組織和引導。教師需要考慮教學過程的諸多要素及其關系，統一協調和安排，才能夠再進行系統設計，切忌把使用虛擬實驗僅僅當作目的和形式。此外，沉浸式虛擬實驗室還有很多不足：（1）實驗器材模型、實驗場景和類型不夠豐富，有待充實；（2）實驗操作中操控手柄代替雙手，有一定的不適，在體驗上有虛擬感和眩暈感；（3）實驗產生的氣味無法親身體驗，只能以簡單的現象作為替代；（4）實驗操作的其他交互設計較少，可能會造成穿模現象等。同時，我們還應該明確的是：首先，沉浸式虛擬實驗室只是學習的工具而不是學習的目的，切勿本末倒置；其次，利用沉浸式虛擬實驗室進行實驗前要根據實驗類型選取相應的教學模式；再次，沉浸式虛擬實驗室不能完全代替真實實驗室[8]，因為沉浸式虛擬實驗是一種實驗過程的設計；最后，沉浸式虛擬實驗在一定程度上會限制實驗的豐富性和創新性，學生在訓練、操作時會出現“現象”完全相同的情況，而科學的發現還是要來根據真實實驗作為基礎，學生要把沉浸式虛擬實驗室作為一種工具，更要勤于探究和創新，鍛煉和提升綜合實驗能力。