基于VR的初中物理虛擬實驗室設計

韓奇

摘? 要 使用3ds Max軟件和VRP編輯器設計具有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典實驗為例，經過測試，能夠達到物理實驗的效果。

關鍵詞 VR技術;3ds Max;VRP編輯器;初中物理;實驗教學;物理實驗室;虛擬實驗室

中圖分類號：G633.7? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2020）09-0029-03

1 前言

自20世紀末虛擬仿真實驗的概念被首次提出后，國內外研究者對其進行了不斷探索。隨著計算機技術和網絡技術的發展，人們利用計算機軟件構建模型，使用相關虛擬現實編輯器創建虛擬實驗系統。傳統物理實驗室有著成本昂貴、設備受限等缺點，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。利用虛擬現實技術構建的虛擬實驗室，對初中物理實驗教學有很好的促進效果[1]。

2 VR技術、虛擬實驗概述與發展

VR技術

1）VR技術概述。VR（Virtual Reality，虛擬現實）技術是利用計算機模擬產生一個三維空間的虛擬世界，給使用者提供關于視覺、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的事物[2]。VR技術已經成為信息技術領域繼多媒體技術、網絡技術之后被廣泛開發與應用的熱點。

利用VR技術所實現的虛擬空間能夠給人置身在真實環境的感覺，并且使用者能夠在虛擬環境中實現與此空間的交互。在虛擬環境中，使用者能夠具有自己的視覺角度，環境能夠根據使用者視點的變化迅速作出改變[3]。虛擬現實系統具有身臨其境的虛擬環境以及實時交互等突出的特點，使得它不僅在某些尖端領域、特殊行業（如軍事、航天等）被廣泛應用，而且在醫療、教育、培訓、娛樂、工業設計、生產制造、信息管理、商業貿易、建筑等領域也有相應的發展，理論研究和應用實踐使得虛擬現實技術更加趨于完善，發展也更加迅速。

2）國內外VR技術發展現狀。美國是虛擬現實技術的發源地，美國虛擬現實技術的水平基本上代表國際虛擬現實技術發展的水平，美國擁有完善的VR教育系統。早在1985年，麻省理工學院就成立了媒體實驗室，專門進行虛擬環境的相關研究，并在虛擬現實領域對感知、交互、軟硬件等方面做了大量研究。此實驗室建立BOLIO實驗環境，對不同圖形仿真技術進行實驗[4]。目前，國外發達國家中虛擬現實技術已較成熟并大量應用于教學，如麻省理工學院的WebLab和美國俄勒岡大學物理系主辦的物理虛擬實驗網站等。

我國的虛擬現實技術起步較晚，在虛擬現實技術上與發達國家存在一定的差距。經過近年來的發展，我國的虛擬現實技術也取得一定的成果，在教育領域主要體現在虛擬仿真校園、虛擬教學、虛擬實驗等[5]。我國對于虛擬現實技術越來越重視，國內許多高校和研究機構都在積極地進行虛擬現實技術的研究以及應用，正在積極進行虛擬環境的建立以及虛擬場景模型分布式系統的開發等，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軟硬件構建的相應的虛擬實驗系統，可以利用網絡發布到各計算機，用戶可通過網絡下載虛擬實驗系統進行實驗研究。虛擬實驗室借助于計算機、互聯網、多媒體、虛擬現實等現代技術手段，實現對傳統實驗資源的遠程訪問和高效共享。隨著教育技術的進步，尤其是近年來大規模開放課程（MOOC）的出現，遠程開放式虛擬仿真實踐教學模式越來越得到關注和重視[6]。

虛擬實驗的實現是隨著計算技術和網絡技術的不斷發展而崛起的新型實驗技術和方法，虛擬實驗在教學領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科。筆者通過調查發現，受實驗資源不足的限制和考試壓力的影響，大多數學校實驗室不開放，教師只在課堂上進行簡單講解，不利于學生發散性思維的培養。物理實驗強調過程，學生通過實驗操作，觀察現象，得出結論，培養實驗操作能力，進而提升發散思維能力。培養學生的創造性和探究性是初中教育的關鍵，要幫助學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計與實現與學生的創造性和探究性有很大的關聯。初中實驗在課程標準中占了很大的比重，對學生動手能力的要求也越來越高。

在虛擬實驗室中，能讓學生進行自主學習和探究實驗，有利于培養學生的創新思維能力和探究能力。探究性實驗注重培養學生的實驗操作能力，學生可以在虛擬實驗系統中進行探究性實驗和設計實驗，隨時隨地進入虛擬實驗室學習，不受空間限制;可進行重復操作來提高實驗操作能力，不必擔心儀器損壞和事故的發生，大大提高學習的積極性和主動性。利用虛擬現實技術構建的虛擬實驗室相對于傳統實驗室而言，具有高仿真性、開放共享性、交互性、可擴展性、重復使用性、高安全性等特點[7]。

3 虛擬實驗系統的設計

此虛擬實驗室利用3ds Max軟件建立3D模型，利用VRP編輯器對模型進行交互設計。虛擬實驗室根據實驗室的比例和設備，充分利用虛擬實驗的便利和功能，對整個實驗室的構建進行升華，使其達到現實實驗室的場景和功能，良好的實驗環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械效率為例，介紹此虛擬實驗室的運用。

虛擬實驗系統結構設計? 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的開始界面，其中有三個按鈕，分別是漫游進入、主界面、退出實驗。點擊漫游進入按鈕后，相機會自動帶動學習者視角進入實驗室，瀏覽實驗室和實驗裝置，同時進入二級界面。主界面則可以直接切換到室內視角進入二級界面。點擊退出實驗按鈕可直接退出虛擬實驗系統。

二級界面可通過點擊漫游進入、主界面兩個按鈕達到。二級界面包括七個按鈕：實驗簡介、實驗演示、實驗操作、實驗結論、漫游進入、主界面、退出實驗。二級界面主要進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，對學習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行切換，使學習者在最佳位置觀察物體運動的狀況;實驗結論是根據實驗操作中的數據進行表格展示和得出實驗結論;主界面按鈕是為了方便學習者，點擊能夠迅速回到室內最佳視角。系統結構如圖1所示。

虛擬實驗室界面設計? 虛擬實驗室的主界面設計要考慮按鈕風格以及整個實驗室環境的搭配，整個界面要布局合理，色彩搭配協調，在詳細傳達實驗信息的同時，給人簡潔的視覺感。如圖2所示，在一級界面的右上角標有“初中物理虛擬實驗”標識，一級界面選擇在實驗室的門口，會促使學習者想進入實驗室一探究竟，就像進入現實實驗室做實驗一樣。點擊漫游進入按鈕是跟隨相機的自動視角進入實驗室;點擊主界面按鈕可以直接進入實驗室，到達操作實驗的主界面;點擊退出實驗按鈕，可以隨時退出虛擬實驗系統。

點擊實驗簡介按鈕后會出現一個菜單，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，播放與實驗相關的視頻演示，同時出現視頻播放、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出來，實驗演示的視頻要位于虛擬實驗室適當的位置。實驗結論下級菜單中包含實驗一和實驗二的結果和結論。點擊選項中任何一個實驗，視角切換到觀看最佳視角，可以得到實驗的數據測量結果、計算結果和實驗結論。進入選項后，彈出數據圖片和結論圖片，同時有各圖片之間的切換按鈕。

虛擬實驗室交互設計? 本虛擬實驗系統主要運用了高級界面控件中的圖片按鈕、靜態圖片和Flash控件。實驗簡介腳本編寫首先要做很多的準備工作，根據簡介的不同設計出菜單，根據腳本編輯器中插入語句找到顯示隱藏控件，設置點擊時彈出/隱藏實驗簡介菜單，設置最佳觀看圖片的相機，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視頻的出現而出現，根據視頻的隱藏而隱藏，使之達到人性化的標準。實驗結論的腳本與實驗簡介的腳本有著相似之處，不同的是實驗結果的數據與實驗結論并不是并列的，而是結論在數據之后，這樣做的原因是實驗結論是根據實驗數據的總結而得出的。在實驗結論中，實驗數據和實驗結果可以順序切換，可用按鈕來控制，見圖3。

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

4 結語

虛擬實驗室是基于VR技術設計的，整個實驗場景能夠達到真實的效果，體現了虛擬現實的三個最顯著的特征——交互性、沉浸性和想象性，即虛擬現實的“3I”特性，代表了與人的充分交互。物理實驗講究的是過程，讓學習者觀看實驗過程，計算出實驗數據，進而總結出實驗結論。虛擬實驗室的設計與開發是未來實驗教學發展的必然趨勢。虛擬實驗室的構建和開發可解決中學實驗教學中實驗設備缺乏等難題，為探索和發展現代教育新的思想提供了理論依據，為培養擁有創新意識和創新能力的綜合人才提供助力[8]。

參考文獻

[1]周世杰，吉家成，王華.虛擬仿真實驗教學中心建設與實踐[J].計算機教育，2015（9）：5-11.

[2]周曉風.基于MAYA和VIRTOOLS的虛擬倉儲物流系統的研究與實現[D].上海：上海交通大學，2011.

[3]馬阿曼.基于VRML的虛擬多媒體教室室內場景制作[J].長江大學學報：自科版，2013（31）：82-85.

[4]詹秦川，弓宸.虛擬現實技術的應用及發展現狀分析[J].產業與科技論壇，2014（7）：75-76.

[5]唐久磊.探究性化學虛擬實驗的設計與實現：以堿金屬化學性質探究為例[D].蘭州：西北師范大學，2015.

[6]陳珊珊.現代教育技術支持下的初中物理實驗教學研究與實踐[D].武漢：華中師范大學，2016.

[7]曾亮，彭紹雄.虛擬實驗在裝備專業教學中的應用[J].實驗技術與管理，2012（9）：86-88.

[8]冶圣安，王佳婧，馬寧.虛擬現實技術在實驗教學中的應用[J].軟件導刊，2014（5）：198-199.