VR自然科學實驗室平臺的設計與實現

吳明珠 朱佩儀 陳瑛

摘? ?要：文章針對目前在中學實驗教學中存在的安全隱患、實驗耗材昂貴和浪費，以及實驗過程不可逆等問題，提出將虛擬現實技術與自然科學實驗教學相融合，設計與實現一個高效、安全可逆的高仿真實驗場景平臺。該實驗室平臺的設計實現包括了PC端和手機App端，從而打破了傳統實驗課堂的局限，重構了學習情境，以沉浸式的交互體驗方式提高了學生學習的積極性與創新性。

關鍵詞：VR自然科學;實驗室;高仿真;沉浸式;安全

中圖分類號：G710 文獻標志碼：A 文章編號：1673-8454（2021）14-0045-04

一、引言

VR技術又稱為虛擬現實技術，該技術于20世紀80年代在美國興起[1]。這種新型的交互手段是利用計算機生成高仿真的三維虛擬環境，并結合傳感器讓人們沉浸在虛擬的現實環境中。近幾年，VR技術不斷發展，不僅應用于游戲、影視行業，在軍事訓練、工業制造、建筑設計、醫療診斷、展館展示等各個領域中都有廣泛的應用[2]。當然，如何利用該技術為教育教學提供更好的幫助，也是教育工作者們所關注的問題。

2019年11月，《教育部關于加強和改進中小學實驗教學的意見》（教基〔2019〕16號）[3]要求，各地各校要豐富實驗教學實施形式，促進傳統教學和現代新興科技有機融合，切實增強實驗教學的趣味性和吸引力。對于有危險性、破壞性和對環境有危害的實驗，可用增強現實、虛擬現實等技術手段呈現[4]。2020年新冠肺炎疫情期間，很多學校“停課不停學”，學生采取在家學習的方式，如果能夠在線開展化學、物理等相關實驗操作，將有助于學習效果的提升，而VR實驗室能夠讓學生有更強的參與性。

此外，現在的中學生是在網絡中成長起來的一代人，他們有著旺盛的好奇心，喜歡接觸和學習新的事物，VR實驗室更具趣味性和技術含量的實驗體驗能激發他們對新技術的探究，激發創新意識，推動創客教育的發展。

二、傳統中學自然科學實驗存在的問題

目前，中學自然科學實驗主要包括了物理、化學、生物這三門學科的實驗教學[5][6]，學生通過在實驗室中進行實踐的過程來了解這些自然科學現象，掌握實驗所涉及到的知識點的基本原理及規律。目前在傳統實驗教學實踐中主要存在以下問題：

1.實驗前后的預習與復習難以開展

傳統實驗的內容需要各種實驗器材、實驗用品耗材和實驗環境。如果沒有這些材料，僅憑想象來進行預習，學生缺乏興趣，效果也不理想。此外，不同環境下的實驗結果偏差較大，但由于無法在課后復制實驗室環境，因此課后進行復習的效率很低，也不利于對教學內容的鞏固。

2.師生和生生缺乏互動

傳統的自然科學實驗在實踐過程中互動性不強。大部分課堂的實驗都是教師首先講授實驗過程中需要掌握的定理，并詳細講解實驗步驟，實驗結果也會提前告知學生，然后由教師演示實驗過程給學生看，整個教學過程比較枯燥，學生和教師、學生和學生之間很少有互動，從而缺乏學習的興趣和積極性。

3.實驗操作過程中存在一定的安全隱患

在實驗室進行實驗操作的過程中，學生有可能因為操作錯誤而導致實驗器材損壞，而有些物理電學實驗也有可能會引起漏電、觸電，一些高危化學實驗則有可能出現火災、爆炸、中毒等危險情況，從而導致人身安全受到威脅。所以有些學校可能因為這些安全因素，會避免讓學生親自實操實驗過程。這樣雖然避免了危險發生，但是學生也沒有機會親身體驗實驗，對于實驗原理的理解程度自然也會有所下降。

4.實驗教學過程中對抽象概念難理解

自然科學實驗中涉及到很多抽象的概念、規律與原理，如果沒有有效的輔助工具和仿真環境，教師講解起來非常困難，學生也無法形象地去理解。

5.傳統實驗過程不可逆

有些科學實驗的過程變化速度比較快，學生可能沒有來得及看清楚就結束了，由于當時實驗條件與環境的限制，又不可能重復進行演示，實驗操作步驟也不能回退，因此會影響學生對于實驗原理的理解與接受。

6.實驗管理人員和耗材的重復建設與浪費

各個實驗需要的實驗器材和操作環境不同，對實驗員的要求有一定的標準，每一年的實驗器材需要保修、實驗用品需要定期進行年限保質期的更換，日復一日、年復一年，不能更好地循環利用物資，導致各項資源耗費嚴重。

三、VR自然科學實驗室建設的意義

為了解決傳統自然科學實驗室建設中存在的問題，我們結合VR技術來建設自然科學虛擬仿真實驗室，該實驗室可以很好地在不安全、不確定等因素下模擬真實的實驗，更好地吸引廣大教師和學生對學科實驗的興趣，加上設備的不斷更新，能夠快速跟上現代社會的教育發展，更好地實現“以教促學”，高質量、高效率地讓師生感受實驗的樂趣和增加對各種實驗的了解[7]。

VR自然科學實驗室建設的意義主要體現在以下六個方面：

1.輔助教學資源開發，創新教學模式

學生可以自主進行體驗學習，最大限度地增強學生的學習體驗。學生與 VR資源庫的學習內容進行交互，既可以調動學生的學習興趣，又能夠讓學生發現自己在該模塊學習中不懂的知識。然后由教師介入引導，歸納學生的問題，組織學生再次學習體驗，解決他們的問題。其次，VR 技術為學生提供了一定數量和質量、生動有趣的學習資料，供學生開展自主學習、探究學習、鞏固學習。

2.突破環境局限，優化實驗教學過程

虛擬實驗室打破了時間和空間的局限，相比傳統實驗室更加開放。學生可以靈活安排自己的學習時間，不再受實驗設備和耗材等因素的限制，可以很方便地提前對所學實驗進行預習，發現問題。同時，課后也可以對掌握不牢的實驗項目進行復習并且反復實驗，直到掌握實驗內容與原理為止。

3.避免安全隱患，提升實驗教學安全系數

真實實驗具有一定的危險性，但通過VR虛擬仿真設備可進行模擬仿真，強化實驗現象，可以很好地避免在不安全、不確定等因素下進行真實的實驗，更好地吸引廣大教師和學生對學科實驗的興趣。

4.解決實驗場地和實驗材料匱乏問題，減少經費投入

從長期的建設與發展目標來看，VR實驗室作為仿真實驗場地開展沉浸式學習，各門課程的實驗項目都可以在這個虛擬實驗室中統一展開，同時滿足各科的需要，緩解了實驗場地緊張的情況，同時無需配備多個實驗員，由任教教師演示和引導即可完成實驗項目。并且所有的實驗儀器、實驗耗材都是通過三維建模虛擬存在的，因此只需要軟件的更新升級，不存在實際的損耗與更新問題，很大程度上節省了實驗室建設中的人力、物力和財力的投入，降低了實驗教學的投入成本。

5.實驗過程可逆可改

傳統的實驗，尤其是化學實驗，一旦實驗進行，如果中途出現錯誤就只能重新做過而不能在錯誤的地方再做一次，這樣會造成教學資源的浪費。并且，實驗的過程不可逆轉，難以看到逆轉過來的實驗效果。利用VR技術打造的實驗室，實驗的過程既可逆轉也能重復進行或者修改實驗過程中的某一步驟。

6.提高學生學習興趣

將枯燥無味的實驗課堂講述轉化為高度仿真的實驗課堂，使學生猶如沉浸在真實的環境中，受到來自環境的各種感官的影響，從而調動學生的學習積極性，提高學生對實驗學習的興趣。

四、VR自然科學實驗室平臺的設計與實現

VR安全實驗室多端平臺分為PC端、App端和后臺系統三個模塊。PC端和App端為前臺界面供用戶操作使用，后臺系統為管理員使用。PC端是一個引導用戶使用VR安全實驗室平臺的在線平臺;App端則負責引流，加快分發速度以及變現，進行進一步的用戶沉淀，設計著重于精簡核心功能。PC端有視頻學習、課程定制、互動交流、VR體驗、軟件下載、個人中心等六個主要板塊。VR自然科學實驗室平臺App端將PC端中的六大板塊單獨出來，精簡成VR平臺、視頻、資訊、商城、論壇、評分考核等板塊。后臺系統則由管理員提供管理前端界面的相對應模塊。

1.PC端的設計與實現

PC端的VR自然科學實驗室網站是作為一個引導用戶使用VR自然科學實驗室平臺的在線平臺，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，方便用戶使用。其以高效便捷的特點服務于實驗室平臺，有效地提高了用戶的使用率，以模塊化和規范化實現了對VR端的分流管理，保證能夠銜接VR端的使用。具體如下：第一，單獨列出商城模塊，讓用戶更加便捷地購買VR課程和產品;第二，同步班級系統，輔助VR端中的班級系統，幫助教師快速建立班級，查看學生成績，發布考核任務;第三，同步評分考核，幫助學生快速查看自己的實驗成績，回顧實驗當中的錯誤;第四，可以節省人力物力、提高效率，為VR端的成本運作節約資源。

PC端采用了Flex布局，使用JavaScript編程語言來開發，使用前后端分離開發模式。PC端的登錄注冊頁面如圖1所示。

VR自然科學實驗室平臺的VR端功能設計有登錄系統，可進行信息的儲存和清除等功能，如圖2所示，可進行實驗科目的查詢和具體實驗的選擇，還可以進行計分來實時顯示實驗進程，也可用此功能來設計實驗操作考核任務，進行實驗操作的實驗效果圖如圖3所示。

2.App端的設計與實現

App端是PC端的優化版，負責引流，加快分發速度以及變現，進行進一步的用戶沉淀，設計著重于精簡核心功能。App端使用Vue框架，前端組件庫為Vant，腳手架為最新版本4.0。App端實現的核心功能有首頁、視頻學習、在線商城、班級管理、學習考核等模塊。其中App端首頁界面如圖4所示，App端在線商城界面如圖5所示。

3.后臺系統的設計與實現

由于前端PC端和App端界面有大量的數據需要管理和上傳，因此，一個與之相對應的后臺管理系統的出現是極為必要的，它能夠協助管理員輕松管理前端界面，一鍵添加、刪除、修改各版塊內容，同時作為VR端的中轉站，對接班級系統和評分考核成績。

后臺系統利用可視化設計理念，將平臺的課程、訂單數據直觀展示出來;利用響應式布局，實現手機端和PC端的一步適配，方便管理員隨時隨地管理應用。后臺系統采用了Layui框架進行開發，后臺管理系統頁面如圖6所示。

五、結語

VR自然科學實驗室平臺將虛擬現實技術與實驗教學相結合，以優質的實驗教學資源為核心，集多端平臺于一體，將抽象概念具象化，為學習者打造了高度仿真、可交互、沉浸式、安全的三維互動實驗學習環境。平臺主要分為PC端、App端及后臺管理系統，它主要服務于VR自然科學實驗室VR端的高效使用，能夠針對普遍用戶、教師和學生對VR平臺的了解和使用，有效提高VR自然科學實驗室平臺的使用效率和實現教師對班級考核的管理，靈活便捷通用的多平臺使用特性能夠讓用戶更好地使用VR自然科學實驗室平臺。

參考文獻：

[1]陸穎雋.虛擬現實技術在數字圖書館的應用研究[D].武漢：武漢大學，2013.

[2]師亞媛.基于Unity 3D的高職院校虛擬實驗系統的開發與應用研究[D].西安：陜西師范大學，2018.

[3]劉強.中小學實驗教學的新遵循——《關于加強和改進中小學實驗教學的意見》解讀[J].人民教育，2020（1）：33-35.

[4]劉強.貫徹落實《教育部關于加強和改進中小學實驗教學的意見》的六項工作舉措[J].教育與裝備研究，2020（6）：10-12.

[5]王精國.虛擬仿真技術在物理實驗教學中的應用[J].中小學數字化教學，2018（3）：86-87.

[6]馮燕，孫鵬，朱凱.虛擬仿真技術在化學教學改革中的作用[J].教育教學論壇，2020（7）：155-156.

[7]吳東梅.對數字化實驗在初中化學課堂教學中運用的思考[J].安徽教育科研，2020（10）：37-39.

（編輯：李曉萍）