交互式虛擬實驗教學軟件開發與成績評定方法

周長紅 李玉華 廉 冠 付建勝

（1.桂林電子科技大學建筑與交通工程學院 廣西·桂林 541004；2.大連理工大學交通運輸學院 遼寧·大連 116023）

實驗教學在高等教育中具有重要地位，特別是隨著日益對提高學生綜合素質、培養學生創新精神與動手能力的重視，實驗教學成為不可替代的教學手段。因此，無論高等院校還是中職院校都把實驗教學作為教學環節中的重中之重[1]。受社會發展需求、學生擴招規模和特殊社會形勢的影響，實驗教學有時面臨著不少瓶頸問題，主要表現在：

（1）傳統實驗教學設施的不足。傳統實驗教學主要以指導教師演示和講解為主，除了實驗條件非常充足的高校能為每位學生提供獨立動手的機會，大多數情況下，學生都會被分成實驗小組，多位學生作為一個團隊共同操作一項實驗。這種情況下，不是所有的學生都能得到有效鍛煉，實驗教學的效果也就無法得到保證。

（2）實驗教學在遠程教育中的困難。遠程教育是社會發展的必然趨勢，很多無緣得到系統學習的人員會隨著工作的深入而有強烈的提升自己的意愿。另外，遠程教育也為無法耽誤正常上班時間和無法親自去往現場聽課的學員提供了一種便利的機會。然而，實驗作為一種必須親自動手和現場體驗的教學環節，在遠程教學模式方面面臨著較大的困難[2,3]。

（3）特殊的社會形勢導致了長時間線上教學。課堂教學由于其教和學的環節比較靈活，教師和學生雙方均能很快的轉變傳統的上課和聽課的方式，從線下幾乎無障礙的轉移到線上來。然而，實踐教學環節卻很難做到。能夠親自體驗實驗的步驟和現象，而又不喪失動手能力的培養是對虛擬實驗的重要需求。

本教研組自主開發了部分實驗教學軟件以改善當前面臨的線上學習的問題，本文將以《道路建筑材料》為例，介紹交互式虛擬實驗軟件的開發方法和在學生成績評定中的應用。

1 實驗系統組建

雖然很多院校都花費大量經費組建了虛擬仿真實驗室，但很多實驗依然停留在簡單的三維演示和視圖控制方面，即使采用了VR虛擬技術，也只不過是使實驗過程更加逼真而已，并不能提供真實的物理化學過程，操作者也沒有辦法按照自己的意愿體驗到不同操作造成的不同效果，甚至是失敗。為了快速開發一套能提供交互操作的實驗系統，本文選用游戲引擎Unity3D為開發平臺，采用C#和JavaScript腳本語言編制了部分瀝青及瀝青混合料的虛擬實驗。使用的主要開發工具介紹如下：

（1）Unity3D。

Unity3D是由Unity Technologies公司開發的一個能讓使用者輕松創建諸如三維視頻游戲、建筑可視化、實時三維動畫等類型互動內容的多平臺的綜合型游戲開發工具。Unity3D作為實驗教學軟件的主開發平臺有其獨特的優勢[4]，主要表現在：（1）它是一種游戲開發引擎，基于該平臺開發的虛擬實驗無論在風格上還是在控制模式上均與常見游戲具有高度相似，比較適合現在學生的應用習慣；（2）基于該平臺制作的虛擬實驗軟件可以方便的發布到多個平臺，方便不同受眾學生根據自己的設備情況開展實驗操作，而無需更換設備；（3）該平臺與Maya，3ds Max、Blender等3D建模軟件高度兼容，方便建模操作；（4）該平臺使用C#和Javascript腳本語言控制各種物體的相互關系和物理過程變化，能夠方便地實現符合真實物理和化學過程的各種實驗效果。

（2）Maya。

MAYA軟件是Autodesk旗下的著名三維建模和動畫軟件，該軟件可以做出逼真的實驗實體模型和極其優秀的特效效果，給觀眾很大的視覺沖擊力和視覺享受。Maya在本軟件的開發中得到了大量應用。

制作完成的針入度實驗的界面如圖1所示。根據這種虛擬實驗設計思路，共實現4個瀝青性能實驗和2個瀝青混合料性能實驗的交互式虛擬檢測，包括瀝青三大指標實驗（針入度、軟化點、延度）、瀝青動力粘度實驗、瀝青混合料的馬歇爾實驗以及瀝青混合料車轍實驗。這幾個實驗都是目前道路工程專業必備的核心實驗。

圖1：針入度虛擬實驗基本界面

2 實驗系統的主要功能

虛擬實驗系統主要能完成的功能包括：實驗學習、練習操作等。實驗時系統會為每個學生分配不同的指導老師，其間的交互對話多數采用幽默的語言，減少學習生在新學習模式下的陌生感和心理上的不適應。

在學習模式下，導師主要是帶領大家認識所用到的實驗儀器和各種裝置，這一部分是通過導師提問的方式進行的。導師隨機提問一些儀器名稱，讓學生在虛擬實驗室中查找，并通過鼠標點擊正確的儀器來作答。由于第一次接觸該實驗的學生并不了解每一個實驗裝置，因此，系統中會給出各種提示，比如鼠標滑過的地方，會顯示該儀器的名稱，以達到快速學習的目的。通常情況下，導師也會簡單描述一下該儀器的作用。

在實驗模式下，學生需要認真按照實驗步驟，從頭至尾地全部完成一遍。在操作過程中，所有的操作錯誤都會影響實驗的成敗。所以該部分需要學生在完全熟悉實驗步驟的基礎上進行。因為虛擬實驗畢竟不同于現實實驗，實驗系統中也為學生準備了各種輔助工具，如燈源、放大鏡、反光鏡等，可以在視線受限的情況下借助輔助工具進行操作。每次的實驗結果是按照學生的操作規范程度再加上材料參數的隨機值模擬確定的。

3 實驗成績評定

由于該系統具有跨平臺操作的優點，既可以通過PC機EXE程序運行，也可以通過Web平臺、移動平臺進行操作學習。

學生可以按照自己的意愿，通過任何一種自己方便的模式進行學習和操作。實驗操作結束后，學生每次實驗結果的數據均會保持在程序中，如果學生需要查看自己的實驗報告，可以通過查看實驗報告的按鈕，自動生成實驗報告。

如果想提交自己的實驗報告，可以在系統中點擊提交實驗報告將數據上傳系統，也可以拷貝生成的實驗報告，通過其他師生學習群，如QQ或者微信群等方式進行提交。

需要注意的是，實驗報告中需要人工輸入自己的學號和姓名。隨機編碼是該實驗系統自動生成的一串唯一識別碼，該碼記錄了學生實驗操作的時間、平臺及硬件物理碼等信息，用于還原學生的實驗信息和防止學生通過互相拷貝或利用圖像處理軟件自己生成實驗報告等作弊行為的發生。

教師可以通過兩部分內容綜合評價學生的成績，其一是根據實驗報告的隨機編碼，利用系統獲得學生學習和實驗操作的過程情況，反映學生的過程成績；其二是根據實驗報告的內容，評價學生實驗結果的正確性和實驗操作的標準性，反映學生的操作成績。

4 結語

隨著目前線上教學的大力發展，高校在線上實驗教學和評價方面存在較大壓力。特別是突發社會情況，對實驗教學造成較大沖擊。本文通過總結本校在交互式虛擬仿真實驗中的教學中的部分經驗，主要得到如今幾點結論：

（1）線上實驗教學是目前教育方法改變必然面臨的一大趨勢，既是一種挑戰也是一種機會。只有不斷的解決面臨的卡脖子問題，才能更好的發揮網絡教學的巨大優勢。

（2）基于Unity3D開發的實驗教學系統，不但適合于多平臺使用，虛擬效果逼真，還能夠反映真實的物理化學過程，而且其操作接近游戲風格，能夠交互式操作，學生喜見樂學。經過多屆學生的實際驗證，對學生的動手能力培養效果明顯。

（3）該系統能夠自動記錄操作數據和生成實驗報告，可以大大減輕學生制作實驗報告的負擔。實驗報告中包含有多項信息，不但可以幫助教師還原學生的操作過程還能反映其操作的標準化程度。