关于虚拟现实虚拟现实技术在实验教学中运用

摘 要：虚拟现实技术所具有的沉浸性、交互性和多感知性的特点，使它在实验教学领域中显示出独特的优势。在分析传统实验教学存在问题的基础上，探

摘自：毕业论文评语www.udooo.com

讨了虚拟现实技术应用于实验教学的可行性，对虚拟实验系统的构建原则、物理模型及功能模块进行了研究。
关键词：虚拟现实技术；实验教学；原则；功能模块
16727800（2013）002015003
0 引言
实验一直都是与教学息息相关的重要活动之一，无论是在初中、高中还是在大学，实验都有着举足轻重的作用，它使学生在亲身体验中更好地感受并且理解知识的产生和发展过程，使枯燥的理论知识变得生动形象、易于理解，实验不仅能帮助学生巩固理论知识，提高通过实验手段探索科学知识的能力，还能激发学生探索未知世界的兴趣，增强创新能力。然而，在传统实验教学方面还存在诸多难题，导致教学质量无法得到应有的提高，为缓解实验教学的压力，提高实验教学的质量，人们将目光转向了最近兴起的虚拟现实技术，开始采用运用虚拟现实技术创建的虚拟实验系统来辅助实验教学的开展，也就是创建一个可视化的实验操作环境， 其中的每一个可视化仿真物体代表一种实验仪器或设备，通过操作这些虚拟的实验仪器或设备即可进行各种复杂的实验，达到与真实实验环境相一致的教学要求和目的，有效地提高了教学质量和教学效率。

1 传统实验教学存在的问题

（1）资金短缺，仪器设备不足。传统实验仪器设备一般分为两种，一种是每个实验都有相对应的实验仪器，这样在做实验时，要根据实验内容更换仪器设备，来回搬弄实验设备过程中容易造成仪器的损坏；另一种则是为解决上述问题而将很多实验仪器组合在一起的实验平台，这种平台可以做各种不同的实验，但是昂贵，而且同一时间只能由一个学生做一个实验，而学校的经费又不充足，所以学校只能购写数量不多的这种实验仪器，造成一些实验多人一组，看得多，做得少。由于人多，教师只能走马观花地指导实验，经常是还没达到实验效果，就该下课了，实验效率很低，不能很好的发展学生的能力。
（2）无法突破时空限制。学生在学习的过程中不仅要接触现实性的知识和问题，也会遇到历史性和未来性的问题，不仅要学习宏观性的知识，也要了解微观性的内容。地表变化、火山喷发等现象由于时间的限制无法通过实验来观察到，学生的理解也只能停留在表面；生物学中的细胞、化学中的分子结合、物理学中的磁场等微观现象，以及地理学中的银河系、星球运动这些现象由于空间的限制也都无法通过现实实验来观察到。
（3）部分实验有一定安全隐患。在进行实验时，难免会出现一定的危险。在化学实验中，有很多挥发性有毒气体，如果控制不好的话很容易对实验者造成伤害；物理实验中，像强电弱电实验，线头接不好的话轻者烧坏实验仪器，重者可能危害实验者的生命安全；生物实验中的细菌培植观察，也可能造成危害，所以学校为了避免出现严重的后果就略去了带有一定危险性的实验，导致学生只是书面知道它的危险性，却不能真实的领略到，也使学生对知识的理解停留在表面。
（4）不利于学生能动性的发挥。由于实验具有一定的危险性，学生在做实验时要遵循一定的实验步骤，按照设计好的实验顺序按部就班地进行实验，导致学生只是机械地模仿教师的演示或照着黑板的步骤进行操作，动手与动脑环节相脱离，学生在试验中被动成分大于主动成分，无法调动学生的积极性，也不利于学生创新能力的培养。

2 虚拟现实技术应用于实验教学的可行性

2.1 虚拟现实技术定义及特点

虚拟现实（Virtual Reality，简称VR）技术是借助计算机技术及最新研制的传感装置创建一种崭新的模拟环境，它通过多种专用设备使用户“投入”到该环境中，可以让用户使用人的自然技能对虚拟世界中的物体进行考察或操作，同时提供视、听、触、摸等多种直观而又自然的实时感知，使用户仿佛置身于一个逼真的具有视听触觉的感观世界里。
虚拟现实技术具有3个突出的特点，也被称为3I。第一个特点是沉浸性（Immersion），虚拟现实技术是根据人类视觉、听觉的生理心理特点，由计算机产生逼真的三维立体图像，使用者戴上头盔显示器和数据手套等交互设备，便可将自己置身于虚拟环境中，成为虚拟环境一员，使用者与虚拟环境各种对象相互作用，如同在现实世界中一样。使用者移动头部，虚拟环境中的图像也实时地跟随变化，拿起物体可使物体随着手的移动而运动，而且还可以听到三维仿真声音。使用者在虚拟环境中，一切感觉都是那么逼真，有一种身临其境的感觉；第二个特点是交互性（Interactivity），虚拟现实系统人机交互是一种近乎自然的交互，使用者不仅可以利用电脑键盘、鼠标进行交互，而且能够通过特殊头盔、数据手套等传感设备进行交互，计算机能根据使用者的头、手、眼、语言及身体运动来调整系统呈现的图像及声音。使用者通过自身的语言、身体运动或动作等自然技能，就能对虚拟环境对象进行考察或操作；第三个特点是多感知性（Imagination），由于虚拟现实系统中装有视、听、触、动觉的传感及反应装置，因此，使用者在虚拟环境中可获得视觉、听觉、触觉、动觉等多种感知，从而达到身临其境的感受。

2.2 虚拟现实技术应用于实验教学的优势

运用虚拟现实技术构建虚拟实验室，学生在虚拟实验室中进行虚拟实验，能够解决目前实验教学中存在的问题，主要表现在以下几个方面。
（1）提高实验效率，实现资源共享。在虚拟现实技术中实验仪器设备通过网络搬入虚拟实验中，虚拟现实技术使实验操作数据分析和处理都由网络上的计算机进行，实验采用软硬件相结合，多个用户可共用一套实验装置，并且实验可以反复进行，不受实验人数的限制，极大地提升了实验仪器设备功能的多样化和重复利用率。
（2）彻底打破空间、时间的限制。利用虚拟现实技术，可以彻底打破空间的限制，大到宇宙天体，小至原子粒子，学生都可以进入这些物体的内部进行观察，如银河系星球的运动方式以及分子结合过程。虚拟技术还可以突破时间的限制，一些需要几十年甚至上百年才能观察的变化过程，通过虚拟现实技术，可以在很短的时间内呈现给学生观察。例如，生物中的孟德尔遗传定律，用果蝇做实验往往要几个月的时间，而虚拟技术在一堂课内就可以实现。（3）避免真实实验或操作所带来的各种危险。传统实验教学中对于一些危险的或对身体健康有危害的实验，往往采用视频的方式来取代实验，学生无法直接参与实验，不能获得应有的感性认识，由于虚拟现实技术具有沉浸性和多感知性的特点，利用虚拟现实技术进行虚拟实验，在虚拟实验环境中，学生可以放心地去做各种危险的或危害人体的实验，而不用担心实验的失败对人身和设备造成的损伤，还可以直接观察到实验的现象和效果，加深对知识的理解。其次，在虚拟实验环境下学生进行设计性创新性实验不必担心安全问题，可以轻松地凭设想进行实验，挣脱了束缚，有利于学生大胆创新，在虚拟实验中接受新知识、新技术。
（4）增加互动性，培养创造性。虚拟现实技术具有交互性的特点，在虚拟现实技术中实验仪器设备通过网络搬入虚拟实验中，教师和学生在虚拟教学实验中有了更多交流与探讨的机会，教师可以作为教学活动的组织者，开设内容新颖应用性强的新型实验，学生由被动学习转化为主动学习，增加了对实验的兴趣，学习积极性提高。在虚拟实验环境里，实验者也可以作为组织者，充分发挥想像力，不受器材仪表等的限制，自己设计实验并实施，广阔的实验空间为培养学生的创新意识和能力提供了良好的条件，此外，虚拟技术在实验教学中的应用创造了灵活的学习环境，建立了学生自主学习获得知识技能的学习方式，实验项目从设计到调试都是在虚拟环境中进行，直接输出实验结果，使设计性和综合性实验变得简单易行，从而促进了综合性、设计性、创新性实验的开设，这样既培养了学生综合运用知识的能力，又提高了学生的分析能力、创新能力和解决问题的能力。
（5）建设“常新”型的实验室。利用多媒体技术，半实物仿真与虚拟现实相结合的方法，建造虚拟演练的现代化实验室，其“设备”或“部件”多是“虚拟”的，可根据发展需要重新“生成”新设备，也可使“设备”和教学内容在虚拟环境中不断更新，使实验内容跟上时代和新技术的变化，不断提高学生的综合素质，使学生适应不断变化的社会需求。
将虚拟现实技术应用于实验教学可以有效地改善实验环境、优化教学过程，虚拟实验能够在实验的思想和操作方法、仪器的结构及原理等方面达到实际实验的效果，同时又避免了实际实验带来的各种危险和费用的提高，因而在教育领域内有着极其巨大的应用前景。

3 虚拟实验系统设计

将虚拟现实技术应用于实验教学中的一个重要阶段就是建设虚拟实验系统，该系统采用虚拟现实技术提供一个虚拟的实验环境，在观察实验过程的视频窗口中，向实验者提供图文声并茂的实验预备知识、丰富多彩的实验相关资料、操作灵活的实验交互过程、及时方便的实验指导等，实验者在没有教育者的情况下，可以通过自己的探索，在虚拟实验室中完成全部步骤，习得实验技能。

3.1 虚拟实验系统的设计原则

虚拟实验系统的好坏关系到虚拟实验与现实实验的相近度，以及观察到的现象的真实性、可信性，因此在构建虚拟实验系统前的设计工作很重要。在虚拟实验系统的设计过程中应遵循以下原则：
（1）科学性原则。科学性原则要求虚拟实验所构建的虚拟仪器设备逼近真实部件，其操作与使用过程应和操作真实部件的体验相同，实验操作过程与实验现象结果等近乎实际，尽量体现虚拟实验的科学性。这个原则通过虚拟现实技术的沉浸性和多感知性的特点来实现。
（2）共享性原则。虚拟实验系统不同于传统实验在地域和时间上的限制，它不仅可以接受本地用户的访问，有访问权限的异地用户也可以使用系统并且也无需考虑使用时间的问题，实验者可以随时进行实验，虚拟实验系统要为用户提供一个可以在任何时间任何地点访问的实验环境，提高信息与实验资源的共享程度。
（3）开放性和自主性原则。允许学生在接入网络时利用虚拟实验系统的登录随时随地地进入虚拟实验系统进行实验。学生可以根据自己的学习兴趣自主选择实验内容，根据自己的学习节奏和学习顺序进行实验，并及时获取与实验结果和实验管理有关的反馈信息。
（4）交互能力强、支持协作的原则。实验活动就是实验者与实验物品的交互过程，在虚拟实验系统中，实验者和虚拟实验对象之间可以通过鼠标的点击或者拖曳操作进行交互，实验者可以实时地观看实验现象和实验结果，学生对于虚拟设备的可操作程度和从设备得到的反馈要自然，不能有生硬的感觉， 反馈要实时性强， 不能有太大的延迟。同时，在实验进行过程中如果出现不当操作或者实验者遇到问题，虚拟实验系统应该能够发出警告或者给出指导，多个实验者之间也可以通过多种方式进行交流，在协作的过程中取长补短，拓展自己的能力。
（5）易于扩充与维护原则。虚拟实验教学系统提供一个维护与更新实验内容、实验管理、发布信息的界面，教学软件中通过WWW发布的信息可以由系统进行远程维护，系统中重要实验模型组件需要能够及时进行更新扩充以满足时代要求。虚拟实验系统进行集中式管理，由专门的网络管理员进行定期维护，系统拒绝非法访问进入实验室，实验中管理员可及时阻止学生的不当操作，对重要数据进行备份，尽量防止安全漏洞的出现。

3.2 虚拟实验系统的物理模型及功能模块

构建虚拟实验系统其实就是搭建一个网络平台系统，包括硬件、软件及管理3个方面。
仪器库是实验所需要的虚拟仪器的集合，实验数据库里存放着实验所需要的实验数据。在实验过程中，实验者通过客户机接入网络，与怎么写作器建立联系，使用仪器库和实验数据库中的资源进行实验。
虚拟实验系统的怎么写作器是进行虚拟实验的核心部分，为满足各种实验的要求，虚拟实验系统应具有以下功能模块：
（1）实验管理模块。由学生管理、教师管理、仪器管理和学生成绩管理等组成，学生通过浏览器进行注册登录，登陆成功后可浏览实验项目，查看实验的详细资料，预约实验项目及做实验的时间，在线发送和接受消息，进行问题讨论，进行实验登记，实验完成后可通过网络写实验报告并提交报告。教师管理方面，可对实验内容添加、修改、整理、删除。批改实验报告、填写评语和成绩、提交批改结果、与学生进行讨论。仪器管理方面，对新设计开发的虚拟仪器上传并进行分类整理以便实验使用。成绩管理方面，对学生的实验情况、实验次数、实验报告及完成情况给出成绩，并进行统计分析及提供查询等。
（2）实验介绍模块。主要呈现实验目的、实验原理、注意事项和实验过程等内容。实验介绍模块还包括实验仪器预览，在此可以认识实验中使用的仪器设备，可以从多视角观察，既可以近看也可以远观，让学生在实验前充分了解各种实验仪器，便于他们更好地进行实验。
（3）虚拟实验模块。学生在虚拟的实验场景中以鼠标为主要交互手段进行仿真实验，虚拟实验中，所有模型都采用建模方式以便与现实的三维空间基本保持一致， 虚拟实验是整个系统的核心部分，让学生在身临其境的虚拟场景中进行实验，与现实实验非常接近。
（4）实验报告模块。实验完成后，学生填写实验报告，并将其发送到数据库中，由老师通过管理界面进行批改。
（5）实验答疑与交流模块。学生在实验过程中难免遇到解答不了的问题，这时就需要专业教师对疑难问题进行解答，帮助学生顺利的完成实验，同时还可以了解学生对实验的掌握程度，及时调整教学目标。通过交流模块，学生可以将在实验中的收获、体会和经验及问题与其他实验者进行交流，教师可以将学生在实验中容易遇到的典型问题提出来供大家探讨，学生在这样的环境中积极发言，学习其他学生的经验，提高学习效率。
4 结语
将虚拟现实技术应用于实验教学能弥补传统实验教学的不足，给实验教学带来新的活力，能营造多元化教学环境，拓展实验观察的广度和深度、节省教学经费，保证实验教学中的项目数量与质量。虚拟现实技术的不断完善和发展也必将带动实验教学新的改革和发展。
参考文献：
＼[1＼] 王志坚.基于虚拟现实技术的现代教育探索＼[J＼].常州工程职业技术学院学报，200

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7（3）.
＼[2＼] 黄晓琴.高校实验教学中虚拟现实技术的应用＼[J＼].软件导刊：教育技术，2009（1）.
（责任编辑：余 晓）