虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在物理實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

譚淑梅，崔海瑛

（大慶師范學(xué)院物理與電氣信息工程學(xué)院，黑龍江大慶163712）

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在物理實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

譚淑梅，崔海瑛

（大慶師范學(xué)院物理與電氣信息工程學(xué)院，黑龍江大慶163712）

對虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)做出簡明分析，并對虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的特征進(jìn)行總結(jié)，提出了在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)室的重要性，闡述了虛擬實(shí)驗(yàn)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合的優(yōu)勢，并討論了虛擬實(shí)驗(yàn)室對實(shí)驗(yàn)教學(xué)產(chǎn)生的不利影響。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)；虛擬實(shí)驗(yàn)；物理實(shí)驗(yàn)；實(shí)驗(yàn)教學(xué)

1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的概述

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，是指利用三維圖形生成技術(shù)、多傳感交互技術(shù)、多媒體技術(shù)、人工智能技術(shù)以及人機(jī)接口技術(shù)等高新技術(shù)生成三維逼真的虛擬環(huán)境［1-2］。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)包含虛擬場景和物體的設(shè)計與編碼，以及空間背景、幾何造型、視點(diǎn)設(shè)置、坐標(biāo)系變換、大氣效果、瀏覽者信息、模塊化和內(nèi)聯(lián)、光照效果、聲音節(jié)點(diǎn)、朝向節(jié)點(diǎn)和鏈接物節(jié)點(diǎn)等設(shè)計。通過構(gòu)建一個數(shù)字、圖形、圖像、動畫、視頻等不同信息為一體的虛擬系統(tǒng)，創(chuàng)造出一個內(nèi)容豐富、色彩繽紛、圖文并茂、動靜相融的虛擬情景，促使人們感官接受刺激，使人們產(chǎn)生一種身臨其境的近乎真實(shí)的感覺［3］。

2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的特征

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的特征主要包括：多感知性、沉浸性、交互性、構(gòu)想性等［4］。

圖1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)特征

2.1 多感知性

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)該具有視覺感知、觸覺感知、運(yùn)動感知，甚至包括味覺感知、嗅覺感知等。理想的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)該具有一切人所具有的感知功能［4］。但由于相關(guān)技術(shù)，特別是傳感技術(shù)的限制，目前虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)所具有的感知功能僅限于視覺、聽覺、力覺、觸覺、運(yùn)動等幾種。

2.2 沉浸性

理想的虛擬環(huán)境應(yīng)該使操作者體驗(yàn)到三維立體感，操作者在全身心地投入到計算機(jī)創(chuàng)建的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，體會應(yīng)與現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的感覺基本相同。

2.3 交互性

交互性指體驗(yàn)者對模擬環(huán)境內(nèi)物體的可操作程度和從環(huán)境得到反饋的自然程度（包括實(shí)時性）。用戶可以通過三維交互設(shè)備直接操縱計算機(jī)所給出的虛擬世界中的對象，虛擬世界中的對象也能夠?qū)崟r地做出相應(yīng)的反應(yīng)。

2.4 構(gòu)想性

通過在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境操作過程中，操作者在得到感性和理性的認(rèn)識的同時，會加深概念的理解，并獲取新的信息，啟發(fā)新的構(gòu)思，進(jìn)而解決實(shí)際應(yīng)用問題。

3 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在物理實(shí)驗(yàn)中的作用

在高等院校理工科專業(yè)教學(xué)中，大學(xué)實(shí)驗(yàn)是教學(xué)中一個必不可少的過程，而高等院校傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室里設(shè)備過于陳舊，一般需購置先進(jìn)而且昂貴的基礎(chǔ)測量儀器，這些儀器投資大、技術(shù)更新快、維護(hù)困難［5］，并且投資經(jīng)費(fèi)有限，教學(xué)實(shí)驗(yàn)室更新速度慢，不利于高等院校教育教學(xué)。因此，引入虛擬技術(shù)迫在眉睫，所以要把虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)同現(xiàn)代教學(xué)技術(shù)相結(jié)合，打造虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)平臺，這個平臺能夠?yàn)閷W(xué)生提供生動、逼真的學(xué)習(xí)環(huán)境，能夠調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，對于提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能都將起到積極的作用［6］。因此，在物理實(shí)驗(yàn)室中應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已成為必然趨勢。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以提供開放式實(shí)驗(yàn)環(huán)境，真正實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室向?qū)W生開放，學(xué)生可以打破時間和地域的限制完成相關(guān)的教學(xué)實(shí)驗(yàn)。由于虛擬儀器系統(tǒng)的支持，學(xué)生可以自擬、自選實(shí)驗(yàn)題目，自行組織實(shí)驗(yàn)，變使用現(xiàn)成的儀器為開發(fā)自己的儀器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，摒棄傳統(tǒng)的灌輸式教學(xué)方式，讓學(xué)生自主參與到教學(xué)中來，最大限度地發(fā)揮學(xué)生的主動性和創(chuàng)造性。這種學(xué)生自主探索的學(xué)習(xí)活動，可使他們的個性得到充分地發(fā)展，創(chuàng)造能力得到很大地提高，最大程度地鍛煉和開發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新能力，極大地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

3.1 節(jié)約成本

目前，某些高等院校由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備陳舊，投入的教學(xué)經(jīng)費(fèi)有限，設(shè)備更新速度慢等原因，使一些應(yīng)該開設(shè)的教學(xué)實(shí)驗(yàn)無法進(jìn)行。創(chuàng)建虛擬現(xiàn)實(shí)室，可以彌補(bǔ)這些方面的不足。虛擬實(shí)驗(yàn)室容易構(gòu)建，可以做多種實(shí)驗(yàn)，既可減少實(shí)驗(yàn)室資金的投入及建設(shè)的個數(shù)，又可以提高實(shí)驗(yàn)室的利用率，降低了實(shí)驗(yàn)器材的消耗，減少了因操作不當(dāng)造成的儀器設(shè)備的損壞，在高校實(shí)驗(yàn)室中發(fā)揮著重要作用。運(yùn)用虛擬儀器技術(shù)搭建功能強(qiáng)大的虛擬實(shí)驗(yàn)室，可以節(jié)省購置大量新型設(shè)備的費(fèi)用，顯著降低實(shí)驗(yàn)室建設(shè)和管理成本，節(jié)約實(shí)驗(yàn)室的投入成本。

3.2 提高教學(xué)效果

虛擬實(shí)驗(yàn)室不受實(shí)驗(yàn)時間和實(shí)驗(yàn)場地的限制，學(xué)生可以靈活地選擇實(shí)驗(yàn)題目及實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)場地也不局限于實(shí)驗(yàn)室，利用計算機(jī)就可以虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，提高了實(shí)驗(yàn)效率。并且，利用構(gòu)建的虛擬實(shí)驗(yàn)室，學(xué)生可以及時進(jìn)行預(yù)習(xí)、操作實(shí)驗(yàn)、數(shù)據(jù)處理、誤差分析和提交實(shí)驗(yàn)報告。學(xué)生通過虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)能夠做實(shí)驗(yàn)，和實(shí)際實(shí)驗(yàn)一樣也要調(diào)節(jié)儀器，讀數(shù)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理等，從而加深對實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的理解，并從中能夠獲得啟示，有助于實(shí)驗(yàn)問題的解決。例如，光學(xué)實(shí)驗(yàn)要求精度高，經(jīng)常會因調(diào)節(jié)不準(zhǔn)根本看不到實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。在虛擬實(shí)驗(yàn)室中，實(shí)驗(yàn)的操作就會變得很簡單，很容易就能改變實(shí)驗(yàn)的條件，提高了實(shí)驗(yàn)效果。

建設(shè)虛擬實(shí)驗(yàn)室，既能使實(shí)驗(yàn)教學(xué)上一個新的臺階，又能跟上國際先進(jìn)水平，發(fā)揮本學(xué)科實(shí)驗(yàn)教學(xué)的優(yōu)勢。虛擬儀器技術(shù)使過去互不相干、獨(dú)立分散的信號調(diào)理、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)輸出和傳輸?shù)仍S多技術(shù)領(lǐng)域相互影響、相互融合，并形成新的技術(shù)方法和規(guī)范，從而提高實(shí)驗(yàn)室水平，提高儀器界面的人機(jī)交互能力和可視化程度，給實(shí)驗(yàn)者更高性能的儀器設(shè)備，滿足實(shí)驗(yàn)教學(xué)不斷提出的新的教學(xué)要求。

3.3 提升學(xué)生實(shí)踐能力

通過虛擬實(shí)驗(yàn)室，學(xué)生可以靈活地改變實(shí)驗(yàn)參數(shù)，觀察虛擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以及時評估某些因素改變對實(shí)驗(yàn)的影響［6］，有利于學(xué)生更好的掌握物理專業(yè)知識，同時提高了學(xué)生的操作技能、分析問題及解決問題的能力，為將來的科研和工作打下堅實(shí)的基礎(chǔ)。大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)多數(shù)是驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容固定，學(xué)生只要按照實(shí)驗(yàn)步驟就可以完成實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)缺乏創(chuàng)新性。創(chuàng)建虛擬實(shí)驗(yàn)室，就可以靈活的改變實(shí)驗(yàn)項目，增加設(shè)計性實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生依據(jù)實(shí)驗(yàn)題目及要求，自行設(shè)計實(shí)驗(yàn)方案，并完成實(shí)驗(yàn)，實(shí)時觀測不同因素對實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響，形成實(shí)驗(yàn)報告并及時提交。因此，虛擬實(shí)驗(yàn)可以提高學(xué)生的設(shè)計能力，并鍛煉學(xué)生的創(chuàng)新思維，及激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情，有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神及提升學(xué)生的實(shí)踐能力。

4 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)帶來的不利影響

構(gòu)建的虛擬實(shí)驗(yàn)儀器雖然形象逼真，但是學(xué)生利用虛擬實(shí)驗(yàn)室操作實(shí)驗(yàn)和在實(shí)驗(yàn)室里真實(shí)操作儀器完成實(shí)驗(yàn)還是有差別的。例如在實(shí)際操作中，實(shí)驗(yàn)器件跟參數(shù)有關(guān)，或者參數(shù)完全一致的器件，由于操作者不同，實(shí)驗(yàn)結(jié)果也會有差別。而虛擬實(shí)驗(yàn)在這方面是無能為力的。盡管在虛擬實(shí)驗(yàn)中可以人為地加一些干擾因素進(jìn)行系統(tǒng)仿真，但這與實(shí)際操作實(shí)驗(yàn)會出現(xiàn)的不確定干擾因素是無法相比的，而且有些干擾因素虛擬實(shí)驗(yàn)無法仿真［7］。物理實(shí)驗(yàn)當(dāng)中很多實(shí)驗(yàn)儀器，如示波器、掃頻儀的使用比較復(fù)雜，學(xué)生需要經(jīng)過反復(fù)調(diào)節(jié)使用，才能規(guī)范地、熟練地掌握各種常見儀器操作技巧，還有實(shí)驗(yàn)光路的搭建等都需要學(xué)生耐心細(xì)致的調(diào)節(jié)，還要掌握各種儀器的正確讀數(shù)。而虛擬實(shí)驗(yàn)室的虛擬儀器在調(diào)節(jié)使用及讀數(shù)方面有所欠缺，不利于學(xué)生對實(shí)驗(yàn)儀器操作技能的訓(xùn)練，對于學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)實(shí)驗(yàn)態(tài)度的建立及良好實(shí)驗(yàn)習(xí)慣培養(yǎng)都會起到不利影響。如果完全依靠虛擬實(shí)驗(yàn)室來完成實(shí)驗(yàn)，會對學(xué)生解決實(shí)際問題能力方面的培養(yǎng)產(chǎn)生負(fù)面影響。所以，構(gòu)建的虛擬實(shí)驗(yàn)室應(yīng)與原有實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系相結(jié)合，來培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力。

5 結(jié)語

物理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)目的在于培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)分析能力、實(shí)際操作能力及數(shù)據(jù)處理能力，同時也培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用所學(xué)的物理專業(yè)知識去分析、解決實(shí)際問題的能力。通過虛擬實(shí)驗(yàn)，可以豐富高等教育的物理實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)內(nèi)容，在減少驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)同時，增加綜合性、設(shè)計性及創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)，加強(qiáng)計算機(jī)虛擬實(shí)驗(yàn)手段的應(yīng)用，加深學(xué)生對相關(guān)物理實(shí)驗(yàn)知識的理解層次，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)效果。

［1］申蔚，夏立文.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)［M］.北京：北京希望電子出版社，2002.

［2］董妍，張永萍，張巧玲.虛擬實(shí)驗(yàn)室的構(gòu)建［J］.裝甲兵技術(shù)學(xué)院報，2005，4（3）：4-5.

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［5］高麗娜，汪敬賢.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用研究［J］.長春師范學(xué)院學(xué)報，2009，5（2）：11-13.

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［7］蔣英.對虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)室的出淺知識［J］.天津城市建設(shè)學(xué)院學(xué)報，2007，15（9）：13-16.

Application Research of Virtual Reality Technology in Physical Experiment

TAN Shu-mei，CUIHai-ying
（College of Physics and Electric Information Engineering，Daqing Normal University，Daqing 163712，China）

A concise summary of the virtual reality technology ismade.The characteristics of the virtual reality technology are summarized.constructing virtual laboratory have an importance in the physical experiment teaching.The advantages of combining virtual experimentwith experiment teaching is described.Disadvantage of relying solely have an adverse effect on virtual laboratory of experiment teaching.

virtual technology；virtual experiment；physical experiment；experiment teaching

譚淑梅（1964-），女，黑龍江肇東人，大慶師范學(xué)院物理與電氣信息工程學(xué)院副教授，從事物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究。

G642.0

A

2095-0063（2013）06-0125-03

2013-05-26