基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的物理實(shí)驗(yàn)室建設(shè)

賀華

（湖北工業(yè)大學(xué) 太陽(yáng)能高效利用湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 武漢 430068）

基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的物理實(shí)驗(yàn)室建設(shè)

賀華

（湖北工業(yè)大學(xué) 太陽(yáng)能高效利用湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 武漢 430068）

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)近來(lái)得到很大關(guān)注，應(yīng)用于物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，可以帶來(lái)更好的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，并能節(jié)省實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)經(jīng)費(fèi)。本文闡述了基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的實(shí)驗(yàn)室建設(shè)相關(guān)內(nèi)容，包含硬件建設(shè)和軟件建設(shè)，還有相應(yīng)規(guī)章制度的建立。

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

近年來(lái)，虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）技術(shù)正迎來(lái)井噴式發(fā)展，成為新的科技產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢(shì)，受到不同領(lǐng)域越來(lái)越多的重視和關(guān)注，據(jù)報(bào)道，未來(lái)10年，VR技術(shù)的產(chǎn)業(yè)規(guī)模將突破萬(wàn)億［1］。國(guó)外如Facebook和Sony等正投入上百億美元進(jìn)行相關(guān)技術(shù)研發(fā)［2］，國(guó)內(nèi)如阿里巴巴、騰訊和百度等也有數(shù)十億美元的投資計(jì)劃［3］?？梢灶A(yù)見(jiàn)，隨著VR技術(shù)的成熟和成本的降低，其無(wú)與倫比的用戶體驗(yàn)和沉浸感將吸引越來(lái)越多人的興趣和參與，進(jìn)而深刻影響人員互動(dòng)和社會(huì)發(fā)展等各方面。因此將VR技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)模式的改革與創(chuàng)新將前景光明，大有可為。虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用于教育是教育技術(shù)發(fā)展的一個(gè)飛躍。它營(yíng)造了“自主學(xué)習(xí)”的環(huán)境，由傳統(tǒng)的“以教促學(xué)”的學(xué)習(xí)方式代之為學(xué)習(xí)者通過(guò)自身與信息環(huán)境的相互作用來(lái)得到知識(shí)、技能的新型學(xué)習(xí)方式。目前，受限于VR技術(shù)的高成本，一般應(yīng)用在特定領(lǐng)域，如美國(guó)NASA用來(lái)培訓(xùn)國(guó)際空間站的太空人；北京航天航空大學(xué)在分布式飛行模擬方面的應(yīng)用；浙江大學(xué)在建筑方面進(jìn)行虛擬規(guī)劃、虛擬設(shè)計(jì)的應(yīng)用；哈爾濱工業(yè)大學(xué)在人機(jī)交互方面的應(yīng)用；清華大學(xué)對(duì)臨場(chǎng)感的研究等都頗具特色。虛擬實(shí)驗(yàn)利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，可以建立各種虛擬實(shí)驗(yàn)室，如地理、物理、化學(xué)、生物實(shí)驗(yàn)室等，擁有傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室難以比擬的優(yōu)勢(shì)［1-4］。本文對(duì)基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式做了探討，主要內(nèi)容有在實(shí)驗(yàn)資源相對(duì)有限的情況下，如何構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)室，如何建立相應(yīng)的教學(xué)管理模式和規(guī)則制度等。

創(chuàng)新教學(xué)模式，緊跟時(shí)代步伐，與時(shí)俱進(jìn)，改變傳統(tǒng)以教為主，變?yōu)閷W(xué)生自主學(xué)習(xí)為主，讓學(xué)生有條件更加自由的發(fā)展。如實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式改革所倡導(dǎo)的精神，以學(xué)生為中心，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)提供了實(shí)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換的平臺(tái)。傳統(tǒng)教學(xué)是以教師為主，學(xué)生處于被動(dòng)接受地位，對(duì)于學(xué)習(xí)的內(nèi)容和方式都沒(méi)有更多的選擇。尤其在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，這種被動(dòng)接受的角色更難改變，主要原因有實(shí)驗(yàn)儀器的限制，有些儀器容易損壞或價(jià)值較高等，還有就是場(chǎng)地限制，有些實(shí)驗(yàn)需要較大的空間，不像理論課可以一個(gè)課堂容納好幾個(gè)班的學(xué)生，實(shí)驗(yàn)室通常只能一次接待少數(shù)學(xué)生，幾乎沒(méi)有一個(gè)班能完全容納的情況。這些因素等都限制了實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容開(kāi)放的自由度。采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠彌補(bǔ)上述不足，相關(guān)設(shè)備占用空間不大，如VR眼鏡，卻能取得接近真實(shí)的實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)，而不用擔(dān)心儀器的損耗或損壞，顯然優(yōu)勢(shì)很多。和以往常采用的虛擬實(shí)驗(yàn)比較，多了更真實(shí)的感受，對(duì)于真正的實(shí)驗(yàn)操作指導(dǎo)作用更大。

走向建構(gòu)主義教學(xué)理念，以學(xué)習(xí)者為中心，以過(guò)程為中心，建立師生和諧協(xié)作，互動(dòng)對(duì)話的新模式。教學(xué)不再是負(fù)擔(dān)，學(xué)習(xí)不再是苦事，新的模式，新的理念促成師生真正的教學(xué)相長(zhǎng)。提供創(chuàng)新性學(xué)習(xí)內(nèi)容和環(huán)境，培養(yǎng)創(chuàng)新性人才一直是教育改革的重要目標(biāo)，但要真正實(shí)現(xiàn)并不容易。尤其創(chuàng)新性物理實(shí)驗(yàn)的構(gòu)建通常成本較高，各種儀器購(gòu)置費(fèi)，還有損耗等，與硬件建設(shè)息息相關(guān)。而虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以與部分硬件結(jié)合，取得相同的教學(xué)效果，同時(shí)成本可以大大降低，無(wú)疑是建設(shè)創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)室的很好技術(shù)手段。

在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，首先是研究?jī)?nèi)容，可以將相關(guān)物理實(shí)驗(yàn)用Unity3D等可應(yīng)用于虛擬現(xiàn)實(shí)的軟件，進(jìn)行虛擬現(xiàn)實(shí)建模，而后采購(gòu)相關(guān)硬件設(shè)施，如計(jì)算機(jī)，頭盔顯示器，姿勢(shì)傳感器等搭建虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。開(kāi)發(fā)相關(guān)軟件，購(gòu)置必要硬件，建立一間功能齊全的虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室。虛擬現(xiàn)實(shí)內(nèi)容中物理效果的真實(shí)度很重要，有些內(nèi)容較難實(shí)現(xiàn)，如光學(xué)干涉等效果，目前還沒(méi)有這種物理引擎能制作這種物理效果，一般得由教師自主開(kāi)發(fā)。此外還有硬件的搭配問(wèn)題，不同廠家的產(chǎn)品往往標(biāo)準(zhǔn)不一，需要協(xié)調(diào)設(shè)置。

虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)好后，還有建立相應(yīng)的規(guī)章制度，才能較好的發(fā)揮功能，由于與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)有很多不同，需要設(shè)計(jì)新的制度。一般的規(guī)章制度主要包括人員配置、儀器設(shè)備配置和維護(hù)和職責(zé)說(shuō)明等。在實(shí)驗(yàn)室初創(chuàng)階段，可以考慮購(gòu)置少量的儀器和設(shè)備，待人員培訓(xùn)熟練后再推廣，避免因早期經(jīng)驗(yàn)不足導(dǎo)致不必要的經(jīng)費(fèi)投入。實(shí)驗(yàn)員一般負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)室維護(hù)，但在虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室可能需要新的技能培訓(xùn)和學(xué)習(xí)，而且需要掌握的內(nèi)容包含硬件和軟件兩個(gè)方面，在實(shí)驗(yàn)室全面開(kāi)放時(shí)，可以想見(jiàn)，各種問(wèn)題都會(huì)出現(xiàn)，如出現(xiàn)軟件故障等，需要有經(jīng)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)員快速處理，以保障實(shí)驗(yàn)的正常運(yùn)作。

綜上所述，建立基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的實(shí)驗(yàn)室，能夠有效減少實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)經(jīng)費(fèi)，能讓師生都積極參與到實(shí)驗(yàn)室建設(shè)和研究中，與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室教學(xué)比較，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容上更加豐富，可以有更好的教學(xué)效果。

［1］楊宏偉.虛擬仿真技術(shù)在物理實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用［J］.實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2005，24（9）：38-39.

［2］張逸，梅龍寶，詹壽發(fā)等.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與物理實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新［J］.實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2002，19（3）：46-49.

［3］譚守標(biāo)，霍劍青，王曉蒲等.虛擬實(shí)驗(yàn)軟件的建模方法與實(shí)現(xiàn)技術(shù)［J］.小型微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，2003，24（12）：2239-2243.

［4］何光宏，陶純匡.虛擬現(xiàn)實(shí)、虛擬儀器及其對(duì)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)建設(shè)的影響［J］.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2003，16（2）：17-21.

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