虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)App的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

郟友濤 吳偉敏 朱英嵐 林佳鑫

摘 要： 如今，學(xué)習(xí)者日益增長的學(xué)習(xí)需求與限制較多的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的矛盾越來越突出。隨著信息化建設(shè)的不斷推進(jìn)以及高校教育理念的不斷更新發(fā)展，物理實(shí)驗(yàn)也應(yīng)符合時(shí)宜地上升到具有科技化、信息化，并與時(shí)代感相對稱的高水平方法上來。以虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)與移動(dòng)應(yīng)用相結(jié)合為切入點(diǎn)，搭建了一個(gè)以學(xué)生為中心的實(shí)驗(yàn)教學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺，并進(jìn)行了相應(yīng)的教學(xué)實(shí)踐。實(shí)踐表明，實(shí)驗(yàn)教學(xué)結(jié)合虛擬實(shí)驗(yàn)平臺可以有效改良教學(xué)效果并提高實(shí)驗(yàn)資源的利用率。

關(guān)鍵詞： 虛擬實(shí)驗(yàn)； 物理實(shí)驗(yàn)； 移動(dòng)學(xué)習(xí)； 教育應(yīng)用； 教學(xué)實(shí)踐

中圖分類號：G434 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1006-8228（2018）07-37-04

Abstract： Nowadays， the contradiction between increasing learning demand of contemporary learners and the limitations of traditional experiment teaching is becoming increasingly prominent. With the continuous advancement of information construction and the development of higher education concepts， physics experiments should also advance to a high-level method that is technological， informative to keep pace with the sense of the times. This article focuses on the combination of virtual experiment teaching and mobile application. Based on that， a student-centered virtual experiment platform for experiment teaching is constructed and experimented by corresponding teaching practice. Practice indicates that the experiment teaching combined with virtual experiment platform can effectively improve the teaching effect and the utilization of experimental resources.

Key words： virtual experiments； physics experiments； mobile learning； educational applications； teaching practice

0 引言

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是各學(xué)科教學(xué)中的一個(gè)重要的部分，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中往往伴隨著材料磨損、實(shí)驗(yàn)設(shè)備昂貴等各方面問題。而在虛擬實(shí)驗(yàn)平臺中，這些問題可以得到有效的控制和解決，因而虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的互相結(jié)合將是實(shí)驗(yàn)教學(xué)中一項(xiàng)有意義的工作。

隨著信息化建設(shè)的不斷推進(jìn)，教育理念也開始發(fā)生了改變。慕課、微課等新型教學(xué)方式的出現(xiàn)讓建構(gòu)主義理論也得到了更好的實(shí)現(xiàn)，翻轉(zhuǎn)課堂的應(yīng)用更讓學(xué)生的學(xué)習(xí)過程不再局限于固定的課堂以及老師的知識灌輸，而是以學(xué)生自主構(gòu)建知識體系為主，教師作為促進(jìn)者與輔助者提供幫助。在這樣的一種改革浪潮下，移動(dòng)學(xué)習(xí)則成為當(dāng)下教育行業(yè)的熱點(diǎn)。

移動(dòng)平臺為移動(dòng)學(xué)習(xí)提供了更加強(qiáng)有力的支撐，也為學(xué)生的自主學(xué)習(xí)提供了更便捷的途徑[1]，搭建以學(xué)生為中心的實(shí)驗(yàn)教學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺，開發(fā)跨平臺的虛擬實(shí)驗(yàn)app，將成為利用碎片化時(shí)間進(jìn)行學(xué)習(xí)的有效途徑。

1 虛擬實(shí)驗(yàn)平臺

1.1 虛擬實(shí)驗(yàn)的定義

虛擬實(shí)驗(yàn)室最早出現(xiàn)于1989年，是由弗吉尼亞大學(xué)第一次提出并建立的一個(gè)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)化的虛擬環(huán)境實(shí)驗(yàn)室。隨后聯(lián)合國教科文組織將其定義為：利用分散的信息和通訊技術(shù)以創(chuàng)造或獲取成果為目的在科研與其他創(chuàng)造性活動(dòng)中進(jìn)行遠(yuǎn)距離合作和實(shí)驗(yàn)的一種電子協(xié)作組。1999年，美國愛荷華州立大學(xué)的專家會議中又進(jìn)行了進(jìn)一步的定義：虛擬實(shí)驗(yàn)室是為研究和創(chuàng)新活動(dòng)提供了遠(yuǎn)程的協(xié)作和實(shí)驗(yàn)的電子平臺，用來描述計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)化的虛擬實(shí)驗(yàn)室環(huán)境。

1.2 虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)與傳統(tǒng)高校儀器分析教學(xué)的比較

在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師往往通過課堂上的講解，以及講臺上的實(shí)驗(yàn)來給學(xué)生講授實(shí)驗(yàn)知識。但是教師的講解往往是抽象的，學(xué)生若無法真正接觸實(shí)驗(yàn)，那么實(shí)驗(yàn)教學(xué)對于學(xué)生來說就都是紙上談兵。并且，相較于虛擬實(shí)驗(yàn)平臺，傳統(tǒng)儀器分析教學(xué)又有著以下幾點(diǎn)問題。

⑴ 硬件設(shè)施不夠齊全，實(shí)驗(yàn)條件有限。一些精密的分析儀器往往價(jià)格昂貴，所以一臺儀器可能要被幾位同學(xué)共同使用，加之這些儀器的運(yùn)行成本較高，導(dǎo)致這類儀器主要面向于高校教師和研究生，對于本科生的開放程度則較低，嚴(yán)重限制了實(shí)驗(yàn)教學(xué)對于高校本科生的普及。

⑵ 學(xué)生無法深入理解與掌握。由于高校中本科生的基數(shù)大，所以每個(gè)實(shí)驗(yàn)小組可能會有比較多的人數(shù)，大部分情況下學(xué)生動(dòng)手操作的機(jī)會少，只能通過教師的講解和演示實(shí)驗(yàn)來觀察實(shí)驗(yàn)的原理和儀器的構(gòu)造，了解實(shí)驗(yàn)的操作流程和方法，因此學(xué)生對實(shí)驗(yàn)知識停留在了書本上面，不利于培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力。

⑶ 實(shí)驗(yàn)無需思考，只要達(dá)到目標(biāo)即可。高校的實(shí)驗(yàn)中，一般僅僅局限于教材書本上的幾個(gè)小實(shí)驗(yàn)，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，只需要保證實(shí)驗(yàn)的基本操作是與實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書上一致的就可以順利通過，而無需在意實(shí)驗(yàn)原理。

⑷ 實(shí)驗(yàn)考核存在一定問題。在高校中，實(shí)驗(yàn)課程的分?jǐn)?shù)主要是通過實(shí)驗(yàn)的結(jié)果來進(jìn)行打分，而缺少了對過程的分析。這樣的實(shí)驗(yàn)評估機(jī)制直接導(dǎo)致學(xué)生只注重對理論知識和正確實(shí)驗(yàn)操作的機(jī)械記憶，課前不需要做預(yù)習(xí)準(zhǔn)備，課上不認(rèn)真做或只是為了分?jǐn)?shù)而敷衍了事，課后抄襲實(shí)驗(yàn)報(bào)告，極度不利于學(xué)生的綜合素質(zhì)的培養(yǎng)[2]。

2 基于移動(dòng)端的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的到來，移動(dòng)端APP應(yīng)用越來越廣泛。廣大師生也越來越期望能使用手機(jī)端訪問各種應(yīng)用系統(tǒng)，以充分享受移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)帶來的便利[3-6]。因此，本文基于智能移動(dòng)終端開發(fā)移動(dòng)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺。

2.1 需求分析

虛擬實(shí)驗(yàn)平臺中的實(shí)驗(yàn)資源多種多樣，可以很大程度上滿足學(xué)習(xí)者的需求，提升實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)質(zhì)量。在提供翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)支持、學(xué)習(xí)者自主進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)等方面，虛擬實(shí)驗(yàn)平臺將發(fā)揮重要作用。通過此移動(dòng)端虛擬實(shí)驗(yàn)室平臺，學(xué)習(xí)者可以在移動(dòng)端設(shè)備上利用碎片化的時(shí)間學(xué)習(xí)相關(guān)實(shí)驗(yàn)操作以及細(xì)節(jié)，從而加深實(shí)驗(yàn)的理解。

學(xué)生需要了解相關(guān)物理實(shí)驗(yàn)的知識架構(gòu)、操作流程、操作結(jié)果以及相關(guān)課外知識等，教師需要了解學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，并掌握實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)成績。因此該平臺的主要功能需求有以下。

⑴ 平臺的注冊和登錄。學(xué)生需要有一個(gè)自己的用戶賬戶，便于個(gè)性化記錄自身學(xué)習(xí)情況，包括錯(cuò)誤操作記錄、實(shí)驗(yàn)成績、實(shí)驗(yàn)流程等。

⑵ 模擬實(shí)驗(yàn)的流程、內(nèi)容或任務(wù)。平臺需要提供完善的模擬實(shí)驗(yàn)，能對平臺用戶的模擬操作產(chǎn)生一定的交互，并以此產(chǎn)生操作結(jié)果（成績），這也是平臺最核心的功能。

⑶ 后臺數(shù)據(jù)管理。教師需要一個(gè)途徑管理學(xué)生實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和相關(guān)實(shí)驗(yàn)流程，并對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選和分析，以此作為實(shí)驗(yàn)成績評判的標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 平臺開發(fā)實(shí)現(xiàn)

學(xué)生用戶在使用本平臺的基本行為流程為：注冊用戶信息，登錄虛擬實(shí)驗(yàn)平臺，自主學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)操作，完成實(shí)驗(yàn)后提交所得實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

教師用戶則可以在服務(wù)器端提供的web頁面上查看并導(dǎo)出、記錄學(xué)生所得的成績，系統(tǒng)的總體框架如圖1所示。

在平臺的搭建過程中，利用unity游戲引擎結(jié)合php服務(wù)器腳本語言實(shí)現(xiàn)客戶端與數(shù)據(jù)服務(wù)器之間的交互，并通過md5碼加密等方式對各級用戶數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，確保平臺的安全性和穩(wěn)定性。

2.3 大學(xué)物理的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)——以“聲波測速實(shí)驗(yàn)”為例

在大學(xué)物理教學(xué)過程中，物理實(shí)驗(yàn)是必不可少的一部分，以虛擬物理模型來代替具體物理實(shí)驗(yàn)器材，可以使物理規(guī)律及事物的性質(zhì)得到更加簡明準(zhǔn)確的表達(dá)，從而增強(qiáng)學(xué)習(xí)的有效性。

2.3.1 聲波測速實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)思路

在聲波測速實(shí)驗(yàn)中，首先要對儀器器材進(jìn)行三維建模，利用三維動(dòng)畫技術(shù)增強(qiáng)模擬實(shí)驗(yàn)的仿真效果，通過unity腳本來對實(shí)驗(yàn)流程及可能出現(xiàn)的情況進(jìn)行相應(yīng)控制及提示。

2.3.2 聲波測速實(shí)驗(yàn)的實(shí)現(xiàn)

該實(shí)驗(yàn)在實(shí)現(xiàn)中考慮及需解決的問題：

⑴ 該實(shí)驗(yàn)中物理器材的模型均由3dmax三維建模工具所實(shí)現(xiàn)，所以需要研究具體物理設(shè)備，以此來更好的制作模型的物理外觀、材質(zhì)、貼圖等。

⑵ 考慮到移動(dòng)端僅依靠手指來進(jìn)行操作的操作特點(diǎn)，需在模擬實(shí)驗(yàn)中構(gòu)建合理精準(zhǔn)的物理碰撞系統(tǒng)，并通過unity腳本編寫算法，實(shí)現(xiàn)觸摸事件，以此來提高手指觸碰的精度，實(shí)現(xiàn)對器材的操作。

⑶ 示波器所顯示的波形圖由多個(gè)物理元件所控制，需要用靜態(tài)數(shù)據(jù)來存儲其控制參數(shù)，如振幅，相位等，以實(shí)現(xiàn)根據(jù)學(xué)習(xí)者所選擇的操作來動(dòng)態(tài)生成波形曲線。

⑷ 虛擬實(shí)驗(yàn)中由于屏幕大小所限，很多操作會產(chǎn)生儀器的連鎖反應(yīng)，為了全面地展示實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象，對于儀器間的關(guān)聯(lián)反應(yīng)的展現(xiàn)可以采取多相機(jī)分屏處理的方法以實(shí)現(xiàn)全面展現(xiàn)的效果。

2.3.3 測試運(yùn)行

在整個(gè)虛擬聲波測速實(shí)驗(yàn)場景構(gòu)建完成之后，我們對該實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了相應(yīng)的測試，即在移動(dòng)終端安裝此app，并通過內(nèi)測賬號登入實(shí)驗(yàn)平臺來進(jìn)行測試。

通過該模擬實(shí)驗(yàn)，學(xué)生清楚地了解到了聲波測速實(shí)驗(yàn)的具體操作流程，明白了示波器、滾輪、游標(biāo)卡尺等基本器材的基本操作，對于不同操作會導(dǎo)致不同波形的變化也有所了解。學(xué)生們通過調(diào)節(jié)示波器，獲得頻率的均值，通過旋轉(zhuǎn)滾輪并觀察記錄波形圖峰值位置來測量波長。實(shí)驗(yàn)操作界面如圖2所示。

3 虛擬實(shí)驗(yàn)室app的實(shí)踐意義

在實(shí)踐教學(xué)中，利用虛擬實(shí)驗(yàn)室app來輔助教學(xué)，實(shí)現(xiàn)“虛實(shí)結(jié)合”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，并與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)相比較，得到以下結(jié)論：

3.1 虛擬實(shí)驗(yàn)室app結(jié)合教學(xué)使得實(shí)驗(yàn)教學(xué)成本顯著降低

虛擬實(shí)驗(yàn)中使用到的設(shè)備是通過計(jì)算機(jī)構(gòu)建出來的虛擬物體，而且這些虛擬的儀器設(shè)備在使用過程中沒有任何損耗，所以虛擬實(shí)驗(yàn)可以有效的節(jié)約實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的成本[7]。在實(shí)踐中，以虛擬實(shí)驗(yàn)室app輔助教學(xué)，有效地減少了器材損壞過快，如：同樣新進(jìn)的器材，采用虛實(shí)結(jié)合教學(xué)模式的器材使用次數(shù)可以達(dá)到傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式下使用次數(shù)的兩倍以上。

3.2 虛擬實(shí)驗(yàn)室app輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué)有效提升了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效率

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，學(xué)生在課前預(yù)習(xí)時(shí)沒有以實(shí)驗(yàn)器材作為參照，導(dǎo)致做實(shí)驗(yàn)時(shí)的成功率不高，實(shí)驗(yàn)教學(xué)沒有達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)和效果。在“虛實(shí)結(jié)合”教學(xué)模式中，學(xué)生在進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)時(shí)不需要進(jìn)行一些簡單的勞動(dòng)操作，因此有更多的時(shí)間去觀察實(shí)驗(yàn)本身的現(xiàn)象，回到現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)中，又因熟悉操作而大大提高了實(shí)驗(yàn)的效率。同時(shí)，虛擬實(shí)驗(yàn)室還充分利用計(jì)算機(jī)優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)手把手的教學(xué)，從而學(xué)習(xí)者能更完美的完成實(shí)驗(yàn)研究的要求，有助于學(xué)生學(xué)習(xí)和研究效率的提高[8]。

3.3 虛擬實(shí)驗(yàn)室app的內(nèi)容全面，自由度高，可以更好地激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生一定的探究能力

虛擬實(shí)驗(yàn)室的開發(fā)時(shí)考慮到了學(xué)生常見的錯(cuò)誤實(shí)驗(yàn)操作，也加入了一些額外的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象或結(jié)果供學(xué)生自由發(fā)揮。實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，學(xué)生更想知道實(shí)驗(yàn)失敗后的現(xiàn)象，虛擬實(shí)驗(yàn)室app滿足了學(xué)生對錯(cuò)誤實(shí)驗(yàn)方法造成的實(shí)驗(yàn)結(jié)果的好奇心，將驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)與探究型實(shí)驗(yàn)有機(jī)結(jié)合，增加了學(xué)習(xí)樂趣，也避免了不必要的損耗，有助于開拓學(xué)生的想象力和創(chuàng)新能力。

3.4 結(jié)合虛擬實(shí)驗(yàn)app的教學(xué)模式更具安全性

在相關(guān)物理實(shí)驗(yàn)中，往往會存在一些較危險(xiǎn)的實(shí)驗(yàn)過程，只要學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)操作失誤，就會帶來一定的安全隱患。虛擬實(shí)驗(yàn)室相比于傳統(tǒng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)安全性更高，在模擬實(shí)驗(yàn)中，高危操作不會產(chǎn)生危險(xiǎn)情況。實(shí)踐中，學(xué)生群體在虛擬實(shí)驗(yàn)中經(jīng)歷過各種錯(cuò)誤操作之后，回歸到現(xiàn)實(shí)之中進(jìn)行操作時(shí)，其犯錯(cuò)率減少至原先的8.3%。由此可見，虛擬實(shí)驗(yàn)可以有效減少現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)中的危險(xiǎn)性[9]。

3.5 虛擬實(shí)驗(yàn)室app不受時(shí)空限制，有效地利用了學(xué)生的碎片化學(xué)習(xí)時(shí)間

在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境中，并不是每一個(gè)學(xué)生都能按照教師規(guī)定的實(shí)驗(yàn)計(jì)劃完成任務(wù)。在對比實(shí)驗(yàn)中，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)出現(xiàn)學(xué)生因?qū)嶒?yàn)時(shí)間不夠?qū)е碌膶?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄不全的情況，實(shí)驗(yàn)結(jié)果不盡如人意?；谖覈苿?dòng)端硬件設(shè)備的普及，移動(dòng)端虛擬實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)了真正的突破時(shí)空限制，學(xué)生可充分地利用各種碎片化時(shí)間，享受到隨時(shí)隨地學(xué)習(xí)相關(guān)實(shí)驗(yàn)課程的便利，提高了學(xué)生對于物理實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)效率。

3.6 缺點(diǎn)與不足

⑴ 虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)壳皟H適用于個(gè)人獨(dú)立實(shí)驗(yàn)，學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)的團(tuán)隊(duì)協(xié)作性不足，仍需在開發(fā)過程中增強(qiáng)具體實(shí)驗(yàn)的團(tuán)隊(duì)協(xié)作性。

⑵ 目前，虛擬實(shí)驗(yàn)只能是輔助手段，還不能完全取代物理實(shí)驗(yàn)。虛擬實(shí)驗(yàn)的交互性也有待提升，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中所遇到的問題不一定是開發(fā)實(shí)驗(yàn)時(shí)所預(yù)估到的問題，因而未必及時(shí)獲得實(shí)驗(yàn)幫助，需要在長期的測試及實(shí)踐過程中，總結(jié)實(shí)驗(yàn)中學(xué)生所反饋的問題信息，提升移動(dòng)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺的可靠性。

4 結(jié)束語

目前，移動(dòng)學(xué)習(xí)的教學(xué)模式已經(jīng)被廣大學(xué)生用戶及教師接受，虛擬實(shí)驗(yàn)平臺相較于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)也確實(shí)有著其獨(dú)特的優(yōu)勢。實(shí)踐證明，移動(dòng)虛擬試驗(yàn)平臺無論是用于翻轉(zhuǎn)課堂或是輔助具體實(shí)驗(yàn)教學(xué)，都能有效地提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力，激發(fā)學(xué)生對于知識的探索熱情。

在未來的教學(xué)中，可以進(jìn)一步擴(kuò)大移動(dòng)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺的教學(xué)應(yīng)用范圍，促進(jìn)各行業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的多元化，并可結(jié)合更為先進(jìn)的移動(dòng)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，來提升虛擬實(shí)驗(yàn)的真實(shí)性、交互性。

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