交互式虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件開發(fā)與成績(jī)?cè)u(píng)定方法

周長(zhǎng)紅 李玉華 廉 冠 付建勝

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

實(shí)驗(yàn)教學(xué)在高等教育中具有重要地位，特別是隨著日益對(duì)提高學(xué)生綜合素質(zhì)、培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神與動(dòng)手能力的重視，實(shí)驗(yàn)教學(xué)成為不可替代的教學(xué)手段。因此，無論高等院校還是中職院校都把實(shí)驗(yàn)教學(xué)作為教學(xué)環(huán)節(jié)中的重中之重[1]。受社會(huì)發(fā)展需求、學(xué)生擴(kuò)招規(guī)模和特殊社會(huì)形勢(shì)的影響，實(shí)驗(yàn)教學(xué)有時(shí)面臨著不少瓶頸問題，主要表現(xiàn)在：

（1）傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)施的不足。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要以指導(dǎo)教師演示和講解為主，除了實(shí)驗(yàn)條件非常充足的高校能為每位學(xué)生提供獨(dú)立動(dòng)手的機(jī)會(huì)，大多數(shù)情況下，學(xué)生都會(huì)被分成實(shí)驗(yàn)小組，多位學(xué)生作為一個(gè)團(tuán)隊(duì)共同操作一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)。這種情況下，不是所有的學(xué)生都能得到有效鍛煉，實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果也就無法得到保證。

（2）實(shí)驗(yàn)教學(xué)在遠(yuǎn)程教育中的困難。遠(yuǎn)程教育是社會(huì)發(fā)展的必然趨勢(shì)，很多無緣得到系統(tǒng)學(xué)習(xí)的人員會(huì)隨著工作的深入而有強(qiáng)烈的提升自己的意愿。另外，遠(yuǎn)程教育也為無法耽誤正常上班時(shí)間和無法親自去往現(xiàn)場(chǎng)聽課的學(xué)員提供了一種便利的機(jī)會(huì)。然而，實(shí)驗(yàn)作為一種必須親自動(dòng)手和現(xiàn)場(chǎng)體驗(yàn)的教學(xué)環(huán)節(jié)，在遠(yuǎn)程教學(xué)模式方面面臨著較大的困難[2,3]。

（3）特殊的社會(huì)形勢(shì)導(dǎo)致了長(zhǎng)時(shí)間線上教學(xué)。課堂教學(xué)由于其教和學(xué)的環(huán)節(jié)比較靈活，教師和學(xué)生雙方均能很快的轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)的上課和聽課的方式，從線下幾乎無障礙的轉(zhuǎn)移到線上來。然而，實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)卻很難做到。能夠親自體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)的步驟和現(xiàn)象，而又不喪失動(dòng)手能力的培養(yǎng)是對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)的重要需求。

本教研組自主開發(fā)了部分實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件以改善當(dāng)前面臨的線上學(xué)習(xí)的問題，本文將以《道路建筑材料》為例，介紹交互式虛擬實(shí)驗(yàn)軟件的開發(fā)方法和在學(xué)生成績(jī)?cè)u(píng)定中的應(yīng)用。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組建

雖然很多院校都花費(fèi)大量經(jīng)費(fèi)組建了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室，但很多實(shí)驗(yàn)依然停留在簡(jiǎn)單的三維演示和視圖控制方面，即使采用了VR虛擬技術(shù)，也只不過是使實(shí)驗(yàn)過程更加逼真而已，并不能提供真實(shí)的物理化學(xué)過程，操作者也沒有辦法按照自己的意愿體驗(yàn)到不同操作造成的不同效果，甚至是失敗。為了快速開發(fā)一套能提供交互操作的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，本文選用游戲引擎Unity3D為開發(fā)平臺(tái)，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(shí)驗(yàn)。使用的主要開發(fā)工具介紹如下：

（1）Unity3D。

Unity3D是由Unity Technologies公司開發(fā)的一個(gè)能讓使用者輕松創(chuàng)建諸如三維視頻游戲、建筑可視化、實(shí)時(shí)三維動(dòng)畫等類型互動(dòng)內(nèi)容的多平臺(tái)的綜合型游戲開發(fā)工具。Unity3D作為實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件的主開發(fā)平臺(tái)有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)[4]，主要表現(xiàn)在：（1）它是一種游戲開發(fā)引擎，基于該平臺(tái)開發(fā)的虛擬實(shí)驗(yàn)無論在風(fēng)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(xiàn)在學(xué)生的應(yīng)用習(xí)慣；（2）基于該平臺(tái)制作的虛擬實(shí)驗(yàn)軟件可以方便的發(fā)布到多個(gè)平臺(tái)，方便不同受眾學(xué)生根據(jù)自己的設(shè)備情況開展實(shí)驗(yàn)操作，而無需更換設(shè)備；（3）該平臺(tái)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(tái)使用C#和Javascript腳本語言控制各種物體的相互關(guān)系和物理過程變化，能夠方便地實(shí)現(xiàn)符合真實(shí)物理和化學(xué)過程的各種實(shí)驗(yàn)效果。

（2）Maya。

MAYA軟件是Autodesk旗下的著名三維建模和動(dòng)畫軟件，該軟件可以做出逼真的實(shí)驗(yàn)實(shí)體模型和極其優(yōu)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(fā)中得到了大量應(yīng)用。

制作完成的針入度實(shí)驗(yàn)的界面如圖1所示。根據(jù)這種虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路，共實(shí)現(xiàn)4個(gè)瀝青性能實(shí)驗(yàn)和2個(gè)瀝青混合料性能實(shí)驗(yàn)的交互式虛擬檢測(cè)，包括瀝青三大指標(biāo)實(shí)驗(yàn)（針入度、軟化點(diǎn)、延度）、瀝青動(dòng)力粘度實(shí)驗(yàn)、瀝青混合料的馬歇爾實(shí)驗(yàn)以及瀝青混合料車轍實(shí)驗(yàn)。這幾個(gè)實(shí)驗(yàn)都是目前道路工程專業(yè)必備的核心實(shí)驗(yàn)。

圖1：針入度虛擬實(shí)驗(yàn)基本界面

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的主要功能

虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要能完成的功能包括：實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)、練習(xí)操作等。實(shí)驗(yàn)時(shí)系統(tǒng)會(huì)為每個(gè)學(xué)生分配不同的指導(dǎo)老師，其間的交互對(duì)話多數(shù)采用幽默的語言，減少學(xué)習(xí)生在新學(xué)習(xí)模式下的陌生感和心理上的不適應(yīng)。

在學(xué)習(xí)模式下，導(dǎo)師主要是帶領(lǐng)大家認(rèn)識(shí)所用到的實(shí)驗(yàn)儀器和各種裝置，這一部分是通過導(dǎo)師提問的方式進(jìn)行的。導(dǎo)師隨機(jī)提問一些儀器名稱，讓學(xué)生在虛擬實(shí)驗(yàn)室中查找，并通過鼠標(biāo)點(diǎn)擊正確的儀器來作答。由于第一次接觸該實(shí)驗(yàn)的學(xué)生并不了解每一個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置，因此，系統(tǒng)中會(huì)給出各種提示，比如鼠標(biāo)滑過的地方，會(huì)顯示該儀器的名稱，以達(dá)到快速學(xué)習(xí)的目的。通常情況下，導(dǎo)師也會(huì)簡(jiǎn)單描述一下該儀器的作用。

在實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ较?，學(xué)生需要認(rèn)真按照實(shí)驗(yàn)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(cuò)誤都會(huì)影響實(shí)驗(yàn)的成敗。所以該部分需要學(xué)生在完全熟悉實(shí)驗(yàn)步驟的基礎(chǔ)上進(jìn)行。因?yàn)樘摂M實(shí)驗(yàn)畢竟不同于現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中也為學(xué)生準(zhǔn)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(jìn)行操作。每次的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是按照學(xué)生的操作規(guī)范程度再加上材料參數(shù)的隨機(jī)值模擬確定的。

3 實(shí)驗(yàn)成績(jī)?cè)u(píng)定

由于該系統(tǒng)具有跨平臺(tái)操作的優(yōu)點(diǎn)，既可以通過PC機(jī)EXE程序運(yùn)行，也可以通過Web平臺(tái)、移動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行操作學(xué)習(xí)。

學(xué)生可以按照自己的意愿，通過任何一種自己方便的模式進(jìn)行學(xué)習(xí)和操作。實(shí)驗(yàn)操作結(jié)束后，學(xué)生每次實(shí)驗(yàn)結(jié)果的數(shù)據(jù)均會(huì)保持在程序中，如果學(xué)生需要查看自己的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，可以通過查看實(shí)驗(yàn)報(bào)告的按鈕，自動(dòng)生成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

如果想提交自己的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，可以在系統(tǒng)中點(diǎn)擊提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告將數(shù)據(jù)上傳系統(tǒng)，也可以拷貝生成的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，通過其他師生學(xué)習(xí)群，如QQ或者微信群等方式進(jìn)行提交。

需要注意的是，實(shí)驗(yàn)報(bào)告中需要人工輸入自己的學(xué)號(hào)和姓名。隨機(jī)編碼是該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)自動(dòng)生成的一串唯一識(shí)別碼，該碼記錄了學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作的時(shí)間、平臺(tái)及硬件物理碼等信息，用于還原學(xué)生的實(shí)驗(yàn)信息和防止學(xué)生通過互相拷貝或利用圖像處理軟件自己生成實(shí)驗(yàn)報(bào)告等作弊行為的發(fā)生。

教師可以通過兩部分內(nèi)容綜合評(píng)價(jià)學(xué)生的成績(jī)，其一是根據(jù)實(shí)驗(yàn)報(bào)告的隨機(jī)編碼，利用系統(tǒng)獲得學(xué)生學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)操作的過程情況，反映學(xué)生的過程成績(jī)；其二是根據(jù)實(shí)驗(yàn)報(bào)告的內(nèi)容，評(píng)價(jià)學(xué)生實(shí)驗(yàn)結(jié)果的正確性和實(shí)驗(yàn)操作的標(biāo)準(zhǔn)性，反映學(xué)生的操作成績(jī)。

4 結(jié)語

隨著目前線上教學(xué)的大力發(fā)展，高校在線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)和評(píng)價(jià)方面存在較大壓力。特別是突發(fā)社會(huì)情況，對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)造成較大沖擊。本文通過總結(jié)本校在交互式虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中的教學(xué)中的部分經(jīng)驗(yàn)，主要得到如今幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)是目前教育方法改變必然面臨的一大趨勢(shì)，既是一種挑戰(zhàn)也是一種機(jī)會(huì)。只有不斷的解決面臨的卡脖子問題，才能更好的發(fā)揮網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的巨大優(yōu)勢(shì)。

（2）基于Unity3D開發(fā)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，不但適合于多平臺(tái)使用，虛擬效果逼真，還能夠反映真實(shí)的物理化學(xué)過程，而且其操作接近游戲風(fēng)格，能夠交互式操作，學(xué)生喜見樂學(xué)。經(jīng)過多屆學(xué)生的實(shí)際驗(yàn)證，對(duì)學(xué)生的動(dòng)手能力培養(yǎng)效果明顯。

（3）該系統(tǒng)能夠自動(dòng)記錄操作數(shù)據(jù)和生成實(shí)驗(yàn)報(bào)告，可以大大減輕學(xué)生制作實(shí)驗(yàn)報(bào)告的負(fù)擔(dān)。實(shí)驗(yàn)報(bào)告中包含有多項(xiàng)信息，不但可以幫助教師還原學(xué)生的操作過程還能反映其操作的標(biāo)準(zhǔn)化程度。