吳強(qiáng)

摘要：教育部在《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011—2020年）》中提出了“建立優(yōu)質(zhì)數(shù)字教育資源和共建共享環(huán)境”目標(biāo)，其中包括虛擬實驗室的建設(shè)。本文對虛擬實驗系統(tǒng)開發(fā)進(jìn)行了可行性分析，并簡述了虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)制作的流程。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實技術(shù)；虛擬實驗；多媒體技術(shù)；VRP；3D max

中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 論文編號：1674-2117（2016）07-0081-03

前言

“神舟十號”載人飛船的成功發(fā)射，標(biāo)志著我國載人天地往返運輸系統(tǒng)首次應(yīng)用性飛行的開始。航天員王亞平等三人把“天宮一號”作為太空講堂，給地面的青少年進(jìn)行太空講課，這是中國歷史上的第一次太空授課，極大地激發(fā)了廣大青少年對科學(xué)探索的熱情。受此啟發(fā)，筆者萌發(fā)了一個構(gòu)想：運用虛擬現(xiàn)實技術(shù)構(gòu)建一套虛擬的太空授課仿真系統(tǒng)。它可以全方位、主動式、交互式、仿真式地模擬太空實驗，突破真實實驗的時空限制，培養(yǎng)學(xué)生動手動腦的能力?；谔摂M現(xiàn)實的太空授課系統(tǒng)很好地突出了虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)“沉浸—交互—想象”的三角形特征。[1]

國內(nèi)外在教育中應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)現(xiàn)狀

國外在虛擬實驗研究方面主要是側(cè)重于虛擬實驗設(shè)備的建設(shè)，其中羅萊納州立大學(xué)的LAAP利用Java技術(shù)建立了基于Web的探索式虛擬物理實驗室、印地安那州立大學(xué)開發(fā)了MBL化學(xué)實驗室等。

國內(nèi)對虛擬實驗的研究主要是側(cè)重于虛擬實驗軟件的建設(shè)。例如，上海交通大學(xué)國家攻克物理教學(xué)基地物理實驗中心的數(shù)據(jù)采集實驗室是正在建立和完善的面向大學(xué)物理實驗教學(xué)的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)。[2]這個虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)是以美國國家儀器公司的虛擬開發(fā)軟件Lab VIEW為開發(fā)平臺，利用先進(jìn)的數(shù)據(jù)采集技術(shù)，將實際中的實驗數(shù)據(jù)經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換采集到計算機(jī)智能來分析。[3]

系統(tǒng)設(shè)計的理論基礎(chǔ)

1.研究的理論基礎(chǔ)

（1）虛擬實驗系統(tǒng)定義

虛擬實驗系統(tǒng)就是以計算機(jī)為操縱中心，學(xué)習(xí)者通過已經(jīng)成功實現(xiàn)的虛擬實驗系統(tǒng)，在一個仿真的實驗環(huán)境中完成與真實實驗項目一致的實驗操作，從而達(dá)到學(xué)習(xí)和領(lǐng)會實驗的目的。

（2）教學(xué)設(shè)計

著名心理學(xué)和教育學(xué)家加涅曾在《教學(xué)設(shè)計原理》中將教學(xué)設(shè)計界定為：“教學(xué)設(shè)計是一個系統(tǒng)化規(guī)劃教學(xué)系統(tǒng)的過程。教學(xué)系統(tǒng)本身是對資源和程序作出有利于學(xué)習(xí)的安排?！盵4]本研究是在教學(xué)設(shè)計理論的指導(dǎo)下，通過借助虛擬現(xiàn)實平臺進(jìn)行的教學(xué)設(shè)計。

由于知識是情境化的，具體情境所提供的直觀、生動的形象能有效地激發(fā)聯(lián)想。因此，創(chuàng)設(shè)真實的或接近于真實的、具有豐富資源的學(xué)習(xí)情境是非常重要的。

2.中學(xué)物理課的特點

（1）推動學(xué)習(xí)方式的多樣化

人類的教育方式和學(xué)習(xí)方式有兩種不同的類型：一是學(xué)習(xí)者通過教育者系統(tǒng)的傳授“接受”人類已有的知識；二是學(xué)習(xí)者通過親身實踐“體驗”到知識使用的樂趣，通過內(nèi)心體驗主動參與學(xué)習(xí)。[5]

（2）精選課程內(nèi)容，體現(xiàn)物理教育的基礎(chǔ)性、時代性和適用性

《物理標(biāo)準(zhǔn)》根據(jù)物理課程的教育功能，強(qiáng)調(diào)物理教育不僅是傳授物理學(xué)科的知識體系，更重要的是促進(jìn)學(xué)生的發(fā)展，所以教師在確定目標(biāo)、內(nèi)容與要求時，不能只考慮部分學(xué)生的需求，而應(yīng)考慮全體學(xué)生的需要。

（3）適應(yīng)信息社會對人才的要求，實現(xiàn)物理課程與信息技術(shù)的整合

數(shù)字化、信息化已成為時代的潮流。信息技術(shù)進(jìn)入中學(xué)物理課程不但可以使學(xué)生在學(xué)習(xí)中熟悉數(shù)字化環(huán)境，加強(qiáng)物理課程內(nèi)容與現(xiàn)實世界的聯(lián)系，促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)方式的改變，還可以為學(xué)生的自主探究提供有效的工具，大力提升學(xué)生自主獲取知識的能力。

3.虛擬實驗應(yīng)用于教學(xué)的優(yōu)勢

將虛擬實驗應(yīng)用于教學(xué)領(lǐng)域，是以提高學(xué)生的實驗?zāi)芰橹饕疤?，其?yōu)勢概括來說有三個“有利于”：有利于營造虛擬現(xiàn)實學(xué)習(xí)環(huán)境，有利于學(xué)生接受顯性和隱性知識，有利于培養(yǎng)學(xué)生主動探索的學(xué)習(xí)方式。

系統(tǒng)的需求分析

1.基于虛擬現(xiàn)實平臺構(gòu)建良好的知識建構(gòu)環(huán)境

通過虛擬現(xiàn)實平臺，學(xué)習(xí)者可以通過虛擬場景與自身相互的作用，迅速得到信息反饋，及時獲得直接經(jīng)驗，這能代替原有的通過教師講授獲取間接經(jīng)驗的學(xué)習(xí)模式。虛擬現(xiàn)實技術(shù)在教育中的應(yīng)用大致可分為模擬訓(xùn)練、虛擬實驗室與仿真虛擬學(xué)校三個方面。[6]

2.基于虛擬現(xiàn)實平臺教學(xué)的可行性分析

虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以為我們提供具有互動性、可重復(fù)使用性以及以實為本、虛實結(jié)合的平臺。當(dāng)前，計算機(jī)的使用已經(jīng)非常普遍，我國的中小學(xué)也早已開始進(jìn)行多媒體教室授課，這些為虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用打下了良好的基礎(chǔ)。

基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的太空授課課件的設(shè)計

筆者選擇了基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的太空授課系統(tǒng)作為研究對象，其設(shè)計目標(biāo)和內(nèi)容如下：

1.系統(tǒng)功能模塊設(shè)計

基于虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的構(gòu)建就是一個系統(tǒng)的工程。筆者將系統(tǒng)要實現(xiàn)的功能分為五個子模塊，如圖1所示。

（1）場景切換

“場景切換”由兩組在時間軸上的鏡頭和兩組單獨的鏡頭組成，分別為“開場動畫”（播放開場時的動畫）、“對接外觀”（播放兩艘飛船對接后的動畫）、“太空漫游”（切換到飛船外部鏡頭）和“艙內(nèi)欣賞”（切換到天宮一號內(nèi)部鏡頭）。

（2）實驗操作

“實驗操作”分為“實驗介紹”（對兩個實驗的原理進(jìn)行大致的介紹）、“小球單擺”（運行單擺儀器在太空中失重的動畫同時播放講解）和“陀螺旋轉(zhuǎn)”（運行陀螺在太空中失重時的動畫，同時播放講解）。

（3）視頻播放

點擊打開視頻面板，然后選擇上面的不同按鈕播放不同的視頻；第二次點擊該按鈕時則關(guān)閉該視頻。

（4）數(shù)據(jù)庫

單擊依次交替打開或關(guān)閉數(shù)據(jù)庫，對數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示或隱藏。

（5）練習(xí)題

單擊依次交替打開或關(guān)閉Flash練習(xí)，對練習(xí)進(jìn)行顯示或隱藏。

2.實驗操作功能設(shè)計

實驗操作功能是整個虛擬實驗的中心部分，它由實驗介紹、小球單擺、陀螺旋轉(zhuǎn)三大模塊構(gòu)成。

基于虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)太空授課課件的實現(xiàn)

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計目標(biāo)和內(nèi)容，筆者完成了系統(tǒng)的制作。該系統(tǒng)主要使用了如下開發(fā)平臺和工具：①模型制作工具：3Dmax10.0；②開發(fā)平臺是VRP編輯器12.1212（學(xué)習(xí)版）；③影片聲音剪輯工具：Adobe Premiere Pro CS4和Audition；④練習(xí)題制作工具：Flash CS5.5；⑤貼圖素材處理工具：Photoshop CS4；⑥數(shù)據(jù)庫提供平臺：Access 2003。

1.系統(tǒng)主要功能

下面，筆者用設(shè)計流程來講解整個作品的表現(xiàn)效果。首先，播放一個開場視頻。學(xué)習(xí)者看完開場視頻以后，可以用鼠標(biāo)單擊一下屏幕，此時，屏幕播放神舟十號與天宮一號對接的時間軸動畫，如圖2所示。

當(dāng)兩艘飛船對接完以后，學(xué)習(xí)者可以用鼠標(biāo)左鍵點擊宇航員，宇航員便會向?qū)W習(xí)者招手，如圖3所示。

此時，當(dāng)學(xué)習(xí)者點擊“艙內(nèi)欣賞”按鈕時，鏡頭就會切換到合適的位置；點擊“實驗操作”按鈕，屏幕會彈出“實驗項目”選擇欄。當(dāng)學(xué)習(xí)者選擇“小球單擺”或“太空陀螺”按鈕時，系統(tǒng)會切換到最佳角度觀察的鏡頭，在桌面上播放單擺儀器演示動畫，如圖4所示。

除此之外，用戶可以根據(jù)自己的興趣，選擇系統(tǒng)提供的其他項目，如選擇“太空漫游”“飛船對接”按鈕，系統(tǒng)便會切換到飛船的外部場景。

系統(tǒng)還為學(xué)習(xí)者提供了方便靈活的選擇方式。例如，單擊“艙內(nèi)欣賞”按鈕，系統(tǒng)就會切換到天宮一號內(nèi)部，學(xué)習(xí)者可自由欣賞飛船內(nèi)部的樣貌。

作為教學(xué)系統(tǒng)，筆者考慮到觀看實驗之后，對實驗內(nèi)容的強(qiáng)化問題，所以設(shè)計了“練習(xí)環(huán)節(jié)”。當(dāng)學(xué)習(xí)者點擊“練習(xí)題”按鈕后，系統(tǒng)界面中間會出現(xiàn)用Flash制作的練習(xí)題。

2.系統(tǒng)界面設(shè)計

整個系統(tǒng)除了已經(jīng)在3D max中制作好的各種實驗儀器和場景模型外，還有系統(tǒng)界面設(shè)計，如圖5所示。

圖5的整體布局呈現(xiàn)對稱性，當(dāng)操作者的鼠標(biāo)位置處于觸發(fā)區(qū)時，觸發(fā)界面將顯示動畫，供實驗者對系統(tǒng)進(jìn)行操作；當(dāng)鼠標(biāo)離開觸發(fā)區(qū)時，觸發(fā)界面將隱藏動畫，為學(xué)習(xí)者的觀察學(xué)習(xí)提供更大的范圍。

結(jié)束語

隨著時代的發(fā)展，虛擬現(xiàn)實技術(shù)在教育領(lǐng)域已具有應(yīng)用前景的“明星”技術(shù)，呈現(xiàn)多元化的發(fā)展趨勢。[7]現(xiàn)在許多科技企業(yè)都已經(jīng)開發(fā)出了自己的虛擬現(xiàn)實平臺，并能很好地與各大高校合作，研發(fā)出越來越多的虛擬現(xiàn)實課件。虛擬現(xiàn)實技術(shù)無可比擬的優(yōu)勢，將對未來人類社會的教育培訓(xùn)產(chǎn)生不可估量的作用。

參考文獻(xiàn)：

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[5]程慧明.接受學(xué)習(xí)真的過時了嗎[J].西藏教育，2005（10）：40-44.

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