吳明珠 朱佩儀 陳瑛

摘? ?要：文章針對目前在中學(xué)實驗教學(xué)中存在的安全隱患、實驗耗材昂貴和浪費，以及實驗過程不可逆等問題，提出將虛擬現(xiàn)實技術(shù)與自然科學(xué)實驗教學(xué)相融合，設(shè)計與實現(xiàn)一個高效、安全可逆的高仿真實驗場景平臺。該實驗室平臺的設(shè)計實現(xiàn)包括了PC端和手機App端，從而打破了傳統(tǒng)實驗課堂的局限，重構(gòu)了學(xué)習(xí)情境，以沉浸式的交互體驗方式提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性與創(chuàng)新性。

關(guān)鍵詞：VR自然科學(xué);實驗室;高仿真;沉浸式;安全

中圖分類號：G710 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1673-8454（2021）14-0045-04

一、引言

VR技術(shù)又稱為虛擬現(xiàn)實技術(shù)，該技術(shù)于20世紀(jì)80年代在美國興起[1]。這種新型的交互手段是利用計算機生成高仿真的三維虛擬環(huán)境，并結(jié)合傳感器讓人們沉浸在虛擬的現(xiàn)實環(huán)境中。近幾年，VR技術(shù)不斷發(fā)展，不僅應(yīng)用于游戲、影視行業(yè)，在軍事訓(xùn)練、工業(yè)制造、建筑設(shè)計、醫(yī)療診斷、展館展示等各個領(lǐng)域中都有廣泛的應(yīng)用[2]。當(dāng)然，如何利用該技術(shù)為教育教學(xué)提供更好的幫助，也是教育工作者們所關(guān)注的問題。

2019年11月，《教育部關(guān)于加強和改進中小學(xué)實驗教學(xué)的意見》（教基〔2019〕16號）[3]要求，各地各校要豐富實驗教學(xué)實施形式，促進傳統(tǒng)教學(xué)和現(xiàn)代新興科技有機融合，切實增強實驗教學(xué)的趣味性和吸引力。對于有危險性、破壞性和對環(huán)境有危害的實驗，可用增強現(xiàn)實、虛擬現(xiàn)實等技術(shù)手段呈現(xiàn)[4]。2020年新冠肺炎疫情期間，很多學(xué)?！巴Ｕn不停學(xué)”，學(xué)生采取在家學(xué)習(xí)的方式，如果能夠在線開展化學(xué)、物理等相關(guān)實驗操作，將有助于學(xué)習(xí)效果的提升，而VR實驗室能夠讓學(xué)生有更強的參與性。

此外，現(xiàn)在的中學(xué)生是在網(wǎng)絡(luò)中成長起來的一代人，他們有著旺盛的好奇心，喜歡接觸和學(xué)習(xí)新的事物，VR實驗室更具趣味性和技術(shù)含量的實驗體驗?zāi)芗ぐl(fā)他們對新技術(shù)的探究，激發(fā)創(chuàng)新意識，推動創(chuàng)客教育的發(fā)展。

二、傳統(tǒng)中學(xué)自然科學(xué)實驗存在的問題

目前，中學(xué)自然科學(xué)實驗主要包括了物理、化學(xué)、生物這三門學(xué)科的實驗教學(xué)[5][6]，學(xué)生通過在實驗室中進行實踐的過程來了解這些自然科學(xué)現(xiàn)象，掌握實驗所涉及到的知識點的基本原理及規(guī)律。目前在傳統(tǒng)實驗教學(xué)實踐中主要存在以下問題：

1.實驗前后的預(yù)習(xí)與復(fù)習(xí)難以開展

傳統(tǒng)實驗的內(nèi)容需要各種實驗器材、實驗用品耗材和實驗環(huán)境。如果沒有這些材料，僅憑想象來進行預(yù)習(xí)，學(xué)生缺乏興趣，效果也不理想。此外，不同環(huán)境下的實驗結(jié)果偏差較大，但由于無法在課后復(fù)制實驗室環(huán)境，因此課后進行復(fù)習(xí)的效率很低，也不利于對教學(xué)內(nèi)容的鞏固。

2.師生和生生缺乏互動

傳統(tǒng)的自然科學(xué)實驗在實踐過程中互動性不強。大部分課堂的實驗都是教師首先講授實驗過程中需要掌握的定理，并詳細(xì)講解實驗步驟，實驗結(jié)果也會提前告知學(xué)生，然后由教師演示實驗過程給學(xué)生看，整個教學(xué)過程比較枯燥，學(xué)生和教師、學(xué)生和學(xué)生之間很少有互動，從而缺乏學(xué)習(xí)的興趣和積極性。

3.實驗操作過程中存在一定的安全隱患

在實驗室進行實驗操作的過程中，學(xué)生有可能因為操作錯誤而導(dǎo)致實驗器材損壞，而有些物理電學(xué)實驗也有可能會引起漏電、觸電，一些高?；瘜W(xué)實驗則有可能出現(xiàn)火災(zāi)、爆炸、中毒等危險情況，從而導(dǎo)致人身安全受到威脅。所以有些學(xué)?？赡芤驗檫@些安全因素，會避免讓學(xué)生親自實操實驗過程。這樣雖然避免了危險發(fā)生，但是學(xué)生也沒有機會親身體驗實驗，對于實驗原理的理解程度自然也會有所下降。

4.實驗教學(xué)過程中對抽象概念難理解

自然科學(xué)實驗中涉及到很多抽象的概念、規(guī)律與原理，如果沒有有效的輔助工具和仿真環(huán)境，教師講解起來非常困難，學(xué)生也無法形象地去理解。

5.傳統(tǒng)實驗過程不可逆

有些科學(xué)實驗的過程變化速度比較快，學(xué)生可能沒有來得及看清楚就結(jié)束了，由于當(dāng)時實驗條件與環(huán)境的限制，又不可能重復(fù)進行演示，實驗操作步驟也不能回退，因此會影響學(xué)生對于實驗原理的理解與接受。

6.實驗管理人員和耗材的重復(fù)建設(shè)與浪費

各個實驗需要的實驗器材和操作環(huán)境不同，對實驗員的要求有一定的標(biāo)準(zhǔn)，每一年的實驗器材需要保修、實驗用品需要定期進行年限保質(zhì)期的更換，日復(fù)一日、年復(fù)一年，不能更好地循環(huán)利用物資，導(dǎo)致各項資源耗費嚴(yán)重。

三、VR自然科學(xué)實驗室建設(shè)的意義

為了解決傳統(tǒng)自然科學(xué)實驗室建設(shè)中存在的問題，我們結(jié)合VR技術(shù)來建設(shè)自然科學(xué)虛擬仿真實驗室，該實驗室可以很好地在不安全、不確定等因素下模擬真實的實驗，更好地吸引廣大教師和學(xué)生對學(xué)科實驗的興趣，加上設(shè)備的不斷更新，能夠快速跟上現(xiàn)代社會的教育發(fā)展，更好地實現(xiàn)“以教促學(xué)”，高質(zhì)量、高效率地讓師生感受實驗的樂趣和增加對各種實驗的了解[7]。

VR自然科學(xué)實驗室建設(shè)的意義主要體現(xiàn)在以下六個方面：

1.輔助教學(xué)資源開發(fā)，創(chuàng)新教學(xué)模式

學(xué)生可以自主進行體驗學(xué)習(xí)，最大限度地增強學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗。學(xué)生與 VR資源庫的學(xué)習(xí)內(nèi)容進行交互，既可以調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，又能夠讓學(xué)生發(fā)現(xiàn)自己在該模塊學(xué)習(xí)中不懂的知識。然后由教師介入引導(dǎo)，歸納學(xué)生的問題，組織學(xué)生再次學(xué)習(xí)體驗，解決他們的問題。其次，VR 技術(shù)為學(xué)生提供了一定數(shù)量和質(zhì)量、生動有趣的學(xué)習(xí)資料，供學(xué)生開展自主學(xué)習(xí)、探究學(xué)習(xí)、鞏固學(xué)習(xí)。

2.突破環(huán)境局限，優(yōu)化實驗教學(xué)過程

虛擬實驗室打破了時間和空間的局限，相比傳統(tǒng)實驗室更加開放。學(xué)生可以靈活安排自己的學(xué)習(xí)時間，不再受實驗設(shè)備和耗材等因素的限制，可以很方便地提前對所學(xué)實驗進行預(yù)習(xí)，發(fā)現(xiàn)問題。同時，課后也可以對掌握不牢的實驗項目進行復(fù)習(xí)并且反復(fù)實驗，直到掌握實驗內(nèi)容與原理為止。

3.避免安全隱患，提升實驗教學(xué)安全系數(shù)

真實實驗具有一定的危險性，但通過VR虛擬仿真設(shè)備可進行模擬仿真，強化實驗現(xiàn)象，可以很好地避免在不安全、不確定等因素下進行真實的實驗，更好地吸引廣大教師和學(xué)生對學(xué)科實驗的興趣。

4.解決實驗場地和實驗材料匱乏問題，減少經(jīng)費投入

從長期的建設(shè)與發(fā)展目標(biāo)來看，VR實驗室作為仿真實驗場地開展沉浸式學(xué)習(xí)，各門課程的實驗項目都可以在這個虛擬實驗室中統(tǒng)一展開，同時滿足各科的需要，緩解了實驗場地緊張的情況，同時無需配備多個實驗員，由任教教師演示和引導(dǎo)即可完成實驗項目。并且所有的實驗儀器、實驗耗材都是通過三維建模虛擬存在的，因此只需要軟件的更新升級，不存在實際的損耗與更新問題，很大程度上節(jié)省了實驗室建設(shè)中的人力、物力和財力的投入，降低了實驗教學(xué)的投入成本。

5.實驗過程可逆可改

傳統(tǒng)的實驗，尤其是化學(xué)實驗，一旦實驗進行，如果中途出現(xiàn)錯誤就只能重新做過而不能在錯誤的地方再做一次，這樣會造成教學(xué)資源的浪費。并且，實驗的過程不可逆轉(zhuǎn)，難以看到逆轉(zhuǎn)過來的實驗效果。利用VR技術(shù)打造的實驗室，實驗的過程既可逆轉(zhuǎn)也能重復(fù)進行或者修改實驗過程中的某一步驟。

6.提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣

將枯燥無味的實驗課堂講述轉(zhuǎn)化為高度仿真的實驗課堂，使學(xué)生猶如沉浸在真實的環(huán)境中，受到來自環(huán)境的各種感官的影響，從而調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，提高學(xué)生對實驗學(xué)習(xí)的興趣。

四、VR自然科學(xué)實驗室平臺的設(shè)計與實現(xiàn)

VR安全實驗室多端平臺分為PC端、App端和后臺系統(tǒng)三個模塊。PC端和App端為前臺界面供用戶操作使用，后臺系統(tǒng)為管理員使用。PC端是一個引導(dǎo)用戶使用VR安全實驗室平臺的在線平臺;App端則負(fù)責(zé)引流，加快分發(fā)速度以及變現(xiàn)，進行進一步的用戶沉淀，設(shè)計著重于精簡核心功能。PC端有視頻學(xué)習(xí)、課程定制、互動交流、VR體驗、軟件下載、個人中心等六個主要板塊。VR自然科學(xué)實驗室平臺App端將PC端中的六大板塊單獨出來，精簡成VR平臺、視頻、資訊、商城、論壇、評分考核等板塊。后臺系統(tǒng)則由管理員提供管理前端界面的相對應(yīng)模塊。

1.PC端的設(shè)計與實現(xiàn)

PC端的VR自然科學(xué)實驗室網(wǎng)站是作為一個引導(dǎo)用戶使用VR自然科學(xué)實驗室平臺的在線平臺，它將VR端中缺少的、不完善的、不便于使用的功能分離到另外的平臺，方便用戶使用。其以高效便捷的特點服務(wù)于實驗室平臺，有效地提高了用戶的使用率，以模塊化和規(guī)范化實現(xiàn)了對VR端的分流管理，保證能夠銜接VR端的使用。具體如下：第一，單獨列出商城模塊，讓用戶更加便捷地購買VR課程和產(chǎn)品;第二，同步班級系統(tǒng)，輔助VR端中的班級系統(tǒng)，幫助教師快速建立班級，查看學(xué)生成績，發(fā)布考核任務(wù);第三，同步評分考核，幫助學(xué)生快速查看自己的實驗成績，回顧實驗當(dāng)中的錯誤;第四，可以節(jié)省人力物力、提高效率，為VR端的成本運作節(jié)約資源。

PC端采用了Flex布局，使用JavaScript編程語言來開發(fā)，使用前后端分離開發(fā)模式。PC端的登錄注冊頁面如圖1所示。

VR自然科學(xué)實驗室平臺的VR端功能設(shè)計有登錄系統(tǒng)，可進行信息的儲存和清除等功能，如圖2所示，可進行實驗科目的查詢和具體實驗的選擇，還可以進行計分來實時顯示實驗進程，也可用此功能來設(shè)計實驗操作考核任務(wù)，進行實驗操作的實驗效果圖如圖3所示。

2.App端的設(shè)計與實現(xiàn)

App端是PC端的優(yōu)化版，負(fù)責(zé)引流，加快分發(fā)速度以及變現(xiàn)，進行進一步的用戶沉淀，設(shè)計著重于精簡核心功能。App端使用Vue框架，前端組件庫為Vant，腳手架為最新版本4.0。App端實現(xiàn)的核心功能有首頁、視頻學(xué)習(xí)、在線商城、班級管理、學(xué)習(xí)考核等模塊。其中App端首頁界面如圖4所示，App端在線商城界面如圖5所示。

3.后臺系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

由于前端PC端和App端界面有大量的數(shù)據(jù)需要管理和上傳，因此，一個與之相對應(yīng)的后臺管理系統(tǒng)的出現(xiàn)是極為必要的，它能夠協(xié)助管理員輕松管理前端界面，一鍵添加、刪除、修改各版塊內(nèi)容，同時作為VR端的中轉(zhuǎn)站，對接班級系統(tǒng)和評分考核成績。

后臺系統(tǒng)利用可視化設(shè)計理念，將平臺的課程、訂單數(shù)據(jù)直觀展示出來;利用響應(yīng)式布局，實現(xiàn)手機端和PC端的一步適配，方便管理員隨時隨地管理應(yīng)用。后臺系統(tǒng)采用了Layui框架進行開發(fā)，后臺管理系統(tǒng)頁面如圖6所示。

五、結(jié)語

VR自然科學(xué)實驗室平臺將虛擬現(xiàn)實技術(shù)與實驗教學(xué)相結(jié)合，以優(yōu)質(zhì)的實驗教學(xué)資源為核心，集多端平臺于一體，將抽象概念具象化，為學(xué)習(xí)者打造了高度仿真、可交互、沉浸式、安全的三維互動實驗學(xué)習(xí)環(huán)境。平臺主要分為PC端、App端及后臺管理系統(tǒng)，它主要服務(wù)于VR自然科學(xué)實驗室VR端的高效使用，能夠針對普遍用戶、教師和學(xué)生對VR平臺的了解和使用，有效提高VR自然科學(xué)實驗室平臺的使用效率和實現(xiàn)教師對班級考核的管理，靈活便捷通用的多平臺使用特性能夠讓用戶更好地使用VR自然科學(xué)實驗室平臺。

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（編輯：李曉萍）