模擬實(shí)驗(yàn)室

基于VR的初中物理虛擬實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)

作者：***

來源：《中國教育技術(shù)裝備》2020年第09期

摘要使用3dsMax軟件和VRP編輯器設(shè)計(jì)具有VR特性的虛擬物理實(shí)驗(yàn)室，介紹此虛擬

物理實(shí)驗(yàn)室的功能，以初中物理的兩個(gè)經(jīng)典實(shí)驗(yàn)為例，經(jīng)過測(cè)試，能夠達(dá)到物理實(shí)驗(yàn)的效果。

關(guān)鍵詞VR技術(shù);3dsMax;VRP編輯器;初中物理;實(shí)驗(yàn)教學(xué);物理實(shí)驗(yàn)室;虛擬實(shí)驗(yàn)室

中圖分類號(hào)：G633.7文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2020）09-0029-03

1前言

自20世紀(jì)末虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的概念被首次提出后，國內(nèi)外研究者對(duì)其進(jìn)行了不斷探索。隨

著計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，人們利用計(jì)算機(jī)軟件構(gòu)建模型，使用相關(guān)虛擬現(xiàn)實(shí)編輯器創(chuàng)

建虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)室有著成本昂貴、設(shè)備受限等缺點(diǎn)，使用虛擬實(shí)驗(yàn)室可降低初

中物理實(shí)驗(yàn)的成本，不受實(shí)驗(yàn)空間、時(shí)間的限制。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建的虛擬實(shí)驗(yàn)室，對(duì)初

中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)有很好的促進(jìn)效果[1]。

2VR技術(shù)、虛擬實(shí)驗(yàn)概述與發(fā)展

VR技術(shù)

1）VR技術(shù)概述。VR（VirtualReality，虛擬現(xiàn)實(shí)）技術(shù)是利用計(jì)算機(jī)模擬產(chǎn)生一個(gè)三維

空間的虛擬世界，給使用者提供關(guān)于視覺、聽覺、觸覺等感官的模擬，讓使用者如同身臨其

境，可以及時(shí)、不受限制地觀察三維空間內(nèi)的事物[2]。VR技術(shù)已經(jīng)成為信息技術(shù)領(lǐng)域繼多媒

體技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)之后被廣泛開發(fā)與應(yīng)用的熱點(diǎn)。

利用VR技術(shù)所實(shí)現(xiàn)的虛擬空間能夠給人置身在真實(shí)環(huán)境的感覺，并且使用者能夠在虛擬

環(huán)境中實(shí)現(xiàn)與此空間的交互。在虛擬環(huán)境中，使用者能夠具有自己的視覺角度，環(huán)境能夠根據(jù)

使用者視點(diǎn)的變化迅速作出改變[3]。虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)具有身臨其境的虛擬環(huán)境以及實(shí)時(shí)交互等

突出的特點(diǎn)，使得它不僅在某些尖端領(lǐng)域、特殊行業(yè)（如軍事、航天等）被廣泛應(yīng)用，而且在

醫(yī)療、教育、培訓(xùn)、娛樂、工業(yè)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造、信息管理、商業(yè)貿(mào)易、建筑等領(lǐng)域也有相應(yīng)

的發(fā)展，理論研究和應(yīng)用實(shí)踐使得虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)更加趨于完善，發(fā)展也更加迅速。

2）國內(nèi)外VR技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀。美國是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)源地，美國虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的水平

基本上代表國際虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)發(fā)展的水平，美國擁有完善的VR教育系統(tǒng)。早在1985年，麻

省理工學(xué)院就成立了媒體實(shí)驗(yàn)室，專門進(jìn)行虛擬環(huán)境的相關(guān)研究，并在虛擬現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域?qū)Ω兄?/p>

交互、軟硬件等方面做了大量研究。此實(shí)驗(yàn)室建立BOLIO實(shí)驗(yàn)環(huán)境，對(duì)不同圖形仿真技術(shù)進(jìn)

行實(shí)驗(yàn)[4]。目前，國外發(fā)達(dá)國家中虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已較成熟并大量應(yīng)用于教學(xué)，如麻省理工學(xué)

院的WebLab和美國俄勒岡大學(xué)物理系主辦的物理虛擬實(shí)驗(yàn)網(wǎng)站等。

我國的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)起步較晚，在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)上與發(fā)達(dá)國家存在一定的差距。經(jīng)過近年

來的發(fā)展，我國的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)也取得一定的成果，在教育領(lǐng)域主要體現(xiàn)在虛擬仿真校園、虛

擬教學(xué)、虛擬實(shí)驗(yàn)等[5]。我國對(duì)于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)越來越重視，國內(nèi)許多高校和研究機(jī)構(gòu)都在

積極地進(jìn)行虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的研究以及應(yīng)用，正在積極進(jìn)行虛擬環(huán)境的建立以及虛擬場(chǎng)景模型分

布式系統(tǒng)的開發(fā)等，并取得一定成果。

虛擬實(shí)驗(yàn)室

1）概述。虛擬實(shí)驗(yàn)室是利用計(jì)算機(jī)軟硬件構(gòu)建的相應(yīng)的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，可以利用網(wǎng)絡(luò)發(fā)

布到各計(jì)算機(jī)，用戶可通過網(wǎng)絡(luò)下載虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。虛擬實(shí)驗(yàn)室借助于計(jì)算機(jī)、

互聯(lián)網(wǎng)、多媒體、虛擬現(xiàn)實(shí)等現(xiàn)代技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)資源的遠(yuǎn)程訪問和高效共享。隨

著教育技術(shù)的進(jìn)步，尤其是近年來大規(guī)模開放課程（MOOC）的出現(xiàn)，遠(yuǎn)程開放式虛擬仿真實(shí)

踐教學(xué)模式越來越得到關(guān)注和重視[6]。

虛擬實(shí)驗(yàn)的實(shí)現(xiàn)是隨著計(jì)算技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展而崛起的新型實(shí)驗(yàn)技術(shù)和方法，虛

擬實(shí)驗(yàn)在教學(xué)領(lǐng)域的運(yùn)用還處于探索階段。

2）虛擬實(shí)驗(yàn)室與初中物理實(shí)驗(yàn)。物理是一門注重實(shí)驗(yàn)的學(xué)科。筆者通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，受實(shí)

驗(yàn)資源不足的限制和考試壓力的影響，大多數(shù)學(xué)校實(shí)驗(yàn)室不開放，教師只在課堂上進(jìn)行簡(jiǎn)單講

解，不利于學(xué)生發(fā)散性思維的培養(yǎng)。物理實(shí)驗(yàn)強(qiáng)調(diào)過程，學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)操作，觀察現(xiàn)象，得出

結(jié)論，培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)操作能力，進(jìn)而提升發(fā)散思維能力。培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性和探究性是初中教育的

關(guān)鍵，要幫助學(xué)生在成長(zhǎng)時(shí)期找到自己的興趣愛好方向。初中物理探究性實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)與

學(xué)生的創(chuàng)造性和探究性有很大的關(guān)聯(lián)。初中實(shí)驗(yàn)在課程標(biāo)準(zhǔn)中占了很大的比重，對(duì)學(xué)生動(dòng)手能

力的要求也越來越高。

在虛擬實(shí)驗(yàn)室中，能讓學(xué)生進(jìn)行自主學(xué)習(xí)和探究實(shí)驗(yàn)，有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力和

探究能力。探究性實(shí)驗(yàn)注重培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作能力，學(xué)生可以在虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中進(jìn)行探究性

實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，隨時(shí)隨地進(jìn)入虛擬實(shí)驗(yàn)室學(xué)習(xí)，不受空間限制;可進(jìn)行重復(fù)操作來提高實(shí)驗(yàn)

操作能力，不必?fù)?dān)心儀器損壞和事故的發(fā)生，大大提高學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性。利用虛擬現(xiàn)實(shí)

技術(shù)構(gòu)建的虛擬實(shí)驗(yàn)室相對(duì)于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室而言，具有高仿真性、開放共享性、交互性、可擴(kuò)展

性、重復(fù)使用性、高安全性等特點(diǎn)[7]。

3虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

此虛擬實(shí)驗(yàn)室利用3dsMax軟件建立3D模型，利用VRP編輯器對(duì)模型進(jìn)行交互設(shè)計(jì)。虛

擬實(shí)驗(yàn)室根據(jù)實(shí)驗(yàn)室的比例和設(shè)備，充分利用虛擬實(shí)驗(yàn)的便利和功能，對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)室的構(gòu)建進(jìn)

行升華，使其達(dá)到現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室的場(chǎng)景和功能，良好的實(shí)驗(yàn)環(huán)境對(duì)于實(shí)驗(yàn)探究有很大的幫助。以

初中物理探究阻力對(duì)物體運(yùn)動(dòng)的影響和探究斜面的機(jī)械效率為例，介紹此虛擬實(shí)驗(yàn)室的運(yùn)用。

虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)本次初中物理虛擬實(shí)驗(yàn)分為兩個(gè)層級(jí)的界面。

一級(jí)界面是打開虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的開始界面，其中有三個(gè)按鈕，分別是漫游進(jìn)入、主界面、

退出實(shí)驗(yàn)。點(diǎn)擊漫游進(jìn)入按鈕后，相機(jī)會(huì)自動(dòng)帶動(dòng)學(xué)習(xí)者視角進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，瀏覽實(shí)驗(yàn)室和實(shí)驗(yàn)

裝置，同時(shí)進(jìn)入二級(jí)界面。主界面則可以直接切換到室內(nèi)視角進(jìn)入二級(jí)界面。點(diǎn)擊退出實(shí)驗(yàn)按

鈕可直接退出虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

二級(jí)界面可通過點(diǎn)擊漫游進(jìn)入、主界面兩個(gè)按鈕達(dá)到。二級(jí)界面包括七個(gè)按鈕：實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)

介、實(shí)驗(yàn)演示、實(shí)驗(yàn)操作、實(shí)驗(yàn)結(jié)論、漫游進(jìn)入、主界面、退出實(shí)驗(yàn)。二級(jí)界面主要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)

的操作和探究：實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)介中包括探究阻力對(duì)物體運(yùn)動(dòng)的影響和探究斜面的機(jī)械效率實(shí)驗(yàn)原理、

器材和方法步驟;實(shí)驗(yàn)演示中包括兩個(gè)實(shí)驗(yàn)操作具體過程的視頻，對(duì)學(xué)習(xí)者操作有很大的幫助;

實(shí)驗(yàn)操作包括對(duì)兩個(gè)實(shí)驗(yàn)各個(gè)小組的實(shí)際操作，會(huì)有九個(gè)不同的視角進(jìn)行切換，使學(xué)習(xí)者在最

佳位置觀察物體運(yùn)動(dòng)的狀況;實(shí)驗(yàn)結(jié)論是根據(jù)實(shí)驗(yàn)操作中的數(shù)據(jù)進(jìn)行表格展示和得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論;

主界面按鈕是為了方便學(xué)習(xí)者，點(diǎn)擊能夠迅速回到室內(nèi)最佳視角。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

虛擬實(shí)驗(yàn)室界面設(shè)計(jì)虛擬實(shí)驗(yàn)室的主界面設(shè)計(jì)要考慮按鈕風(fēng)格以及整個(gè)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境的搭

配，整個(gè)界面要布局合理，色彩搭配協(xié)調(diào)，在詳細(xì)傳達(dá)實(shí)驗(yàn)信息的同時(shí)，給人簡(jiǎn)潔的視覺感。

如圖2所示，在一級(jí)界面的右上角標(biāo)有“初中物理虛擬實(shí)驗(yàn)”標(biāo)識(shí)，一級(jí)界面選擇在實(shí)驗(yàn)室的門

口，會(huì)促使學(xué)習(xí)者想進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室一探究竟，就像進(jìn)入現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室做實(shí)驗(yàn)一樣。點(diǎn)擊漫游進(jìn)入按

鈕是跟隨相機(jī)的自動(dòng)視角進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室;點(diǎn)擊主界面按鈕可以直接進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，到達(dá)操作實(shí)驗(yàn)的

主界面;點(diǎn)擊退出實(shí)驗(yàn)按鈕，可以隨時(shí)退出虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

點(diǎn)擊實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)介按鈕后會(huì)出現(xiàn)一個(gè)菜單，菜單中包含兩個(gè)選項(xiàng)：探究阻力對(duì)物體運(yùn)動(dòng)的影響

和探究斜面的機(jī)械效率。點(diǎn)擊其中任何一個(gè)選項(xiàng)，都會(huì)包含各自的菜單，包括實(shí)驗(yàn)的原理和器

材以及實(shí)驗(yàn)方法步驟。點(diǎn)擊實(shí)驗(yàn)原理和步驟時(shí)可以切換成最佳視角，同時(shí)彈出實(shí)驗(yàn)的原理和方

法步驟，并伴以語音講解。

點(diǎn)擊實(shí)驗(yàn)演示按鈕，下級(jí)菜單包括實(shí)驗(yàn)一和實(shí)驗(yàn)二兩個(gè)選項(xiàng)。點(diǎn)擊實(shí)驗(yàn)演示菜單中的選項(xiàng)

后，界面切換到最佳觀看視角，播放與實(shí)驗(yàn)相關(guān)的視頻演示，同時(shí)出現(xiàn)視頻播放、暫停、停止

按鈕，以便于對(duì)演示視頻的控制。如果播放視頻時(shí)點(diǎn)擊其他主界面按鈕，則會(huì)立刻關(guān)閉視頻和

控制按鈕。實(shí)驗(yàn)演示中，對(duì)實(shí)驗(yàn)過程的演示通過播放視頻呈現(xiàn)出來，實(shí)驗(yàn)演示的視頻要位于虛

擬實(shí)驗(yàn)室適當(dāng)?shù)奈恢谩?shí)驗(yàn)結(jié)論下級(jí)菜單中包含實(shí)驗(yàn)一和實(shí)驗(yàn)二的結(jié)果和結(jié)論。點(diǎn)擊選項(xiàng)中任

何一個(gè)實(shí)驗(yàn)，視角切換到觀看最佳視角，可以得到實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)測(cè)量結(jié)果、計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)

論。進(jìn)入選項(xiàng)后，彈出數(shù)據(jù)圖片和結(jié)論圖片，同時(shí)有各圖片之間的切換按鈕。

虛擬實(shí)驗(yàn)室交互設(shè)計(jì)本虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要運(yùn)用了高級(jí)界面控件中的圖片按鈕、靜態(tài)圖片

和Flash控件。實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)介腳本編寫首先要做很多的準(zhǔn)備工作，根據(jù)簡(jiǎn)介的不同設(shè)計(jì)出菜單，根

據(jù)腳本編輯器中插入語句找到顯示隱藏控件，設(shè)置點(diǎn)擊時(shí)彈出/隱藏實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)介菜單，設(shè)置最佳

觀看圖片的相機(jī)，使其視角在投影幕的中央。

實(shí)驗(yàn)演示腳本中，可切換到視頻視角在投影幕，選中不同的選項(xiàng)，顯示各個(gè)實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)演

示視頻，同時(shí)在演示視頻的下方添加三個(gè)控制視頻播放的按鈕——播放、暫停、停止。這三個(gè)

控制視頻播放的按鈕根據(jù)視頻的出現(xiàn)而出現(xiàn)，根據(jù)視頻的隱藏而隱藏，使之達(dá)到人性化的標(biāo)

準(zhǔn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)論的腳本與實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)介的腳本有著相似之處，不同的是實(shí)驗(yàn)結(jié)果的數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)結(jié)論并

不是并列的，而是結(jié)論在數(shù)據(jù)之后，這樣做的原因是實(shí)驗(yàn)結(jié)論是根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的總結(jié)而得出

的。在實(shí)驗(yàn)結(jié)論中，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以順序切換，可用按鈕來控制，見圖3。

漫游進(jìn)入按鈕腳本中（圖4），控制視角的時(shí)間軸是飛行相機(jī)運(yùn)動(dòng)軌跡的時(shí)間軸，設(shè)置時(shí)

間軸時(shí)，在不同時(shí)間點(diǎn)中，使飛行相機(jī)處于不同的位置。

4結(jié)語

虛擬實(shí)驗(yàn)室是基于VR技術(shù)設(shè)計(jì)的，整個(gè)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景能夠達(dá)到真實(shí)的效果，體現(xiàn)了虛擬現(xiàn)實(shí)

的三個(gè)最顯著的特征——交互性、沉浸性和想象性，即虛擬現(xiàn)實(shí)的“3I”特性，代表了與人的充

分交互。物理實(shí)驗(yàn)講究的是過程，讓學(xué)習(xí)者觀看實(shí)驗(yàn)過程，計(jì)算出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)而總結(jié)出實(shí)驗(yàn)

結(jié)論。虛擬實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)與開發(fā)是未來實(shí)驗(yàn)教學(xué)發(fā)展的必然趨勢(shì)。虛擬實(shí)驗(yàn)室的構(gòu)建和開發(fā)可

解決中學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中實(shí)驗(yàn)設(shè)備缺乏等難題，為探索和發(fā)展現(xiàn)代教育新的思想提供了理論依據(jù)，

為培養(yǎng)擁有創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力的綜合人才提供助力[8]。

參考文獻(xiàn)

[1]周世杰，吉家成，王華.虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)與實(shí)踐[J].計(jì)算機(jī)教育，2015

（9）：5-11.

[2]周曉風(fēng).基于MAYA和VIRTOOLS的虛擬倉儲(chǔ)物流系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)[D].上海：上海交

通大學(xué)，2011.

[3]馬阿曼.基于VRML的虛擬多媒體教室室內(nèi)場(chǎng)景制作[J].長(zhǎng)江大學(xué)學(xué)報(bào)：自科版，2013

（31）：82-85.

[4]詹秦川，弓宸.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展現(xiàn)狀分析[J].產(chǎn)業(yè)與科技論壇，2014（7）：

75-76.

[5]唐久磊.探究性化學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)：以堿金屬化學(xué)性質(zhì)探究為例[D].蘭州：西北

師范大學(xué)，2015.

[6]陳珊珊.現(xiàn)代教育技術(shù)支持下的初中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究與實(shí)踐[D].武漢：華中師范大學(xué)，

2016.

[7]曾亮，彭紹雄.虛擬實(shí)驗(yàn)在裝備專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2012（9）：86-

88.

[8]冶圣安，王佳婧，馬寧.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用[J].軟件導(dǎo)刊，2014（5）：

198-199.