基于虛擬現實技術的物理實驗室建設

賀華

（湖北工業大學 太陽能高效利用湖北省協同創新中心，湖北 武漢 430068）

基于虛擬現實技術的物理實驗室建設

賀華

（湖北工業大學 太陽能高效利用湖北省協同創新中心，湖北 武漢 430068）

虛擬現實技術近來得到很大關注，應用于物理實驗教學中，可以帶來更好的實驗教學效果，并能節省實驗室的建設經費。本文闡述了基于虛擬現實技術的實驗室建設相關內容，包含硬件建設和軟件建設，還有相應規章制度的建立。

物理實驗教學；實驗室；虛擬現實技術

近年來，虛擬現實（VR）技術正迎來井噴式發展，成為新的科技產業發展趨勢，受到不同領域越來越多的重視和關注，據報道，未來10年，VR技術的產業規模將突破萬億［1］。國外如Facebook和Sony等正投入上百億美元進行相關技術研發［2］，國內如阿里巴巴、騰訊和百度等也有數十億美元的投資計劃［3］。可以預見，隨著VR技術的成熟和成本的降低，其無與倫比的用戶體驗和沉浸感將吸引越來越多人的興趣和參與，進而深刻影響人員互動和社會發展等各方面。因此將VR技術應用于教學模式的改革與創新將前景光明，大有可為。虛擬現實應用于教育是教育技術發展的一個飛躍。它營造了“自主學習”的環境，由傳統的“以教促學”的學習方式代之為學習者通過自身與信息環境的相互作用來得到知識、技能的新型學習方式。目前，受限于VR技術的高成本，一般應用在特定領域，如美國NASA用來培訓國際空間站的太空人；北京航天航空大學在分布式飛行模擬方面的應用；浙江大學在建筑方面進行虛擬規劃、虛擬設計的應用；哈爾濱工業大學在人機交互方面的應用；清華大學對臨場感的研究等都頗具特色。虛擬實驗利用虛擬現實技術，可以建立各種虛擬實驗室，如地理、物理、化學、生物實驗室等，擁有傳統實驗室難以比擬的優勢［1-4］。本文對基于虛擬現實技術的實驗教學模式做了探討，主要內容有在實驗資源相對有限的情況下，如何構建虛擬實驗室，如何建立相應的教學管理模式和規則制度等。

創新教學模式，緊跟時代步伐，與時俱進，改變傳統以教為主，變為學生自主學習為主，讓學生有條件更加自由的發展。如實驗教學模式改革所倡導的精神，以學生為中心，虛擬現實技術提供了實現這種轉換的平臺。傳統教學是以教師為主，學生處于被動接受地位，對于學習的內容和方式都沒有更多的選擇。尤其在實驗教學中，這種被動接受的角色更難改變，主要原因有實驗儀器的限制，有些儀器容易損壞或價值較高等，還有就是場地限制，有些實驗需要較大的空間，不像理論課可以一個課堂容納好幾個班的學生，實驗室通常只能一次接待少數學生，幾乎沒有一個班能完全容納的情況。這些因素等都限制了實驗教學內容開放的自由度。采用虛擬現實技術能夠彌補上述不足，相關設備占用空間不大，如VR眼鏡，卻能取得接近真實的實驗體驗，而不用擔心儀器的損耗或損壞，顯然優勢很多。和以往常采用的虛擬實驗比較，多了更真實的感受，對于真正的實驗操作指導作用更大。

走向建構主義教學理念，以學習者為中心，以過程為中心，建立師生和諧協作，互動對話的新模式。教學不再是負擔，學習不再是苦事，新的模式，新的理念促成師生真正的教學相長。提供創新性學習內容和環境，培養創新性人才一直是教育改革的重要目標，但要真正實現并不容易。尤其創新性物理實驗的構建通常成本較高，各種儀器購置費，還有損耗等，與硬件建設息息相關。而虛擬現實技術可以與部分硬件結合，取得相同的教學效果，同時成本可以大大降低，無疑是建設創新性實驗室的很好技術手段。

在大學物理實驗教學中應用虛擬現實技術，首先是研究內容，可以將相關物理實驗用Unity3D等可應用于虛擬現實的軟件，進行虛擬現實建模，而后采購相關硬件設施，如計算機，頭盔顯示器，姿勢傳感器等搭建虛擬現實實驗平臺。開發相關軟件，購置必要硬件，建立一間功能齊全的虛擬現實實驗室。虛擬現實內容中物理效果的真實度很重要，有些內容較難實現，如光學干涉等效果，目前還沒有這種物理引擎能制作這種物理效果，一般得由教師自主開發。此外還有硬件的搭配問題，不同廠家的產品往往標準不一，需要協調設置。

虛擬現實實驗室建設好后，還有建立相應的規章制度，才能較好的發揮功能，由于與傳統實驗有很多不同，需要設計新的制度。一般的規章制度主要包括人員配置、儀器設備配置和維護和職責說明等。在實驗室初創階段，可以考慮購置少量的儀器和設備，待人員培訓熟練后再推廣，避免因早期經驗不足導致不必要的經費投入。實驗員一般負責實驗室維護，但在虛擬現實實驗室可能需要新的技能培訓和學習，而且需要掌握的內容包含硬件和軟件兩個方面，在實驗室全面開放時，可以想見，各種問題都會出現，如出現軟件故障等，需要有經驗的實驗員快速處理，以保障實驗的正常運作。

綜上所述，建立基于虛擬現實技術的實驗室，能夠有效減少實驗室的建設經費，能讓師生都積極參與到實驗室建設和研究中，與傳統實驗室教學比較，實驗內容上更加豐富，可以有更好的教學效果。

［1］楊宏偉.虛擬仿真技術在物理實驗中的應用［J］.實驗室研究與探索，2005，24（9）：38-39.

［2］張逸，梅龍寶，詹壽發等.虛擬現實技術與物理實驗創新［J］.實驗技術與管理，2002，19（3）：46-49.

［3］譚守標，霍劍青，王曉蒲等.虛擬實驗軟件的建模方法與實現技術［J］.小型微型計算機系統，2003，24（12）：2239-2243.

［4］何光宏，陶純匡.虛擬現實、虛擬儀器及其對大學物理實驗建設的影響［J］.大學物理實驗，2003，16（2）：17-21.

G420

A

1671-864X（2016）10-0169-01