虛擬現實技術在高校實驗課堂教學中的應用研究

孫苗+蘭曉紅

摘 要：隨著互聯網技術和多媒體技術的不斷發展，根據《教育信息化十年發展規劃（2011-2020）》，教育部決定于2013年啟動開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作。目前，虛擬現實技術已在高校實驗課堂教學中得到初步應用。重慶師范大學計算機學院結合自身實際，建立了相關實驗課堂的虛擬仿真實驗室。虛擬現實技術可以利用虛擬仿真軟件建模，構建虛擬儀器和場景，使用戶在虛擬場景進行仿真實驗學習和操作?；谔摂M現實技術的虛擬實驗室符合教學改革要求，改變了以往的教學模式，提高了實驗教學的水平和質量，具有極強的應用價值。

關鍵詞：虛擬現實；實驗教學；虛擬儀器；虛擬實驗室

中圖分類號：TP393；G434 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2017）03-0-04

0 引 言

實驗教學[1]是高校實踐教學活動中不可缺少的重要組成部分，是培養學生實際動手能力和自主解決問題能力的主要途徑[2]，同時在實驗過程中可以加深和鞏固學生對理論知識的理解。但由于受到實驗條件和設備的制約，一些高校的實驗不能有效開展。因此，基于虛擬現實技術[3]的虛擬實驗室應運而生，并且得到了快速發展。所謂虛擬實驗室[4]，即利用虛擬現實技術仿真或虛構某些情景和設備，使用戶可以在計算機上進行實驗的實驗室。虛擬實驗室應用多種前沿技術，降低了實驗設置投入和管理成本，改變了以往的教學模式，使得遠程移動實驗教學得以真正實現，突破了時間和地域的限制，具有便捷、安全等多方面的優勢。

1 虛擬現實概述

虛擬現實（ Virtual Reality，VR）又稱為人工現實[5]，即利用計算機生成虛擬環境，并借助輸入設備進入虛擬環境進行自主交互操作，使用戶產生仿佛在真實場景中的感覺。它包括兩種形式，一種是通過佩戴特殊頭盔等外部設備，以自然方式（比如頭的轉動、腳的移動等）與計算機生成的虛擬世界中的對象進行交互操作，產生如同在真實環境中的感受和體驗。另一種則直接通過計算機桌面，利用鍵盤、鼠標等常規輸入設備進入虛擬空間，進行實時交互操作[6]。

虛擬現實技術[7，8]是計算機領域的最新技術，它利用三維圖形生成技術、智能接口技術、多傳感器技術等，生成三維逼真虛擬環境，使用戶可以感知和操作虛擬世界中的各種對象，產生一種身臨其境和沉浸其中的感覺。VR技術可以應用于許多領域，如軍事、醫療、教學等。目前，這種技術主要通過計算機桌面的形式應用于實驗教學當中，學生不再受實驗場地和設備等的制約，能夠隨時隨地進行虛擬仿真實驗學習，極大地激發了學生的學習興趣。類似于真實的實驗環境，學生的行為將會影響實驗的發展和結果。另一方面，教師在虛擬實驗室中可以查看學生的學習動態，部署作業等。

虛擬實驗室是利用虛擬現實技術，構建虛擬實驗儀器、設備和場景，以軟件形式實現硬件的功能，仿真實際的物理實驗過程的應用系統。虛擬實驗室由實驗課程、虛擬器材庫、網上管理系統等組成。由于其可觀的應用前景而受到世界各國及各大高校的重視，在國外一些發達國家已經得到普及，我國一些知名高校也相繼建立了各具特色的虛擬仿真實驗系統。如清華大學利用虛擬儀器構建了汽車發動機檢測系統；大連理工大學研發了一套化學虛擬實驗系統。北京郵電大學、上海交通大學、浙江大學、重慶大學等一批高校也致力于虛擬實驗系統的研究。

2 構建虛擬實驗室的方法

構建基于虛擬現實技術的虛擬實驗室的方法有許多種，大多都通過軟件建模模擬真實硬件的功能來構建虛擬實驗室。下面介紹幾種國內構建虛擬實驗室的常用方法。

2.1 基于VRML構建三維虛擬實驗室

VRML（Virtual Reality Modeling Language，VRML）即虛擬現實建模語言[9]，用類似HTML標記文本語言來描述三維場景，通過Internet和Web超鏈接在網上營造虛擬環境的技術。VRML的基本工作原理包括文本描述、遠程傳輸、本地計算生成。文本描述就是用標記文本語言描述三維物體和場景，而不利用三維坐標點來描述物體，因為這樣會產生很大的數據緩存，不利于傳輸。遠程傳輸是指訪問由虛擬現實建模語言描述的虛擬物體和場景時，需要通過網絡將文本數據傳送到計算機本地。本地計算生成是指瀏覽器要對傳送到本地的數據進行解釋翻譯，重現虛擬場景。

設計VRML虛擬實驗場景有以下兩種方法：

（1）直接使用文本編輯器編寫程序代碼。該法方便，但不直觀，對設計者的空間想象能力和邏輯思維能力要求較高；

（2）將可視化組件搭建成自己需要的實驗場景，可以直接看到實驗效果。

2.2 基于Quick Time VR建模構建虛擬實驗室

Quick Time VR（Quick Time Virtual Reality）是一種基于靜態圖像處理，即通過連續拍攝的實景照片，形成全景圖像，在計算機上建模實現虛擬現實的技術。Quick Time VR[10]技術可以將在不同角度連續拍攝的實景照片按照其相互關系有機銜接起來，在視覺上形成物體的全景圖像。其性能優勢主要有：

（1）所需設備簡單，僅通過一臺普通電腦，不需要佩戴昂貴的特殊頭盔和特殊眼鏡等就可以進入虛擬場景，并進行操作；

（2）可跨平臺運行，兼容性好；

（3）采用獨有壓縮技術，數據量小，占用內存少；

（4）運用真實圖像，構建虛擬場景，具有高度的現實性；

（5）制作簡單，所需周期短。

2.3 采用Cult 3D技術構建虛擬實驗室

Cult3D是一種基于Java的3D網絡VR技術，可動態顯示極高質量的圖像。它依靠專門的3D建模軟件建立3D模型，具有獨特的渲染方式。其特點和優勢主要有以下幾點：

（1）由于是基于幾何模型建模，產生的文件數據量很??；

（2）支持多種建模軟件，兼容性好，可跨平臺運用；

（3）使用方便靈活，只要用鼠標在3D物件上直接拖動，就可以實現對物體的移動、縮放等功能；

（4）對硬件要求相對較低，低配或者普通電腦即可滿足要求。

2.4 采用Flash等技術構建虛擬實驗室

Flash是由Macromedia公司開發的矢量圖和 Web動畫技術，是一種集動畫創作與應用程序開發于一身的軟件。建模所需要的圖像和內容可以在Flash中創建或者從其它應用程序導入。用Flash開發VR數據文件，主要采用其腳本語言Action Script控制交互，通過導入序列圖像來形成3D對象或全景虛擬環境。利用Flash進行VR開發，靈活性較大，但開發步驟較為復雜。

上面介紹的四種網絡VR技術各有特色，可以滿足不同的實驗教學要求。為了更好地研究和比較這四種VR技術的性能和特點，表1列出了四種VR技術的對照。

3 虛擬現實技術在高校實驗課堂教學中的應用

基于VR技術的虛擬實驗室可以為用戶提供一個基于網絡的實驗教學、交流和反饋平臺。通過計算機網絡構建所需學科的實驗項目，教師和學生可以隨時隨地進入虛擬實驗室，開展實驗和研究，改變了以往只能借助硬件進行實驗操作的教育模式，具有極強的應用價值。虛擬實驗室系統的具體功能主要有在線虛擬實驗項目、實驗演示、作業部署、智能批改和成績管理等。目前，基于VR技術的虛擬實驗室的研究國內還處于萌芽和發展階段，部分高校和研究所已經構建了自己的虛擬實驗室（網絡教學平臺），進行虛擬仿真教學。

虛擬仿真實驗室可以應用于高校很多學科的實驗教學，如電子類實驗、機械類實驗、通信和計算機類實驗、物理和化學類實驗、醫學實驗等眾多領域。根據不同的課程和實驗要求開發相應的虛擬實驗室。虛擬實驗室可以由教師、學生自己設計開發或者由專門的公司研發制作。針對單一特殊的新開實驗課程，可以自行設計開發，既可以學習和掌握用VR技術開發課程技術，又可以滿足實驗要求，進行虛擬實驗操作；針對基礎且開設較普遍的課程，由于涵蓋實驗項目眾多，可以到專門公司定制一套教學系統，用于相應課程的實驗教學。

3.1 用VR實現對一畸形胎兒標本的全方位觀察

用VR實現對一畸形胎兒標本的全方位觀察可以由教師、學生自行開發設計。

實驗要求：可以全方位360°觀察畸形胎兒標本，使學生加深對畸形胎兒結構的理解和認識。

實驗方法：采用Quick Time VR技術。

實驗步驟分為如下幾步：

（1）用攝像機或者手機每隔10°拍攝一張畸形胎兒標本的圖像。

（2）用Photoshop軟件對36幅圖像進行處理。

（3）在VR ToolBox中導入經過處理的36幅圖像，根據網絡帶寬和內存狀況等，設定圖像的壓縮率，最后導出VR影視.mov文件[11]。

（4）將VR數據文件嵌入到網頁中，設計課程鏈接，并上傳到服務器；在學生機上安裝Quick Time播放插件。

實驗效果：每個學生都可以通過網絡全方位觀察畸形胎兒標本的圖像，一張標本多個網絡復制本，提高了教學效率；學生可以通過鼠標移動控制標本，實現如同觀察真標本的效果；學習不僅局限于學校課堂，學生在課外也可以通過計算機網絡對實驗內容進行查看，實現了移動學習。

3.2 計算機類基礎課程方案設計

計算機類基礎課程方案設計由公司研發定制。

方案要求：通過構建一個虛擬實驗室——虛擬仿真實驗教學平臺，實現計算機類相關專業實驗課程的管理和操作。

方案內容：虛擬仿真實驗教學平臺提供了全方位的虛擬實驗教學輔助功能，主要包括中心門戶網站、實驗教學管理、實驗前理論知識預習、實驗過程智能指導、實驗結果自動批改評分、線上互動交流等，如圖1所示。

構建的虛擬實驗室要涵蓋計算機類專業開設的虛擬實驗課程，主要有計算機網絡、Linux操作系統、計算機網絡安全、數據結構、電路分析、模擬電路、數字電路、單片機應用技術等。

方案實施：方案實施流程如圖2所示。

案例展示：以北京潤尼爾公司為我?！貞c師范大學計算機實驗中心設計的開放式虛擬實驗室為例，介紹虛擬仿真實驗平臺的各部分模塊及功能。

（1）網上搜索“http：//219.221.10.27”，進入網站首頁，輸入賬號和密碼登錄平臺。如圖3所示。

（2）登錄賬戶分為教師、學生、管理員，分別對應不同的虛擬化平臺。圖4展示了教師登錄進入的實驗平臺界面，在此平臺上教師可以進行各項教學安排，包括實驗課程安排、實驗批改、成績導出等操作。登錄進入學生端虛擬實驗室，學生可以查看實驗課程項目，進行實驗預習和操作等。在管理員端虛擬實驗平臺，管理員可以進行教學系統設置、管理和維護虛擬教學平臺等操作。

（3）用戶只要連接網絡，不管在校內還是校外，都可以通過賬號自主進入虛擬實驗室，進行不同的實驗操作。圖5，圖6所示分別為計算機網絡實驗臺和模擬電路實驗臺界面。在不同的實驗臺界面可以實現與真實環境一樣的實驗效果，學生通過下載插件，自主選擇所需廠家的實驗設備和器材，按照實驗步驟連接好電路進行實驗，并且實驗結果提交后系統可以自動批改。如果學生對虛擬實驗臺的操作不熟悉，可以選擇演示實驗，先觀看學習再進行實驗操作。

（4）教師可以通過登錄實驗管理平臺查看學生的實驗完成情況，并進行評分、交流和管理等操作。

實驗效果：通過在網上開展虛擬仿真實驗課程，讓學生不再受外在條件的制約，可以自主進行實驗、學習，調動了學生學習的積極性；通過虛擬管理平臺及時反饋學生的實驗信息，使教師更快、更準地掌握學生的學習情況，提高教學效率；通過觀看虛擬演示實驗，使在課堂沒有掌握老師所講實驗方法的同學，可以自行復習和鞏固，提高了學生的學習效率。

4 虛擬仿真實驗室的優勢與不足

4.1 基于VR技術的虛擬仿真實驗室在教學中的應用優勢

（1）實驗靈活性大，有助于培養學生的主動性和創造性。虛擬實驗室的實驗課題目設定、器材選取等可以隨時更改，以適應時代的快速發展需求；學生可以通過登錄網上虛擬實驗室進行自主學習和探究，也可以尋求老師的幫助或者和線上同學交流，提高學生的學習熱情和創造思維能力。

（2）突破時間、空間的限制，實現移動網絡學習。以往的硬件實驗室只能在學校專門的實驗教室學習和操作，基于VR技術的虛擬仿真實驗室不再受傳統硬件條件的制約，學生可以隨時通過計算機網絡進入虛擬環境進行實驗學習。

（3）用虛擬實驗取代實物實驗，節約了成本和開銷，提高了安全性。在虛擬實驗室中，用一臺計算機就可以取代一套硬件實驗設備，模擬真實實驗環境，節省了設備開支，且更加安全、環保；而且以往一些具有危險或者不易觀察的實驗都可以通過虛擬實驗實現。

（4）化繁為簡，提高教學效率。以往在真實的硬件實驗室中進行一次實驗課堂教學，教師不僅要講解原理，還要為學生演示操作，但卻無法保證每一個學生都可以看到、學會，雖然浪費了大量時間但教學效果不理想；采用虛擬實驗室后，每個學生都可以根據自己的情況進行實驗和學習，提高了教學效率。

（5）可以作為硬件實驗的補充，輔助實驗教學。由于虛擬實驗結果是在比較理想的條件下得到的，而實際的硬件實驗結果可能存在偏差，因此可以通過兩種實驗結果的對照來改善硬件實驗條件，以逼近虛擬理想實驗結果。

（6）網絡管理和維護簡單方便。傳統實驗室的硬件設備容易壞損，管理和維修極不方便，耗時耗財；利用VR技術構建的虛擬實驗室不需要昂貴的硬件維修費，只要通過網絡和程序就可以方便地進行管理和維護。

4.2 基于VR技術的虛擬仿真實驗室應用于實驗教學中存在的不足

（1）與實際實驗相比，虛擬實驗的實驗條件都是在較理想環境下進行，很難完全反映現實實驗教學真實環境的復雜性，因此實驗結果是理性化的；

（2）虛擬實驗室中的實驗儀器和設備等只能用肉眼看到，并非實際存在，因此很難清楚感知實驗設備的具體大小和重量等，缺少實物感；

（3）學生可以隨時隨地通過網絡計算機進入虛擬實驗室，導致學習自主性大，容易偏離學習目標；

（4）由于虛擬實驗平臺要通過網絡登錄，緩存和下載大量實驗數據和插件，這就對計算機配置和網絡要求較高，容易產生網絡使用瓶頸。

5 結 語

簡而言之，基于虛擬現實技術的虛擬實驗室應用到高校實驗課堂教學中，是深化教學改革，提高教學效率的有效手段。它可以使學生隨時隨地通過網絡和計算機進入虛擬實驗室學習，激發了學生的學習興趣，提高了學生的學習效率，同時還降低了實驗室建設成本，使一些危險或者不便操作的硬件實驗能通過桌面直觀呈現出來，加深學生的理解，培養學生的創新思維。但是虛擬現實技術不能完全取代傳統的硬件實驗教學，因為它也存在一些不足，因此我們應該將兩者有機結合，實現現代化教學。這種依托于現實實驗為現實服務的虛擬實驗技術，具有巨大的應用空間，同時它也是未來現代化實驗教學領域的一個發展方向。

參考文獻

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