基于網絡的虛擬實驗環境構建

葛巖 陸熙鵬 孫子晟 孫艷 北華大學 計算機科學技術學院

引言

虛擬實驗作為真實實驗的必要補充，學生可以不受時間和空間的限制，隨時進入虛擬實驗室操作儀器，進行各種實驗，豐富學生對實驗設備的感性認識，加深學生對教學內容的理解。

1 網絡虛擬實驗環境的設計概述

“環境意味著中心事物在特定活動展開的過程中賴以持續的情況和條件”。針對于虛擬實驗環境，即是虛擬實驗活動進行過程中所依賴的條件，包括物質條件和非物質條件。其中物質條件主要指實驗設備、實驗場地等；非物質條件包括虛擬實驗教學開展過程中所實施的教學策略、教學思想等。精心設計虛擬實驗的非物質條件和物質條件，才能使虛擬實驗教學順利開展。

2 虛擬實驗環境的構建

結合大學物理實驗中避雷針的開發實例，說明如何結合物質條件和非物質條件實現基于Web 虛擬實驗。《避雷針》是理工科大學本科學生必做的一項實驗，目的是通過此實驗觀察火花放電的發生過程及條件，鞏固課堂上所學的基本理論知識，加深對原理的理解，懂得現實生活中的相關自然現象，培養和提高學生的科學實驗能力[2]。實驗原理是放電現象在何處發生取決于尖端電極和球型電極與平板電極的距離。如果尖端電極和球型電極與平板電極的距離相等，尖端電極放電，而球型電極未放電。若尖端電極與平板電極之間的距離大于球型電極與平板電極之間的距離，放電在球型電極與平板電極之間發生。

按照系統的定義，虛擬實驗環境系統是由學習者、學習行為、學習情境和環境中融合的技術、以及最終構建起來的環境五個基本要素組成的系統，是物質條件和非物質條件的統一體。其設計過程首先圍繞LACT 四個基本要素展開：

2.1 學習者分析

《避雷針》是理工科大學本科二年級學生的實驗課內容，通過抽樣性的訪談，了解到本實驗的學習者計算機及網絡利用水平較強，但潛意識中對實驗課的重視程度不夠，同時，在師生時空相對分離的網絡環境下，需激發他們的學習動機，喚醒自主學習的意識，通過分析學習者現有的學習起點和認知風格，為學生提供生動、逼真的實驗環境，對學生的學習過程和結果進行客觀評價，從而調動學生的學習積極性，激發學生的學習動機，促使學生持續學習下去，繼而保證整個網絡教育的質量。

2.2 學習行為分析

利用虛擬現實技術生成的三維場景是“活”的，通過鼠標點擊、移動等，改變或影響虛擬環境，就如在現實中改變自己周圍的環境一樣，即能夠進行實驗場景的漫游。學生在做過實驗之后，清晰地感知了實驗現象，但要想透徹的把握實驗原理，靈活地遷移和應用學到的知識，還需學習者自己對特定問題的鉆研，與伙伴交流，因此，創建資源檢索模塊，同步異步討論模塊顯得更有意義。

對于用戶來說，場景信息是相對穩定的，比如教學樓、教室、桌椅、實驗器材。具體分析真實實驗室設計格局、物品擺放、光線材質等各個方面因素，利用3DS max 建模工具來建立了一個虛擬教室，使學習者進入實驗室有種身臨其境之感，有利于保持學習者注意力并增強其對實驗探索的興趣。同時，學習者和虛擬教室之間不是孤立的，兩者有一個交互的過程。用戶通過操縱鼠標，改變了視點的位置或視線方向，從而實現用戶在虛擬教室中的漫游。

在實驗的操作部分，先用三維動畫呈現如何將不同的裝置按次序安裝，同時配以文字性的解釋和說明，可以讓學習者明白操作的程序，加深對實驗步驟的理解。利用鼠標操作實驗來找出其操作規律，如果把尖端電極和球形電極放上去，并且接通電源，根據尖端電極與平板電極、球型電極與平板電極的距離的距離情況，產生不同的實驗現象，學生了解到不同的放置方法會得到不同的反饋，從而在學習者腦海中建立起一套行動的規則，無意識的獲得了“知道怎樣”的知識。

學習者的自主學習還需有和實驗內容相關的資源庫的支持，利用檢索工具可幫助學習者在最短的時間內找到有價值的資源，緩解了學習者急迫的心理狀態。學習者在網絡環境下進行實驗活動，相關的管理與幫助是必不可少的，起到一定的監控作用。還要有認知工具的支持，以促進學習者之間、學習者和教師之間的相互交流，也可用它來表征自己的思想，進行信息與資源的獲取、分析、處理等。

2.3 學習情境設計

建構主義學習理論認為學習是在特定情境中展開的[3]。本實驗將《避雷針》虛擬實驗原理與生活實際緊密結合，使學生意識到熟知《避雷針》實驗原理的重要性，引起學生回憶已學的舊知識，促進學生新知識的意義建構。

在實驗部分，利用Virtools 技術創設真實問題情境，將實驗原理和生活實踐結合起來，讓學生帶著問題來學習。例如，在學生學習這部分內容時，為了讓學生更好地了解本實驗原理在自然界產生的現象，在做實驗之前，先讓他們觀看一段“雷電暴風雨時，一個在空曠平坦的田野上行走的人，被雷擊了”的視頻，為學生創設了一個問題情境，促進學生積極主動地、自由地(而非迫于外界壓力)想象、思考、探究，解決問題或發現規律，并伴隨著一種積極的情感體驗。這種情感體驗包括對知識的渴求、探索問題的欲望、問題解決后的激奮等等。

以上三部分構成虛擬實驗非物質條件的設計，創設能夠促進學習者主動學習的網絡學習環境。為了讓學習者在操作中自主學習，有意識地創設類似真實實驗室的實驗場地，讓學習者動手操作，主動參與，借助操作啟動思維，使學習者從被動接受知識變為主動獲取知識。為了讓學習者在知識的遷移中自主學習，設計了與學習者個人的經歷相關的問題情境，這樣才能對其學習新知識起促進作用，使學習者的主體作用得到發揮。

2.4 技術分析與實現

從表1 中可知，基于2D 的網絡虛擬實驗環境與基于3D 的網絡虛擬實驗環境相比，真實感較差，因而提供的學習環境不及后者生動逼真。基于3D 的網絡虛擬實驗系統為學習者提供以三維動態形式呈現的學習內容，可以靈活控制場景中的對象，使其在這一環境中具有較好的真實感和沉浸感。由于上述二種類型都有其優缺點，有必要將JSP 和Virtools 技術融合在一起，優勢互補，即能滿足當前網絡傳輸的要求，又能增強了學生實驗的臨境感，真正的發揮教育教學的作用。

表1 二種常見虛擬實驗系統的對比

3 總結

本文融合2D 和3D 虛擬實驗技術開發的優缺點，設計并開發網絡環境下的虛擬實驗環境。網絡虛擬實驗環境真實感強、資源豐富、交互性好，能進一步促進網絡實驗教學的可持續發展。