虚拟现实技术在物理实验中的应用

谭淑梅，崔海瑛

（大庆师范学院物理与电气信息工程学院，黑龙江大庆163712）

虚拟现实技术在物理实验中的应用

谭淑梅，崔海瑛

（大庆师范学院物理与电气信息工程学院，黑龙江大庆163712）

对虚拟现实技术做出简明分析，并对虚拟现实技术的特征进行总结，提出了在物理实验教学中构建虚拟实验室的重要性，阐述了虚拟实验与实验教学相结合的优势，并讨论了虚拟实验室对实验教学产生的不利影响。

虚拟现实技术；虚拟实验；物理实验；实验教学

1 虚拟现实技术的概述

虚拟现实技术，是指利用三维图形生成技术、多传感交互技术、多媒体技术、人工智能技术以及人机接口技术等高新技术生成三维逼真的虚拟环境［1-2］。

虚拟现实技术包含虚拟场景和物体的设计与编码，以及空间背景、几何造型、视点设置、坐标系变换、大气效果、浏览者信息、模块化和内联、光照效果、声音节点、朝向节点和链接物节点等设计。通过构建一个数字、图形、图像、动画、视频等不同信息为一体的虚拟系统，创造出一个内容丰富、色彩缤纷、图文并茂、动静相融的虚拟情景，促使人们感官接受刺激，使人们产生一种身临其境的近乎真实的感觉［3］。

2 虚拟现实技术的特征

虚拟现实技术的特征主要包括：多感知性、沉浸性、交互性、构想性等［4］。

图1 虚拟现实技术特征

2.1 多感知性

虚拟现实技术应该具有视觉感知、触觉感知、运动感知，甚至包括味觉感知、嗅觉感知等。理想的虚拟现实技术应该具有一切人所具有的感知功能［4］。但由于相关技术，特别是传感技术的限制，目前虚拟现实技术所具有的感知功能仅限于视觉、听觉、力觉、触觉、运动等几种。

2.2 沉浸性

理想的虚拟环境应该使操作者体验到三维立体感，操作者在全身心地投入到计算机创建的实验环境中，体会应与现实环境中的感觉基本相同。

2.3 交互性

交互性指体验者对模拟环境内物体的可操作程度和从环境得到反馈的自然程度（包括实时性）。用户可以通过三维交互设备直接操纵计算机所给出的虚拟世界中的对象，虚拟世界中的对象也能够实时地做出相应的反应。

2.4 构想性

通过在虚拟现实环境操作过程中，操作者在得到感性和理性的认识的同时，会加深概念的理解，并获取新的信息，启发新的构思，进而解决实际应用问题。

3 虚拟现实技术在物理实验中的作用

在高等院校理工科专业教学中，大学实验是教学中一个必不可少的过程，而高等院校传统实验室里设备过于陈旧，一般需购置先进而且昂贵的基础测量仪器，这些仪器投资大、技术更新快、维护困难［5］，并且投资经费有限，教学实验室更新速度慢，不利于高等院校教育教学。因此，引入虚拟技术迫在眉睫，所以要把虚拟现实技术同现代教学技术相结合，打造虚拟实验系统平台，这个平台能够为学生提供生动、逼真的学习环境，能够调动学生的学习积极性，对于提高学生的实验技能都将起到积极的作用［6］。因此，在物理实验室中应用虚拟现实技术已成为必然趋势。

虚拟仿真实验可以提供开放式实验环境，真正实现实验室向学生开放，学生可以打破时间和地域的限制完成相关的教学实验。由于虚拟仪器系统的支持，学生可以自拟、自选实验题目，自行组织实验，变使用现成的仪器为开发自己的仪器进行实验，摒弃传统的灌输式教学方式，让学生自主参与到教学中来，最大限度地发挥学生的主动性和创造性。这种学生自主探索的学习活动，可使他们的个性得到充分地发展，创造能力得到很大地提高，最大程度地锻炼和开发学生的创新能力，极大地激发学生的学习兴趣。

3.1 节约成本

目前，某些高等院校由于实验设备陈旧，投入的教学经费有限，设备更新速度慢等原因，使一些应该开设的教学实验无法进行。创建虚拟现实室，可以弥补这些方面的不足。虚拟实验室容易构建，可以做多种实验，既可减少实验室资金的投入及建设的个数，又可以提高实验室的利用率，降低了实验器材的消耗，减少了因操作不当造成的仪器设备的损坏，在高校实验室中发挥着重要作用。运用虚拟仪器技术搭建功能强大的虚拟实验室，可以节省购置大量新型设备的费用，显著降低实验室建设和管理成本，节约实验室的投入成本。

3.2 提高教学效果

虚拟实验室不受实验时间和实验场地的限制，学生可以灵活地选择实验题目及实验内容进行实验。实验场地也不局限于实验室，利用计算机就可以虚拟仿真实验，提高了实验效率。并且，利用构建的虚拟实验室，学生可以及时进行预习、操作实验、数据处理、误差分析和提交实验报告。学生通过虚拟实验系统能够做实验，和实际实验一样也要调节仪器，读数，实验数据处理等，从而加深对实验教学内容的理解，并从中能够获得启示，有助于实验问题的解决。例如，光学实验要求精度高，经常会因调节不准根本看不到实验的结果。在虚拟实验室中，实验的操作就会变得很简单，很容易就能改变实验的条件，提高了实验效果。

建设虚拟实验室，既能使实验教学上一个新的台阶，又能跟上国际先进水平，发挥本学科实验教学的优势。虚拟仪器技术使过去互不相干、独立分散的信号调理、数据采集、数据处理、数据输出和传输等许多技术领域相互影响、相互融合，并形成新的技术方法和规范，从而提高实验室水平，提高仪器界面的人机交互能力和可视化程度，给实验者更高性能的仪器设备，满足实验教学不断提出的新的教学要求。

3.3 提升学生实践能力

通过虚拟实验室，学生可以灵活地改变实验参数，观察虚拟实验结果，可以及时评估某些因素改变对实验的影响［6］，有利于学生更好的掌握物理专业知识，同时提高了学生的操作技能、分析问题及解决问题的能力，为将来的科研和工作打下坚实的基础。大学物理实验多数是验证性实验，实验内容固定，学生只要按照实验步骤就可以完成实验，实验缺乏创新性。创建虚拟实验室，就可以灵活的改变实验项目，增加设计性实验，使学生依据实验题目及要求，自行设计实验方案，并完成实验，实时观测不同因素对实验结果影响，形成实验报告并及时提交。因此，虚拟实验可以提高学生的设计能力，并锻炼学生的创新思维，及激发学生学习的热情，有利于培养学生的创新精神及提升学生的实践能力。

4 虚拟现实技术带来的不利影响

构建的虚拟实验仪器虽然形象逼真，但是学生利用虚拟实验室操作实验和在实验室里真实操作仪器完成实验还是有差别的。例如在实际操作中，实验器件跟参数有关，或者参数完全一致的器件，由于操作者不同，实验结果也会有差别。而虚拟实验在这方面是无能为力的。尽管在虚拟实验中可以人为地加一些干扰因素进行系统仿真，但这与实际操作实验会出现的不确定干扰因素是无法相比的，而且有些干扰因素虚拟实验无法仿真［7］。物理实验当中很多实验仪器，如示波器、扫频仪的使用比较复杂，学生需要经过反复调节使用，才能规范地、熟练地掌握各种常见仪器操作技巧，还有实验光路的搭建等都需要学生耐心细致的调节，还要掌握各种仪器的正确读数。而虚拟实验室的虚拟仪器在调节使用及读数方面有所欠缺，不利于学生对实验仪器操作技能的训练，对于学生严谨实验态度的建立及良好实验习惯培养都会起到不利影响。如果完全依靠虚拟实验室来完成实验，会对学生解决实际问题能力方面的培养产生负面影响。所以，构建的虚拟实验室应与原有实验教学体系相结合，来培养学生的综合能力。

5 结语

物理实验的教学目的在于培养学生的实验分析能力、实际操作能力及数据处理能力，同时也培养学生应用所学的物理专业知识去分析、解决实际问题的能力。通过虚拟实验，可以丰富高等教育的物理实验课程教学内容，在减少验证性实验同时，增加综合性、设计性及创新性实验，加强计算机虚拟实验手段的应用，加深学生对相关物理实验知识的理解层次，激发学生学习兴趣，提高教学效果。

［1］申蔚，夏立文.虚拟现实技术［M］.北京：北京希望电子出版社，2002.

［2］董妍，张永萍，张巧玲.虚拟实验室的构建［J］.装甲兵技术学院报，2005，4（3）：4-5.

［3］张武军，田海，尹旭日.虚拟现实技术基础与实践教程［M］.北京：冶金工业出版社，2008.

［4］李锦涛，刘国香.虚拟环境技术［M］.北京：铁道出版社，2001.

［5］高丽娜，汪敬贤.虚拟现实技术在教育领域内的应用研究［J］.长春师范学院学报，2009，5（2）：11-13.

［6］陈雅.浅谈虚拟实验在高校教学中的应用［J］.广东技术师范学院学报，2003，9（6）：9-12.

［7］蒋英.对虚拟现实技术构建虚拟实验室的出浅知识［J］.天津城市建设学院学报，2007，15（9）：13-16.

Application Research of Virtual Reality Technology in Physical Experiment

TAN Shu-mei，CUIHai-ying
（College of Physics and Electric Information Engineering，Daqing Normal University，Daqing 163712，China）

A concise summary of the virtual reality technology ismade.The characteristics of the virtual reality technology are summarized.constructing virtual laboratory have an importance in the physical experiment teaching.The advantages of combining virtual experimentwith experiment teaching is described.Disadvantage of relying solely have an adverse effect on virtual laboratory of experiment teaching.

virtual technology；virtual experiment；physical experiment；experiment teaching

谭淑梅（1964-），女，黑龙江肇东人，大庆师范学院物理与电气信息工程学院副教授，从事物理实验教学研究。

G642.0

A

2095-0063（2013）06-0125-03

2013-05-26