基于虚拟现实技术的物理实验室建设

贺华

（湖北工业大学 太阳能高效利用湖北省协同创新中心，湖北 武汉 430068）

基于虚拟现实技术的物理实验室建设

贺华

（湖北工业大学 太阳能高效利用湖北省协同创新中心，湖北 武汉 430068）

虚拟现实技术近来得到很大关注，应用于物理实验教学中，可以带来更好的实验教学效果，并能节省实验室的建设经费。本文阐述了基于虚拟现实技术的实验室建设相关内容，包含硬件建设和软件建设，还有相应规章制度的建立。

物理实验教学；实验室；虚拟现实技术

近年来，虚拟现实（VR）技术正迎来井喷式发展，成为新的科技产业发展趋势，受到不同领域越来越多的重视和关注，据报道，未来10年，VR技术的产业规模将突破万亿［1］。国外如Facebook和Sony等正投入上百亿美元进行相关技术研发［2］，国内如阿里巴巴、腾讯和百度等也有数十亿美元的投资计划［3］。可以预见，随着VR技术的成熟和成本的降低，其无与伦比的用户体验和沉浸感将吸引越来越多人的兴趣和参与，进而深刻影响人员互动和社会发展等各方面。因此将VR技术应用于教学模式的改革与创新将前景光明，大有可为。虚拟现实应用于教育是教育技术发展的一个飞跃。它营造了“自主学习”的环境，由传统的“以教促学”的学习方式代之为学习者通过自身与信息环境的相互作用来得到知识、技能的新型学习方式。目前，受限于VR技术的高成本，一般应用在特定领域，如美国NASA用来培训国际空间站的太空人；北京航天航空大学在分布式飞行模拟方面的应用；浙江大学在建筑方面进行虚拟规划、虚拟设计的应用；哈尔滨工业大学在人机交互方面的应用；清华大学对临场感的研究等都颇具特色。虚拟实验利用虚拟现实技术，可以建立各种虚拟实验室，如地理、物理、化学、生物实验室等，拥有传统实验室难以比拟的优势［1-4］。本文对基于虚拟现实技术的实验教学模式做了探讨，主要内容有在实验资源相对有限的情况下，如何构建虚拟实验室，如何建立相应的教学管理模式和规则制度等。

创新教学模式，紧跟时代步伐，与时俱进，改变传统以教为主，变为学生自主学习为主，让学生有条件更加自由的发展。如实验教学模式改革所倡导的精神，以学生为中心，虚拟现实技术提供了实现这种转换的平台。传统教学是以教师为主，学生处于被动接受地位，对于学习的内容和方式都没有更多的选择。尤其在实验教学中，这种被动接受的角色更难改变，主要原因有实验仪器的限制，有些仪器容易损坏或价值较高等，还有就是场地限制，有些实验需要较大的空间，不像理论课可以一个课堂容纳好几个班的学生，实验室通常只能一次接待少数学生，几乎没有一个班能完全容纳的情况。这些因素等都限制了实验教学内容开放的自由度。采用虚拟现实技术能够弥补上述不足，相关设备占用空间不大，如VR眼镜，却能取得接近真实的实验体验，而不用担心仪器的损耗或损坏，显然优势很多。和以往常采用的虚拟实验比较，多了更真实的感受，对于真正的实验操作指导作用更大。

走向建构主义教学理念，以学习者为中心，以过程为中心，建立师生和谐协作，互动对话的新模式。教学不再是负担，学习不再是苦事，新的模式，新的理念促成师生真正的教学相长。提供创新性学习内容和环境，培养创新性人才一直是教育改革的重要目标，但要真正实现并不容易。尤其创新性物理实验的构建通常成本较高，各种仪器购置费，还有损耗等，与硬件建设息息相关。而虚拟现实技术可以与部分硬件结合，取得相同的教学效果，同时成本可以大大降低，无疑是建设创新性实验室的很好技术手段。

在大学物理实验教学中应用虚拟现实技术，首先是研究内容，可以将相关物理实验用Unity3D等可应用于虚拟现实的软件，进行虚拟现实建模，而后采购相关硬件设施，如计算机，头盔显示器，姿势传感器等搭建虚拟现实实验平台。开发相关软件，购置必要硬件，建立一间功能齐全的虚拟现实实验室。虚拟现实内容中物理效果的真实度很重要，有些内容较难实现，如光学干涉等效果，目前还没有这种物理引擎能制作这种物理效果，一般得由教师自主开发。此外还有硬件的搭配问题，不同厂家的产品往往标准不一，需要协调设置。

虚拟现实实验室建设好后，还有建立相应的规章制度，才能较好的发挥功能，由于与传统实验有很多不同，需要设计新的制度。一般的规章制度主要包括人员配置、仪器设备配置和维护和职责说明等。在实验室初创阶段，可以考虑购置少量的仪器和设备，待人员培训熟练后再推广，避免因早期经验不足导致不必要的经费投入。实验员一般负责实验室维护，但在虚拟现实实验室可能需要新的技能培训和学习，而且需要掌握的内容包含硬件和软件两个方面，在实验室全面开放时，可以想见，各种问题都会出现，如出现软件故障等，需要有经验的实验员快速处理，以保障实验的正常运作。

综上所述，建立基于虚拟现实技术的实验室，能够有效减少实验室的建设经费，能让师生都积极参与到实验室建设和研究中，与传统实验室教学比较，实验内容上更加丰富，可以有更好的教学效果。

［1］杨宏伟.虚拟仿真技术在物理实验中的应用［J］.实验室研究与探索，2005，24（9）：38-39.

［2］张逸，梅龙宝，詹寿发等.虚拟现实技术与物理实验创新［J］.实验技术与管理，2002，19（3）：46-49.

［3］谭守标，霍剑青，王晓蒲等.虚拟实验软件的建模方法与实现技术［J］.小型微型计算机系统，2003，24（12）：2239-2243.

［4］何光宏，陶纯匡.虚拟现实、虚拟仪器及其对大学物理实验建设的影响［J］.大学物理实验，2003，16（2）：17-21.

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1671-864X（2016）10-0169-01