虚拟实验教学App的设计与实现

郏友涛 吴伟敏 朱英岚 林佳鑫

摘 要： 如今，学习者日益增长的学习需求与限制较多的传统实验教学的矛盾越来越突出。随着信息化建设的不断推进以及高校教育理念的不断更新发展，物理实验也应符合时宜地上升到具有科技化、信息化，并与时代感相对称的高水平方法上来。以虚拟实验教学与移动应用相结合为切入点，搭建了一个以学生为中心的实验教学虚拟实验平台，并进行了相应的教学实践。实践表明，实验教学结合虚拟实验平台可以有效改良教学效果并提高实验资源的利用率。

关键词： 虚拟实验； 物理实验； 移动学习； 教育应用； 教学实践

中图分类号：G434 文献标志码：A 文章编号：1006-8228（2018）07-37-04

Abstract： Nowadays， the contradiction between increasing learning demand of contemporary learners and the limitations of traditional experiment teaching is becoming increasingly prominent. With the continuous advancement of information construction and the development of higher education concepts， physics experiments should also advance to a high-level method that is technological， informative to keep pace with the sense of the times. This article focuses on the combination of virtual experiment teaching and mobile application. Based on that， a student-centered virtual experiment platform for experiment teaching is constructed and experimented by corresponding teaching practice. Practice indicates that the experiment teaching combined with virtual experiment platform can effectively improve the teaching effect and the utilization of experimental resources.

Key words： virtual experiments； physics experiments； mobile learning； educational applications； teaching practice

0 引言

实验教学是各学科教学中的一个重要的部分，传统的实验教学过程中往往伴随着材料磨损、实验设备昂贵等各方面问题。而在虚拟实验平台中，这些问题可以得到有效的控制和解決，因而虚拟实验教学与传统实验教学的互相结合将是实验教学中一项有意义的工作。

随着信息化建设的不断推进，教育理念也开始发生了改变。慕课、微课等新型教学方式的出现让建构主义理论也得到了更好的实现，翻转课堂的应用更让学生的学习过程不再局限于固定的课堂以及老师的知识灌输，而是以学生自主构建知识体系为主，教师作为促进者与辅助者提供帮助。在这样的一种改革浪潮下，移动学习则成为当下教育行业的热点。

移动平台为移动学习提供了更加强有力的支撑，也为学生的自主学习提供了更便捷的途径[1]，搭建以学生为中心的实验教学虚拟实验平台，开发跨平台的虚拟实验app，将成为利用碎片化时间进行学习的有效途径。

1 虚拟实验平台

1.1 虚拟实验的定义

虚拟实验室最早出现于1989年，是由弗吉尼亚大学第一次提出并建立的一个计算机网络化的虚拟环境实验室。随后联合国教科文组织将其定义为：利用分散的信息和通讯技术以创造或获取成果为目的在科研与其他创造性活动中进行远距离合作和实验的一种电子协作组。1999年，美国爱荷华州立大学的专家会议中又进行了进一步的定义：虚拟实验室是为研究和创新活动提供了远程的协作和实验的电子平台，用来描述计算机网络化的虚拟实验室环境。

1.2 虚拟实验教学与传统高校仪器分析教学的比较

在传统的实验教学中，教师往往通过课堂上的讲解，以及讲台上的实验来给学生讲授实验知识。但是教师的讲解往往是抽象的，学生若无法真正接触实验，那么实验教学对于学生来说就都是纸上谈兵。并且，相较于虚拟实验平台，传统仪器分析教学又有着以下几点问题。

⑴ 硬件设施不够齐全，实验条件有限。一些精密的分析仪器往往价格昂贵，所以一台仪器可能要被几位同学共同使用，加之这些仪器的运行成本较高，导致这类仪器主要面向于高校教师和研究生，对于本科生的开放程度则较低，严重限制了实验教学对于高校本科生的普及。

⑵ 学生无法深入理解与掌握。由于高校中本科生的基数大，所以每个实验小组可能会有比较多的人数，大部分情况下学生动手操作的机会少，只能通过教师的讲解和演示实验来观察实验的原理和仪器的构造，了解实验的操作流程和方法，因此学生对实验知识停留在了书本上面，不利于培养学生发现问题和解决问题的能力。

⑶ 实验无需思考，只要达到目标即可。高校的实验中，一般仅仅局限于教材书本上的几个小实验，学生在实验的时候，只需要保证实验的基本操作是与实验指导书上一致的就可以顺利通过，而无需在意实验原理。

⑷ 实验考核存在一定问题。在高校中，实验课程的分数主要是通过实验的结果来进行打分，而缺少了对过程的分析。这样的实验评估机制直接导致学生只注重对理论知识和正确实验操作的机械记忆，课前不需要做预习准备，课上不认真做或只是为了分数而敷衍了事，课后抄袭实验报告，极度不利于学生的综合素质的培养[2]。

2 基于移动端的虚拟实验系统的实现

随着移动互联网时代的到来，移动端APP应用越来越广泛。广大师生也越来越期望能使用手机端访问各种应用系统，以充分享受移动互联网带来的便利[3-6]。因此，本文基于智能移动终端开发移动虚拟实验平台。

2.1 需求分析

虚拟实验平台中的实验资源多种多样，可以很大程度上满足学习者的需求，提升实验学习质量。在提供翻转课堂的教学支持、学习者自主进行物理实验等方面，虚拟实验平台将发挥重要作用。通过此移动端虚拟实验室平台，学习者可以在移动端设备上利用碎片化的时间学习相关实验操作以及细节，从而加深实验的理解。

学生需要了解相关物理实验的知识架构、操作流程、操作结果以及相关课外知识等，教师需要了解学生的学习情况，并掌握实验数据和实验成绩。因此该平台的主要功能需求有以下。

⑴ 平台的注册和登录。学生需要有一个自己的用户账户，便于个性化记录自身学习情况，包括错误操作记录、实验成绩、实验流程等。

⑵ 模拟实验的流程、内容或任务。平台需要提供完善的模拟实验，能对平台用户的模拟操作产生一定的交互，并以此产生操作结果（成绩），这也是平台最核心的功能。

⑶ 后台数据管理。教师需要一个途径管理学生实验数据和相关实验流程，并对这些数据进行筛选和分析，以此作为实验成绩评判的标准。

2.2 平台开发实现

学生用户在使用本平台的基本行为流程为：注册用户信息，登录虚拟实验平台，自主学习实验操作，完成实验后提交所得实验结果。

教师用户则可以在服务器端提供的web页面上查看并导出、记录学生所得的成绩，系统的总体框架如图1所示。

在平台的搭建过程中，利用unity游戏引擎结合php服务器脚本语言实现客户端与数据服务器之间的交互，并通过md5码加密等方式对各级用户数据进行加密，确保平台的安全性和稳定性。

2.3 大学物理的设计及实现——以“声波测速实验”为例

在大学物理教学过程中，物理实验是必不可少的一部分，以虚拟物理模型来代替具体物理实验器材，可以使物理规律及事物的性质得到更加简明准确的表达，从而增强学习的有效性。

2.3.1 声波测速实验的设计思路

在声波测速实验中，首先要对仪器器材进行三维建模，利用三维动画技术增强模拟实验的仿真效果，通过unity脚本来对实验流程及可能出现的情况进行相应控制及提示。

2.3.2 声波测速实验的实现

该实验在实现中考虑及需解决的问题：

⑴ 该实验中物理器材的模型均由3dmax三维建模工具所实现，所以需要研究具体物理设备，以此来更好的制作模型的物理外观、材质、贴图等。

⑵ 考虑到移动端仅依靠手指来进行操作的操作特点，需在模拟实验中构建合理精准的物理碰撞系统，并通过unity脚本编写算法，实现触摸事件，以此来提高手指触碰的精度，实现对器材的操作。

⑶ 示波器所显示的波形图由多个物理元件所控制，需要用静态数据来存储其控制参数，如振幅，相位等，以实现根据学习者所选择的操作来动态生成波形曲线。

⑷ 虚拟实验中由于屏幕大小所限，很多操作会产生仪器的连锁反应，为了全面地展示实验的现象，对于仪器间的关联反应的展现可以采取多相机分屏处理的方法以实现全面展现的效果。

2.3.3 测试运行

在整个虚拟声波测速实验场景构建完成之后，我们对该实验进行了相应的测试，即在移动终端安装此app，并通过内测账号登入实验平台来进行测试。

通过该模拟实验，学生清楚地了解到了声波测速实验的具体操作流程，明白了示波器、滚轮、游标卡尺等基本器材的基本操作，对于不同操作会导致不同波形的变化也有所了解。学生们通过调节示波器，获得频率的均值，通过旋转滚轮并观察记录波形图峰值位置来测量波长。实验操作界面如图2所示。

3 虚拟实验室app的实践意义

在实践教学中，利用虚拟实验室app来辅助教学，实现“虚实结合”的实验教学模式，并与传统实验教学相比较，得到以下结论：

3.1 虚拟实验室app结合教学使得实验教学成本显著降低

虚拟实验中使用到的设备是通过计算机构建出来的虚拟物体，而且这些虚拟的仪器设备在使用过程中没有任何损耗，所以虚拟实验可以有效的节约实验教学中的成本[7]。在实践中，以虚拟实验室app辅助教学，有效地减少了器材损坏过快，如：同样新进的器材，采用虚实结合教学模式的器材使用次数可以达到传统实验教学模式下使用次数的两倍以上。

3.2 虚拟实验室app辅助实验教学有效提升了实验教学的效率

传统实验教学中，学生在课前预习时没有以实验器材作为参照，导致做实验时的成功率不高，实验教学没有达到预期的目标和效果。在“虚实结合”教学模式中，学生在进行虚拟实验时不需要进行一些简单的劳动操作，因此有更多的时间去观察实验本身的现象，回到现实实验中，又因熟悉操作而大大提高了实验的效率。同时，虚拟实验室还充分利用计算机优势，实现手把手的教学，从而学习者能更完美的完成实验研究的要求，有助于学生学习和研究效率的提高[8]。

3.3 虛拟实验室app的内容全面，自由度高，可以更好地激发学习兴趣，培养学生一定的探究能力

虚拟实验室的开发时考虑到了学生常见的错误实验操作，也加入了一些额外的实验现象或结果供学生自由发挥。实践发现，学生更想知道实验失败后的现象，虚拟实验室app满足了学生对错误实验方法造成的实验结果的好奇心，将验证型实验与探究型实验有机结合，增加了学习乐趣，也避免了不必要的损耗，有助于开拓学生的想象力和创新能力。

3.4 结合虚拟实验app的教学模式更具安全性

在相关物理实验中，往往会存在一些较危险的实验过程，只要学生在实验中出现操作失误，就会带来一定的安全隐患。虚拟实验室相比于传统教学实验安全性更高，在模拟实验中，高危操作不会产生危险情况。实践中，学生群体在虚拟实验中经历过各种错误操作之后，回归到现实之中进行操作时，其犯错率减少至原先的8.3%。由此可见，虚拟实验可以有效减少现实实验中的危险性[9]。

3.5 虚拟实验室app不受时空限制，有效地利用了学生的碎片化学习时间

在传统的实验教学环境中，并不是每一个学生都能按照教师规定的实验计划完成任务。在对比实验中，传统实验教学出现学生因实验时间不够导致的实验数据记录不全的情况，实验结果不尽如人意。基于我国移动端硬件设备的普及，移动端虚拟实验室实现了真正的突破时空限制，学生可充分地利用各种碎片化时间，享受到随时随地学习相关实验课程的便利，提高了学生对于物理实验的学习效率。

3.6 缺点与不足

⑴ 虚拟实验目前仅适用于个人独立实验，学生进行实验时的团队协作性不足，仍需在开发过程中增强具体实验的团队协作性。

⑵ 目前，虚拟实验只能是辅助手段，还不能完全取代物理实验。虚拟实验的交互性也有待提升，学生在实验过程中所遇到的问题不一定是开发实验时所预估到的问题，因而未必及时获得实验帮助，需要在长期的测试及实践过程中，总结实验中学生所反馈的问题信息，提升移动虚拟实验平台的可靠性。

4 结束语

目前，移动学习的教学模式已经被广大学生用户及教师接受，虚拟实验平台相较于传统实验教学也确实有着其独特的优势。实践证明，移动虚拟试验平台无论是用于翻转课堂或是辅助具体实验教学，都能有效地提高学生学习的积极性，培养学生的动手能力，激发学生对于知识的探索热情。

在未来的教学中，可以进一步扩大移动虚拟实验平台的教学应用范围，促进各行业实验教学的多元化，并可结合更为先进的移动虚拟现实技术，来提升虚拟实验的真实性、交互性。

参考文献（References）：

[1] 闫慧仙，吴天刚，王祖源.虚拟实验移动Web平台设计与开发[J].现代教育技术，2014.24（10）：101-106

[2] 白雁，张娟，潘瑾，李永强.“虚拟实验室”在高校仪器分析教学中的应用[J].实验技术与管理，2011，28（12）：169-171，174

[3] 周苏娟，孟江，林存坤，蒋世忠.基于移动平台的虚实结合实验教学改革与实践——以《中药炮制学》课程为例[J].时珍国医国药，2017.28（11）：2770-2772

[4] 任克强，李晓亮，谢斌.基于Android的手机导航系统设计与实验[J].实验技术与管理，2014.31（5）：131-135

[5] 李东炜，刘镇章.基于Android智能手机的实验室预约系统设计[J].实验技术与管理，2012.29（12）：196-198，202

[6] 姜文周，王彦超，李先毅.基于Android的个性化校园地图服务设计[J].实验技术与管理，2012.29（3）：109-111

[7] 朱柱.基于Unity3D的虚拟实验系统设计与应用研究[D].华中师范大學硕士学位论文，2012.

[8]刘金玉.八年级（上）物理虚拟实验室的研发[D].四川师范大学硕士学位论文，2015.

[9] 岳志兵，甘清源.虚拟实验在中学物理教学中的重要作用[J].考试周刊，2018.20：158-159