陳太喜

在中等職業(yè)技術(shù)學(xué)校中，物理是一門文化基礎(chǔ)課。職業(yè)學(xué)校的物理教學(xué)和普通高中的物理是不同的，在教學(xué)中要培養(yǎng)學(xué)生的操作技能、分析問題和解決問題的能力。實(shí)驗(yàn)教學(xué)是教學(xué)的重要組成部分。但中等職業(yè)學(xué)校，一般都注重專業(yè)實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)室的建設(shè)，而忽視文化基礎(chǔ)課的實(shí)驗(yàn)室建設(shè)，因此，建設(shè)虛擬物理實(shí)驗(yàn)室就成了一個(gè)可行的選擇。

1虛擬物理實(shí)驗(yàn)室

虛擬現(xiàn)實(shí)，就是利用計(jì)算機(jī)技術(shù)及傳感設(shè)備生成的一個(gè)逼真的三維虛擬環(huán)境，是模擬環(huán)境、視景系統(tǒng)和仿真系統(tǒng)三者的有機(jī)結(jié)合。

將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與物理實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，建造一個(gè)符合物理教學(xué)需求的虛擬物理實(shí)驗(yàn)室。虛擬物理實(shí)驗(yàn)室主要由檢測(cè)模塊、反饋模塊、傳感器模塊、控制模塊、3D模型庫(kù)和建模模塊等構(gòu)成。主要設(shè)備包括計(jì)算機(jī)硬件、虛擬物理實(shí)驗(yàn)室軟件及各類傳感設(shè)備、跟蹤設(shè)備、控制設(shè)備等，以便將學(xué)習(xí)者的操作轉(zhuǎn)換為施加到虛擬系統(tǒng)中的物體上的作用信息，并將虛擬系統(tǒng)中物體的反饋轉(zhuǎn)換成人能獲得的視覺、聽覺、觸覺等。

在虛擬實(shí)驗(yàn)室中，實(shí)驗(yàn)者有身臨其境的感覺，感覺是在真實(shí)的實(shí)驗(yàn)室里近距離地進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)操作，從而完成實(shí)驗(yàn)教學(xué)任務(wù)。

2虛擬物理實(shí)驗(yàn)的實(shí)現(xiàn)

選用3EdDs Max與Virtools技術(shù)組合開發(fā)虛擬實(shí)驗(yàn)室，這一組合可以極大地提高虛擬實(shí)驗(yàn)的交互性和沉浸度，適合在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中推廣與應(yīng)用。3ds Max具有強(qiáng)大的建模功能，Virtools擁有超過500組互動(dòng)模塊，特別是Virtools中PhysicS Library模塊能逼真模擬重力、質(zhì)量、力場(chǎng)、物理行為設(shè)定等各種物理屬性，能夠滿足物理學(xué)科不同的實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)與效果的需求。虛擬實(shí)驗(yàn)室開發(fā)流程如下。

2.1利用3DsMax創(chuàng)建3D實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景，裝置等模型

將其實(shí)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景吸納到虛擬場(chǎng)景設(shè)計(jì)之中，將實(shí)驗(yàn)所需設(shè)備制作得逼真而富有質(zhì)感。使學(xué)習(xí)者進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室有種身臨其境之感。

2.2在3DsMax中制作實(shí)驗(yàn)角色及相應(yīng)動(dòng)畫

應(yīng)設(shè)計(jì)多元化人物模型，體現(xiàn)不同的角色特征，使他們符合參與實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)者的不同喜好和性格特質(zhì)。人物動(dòng)作主要是人物行走及實(shí)驗(yàn)動(dòng)作的設(shè)定。

2.3從3DsMax中輸出可用的模型與動(dòng)作

Virtools Dev 4.0版本提供了3Ds Max文件輸出格式轉(zhuǎn)換插件。導(dǎo)出時(shí)，把建立在3ds Max中的模型和動(dòng)畫以NMO格式輸出。

2.4將模型導(dǎo)入Virtools進(jìn)行交互模塊設(shè)計(jì)

在Virtools軟件中新建一個(gè)資源庫(kù)，將制作的NMO文件存入資源庫(kù)內(nèi)，添加動(dòng)作控制腳本，控制人物、操作對(duì)象等行為。

2.5虛擬實(shí)驗(yàn)的發(fā)布

實(shí)驗(yàn)制作完畢后，對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試無誤后進(jìn)行發(fā)布。

2.6虛擬實(shí)驗(yàn)的后期包裝設(shè)計(jì)與功能擴(kuò)展

根據(jù)需要還可進(jìn)一步對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行包裝和美化。根據(jù)具體教學(xué)需要還可以對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)功能進(jìn)行適度擴(kuò)展，如與“沉浸式”虛擬現(xiàn)實(shí)硬，件相結(jié)合。

3虛擬物理實(shí)驗(yàn)的模塊

每個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)，具有相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)操作、實(shí)驗(yàn)報(bào)告、實(shí)驗(yàn)保存以及實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)等功能模塊。

虛擬操作。在虛擬實(shí)驗(yàn)室中，每個(gè)學(xué)生要嚴(yán)格按照實(shí)驗(yàn)操作規(guī)程進(jìn)行操作，對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行仔細(xì)的觀察，對(duì)實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行詳細(xì)記錄，確保每個(gè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠。

實(shí)驗(yàn)報(bào)告。這是一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)，每一個(gè)學(xué)生都有自己的ID，學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告后在計(jì)算機(jī)上提交到數(shù)據(jù)庫(kù)中，教師可以通過網(wǎng)絡(luò)調(diào)閱、批改學(xué)生的實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

實(shí)驗(yàn)保存。用于對(duì)實(shí)驗(yàn)者的實(shí)驗(yàn)信息進(jìn)行保存，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)系統(tǒng)，教師從后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)提取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行考核。

實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)。在虛擬實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生所有的實(shí)驗(yàn)操作都存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器中，教師可以從數(shù)據(jù)庫(kù)中閱讀實(shí)驗(yàn)信息，按照實(shí)驗(yàn)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)進(jìn)行量化評(píng)分，并提出準(zhǔn)確的改進(jìn)意見反饋給學(xué)生。

4虛擬物理實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)

虛擬物理實(shí)驗(yàn)室具有很多優(yōu)點(diǎn)，表現(xiàn)在以下幾點(diǎn)。

4.1真實(shí)性

虛擬物理實(shí)驗(yàn)室具有高度“真實(shí)”，在虛擬實(shí)驗(yàn)室中學(xué)生能體驗(yàn)到視覺，聽覺、觸覺，動(dòng)覺、平衡覺等多種感覺，甚至還將給人以味覺和嗅覺的感受，使參與的學(xué)習(xí)者完全沉浸在由虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)所創(chuàng)建的環(huán)境中。

4.2交互性

在虛擬實(shí)驗(yàn)室中，使用者能對(duì)虛擬環(huán)境中的物體進(jìn)行操作并得到相應(yīng)的反饋。比如對(duì)萬用表進(jìn)行換檔操作，使用者能感覺到旋扭的轉(zhuǎn)動(dòng)和聽到換檔的聲音。

4.3直觀性

在虛擬實(shí)驗(yàn)過程中，用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的運(yùn)算能力分析實(shí)驗(yàn)過程中的數(shù)量關(guān)系，最后用直觀的形式將實(shí)驗(yàn)結(jié)果表現(xiàn)出來。避免傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)受器材的限制、環(huán)境的影響等造成實(shí)驗(yàn)結(jié)果不準(zhǔn)確的現(xiàn)象。

4.4實(shí)體自主性

指虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中，物體的變化依據(jù)物理規(guī)律，再現(xiàn)真實(shí)的物理世界。

4.5網(wǎng)絡(luò)化

利用網(wǎng)絡(luò)，虛擬實(shí)驗(yàn)可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)和多人協(xié)同操作，提高資源的利用率，擴(kuò)大實(shí)驗(yàn)范圍，增加學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作機(jī)會(huì)。

4.6安全性

利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)，避免學(xué)生處于危險(xiǎn)之中，使學(xué)生可以放心實(shí)驗(yàn)，大膽操作，積極開拓思維，掌握更多的實(shí)驗(yàn)技巧。

4.7功能全

虛擬實(shí)驗(yàn)室的數(shù)據(jù)庫(kù)可做到規(guī)格品種齊全，并易于升級(jí)換代和增加新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

5結(jié)語

虛擬實(shí)驗(yàn)具有特出的優(yōu)點(diǎn)及豐富的功能，教育專家預(yù)測(cè)，虛擬實(shí)驗(yàn)將成為虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)最重要和最熱門的應(yīng)用領(lǐng)域之一。正在快速發(fā)展的虛擬實(shí)驗(yàn)室，跟現(xiàn)實(shí)中的實(shí)驗(yàn)室是完全一樣的，它不但可以驗(yàn)證已有的知識(shí)，還可探索新的知識(shí)。

隨著虛擬實(shí)驗(yàn)的普及，虛擬物理實(shí)驗(yàn)室將獲得快速發(fā)展。中等職業(yè)學(xué)校的物理教學(xué)改革將更加深入。