（江蘇師范大學(xué) 智慧教育學(xué)院，江蘇 徐州 221116）

一、虛擬實(shí)驗(yàn)室的來由及特性

虛擬實(shí)驗(yàn)室(Virtual Laboratory，簡稱VL)，又稱虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，可以追溯到威廉·沃爾夫教授提出的“合作實(shí)驗(yàn)室”（Collaboratory），即利用計(jì)算機(jī)建立網(wǎng)絡(luò)化的虛擬實(shí)驗(yàn)室環(huán)境[1]，旨在打破空間的限制，進(jìn)行合作性實(shí)驗(yàn)研究。虛擬實(shí)驗(yàn)室在實(shí)踐上具有高仿真、開放共享、可擴(kuò)展性、重復(fù)使用性以及安全性高等諸多優(yōu)點(diǎn)[2]，可以補(bǔ)充和延伸課堂教學(xué)，發(fā)展實(shí)驗(yàn)教學(xué)的遠(yuǎn)程教育和混合學(xué)習(xí)。但是，目前比較常見的虛擬實(shí)驗(yàn)室大多為基于Web的“非沉浸式”虛擬實(shí)驗(yàn)室[3]，是一種桌面仿真型虛擬實(shí)驗(yàn)室，主要通過對設(shè)備和實(shí)驗(yàn)過程的軟件進(jìn)行仿真操作。因此，這種“非沉浸式”虛擬實(shí)驗(yàn)室的缺點(diǎn)也非常明顯，如僅僅依靠鼠標(biāo)鍵盤操作，在實(shí)踐體驗(yàn)與實(shí)驗(yàn)效果上的沉浸感不強(qiáng)等。

沉浸式虛擬實(shí)驗(yàn)則是通過利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，設(shè)計(jì)數(shù)字化虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，從而創(chuàng)建沉浸式的實(shí)驗(yàn)交互情境[4]。通過沉浸式虛擬實(shí)驗(yàn)室，學(xué)習(xí)者借助一定設(shè)備進(jìn)入與真實(shí)實(shí)驗(yàn)室一樣的空間場景進(jìn)行交互操作和體驗(yàn)，能夠進(jìn)行反復(fù)訓(xùn)練、實(shí)踐并獲得理想的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理等。同時(shí)，學(xué)習(xí)者借助體感交互設(shè)備，可以從視覺、聽覺、嗅覺、觸覺甚至是味覺等多種感知通道來感知虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境中的信息,并且能夠通過基于多種感知通道的輸入設(shè)備與之進(jìn)行交互,從而可以使學(xué)習(xí)者在限定實(shí)驗(yàn)條件下,操控實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備,控制實(shí)驗(yàn)進(jìn)程,不斷進(jìn)行實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練、觀察和獲取實(shí)驗(yàn)結(jié)果[5]。

二、沉浸式虛擬實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)

依據(jù)情境學(xué)習(xí)理論和具身認(rèn)知中的教學(xué)環(huán)境相關(guān)理論，學(xué)生通過沉浸式虛擬實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn),可以使身體和心理均沉浸在逼真的虛擬實(shí)驗(yàn)場景中，進(jìn)而完成實(shí)驗(yàn)教學(xué)，能夠吸引學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性與實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)造性。

（一）情境學(xué)習(xí)

情境學(xué)習(xí)理論是基于哈貝馬斯提出的“情境理性”(Situated Rationality)知識觀[6]，他認(rèn)為人的理性總是嵌入在具體情境里并隨著情境的變化而變化。據(jù)此,沉浸式虛擬實(shí)驗(yàn)室通過提供高精度的立體實(shí)驗(yàn)資源和強(qiáng)交互的類真實(shí)實(shí)驗(yàn)場景，促進(jìn)學(xué)習(xí)者在親身參與實(shí)踐訓(xùn)練的情境中獲得更好的學(xué)習(xí)效果 ?；凇扒榫忱硇浴敝R觀，情境學(xué)習(xí)理論演繹的學(xué)習(xí)四大隱喻即“知識具有情境性” “學(xué)習(xí)是情境性活動(dòng)” “學(xué)習(xí)是知識的社會協(xié)調(diào)” “學(xué)習(xí)是實(shí)踐共同體中合法的邊緣性參與”，是沉浸式虛擬實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)開發(fā)的必要性和可行性依據(jù)。

（二）具身認(rèn)知

具身教學(xué)認(rèn)知環(huán)境和傳統(tǒng)教學(xué)相比，突出了學(xué)習(xí)者的中心地位，強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)者對知識和任務(wù)的感知和參與，特別是隨著教育技術(shù)的不斷發(fā)展，很多基于網(wǎng)絡(luò)的教育技術(shù)可以把虛擬環(huán)境和實(shí)體環(huán)境很好地融合在一起，形成較為真實(shí)的混合現(xiàn)實(shí)環(huán)境。據(jù)此設(shè)計(jì)的沉浸式虛擬實(shí)驗(yàn)室，能夠幫助教師充分調(diào)動(dòng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)媒體資源，讓學(xué)生沉浸在這種具身的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境中，從而促進(jìn)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)，增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。

三、沉浸式虛擬實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)的系統(tǒng)架構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)

沉浸式虛擬實(shí)驗(yàn)室，以虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為核心，依據(jù)體驗(yàn)式實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的“四原則”嘗試設(shè)計(jì)虛擬實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)體系架構(gòu)[7]，依托虛擬現(xiàn)實(shí)和三維建模涉及的關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)建三維實(shí)驗(yàn)場景。

（一）系統(tǒng)架構(gòu)

沉浸式虛擬實(shí)驗(yàn)室根據(jù)現(xiàn)有的沉浸式虛擬實(shí)驗(yàn)室構(gòu)想進(jìn)行設(shè)計(jì)。數(shù)據(jù)層、基礎(chǔ)層和資源層為管理層、功能層、應(yīng)用層和服務(wù)層奠基，從而實(shí)現(xiàn)信息整合和情境交互。數(shù)據(jù)層由三維建模技術(shù)、立體顯示技術(shù)、人機(jī)交互技術(shù)、數(shù)據(jù)分析技術(shù)支撐；基礎(chǔ)層由HTC Vive設(shè)備與steamVR平臺搭建；資源層由3D角色、手柄模型、場景模型、儀器模型等創(chuàng)設(shè)；管理層具備系統(tǒng)管理、信息管理、預(yù)約管理和實(shí)驗(yàn)管理四大管理模塊；功能層主要包括人機(jī)交互、師生交互和生生交互；應(yīng)用層由物理實(shí)驗(yàn)平臺、化學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺、生物實(shí)驗(yàn)平臺等構(gòu)成；服務(wù)層則主要包括教師指導(dǎo)模式、學(xué)生訓(xùn)練模式、學(xué)生探究模式等多種模式。其中，數(shù)據(jù)層為資源層提供技術(shù)支撐，資源層為功能層提供資源服務(wù)(見圖1)。

圖1 沉浸式虛擬實(shí)驗(yàn)室體系架構(gòu)設(shè)計(jì)

（二）關(guān)鍵技術(shù)

沉浸式虛擬實(shí)驗(yàn)室開發(fā)主要通過利用Unity 3D開發(fā)引擎，結(jié)合3D Studio Max（3ds Max）制作的仿真模型搭建虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，使用C#語言在Microsoft Visual Studio（簡稱VS）軟件上實(shí)現(xiàn)交互，主要涉及以下相關(guān)技術(shù)。

1.三維建模技術(shù)

三維建模是利用制圖軟件建立空間模型的過程，是立體顯示的基礎(chǔ)、虛擬現(xiàn)實(shí)的關(guān)鍵技術(shù)之一，對虛擬實(shí)驗(yàn)沉浸性有重要影響。虛擬現(xiàn)實(shí)強(qiáng)調(diào)沉浸感、真實(shí)感，模型的質(zhì)量直接影響虛擬實(shí)驗(yàn)的質(zhì)量。本研究通過3ds Max軟件對虛擬實(shí)驗(yàn)室及虛擬實(shí)驗(yàn)器材進(jìn)行創(chuàng)建、修改、貼圖、調(diào)整、渲染，并將其導(dǎo)出，導(dǎo)出的模型以obj或fbx格式均與Unity 3D有很好的兼容性。

2.立體顯示技術(shù)

立體顯示是虛擬現(xiàn)實(shí)的一個(gè)實(shí)現(xiàn)方式，能夠使虛擬實(shí)驗(yàn)室更加自然、真實(shí)。立體顯示功能主要是借助特定的視覺顯示設(shè)備，如3D展示系統(tǒng)、大型投影系統(tǒng)（如CAVE）、頭顯（頭戴式立體顯示器等）、VR眼鏡。本研究采用的是HTC Vive頭盔顯示器（Head-Mounted Display，簡稱HMD），學(xué)習(xí)者通過頭盔顯示器感知虛擬實(shí)驗(yàn)室與虛擬環(huán)境，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

3.人機(jī)交互技術(shù)

人機(jī)交互是學(xué)習(xí)者和計(jì)算機(jī)進(jìn)行信息交流的方式，感知交互技術(shù)是虛擬現(xiàn)實(shí)的關(guān)鍵技術(shù)。人機(jī)交互技術(shù)經(jīng)歷了從桌面端的鍵盤鼠標(biāo)，到移動(dòng)端的多點(diǎn)觸控，再到虛擬現(xiàn)實(shí)中的體感交互，呈現(xiàn)出交互方式自然化，內(nèi)容多樣化的特點(diǎn)。目前，虛擬現(xiàn)實(shí)在人機(jī)交互方面借助的設(shè)備主要包括3D體感攝像機(jī)數(shù)據(jù)手套、手柄等。本研究是采用HTC Vive手柄控制器，學(xué)習(xí)者通過手柄發(fā)出的射線與虛擬實(shí)驗(yàn)器材模型進(jìn)行碰撞檢測實(shí)現(xiàn)交互操作，從而完成實(shí)驗(yàn)操作步驟。

四、沉浸式虛擬實(shí)驗(yàn)室的教學(xué)模式及實(shí)驗(yàn)流程

（一）教學(xué)模式

針對虛擬實(shí)驗(yàn)類型以及真實(shí)實(shí)驗(yàn)與虛擬實(shí)驗(yàn)混合活動(dòng)設(shè)計(jì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式設(shè)計(jì)，可以將沉浸式虛擬實(shí)驗(yàn)室按照實(shí)驗(yàn)類型應(yīng)用以下教學(xué)模式：（1）真實(shí)實(shí)驗(yàn)—虛擬實(shí)驗(yàn)—真實(shí)實(shí)驗(yàn)：適用于操作簡便的基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)，可以依據(jù)真實(shí)實(shí)驗(yàn)為主，虛擬實(shí)驗(yàn)為輔。（2）虛擬實(shí)驗(yàn)—真實(shí)實(shí)驗(yàn)—虛擬實(shí)驗(yàn)（N）—真實(shí)實(shí)驗(yàn)：適用于使用實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備采集、分析、處理實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象等綜合訓(xùn)練的操作性實(shí)驗(yàn)，即實(shí)驗(yàn)要多次驗(yàn)證，偏重需要確保真實(shí)與虛擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。（3）虛擬實(shí)驗(yàn)—虛擬實(shí)驗(yàn)（N）—真實(shí)實(shí)驗(yàn)(專）：適用于設(shè)備昂貴、過程危險(xiǎn)、難獲得結(jié)果的實(shí)驗(yàn)。當(dāng)然若想做真實(shí)實(shí)驗(yàn)可以依靠專業(yè)人員演示，在實(shí)驗(yàn)設(shè)備、環(huán)境等條件允許的情況下可以請專家指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行操作實(shí)驗(yàn)，并且要做好安全防范措施。其中，“虛擬實(shí)驗(yàn)（N）”指的是該類實(shí)驗(yàn)要多次進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)，“真實(shí)實(shí)驗(yàn)（專）”指在一定條件下可以通過適當(dāng)方法進(jìn)行真實(shí)實(shí)驗(yàn)。后兩種教學(xué)模式先進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)，旨在降低設(shè)備損壞率，增高實(shí)驗(yàn)容錯(cuò)率(如圖2)。

圖2 虛擬實(shí)驗(yàn)室教學(xué)模式

此外，沉浸式虛擬實(shí)驗(yàn)室在教學(xué)的課前預(yù)習(xí)、課堂學(xué)習(xí)以及課后復(fù)習(xí)均可以應(yīng)用，關(guān)鍵要根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容采取適宜的教學(xué)模式，這樣才能更好發(fā)揮虛擬實(shí)驗(yàn)室的優(yōu)點(diǎn)。在進(jìn)行課前預(yù)習(xí)時(shí)，讓學(xué)生對實(shí)驗(yàn)的原理、現(xiàn)象以及儀器的使用有一定的了解，從而減少時(shí)間的耗損、降低設(shè)備的損壞率和失誤率，進(jìn)而提高實(shí)驗(yàn)效率。在進(jìn)行課堂學(xué)習(xí)時(shí)，教師明確實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)，指導(dǎo)學(xué)生在平臺上進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)操作，并通過組內(nèi)分工合作完成實(shí)驗(yàn)記錄表，采用演示與操作相結(jié)合等教學(xué)策略有序組織學(xué)生進(jìn)行體驗(yàn)和操作。在進(jìn)行課后復(fù)習(xí)時(shí)，學(xué)習(xí)者在課堂上未掌握的實(shí)驗(yàn)儀器操作技巧以及未觀察全的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象等都可以在沉浸式虛擬實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行不受限制地重復(fù)實(shí)驗(yàn)、訓(xùn)練等。

（二）實(shí)驗(yàn)流程

1.搭建運(yùn)行環(huán)境

選定一定空間，需要至少一套HTC Vive設(shè)備和一臺計(jì)算機(jī)，根據(jù)HTC Vive手冊連接好頭盔、手柄以及感應(yīng)器并設(shè)定好活動(dòng)范圍。將設(shè)備與主機(jī)相接，并配置好頭戴式顯示器、傳感定位器、手柄。通過steam打開steamVR配置虛擬空間規(guī)模，完成其與虛擬頭盔、手柄以及感應(yīng)器的連接。完成后打開虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，進(jìn)入虛擬實(shí)驗(yàn)室界面(如圖3)。

圖3 沉浸式虛擬實(shí)驗(yàn)室

2.選擇虛擬實(shí)驗(yàn)

點(diǎn)擊主界面“幫助”按鈕，可彈出幫助界面，對軟件的操作以及相關(guān)的計(jì)算機(jī)要求進(jìn)行了具體的展示。沉浸式虛擬實(shí)驗(yàn)室提供不同種類的實(shí)驗(yàn)，學(xué)習(xí)者可以通過點(diǎn)擊平臺界面上的交互按鈕操作進(jìn)行多個(gè)不同實(shí)驗(yàn)之間的切換。在選擇好實(shí)驗(yàn)后，軟件自動(dòng)根據(jù)學(xué)習(xí)者所選取的實(shí)驗(yàn)提供相應(yīng)器材和虛擬實(shí)驗(yàn)室。

3.開始虛擬實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)操作的方式有兩種，一種是“實(shí)驗(yàn)演示”，另一種是“實(shí)驗(yàn)操作”。“實(shí)驗(yàn)演示”是指學(xué)習(xí)者在系統(tǒng)提示的幫助下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，“實(shí)驗(yàn)操作”是指學(xué)習(xí)者在沒有系統(tǒng)提示的情況下獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)操作：①點(diǎn)擊“實(shí)驗(yàn)演示”按鈕可以進(jìn)入模擬版虛擬實(shí)驗(yàn)室，根據(jù)提示框里的內(nèi)容指導(dǎo)進(jìn)行正確的實(shí)驗(yàn)操作學(xué)習(xí)和模擬；②點(diǎn)擊“實(shí)驗(yàn)操作”按鈕可以進(jìn)入訓(xùn)練版虛擬實(shí)驗(yàn)室，通過無提示框的個(gè)人實(shí)驗(yàn)操作進(jìn)行檢驗(yàn)和訓(xùn)練。在虛擬實(shí)驗(yàn)室中，系統(tǒng)根據(jù)學(xué)習(xí)者的操作在實(shí)驗(yàn)臺的上方進(jìn)行提示，以便學(xué)習(xí)者能夠順利地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作。

4.實(shí)驗(yàn)案例演示

由于本案例中的“硫的燃燒實(shí)驗(yàn)”在進(jìn)行真實(shí)實(shí)驗(yàn)時(shí)，會產(chǎn)生有毒氣體，污染環(huán)境，而且在實(shí)際操作中稍有不慎還會危害師生健康。因此，案例使用第二種“虛擬實(shí)驗(yàn)—真實(shí)實(shí)驗(yàn)—虛擬實(shí)驗(yàn)（N）—真實(shí)實(shí)驗(yàn)”教學(xué)模式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)。其中，虛擬實(shí)驗(yàn)（N）視頻演示二維碼如圖4所示。

圖4 沉浸式虛擬實(shí)驗(yàn)視頻演示二維碼

五、結(jié)語

具體來說，利用沉浸式虛擬實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有以下價(jià)值：（1）減少實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的資金和空間投入、彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)場地的不足；（2）節(jié)省實(shí)驗(yàn)器材的損耗，緩解設(shè)備的缺少或陳舊帶來的壓力等情況；（3）避免實(shí)驗(yàn)中的危險(xiǎn)和危害，降低污染；（4）更新教學(xué)觀念，教師由知識講授的權(quán)威者、講授者轉(zhuǎn)變?yōu)閷?shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)者、引導(dǎo)者和組織者，學(xué)生由知識容器和知識受體轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)習(xí)主體，主動(dòng)獲取知識；（5）提供實(shí)時(shí)監(jiān)測、模擬自檢等多種訓(xùn)練模式，給予反饋性提示；（6）促進(jìn)開放式、個(gè)性化教學(xué)。沉浸式虛擬實(shí)驗(yàn)室通過三維模型和訓(xùn)練環(huán)節(jié)能夠有效集中學(xué)生注意力、吸引學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、提高學(xué)生動(dòng)手能力，促進(jìn)學(xué)生轉(zhuǎn)變 “學(xué)習(xí)只能依靠被動(dòng)接受”的固化思維，主動(dòng)學(xué)習(xí)和模擬訓(xùn)練，可以不受傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室開放時(shí)間的限制，靈活安排自己的實(shí)驗(yàn)時(shí)間，也可以根據(jù)自己的進(jìn)度或興趣選擇實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行課外拓展和補(bǔ)充；（7）引導(dǎo)橫向拓展與縱向應(yīng)用相結(jié)合。沉浸式虛擬實(shí)驗(yàn)室的橫向拓展是指由教學(xué)者開發(fā)設(shè)計(jì)性和綜合性實(shí)驗(yàn)，提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力，增強(qiáng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)；縱向應(yīng)用是指開設(shè)新技術(shù)成果的應(yīng)用以及其他新型實(shí)驗(yàn)，提供相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)課題，由學(xué)習(xí)者根據(jù)個(gè)人興趣和能力選擇進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力等。對于實(shí)驗(yàn)這種需要學(xué)習(xí)者親身參與的實(shí)踐活動(dòng)來說，沉浸式虛擬實(shí)驗(yàn)室是一種發(fā)展趨勢，更是一種創(chuàng)新變革的教學(xué)應(yīng)用。

雖然沉浸式虛擬實(shí)驗(yàn)室有諸多優(yōu)點(diǎn)，但是要想達(dá)到一定的教學(xué)效果，關(guān)鍵還是在于教師的組織和引導(dǎo)。教師需要考慮教學(xué)過程的諸多要素及其關(guān)系，統(tǒng)一協(xié)調(diào)和安排，才能夠再進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，切忌把使用虛擬實(shí)驗(yàn)僅僅當(dāng)作目的和形式。此外，沉浸式虛擬實(shí)驗(yàn)室還有很多不足：（1）實(shí)驗(yàn)器材模型、實(shí)驗(yàn)場景和類型不夠豐富，有待充實(shí)；（2）實(shí)驗(yàn)操作中操控手柄代替雙手，有一定的不適，在體驗(yàn)上有虛擬感和眩暈感；（3）實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的氣味無法親身體驗(yàn)，只能以簡單的現(xiàn)象作為替代；（4）實(shí)驗(yàn)操作的其他交互設(shè)計(jì)較少，可能會造成穿?，F(xiàn)象等。同時(shí)，我們還應(yīng)該明確的是：首先，沉浸式虛擬實(shí)驗(yàn)室只是學(xué)習(xí)的工具而不是學(xué)習(xí)的目的，切勿本末倒置；其次，利用沉浸式虛擬實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)前要根據(jù)實(shí)驗(yàn)類型選取相應(yīng)的教學(xué)模式；再次，沉浸式虛擬實(shí)驗(yàn)室不能完全代替真實(shí)實(shí)驗(yàn)室[8]，因?yàn)槌两教摂M實(shí)驗(yàn)是一種實(shí)驗(yàn)過程的設(shè)計(jì)；最后，沉浸式虛擬實(shí)驗(yàn)在一定程度上會限制實(shí)驗(yàn)的豐富性和創(chuàng)新性，學(xué)生在訓(xùn)練、操作時(shí)會出現(xiàn)“現(xiàn)象”完全相同的情況，而科學(xué)的發(fā)現(xiàn)還是要來根據(jù)真實(shí)實(shí)驗(yàn)作為基礎(chǔ)，學(xué)生要把沉浸式虛擬實(shí)驗(yàn)室作為一種工具，更要勤于探究和創(chuàng)新，鍛煉和提升綜合實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Α?/p>