戴天貴， 路之帆， 朱莉莉， 朱小欽

（1.福建師范大學(xué)a.醫(yī)學(xué)光電科學(xué)與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，b.福建省光電傳感應(yīng)用工程技術(shù)研究中心，c.光電與信息工程學(xué)院，福州350007；2.華南理工大學(xué)物理與光電學(xué)院，廣州510640）

0 引 言

激光諧振腔實(shí)驗(yàn)是幫助學(xué)生理解激光原理與技術(shù)的重要實(shí)驗(yàn)之一［1］，實(shí)驗(yàn)原理涉及激光相干性、偏振特性、縱模正交偏振理論與模式競(jìng)爭(zhēng)理論等內(nèi)容，具有較強(qiáng)的綜合性。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)過(guò)程通常是在教師進(jìn)行有限的講解之后，學(xué)生在剩余的課堂時(shí)間內(nèi)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)操作。由于實(shí)驗(yàn)儀器的復(fù)雜度極大且一些微觀的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象無(wú)法直接觀察，學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)過(guò)程和學(xué)習(xí)效果總體感覺(jué)不佳。為響應(yīng)“新工科”的發(fā)展要求和在“做中學(xué)”的教學(xué)需求［2-3］，針對(duì)光電信息科學(xué)與工程專業(yè)激光諧振腔實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)，利用擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Extended Reality，XR）交互性好、沉浸感強(qiáng)、自主性好、感知性好等諸多優(yōu)點(diǎn)［4］，建設(shè)一套包含虛擬仿真實(shí)驗(yàn)功能的實(shí)驗(yàn)教學(xué)輔助系統(tǒng)，以期增強(qiáng)實(shí)際操作前對(duì)儀器的熟練程度，從而減少實(shí)驗(yàn)室操作過(guò)程中的安全隱患，提高實(shí)驗(yàn)效率。

以激光諧振腔實(shí)驗(yàn)教學(xué)中不同階段的具體要求為出發(fā)點(diǎn)，結(jié)合XR技術(shù)的不同特點(diǎn)，將XR技術(shù)分別融入到不同的教學(xué)階段中，利用Unity、3Ds Max、Visual Studio、Vuforia AR等開(kāi)發(fā)工具，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景模擬、實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備建模、用戶界面設(shè)計(jì)等工作，開(kāi)發(fā)出基于PC端與Web端的三維虛擬仿真操作教學(xué)模塊、基于移動(dòng)端（手機(jī)／平板）的實(shí)驗(yàn)講義拓展AR模塊以及教師后臺(tái)教學(xué)反饋模塊，構(gòu)建起一套“多技術(shù)、全流程、重理論、易操作”的激光諧振腔實(shí)驗(yàn)教學(xué)輔助系統(tǒng)。

1 XR的概念與應(yīng)用

XR是指利用計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)，生成真實(shí)和虛擬相結(jié)合的環(huán)境以及人機(jī)交互功能的技術(shù)［5］。XR這一術(shù)語(yǔ)最早可以追溯到Charles Wyckoff在1961年申請(qǐng)的XR電影專利文件中［6］。隨著計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)的發(fā)展與設(shè)備性能的增強(qiáng)，虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，VR）、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（Augmented Reality，AR）、混合現(xiàn)實(shí)（Mixed Reality，MR）等技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用案例大量涌現(xiàn)［7］。由于三維開(kāi)發(fā)引擎Unity良好的跨平臺(tái)性能和易于上手的特點(diǎn)，Unity逐漸成為VR、AR、MR開(kāi)發(fā)者的首選開(kāi)發(fā)平臺(tái)。業(yè)界將VR、AR、MR這3個(gè)概念統(tǒng)稱為XR［8］，成為一種概括性的描述。隨著高通、微軟等科技巨頭的跟進(jìn)，“XR”也逐漸成為一種廣為接受的概念，軟件開(kāi)發(fā)者也將虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)統(tǒng)稱為擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)技術(shù)。然而XR技術(shù)中的各個(gè)概念有其側(cè)重的方向與優(yōu)勢(shì)，例如VR技術(shù)的目的是創(chuàng)造一個(gè)完全虛擬的環(huán)境，讓使用者在這個(gè)虛擬的環(huán)境中進(jìn)行操作與仿真，追求達(dá)到與現(xiàn)實(shí)相同的體驗(yàn)與沉浸感［9］；AR技術(shù)是將虛擬和現(xiàn)實(shí)結(jié)合，將虛擬信息與現(xiàn)實(shí)信息疊加，側(cè)重于利用虛擬信息為現(xiàn)實(shí)中的操作提供幫助與提示，以提高工作效率與準(zhǔn)確度，其沉浸感較弱［10］；MR技術(shù)是VR與AR之間的過(guò)渡，利用“空間三維注冊(cè)”，對(duì)現(xiàn)實(shí)環(huán)境進(jìn)行探測(cè)與感知，將虛擬物體與現(xiàn)實(shí)物體相結(jié)合，強(qiáng)調(diào)現(xiàn)實(shí)與虛擬之間的交互性與沉浸感，追求在感知現(xiàn)實(shí)世界的同時(shí)創(chuàng)造一個(gè)與現(xiàn)實(shí)共存的虛擬“平行世界”［11］。

本文利用XR技術(shù)，對(duì)激光諧振腔實(shí)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)并創(chuàng)建一個(gè)能夠隨時(shí)與實(shí)驗(yàn)器材并行的“虛擬儀器”及其相應(yīng)的輔助資料。

2 激光諧振腔實(shí)驗(yàn)輔助教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 傳統(tǒng)激光諧振腔實(shí)驗(yàn)的不足

激光諧振腔實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)原理涉及激光相干性、偏振特性、縱模正交偏振理論與模式競(jìng)爭(zhēng)理論等內(nèi)容，實(shí)驗(yàn)儀器原型又涉及較多的機(jī)械結(jié)構(gòu)——用以調(diào)整儀器各部件的空間布局，因此本實(shí)驗(yàn)具有較強(qiáng)的綜合性。由于本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)課時(shí)緊張、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不易觀察、激光產(chǎn)生過(guò)程無(wú)法觀察，儀器集成度高無(wú)法拆解，對(duì)實(shí)驗(yàn)技巧要求較高等原因，造成學(xué)生對(duì)于該實(shí)驗(yàn)的理解不夠深入，直接影響到理論課程的學(xué)習(xí)效果和工程技術(shù)的熟練掌握［12］；激光實(shí)驗(yàn)復(fù)雜費(fèi)時(shí)、儀器精密昂貴且易損壞，從而導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)教學(xué)成本居高不下；實(shí)驗(yàn)中激光具有能量集中、亮度高等特點(diǎn)，容易對(duì)參與實(shí)驗(yàn)的人員及周邊人員造成傷害，這對(duì)于人數(shù)較多的本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)來(lái)說(shuō)，不易控制管理［13］。

針對(duì)以上教學(xué)過(guò)程的不足之處，結(jié)合現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)設(shè)計(jì)出了一個(gè)輔助教學(xué)系統(tǒng)。

2.2 輔助教學(xué)系統(tǒng)

激光諧振腔實(shí)驗(yàn)輔助教學(xué)系統(tǒng)包含了實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)，操作練習(xí)、復(fù)習(xí)和考核，教師評(píng)價(jià)各個(gè)階段的內(nèi)容，貫穿實(shí)驗(yàn)教學(xué)的整個(gè)過(guò)程。系統(tǒng)采用交互式的教學(xué)方式，利用三維動(dòng)畫(huà)、語(yǔ)音引導(dǎo)，將實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行拆解教學(xué)，學(xué)生通過(guò)簡(jiǎn)單的操作就可以直觀地觀察到各個(gè)步驟的操作方法以及虛擬實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

（1）利用VR技術(shù)創(chuàng)造出一個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)室環(huán)境：學(xué)生在課前預(yù)習(xí)與課后復(fù)習(xí)階段能夠自主進(jìn)行模擬真實(shí)實(shí)驗(yàn)操作，具有良好的沉浸感［14］；

（2）利用AR技術(shù)開(kāi)發(fā)出實(shí)驗(yàn)講義配套移動(dòng)端AR電子書(shū)，通過(guò)攝像頭掃描講義上的預(yù)設(shè)圖片，即可顯示出三維實(shí)驗(yàn)儀器模型、實(shí)驗(yàn)操作教學(xué)視頻等內(nèi)容，并可通過(guò)屏幕進(jìn)行交互。

（3）在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中也非常重視實(shí)驗(yàn)理論的學(xué)習(xí)。系統(tǒng)中設(shè)置了選擇題、填空題和思考題等多種題型，考察學(xué)生的理論知識(shí)掌握程度，通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)原理的學(xué)習(xí)，加強(qiáng)對(duì)實(shí)驗(yàn)各個(gè)步驟以及實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的理解。

（4）在教師后臺(tái)模塊中，通過(guò)對(duì)學(xué)生在教學(xué)系統(tǒng)內(nèi)的各種操作進(jìn)行量化統(tǒng)計(jì)，為教師的教學(xué)提供數(shù)據(jù)支撐。實(shí)驗(yàn)教師可以在后臺(tái)查看相應(yīng)的統(tǒng)計(jì)報(bào)表，分析學(xué)生在模擬操作過(guò)程中存在的問(wèn)題，可以對(duì)學(xué)生的最終實(shí)驗(yàn)報(bào)告進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)評(píng)價(jià)，并利用虛擬實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)調(diào)整實(shí)際教學(xué)方案，實(shí)現(xiàn)教學(xué)信息反饋的閉環(huán)。

由于目前XR設(shè)備的價(jià)格高昂且技術(shù)不夠成熟，為了降低使用門(mén)檻與成本，系統(tǒng)以PC和移動(dòng)端為主要用戶端載體，并將后臺(tái)部署至云服務(wù)器，用戶只需連接互聯(lián)網(wǎng)并打開(kāi)網(wǎng)頁(yè)即可使用，方便快捷，易于大規(guī)模推廣。

2.3 技術(shù)實(shí)現(xiàn)

激光諧振腔實(shí)驗(yàn)教學(xué)輔助系統(tǒng)主要采用三維引擎Unity進(jìn)行開(kāi)發(fā)，開(kāi)發(fā)語(yǔ)言為C＃。三維模型利用3Ds Max和Photoshop進(jìn)行建模以及后期處理。實(shí)驗(yàn)步驟教學(xué)的視頻素材采用Premiere Pro進(jìn)行剪輯處理。

在開(kāi)發(fā)準(zhǔn)備階段，為了更好地貼近教學(xué)中的實(shí)際需求，采取了以下幾個(gè)措施：

（1）首先通過(guò)發(fā)放學(xué)生調(diào)查問(wèn)卷、訪談實(shí)驗(yàn)教師等方式，調(diào)研實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中存在的問(wèn)題，確定XR技術(shù)與光學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的結(jié)合方式與應(yīng)用場(chǎng)景；

（2）分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、研讀實(shí)驗(yàn)講義，編寫(xiě)功能與交互設(shè)計(jì)腳本并討論修改；

（3）對(duì)光學(xué)實(shí)驗(yàn)所用的儀器進(jìn)行測(cè)繪，分解儀器的各個(gè)部件，分別利用3Ds Max進(jìn)行建模，以方便在Unity中對(duì)單個(gè)部件進(jìn)行控制；

（4）拍攝實(shí)驗(yàn)操作視頻，為之后的虛擬仿真操作的開(kāi)發(fā)提供標(biāo)準(zhǔn)參考素材。

在這些措施的基礎(chǔ)之上，進(jìn)行了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，系統(tǒng)開(kāi)發(fā)框圖如圖1所示。系統(tǒng)的具體開(kāi)發(fā)過(guò)程是在Unity中完成的。Unity是建立三維視頻游戲、建筑可視化、實(shí)時(shí)三維動(dòng)畫(huà)等互動(dòng)內(nèi)容的多平臺(tái)綜合型游戲開(kāi)發(fā)工具，是一個(gè)全面整合的專業(yè)游戲引擎，非常適合跨平臺(tái)開(kāi)發(fā)［15-16］。通過(guò)在Unity中導(dǎo)入三維模型，利用C＃腳本對(duì)各個(gè)儀器模型進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)?zāi)_本所設(shè)計(jì)的功能。

圖1 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)框圖

最后對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試與發(fā)布，利用Unity的跨平臺(tái)功能導(dǎo)出測(cè)試用的程序，并交給用戶試用，收集反饋意見(jiàn)并進(jìn)行修改。目前系統(tǒng)的服務(wù)器托管至華為云，方便遠(yuǎn)程操作管理與跨平臺(tái)協(xié)作。

2.4 教學(xué)模塊功能設(shè)計(jì)

系統(tǒng)以操作教學(xué)為主要內(nèi)容，構(gòu)建了一套包含實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)、實(shí)驗(yàn)步驟教學(xué)、虛擬實(shí)驗(yàn)操作練習(xí)、實(shí)驗(yàn)考核和評(píng)價(jià)等功能的實(shí)驗(yàn)教學(xué)輔助系統(tǒng)。學(xué)生可以通過(guò)該系統(tǒng)搭建虛擬實(shí)驗(yàn)室，觀察實(shí)驗(yàn)儀器的三維模型，通過(guò)與儀器進(jìn)行交互，熟悉儀器的操作方法；觀察實(shí)驗(yàn)步驟的分解展示，對(duì)實(shí)驗(yàn)形成一個(gè)整體印象。系統(tǒng)還包括實(shí)驗(yàn)操作考核功能，在完成實(shí)驗(yàn)實(shí)操之后，學(xué)生可以自主搭建、調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)光路，完成預(yù)定的實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)將會(huì)自動(dòng)打分并上傳至后臺(tái)。系統(tǒng)UI界面如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)UI界面

2.4.1 實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)模塊

實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)模塊主要由實(shí)驗(yàn)內(nèi)容學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)儀器介紹兩部分組成。

在開(kāi)始實(shí)驗(yàn)之前，需要點(diǎn)擊“實(shí)驗(yàn)內(nèi)容”按鈕，對(duì)實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)儀器和實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行一個(gè)整體的學(xué)習(xí)和了解。該實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖抢斫饧す庵C振原理，加深激光器物理概念的理解；掌握激光諧振腔的調(diào)節(jié)方法；掌握激光功率計(jì)的使用方法。

為了提高實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)的效果，加深對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的掌握，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容模塊中還包括一定量的測(cè)試題目，題型以選擇題，填空題為主，考察學(xué)生對(duì)于實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹x器、原理與步驟等內(nèi)容的理解程度。理論部分要求學(xué)生提前預(yù)習(xí)好實(shí)驗(yàn)報(bào)告，清楚其中的實(shí)驗(yàn)原理與實(shí)驗(yàn)步驟，以及實(shí)驗(yàn)所要用到的儀器。

如圖3所示，半外腔激光器會(huì)在界面上進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，當(dāng)鼠標(biāo)懸停至儀器的各個(gè)部件上時(shí)，會(huì)彈出相應(yīng)的文字介紹。還可以利用鼠標(biāo)對(duì)儀器進(jìn)行拖動(dòng)旋轉(zhuǎn)以及縮放，仔細(xì)觀察激光器的結(jié)構(gòu)。點(diǎn)擊“分解”按鈕，激光器各個(gè)部件會(huì)散開(kāi)，學(xué)生可以觀察到激光器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

圖3 氦氖激光器分解介紹

2.4.2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)與考核模塊

在該模塊的實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，學(xué)生可以根據(jù)語(yǔ)音和文字提示的引導(dǎo)——這個(gè)提示貫穿教學(xué)全過(guò)程，通過(guò)點(diǎn)擊實(shí)驗(yàn)儀器（見(jiàn)圖4）的各個(gè)部件，完成各個(gè)步驟的分解操作學(xué)習(xí)。具體操作包括：根據(jù)實(shí)驗(yàn)裝配圖安裝所有器件，點(diǎn)擊相應(yīng)儀器完成儀器安裝；旋轉(zhuǎn)儀器旋鈕，調(diào)整試驗(yàn)光路，使之達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求，系統(tǒng)自動(dòng)判定精度，達(dá)到要求之后自動(dòng)跳轉(zhuǎn)至下一步；通過(guò)調(diào)整光路，觀察功率計(jì)的示數(shù)，調(diào)整后腔鏡的兩個(gè)旋鈕，使示數(shù)達(dá)到最大，并記錄功率的數(shù)據(jù)，當(dāng)功率計(jì)示數(shù)達(dá)到閾值之后，系統(tǒng)判定實(shí)驗(yàn)結(jié)束。

圖4 激光諧振腔實(shí)驗(yàn)儀器

實(shí)驗(yàn)操作考核的流程與上述的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的操作流程相同，但去除了所有的提示，操作者需要在原理的理解與掌握基礎(chǔ)上根據(jù)對(duì)實(shí)驗(yàn)步驟的記憶自行點(diǎn)擊相應(yīng)的儀器部件完成實(shí)驗(yàn)。如果某一操作步驟點(diǎn)擊錯(cuò)誤超過(guò)3次，系統(tǒng)會(huì)提示“操作錯(cuò)誤”，并扣除相應(yīng)步驟分?jǐn)?shù)，系統(tǒng)同時(shí)將所有操作及其數(shù)據(jù)發(fā)送至后臺(tái)（見(jiàn)圖5）。實(shí)驗(yàn)考核結(jié)束之后會(huì)彈出考核結(jié)果界面，顯示操作考核得分和操作步驟錯(cuò)誤的信息。

圖5 教師后臺(tái)數(shù)據(jù)界面

在實(shí)驗(yàn)考核結(jié)束后，即進(jìn)入思考題測(cè)試界面。思考題的設(shè)置基于實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、儀器、原理與步驟，旨在充分鍛煉學(xué)生的分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、得出普遍規(guī)律的能力；拓展學(xué)生的工程思維及實(shí)際應(yīng)用能力。

2.4.3 教師評(píng)價(jià)模塊

系統(tǒng)教師端后臺(tái)界面由數(shù)據(jù)看板、用戶管理、數(shù)據(jù)集配置3個(gè)模塊組成。實(shí)驗(yàn)教師可以在教師后臺(tái)查看學(xué)生的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，找出錯(cuò)誤較多的知識(shí)點(diǎn)，方便在之后的教學(xué)過(guò)程中進(jìn)行有針對(duì)性地講解和指導(dǎo)。數(shù)據(jù)維度包括：登錄次數(shù)、登錄時(shí)間、實(shí)驗(yàn)操作練習(xí)次數(shù)、實(shí)驗(yàn)考核成績(jī)、已完成的實(shí)驗(yàn)?zāi)K、成績(jī)平均分及排名、各個(gè)實(shí)驗(yàn)的點(diǎn)擊率、操作時(shí)長(zhǎng)以及操作錯(cuò)誤率等數(shù)據(jù)。教師可以根據(jù)不同維度的數(shù)據(jù)，對(duì)學(xué)生進(jìn)行客觀合理地評(píng)價(jià)，并在教學(xué)過(guò)程中進(jìn)行反饋。系統(tǒng)還預(yù)留了數(shù)據(jù)報(bào)表設(shè)計(jì)接口，可以隨著教學(xué)進(jìn)程對(duì)數(shù)據(jù)報(bào)表進(jìn)行修改與編輯（見(jiàn)圖6）。

圖6 數(shù)據(jù)報(bào)表的修改與編輯

2.4.4 移動(dòng)端AR應(yīng)用模塊

在APP運(yùn)行時(shí)，用手機(jī)攝像頭掃描實(shí)驗(yàn)講義預(yù)設(shè)的圖像，可以在手機(jī)屏幕上顯示實(shí)驗(yàn)儀器、實(shí)驗(yàn)的具體步驟，相關(guān)教程等，并且還可以在手機(jī)屏幕上操作，實(shí)現(xiàn)與虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境的交互（見(jiàn)圖7）。

圖7 移動(dòng)端AR應(yīng)用程序界面

學(xué)生可以在查看紙質(zhì)版講義實(shí)驗(yàn)原理圖的同時(shí)，通過(guò)軟件掃描講義，會(huì)直接顯現(xiàn)該部分原理的動(dòng)畫(huà)講解內(nèi)容。掃描講義上的儀器圖片，顯示出相應(yīng)儀器的三維模型，移動(dòng)手機(jī)或者講義即可通過(guò)不同角度進(jìn)行觀察。此外，系統(tǒng)利用AR技術(shù)將錄制的實(shí)驗(yàn)操作教學(xué)視頻與講義中的實(shí)驗(yàn)步驟結(jié)合，通過(guò)掃描講義中步驟旁的示意圖即可顯示動(dòng)態(tài)操作視頻，打破了以往實(shí)驗(yàn)步驟只能用文字與圖片描述的限制，使學(xué)生可以更直觀地了解操作步驟。

3 系統(tǒng)測(cè)試與數(shù)據(jù)分析

在系統(tǒng)完成開(kāi)發(fā)之后，邀請(qǐng)實(shí)驗(yàn)教師與100余名學(xué)生參與了軟件測(cè)試環(huán)節(jié)，并對(duì)后臺(tái)生成的測(cè)試數(shù)據(jù)以及反饋意見(jiàn)進(jìn)行分析?？傮w來(lái)說(shuō)，參試人員對(duì)于本系統(tǒng)給予了較高的評(píng)價(jià)，認(rèn)為系統(tǒng)豐富了實(shí)驗(yàn)教學(xué)素材，優(yōu)化了教學(xué)流程，運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)提高了學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的興趣，自主仿真操作也有助于發(fā)揮學(xué)生的主動(dòng)性［16］。VR技術(shù)提高虛擬仿真的沉浸感，移動(dòng)端的AR技術(shù)拓展了虛擬仿真系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)景，虛擬仿真的教學(xué)方式也降低了實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行成本和學(xué)生的學(xué)習(xí)成本，加快了教育信息化進(jìn)程。

就具體的測(cè)試數(shù)據(jù)而言，在參與測(cè)試的學(xué)生中，高年級(jí)學(xué)生占絕大多數(shù)，對(duì)實(shí)驗(yàn)的操作比較熟悉，能更好地對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)價(jià)與反饋。如圖8所示，實(shí)驗(yàn)操作步驟的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)總計(jì)有1萬(wàn)多次，其中操作數(shù)量最多的步驟是“調(diào)節(jié)后腔鏡旋鈕、使激光器光軸準(zhǔn)直至激光器出光”的過(guò)程，這一步驟在實(shí)際實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程中，同樣也是最難的一步。因?yàn)樵摬襟E的操作參考標(biāo)準(zhǔn)是“毛細(xì)管極亮斑與中心光斑之間有一圈細(xì)微的分界線”，而該現(xiàn)象在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中難以觀察，甚至有部分學(xué)生因此而導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失敗。學(xué)生通過(guò)在仿真系統(tǒng)內(nèi)的練習(xí)，經(jīng)過(guò)系統(tǒng)的提示引導(dǎo)，能夠認(rèn)識(shí)到極亮斑的存在形式，在實(shí)際操作過(guò)程中能進(jìn)行有目的性地觀察，提高了實(shí)驗(yàn)操作效率和成功率，同樣也減少了實(shí)驗(yàn)教師的授課壓力，使教學(xué)方式更加多樣化。

圖8 實(shí)驗(yàn)操作統(tǒng)計(jì)曲線

教師后臺(tái)系統(tǒng)還提供了“學(xué)生開(kāi)始完成對(duì)比、登錄次數(shù)統(tǒng)計(jì)、考核分?jǐn)?shù)匯總”等統(tǒng)計(jì)表格，為實(shí)驗(yàn)教師的教學(xué)過(guò)程提供數(shù)據(jù)支撐，通過(guò)多維度數(shù)據(jù)分析學(xué)生的實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)情況，評(píng)估教學(xué)效果，改進(jìn)教學(xué)方式［17］。

4 總結(jié)與思考

激光諧振腔實(shí)驗(yàn)教學(xué)輔助系統(tǒng)將XR技術(shù)應(yīng)用到實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)中，在教師和學(xué)生之中獲得了廣泛的好評(píng)，相較于之前的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式來(lái)說(shuō)，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，為實(shí)驗(yàn)搭建了一個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)室，學(xué)生可以自主地完成課前預(yù)習(xí)，對(duì)于實(shí)驗(yàn)也有了更加直觀和形象的理解，提高了在課堂時(shí)間內(nèi)實(shí)驗(yàn)室實(shí)物實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效率，減少了實(shí)驗(yàn)教師重復(fù)講解實(shí)驗(yàn)步驟的壓力和工作強(qiáng)度，也大大地降低了光學(xué)實(shí)驗(yàn)室的損耗和運(yùn)行成本。利用AR技術(shù)，豐富了實(shí)驗(yàn)講義的內(nèi)容形式，將二維靜態(tài)的內(nèi)容拓展到三維動(dòng)態(tài)展示及互動(dòng)。系統(tǒng)還打破了實(shí)驗(yàn)室的時(shí)空限制，讓學(xué)生可以隨時(shí)隨地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)和課后復(fù)習(xí)，加深對(duì)專業(yè)知識(shí)的理解。教師也可以通過(guò)系統(tǒng)來(lái)獲取教學(xué)改革的支撐數(shù)據(jù)，促進(jìn)教學(xué)效率的提高，也為實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革提供了一個(gè)新的參考。與此同時(shí)，考慮到教學(xué)成本限制以及市場(chǎng)上XR設(shè)備的高成本及便攜性不高，如果系統(tǒng)采用頭戴式XR設(shè)備作為主要載體會(huì)導(dǎo)致使用門(mén)檻大大增加，不切合現(xiàn)階段的教學(xué)實(shí)際。但也造成了現(xiàn)階段系統(tǒng)的沉浸感有待提高，使用體驗(yàn)上會(huì)不如頭戴式設(shè)備。本系統(tǒng)在條件成熟時(shí)還可以對(duì)社會(huì)開(kāi)放，其他院?？梢岳帽鞠到y(tǒng)進(jìn)行相關(guān)課程的輔助教學(xué)。由于系統(tǒng)采用了Unity

平臺(tái)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，具有良好的拓展性與跨平臺(tái)性能，待相關(guān)設(shè)備技術(shù)成熟之后可以快速進(jìn)行移植，完善系統(tǒng)的使用體驗(yàn)。