虚拟科学实验的应用现状及发展趋势

2011-02-20武建宏

中国现代教育装备 2011年10期

魏锐黄婷方芳武建宏齐婧韦薇

虚拟科学实验的应用现状及发展趋势

魏锐黄婷方芳武建宏齐婧韦薇

虚拟现实（Virtual Reality）技术通过综合应用各种技术,营造逼真的人工模拟环境。虚拟环境通常由计算机生成并控制,使用户身临其境地感知虚拟环境中的物体,并通过虚拟现实的三维设备与物体接触,有效地模拟人在自然环境中的各种感知行为,从而实现高级人机交互。基于虚拟现实技术的科学实验,又称作虚拟实验,是指在计算机系统中创建虚拟实验环境,用软件模拟虚拟设备,学生可以像在现实实验环境中一样完成各种实验。虚拟实验的使用可以减少办学成本,提高学习效果,同时增强学生的学习兴趣。

随着科技的发展,虚拟现实技术日益成熟,向更加真实、生动、交互性更强的趋势发展。高仿真的虚拟实验已应用于高校理工科教学,尤其在电工电子、医学、建筑、生化等学科教学中发挥着日渐重要的作用。然而目前在基础教育中使用的虚拟实验,软件平台相对简单,真实性和交互性相对较差,远远无法体现虚拟现实技术的新进展。借此,本文结合虚拟现实技术的变革及新的技术手段,对其在基础教育中的应用现状和发展趋势展开讨论。

一、基础教育中虚拟科学实验的应用现状

1.虚拟科学实验在基础教育中的应用日益普遍

实验教学在对学生科学素质、创新能力和研究能力的培养方面起着非常重要的作用,是理论教学不能替代的。随着新课程的推进以及学校软硬件设施的发展,实验教学越来越受到人们的重视。但其中部分实验却因存在安全隐患或受时空因素、仪器设备等条件的限制而难以在课堂教学中实施,基于虚拟现实技术的科学实验手段恰好弥补了这些不足。随着虚拟现实技术的发展以及教师信息技术水平的提高,虚拟实验在教学中的应用越来越普遍。

（1）利用多媒体技术进行过程模拟

利用影音、动画等多媒体文件可以模拟放大肉眼观察不到的微观过程,可以微缩巨大的宏观过程,还可以加快或放慢展示变化的过程,在课堂中展示科学的奥秘。如化学教学中借助多媒体技术将原子、分子等微粒变小为大,将微观粒子扩大为宏观示意图,给学生以生动形象的演示,提高学生对枯燥理论的学习兴趣。

（2）借助通用软件展开虚拟实验

利用Flash、UltraKey（数字虚拟演播室）、几何画板等通用软件,教师可以自主进行实验开发或者制作课件。这些软件便于使用,上手快,开发新实验周期短。例如借助几何画板,通过构造小球、构造重力矢量图、完善课件等几个简单的步骤就可以动态演示力的分解。

（3）专业化的虚拟实验平台

目前已经出现各种各样的专业化虚拟实验平台可供教学使用,例如仿真物理实验室、Havok、Autodesk Inventor、RTW等物理虚拟实验平台,化学仿真实验室、基于Internet Explorer的VR化学实验、Irydium、Chemistry Lab、Chemcollective等化学虚拟实验平台。进入这些平台,就像进入一间科学实验室一样,通过鼠标拖动以及一些参数的设置即可完成实验。

2.基础教育中虚拟科学实验应用的局限性

目前使用的虚拟科学实验虽然已经成为常规实验的有益补充,但由于其过于平面化、简单化,依旧存在着很多不足：（1）学生通常只是作为观察者,而非亲身体验实验探究过程。（2）交互性欠缺。所谓交互性（Interaction）,是指用户对虚拟环境中的物体的可操作程度和从环境得到反馈的自然程度（包含实时性）。当前的虚拟科学实验尚无法很好地模拟人对外部环境的感知（例如触觉）,如在进行生物解剖虚拟实验时,操作者无法感受到力的作用。目前虚拟实验的交互设计水平较低,不能充分满足学习者的需求。（3）虚拟实验过于理想化,实验结果也相当“精确”和“确定”,没有误差和错误,学生缺少对剔除无效数据、寻求主要矛盾等真实科学过程的体验。（4）较为缺乏对情感交互和认知交互作用规律的充分考虑,大大降低了学生参与学习的兴趣和热情,制约虚拟实验教学作用的有效发挥。

因此,“使用户身临其境地感知虚拟环境中的物体、通过虚拟现实的三维设备与物体接触,从而真正地实现人机交互”等目标在当前的虚拟实验中尚未真正实现。

二、虚拟现实技术的发展及虚拟科学实验技术的变革

随着虚拟现实技术的快速发展与日益成熟,虚拟科学实验的核心技术、呈现形式也将发生变革,尤其将在以下3个方面出现较大的突破。

1.通过三维仿真技术提高虚拟科学实验的仿真性

三维仿真技术利用计算机生成一个逼真的,具有视、听、触等多种感知的虚拟环境,用户可以通过各种传感设备同虚拟环境中的物体相互作用。通过特效控制系统与影片中的情节进行配合,观众带上特制的偏振立体眼镜,可欣赏到呼之欲出的立体影像。例如在旅游业中,三维可视化可实现对旅游目的地环境和景观的形象化展示,使人们对旅游目的地形成直观认识的同时,还可达到良好的宣传效果。三维仿真技术在旅游专业教学、电影事业等方面已有较为广泛的应用,但该技术在基础教育科学实验中的应用非常有限。基于三维仿真技术的虚拟科学实验将不再是简单的平面模拟,它所呈现的物体将具有更强的立体感,让学生有身临其境的感觉,辅助教师更好地完成教学过程,使学习更有乐趣。

2.不断增强虚拟科学实验的人机交互性

虚拟科学实验交互性的增强可以使实验环境的真实感更强,也使虚拟实验平台不但可以用于实验演示,还能够进行实验研究,甚至是通过虚拟环境实现对真实仪器设备的控制。例如,若将虚拟实验平台与数据手套连接,可以实现实验者的手部动作的输入,从而可以用手直接控制计算机中的虚拟仪器。目前国内许多高校都根据自身教学需求建立了虚拟实验室,如中国科技大学物理仿真实验软件等。也有许多高校将虚拟现实技术应用于科学研究领域,比较典型的是清华大学的“电力系统及大型发电设备安全控制和仿真”国家重点实验室、中科院上海有机化学研究所建立的虚拟化学实验室等。

3.虚拟科学实验与力反馈系统的结合

所谓力反馈（Force Feedback）,最初是用在军事上的一种虚拟现实技术,它利用机械表现出的反作用力,将数据通过力反馈设备表现出来。当前,一些虚拟外科手术已具有力反馈功能。外科医生在做一次比较复杂的手术之前,先对虚拟人进行手术训练,然后进行真实手术,可以有效提高手术的成功率。带有力反馈功能的虚拟实验平台可以使实验教学中教师和学生的感觉更趋于真实化。例如生物教学中学生可以不限次数地对“虚拟青蛙”进行解剖和学习,借助力反馈系统,学生在实验过程中还可以有触觉感受,就像拿着一把手术刀进行实际操作一样。

三、基于虚拟现实技术的科学实验手段与不同学科的整合

在日常教学中,由于安全隐患或时空因素、实验条件等限制而无法进行的实验,可以通过虚拟科学实验平台进行展示或由学生自主探究,下面从虚拟科学实验手段与不同学科整合的角度分别举例说明。

1.虚拟科学实验手段与物理教学整合

（1）常规实验的虚拟化,增强实验的便捷性。中学物理在光学、力学、运动、电学、磁学等方面均有一些实验操作复杂、所耗时间长的实验项目,不仅受学生动手能力的限制无法作为学生实验,甚至不适宜作为课堂演示实验。通过虚拟实验平台可以使实验过程化繁为简,增加学生体验科学过程、学习科学原理的机会。例如,DIS（Digital Information System,数字化信息系统）在中学物理实验中的使用日益普遍,但由于资金和实验条件的限制,很多学校DIS实验设备严重不足,三维虚拟DIS实验平台可以很好地解决这一问题。教师演示实物DIS的操作,学生可以在虚拟DIS上进行实验,也可以课后自主探究学习,使DIS变得唾手可得。再如,学生在学习了透镜的工作原理之后,可以借助虚拟物理实验平台组装一台望远镜或显微镜,不仅迁移应用了所学的光学原理,还增强了学习活动的趣味性,使学生进一步体会物理知识在生活中的应用。

（2）真实生活问题的分析与模型建构。当前的科学教育倡导“从生活中来,到生活中去”的理念,而虚拟实验平台也为此提供支持。例如将蹦极（自由落体运动）或者投篮球（斜上抛运动）的录像转入虚拟实验平台中的视频分析模块,逐帧跟踪人或物体的位置,就可以描绘人或物体的运动轨迹,然后再进行数学建模,从而能够分析位移、速度与时间的关系,通过函数拟合可以得出位移方程、速率方程以及求解重力加速度。这样的探究来源于鲜活的真实案例,而不是抽象、简化了的实验室实验。

（3）宏观或宇观（即宇宙尺度）世界的模拟及自主探究。对于电梯、轮船、火车、太阳系等宏观或宇观世界的运动规律,由于它们尺度太大,实验室中无法容纳,可以让学生在虚拟实验平台上进行自主探究。例如学生通过设定恒星的质量,行星的数量、质量、速度等参数,探索各种参数改变时行星的运动有哪些变化,从而总结行星的运动规律。

2.虚拟科学实验手段与化学教学整合

（1）用于安全性差或污染严重的实验。中学化学有些实验（尤其是有机实验）受到安全和环保的限制,在通常教学中教师并不做演示实验,学生实验也就更不可能开展了。这样学生就失去了体验实验过程的机会,只能通过背、记反应及现象来进行学习。借助虚拟实验手段,可以为此类内容的教学提供支持。

（2）调控反应速度、展示微观过程。很多化学变化速度较快,学生较难捕捉反应过程中的各种信息；也有一些化学变化速度很慢,不适宜在课堂教学中展示。而且,通过肉眼观察很难体会化学变化的微观过程。上述困难可以借助虚拟实验手段来解决。例如,在模拟“反应物—过渡态—生成物”的变化过程时,学生可以通过设定参数、减慢反应速率,观察反应过程中化学键和能量的变化,从而加深对化学原理的理解。

（3）模拟化工生产的过程。教师在讲授与工业生产相关的问题时,往往只是看看图片,讲讲原理,活生生的工业生产变成了几条知识强加给学生,缺少对真实过程的体验。尽管新课程鼓励有条件的学校可以组织学生到工厂参观,进行实地考察。然而,绝大多数的学生没有此类机会；即使有机会到工厂参观,看到的也只不过是纵横交错的管道和各种形状的反应器,无法“进入”反应器的内部去观察。如果借助虚拟科学实验平台建立虚拟化工厂,学生则可以“进入”各个生产环节的内部参观学习,并根据自己的需求,像工程师一样“调控”生产过程,提高学生的技术素养。

3.虚拟科学实验手段与生物教学整合

（1）解决活体实验的伦理问题。生物课程中涉及解剖动物或者用动物活体进行实验,在伦理学的角度越来越受到争议,若取消学生实验又会大大削弱教学效果,“虚拟动物”则可以代替真实动物完成教学任务。常规实验使用的动物品种是非常有限的,不过是小白鼠、青蛙、金鱼等有限的几种,而采用虚拟实验平台,可以扩大实验对象的种类,使学生认识丰富多彩的生物世界。

（2）突破生物学实验的时空限制。很多生物实验由于所需场地较大或者是耗时较长而无法实现,能使学习变成简单的文本学习,虚拟实验可弥补这一不足。例如在学习遗传规律时,学生可以像孟德尔那样在“虚拟试验田”上选择种植不同品种的豌豆,然后进行杂交,探索不同性状的遗传规律,从而说明哪些是显性基因、哪些是隐性基因。“虚拟试验田”可以通过改变参数,调整植物生长的速度,将耗时长的实验“浓缩”在较短的时间内完成,使学生通过有趣的探究活动加深对相关原理的理解。

（3）探索微观的生命过程。在实际教学中,学生使用显微镜观察生命体静态的微观形貌或者持续观察一个生命过程的机会都非常少,虚拟实验可以支持这种类型的教学活动。例如细胞的有丝分裂或无丝分裂过程的教学,可以在虚拟实验平台上先播放真实的细胞分裂过程（微观过程视频）；然后由学生对其中的关键环节进行抽象简化,在计算机平台上用简单线条描摹细胞的轮廓,绘制出示意图。这样,对若干关键环节跟踪之后,绘制的多张示意图连续起来就形成细胞分裂过程的动画模拟了。类似的,学生对不同细胞的分裂过程跟踪和模拟之后,便能够总结出细胞分裂的类型和基本规律。

4.虚拟科学实验手段与地理教学整合

（1）微缩宇观世界,认识人与宇宙的关系。神秘的宇宙世界令许多学生好奇和向往,然而地理课程中若仅仅通过语言描述或通过图片展示关于宇宙的自然现象又令学生感到空洞乏味。借助虚拟实验平台,学生可以在“虚拟日地月系统”中,探究日食和月食产生的原因,认识日地月的运动引起的各种自然现象以及对人类生产生活的影响。

（2）探索自然地理各种现象的形成原因。例如在学习造成地表形态变化的内、外力因素这部分内容时,褶皱是一个难点,学生较难清晰地认识褶皱产生的原因以及如何判定背斜、向斜等。在虚拟实验平台中,学生可以通过设定不同岩层的材质及厚度、模拟力量的来源及大小,直观地观察褶皱的形成过程和形状,从而使学习变得轻松有趣。此外,还可以观察褶皱在漫长的外力作用下所发生的变化,以及形成的地表形态。

（3）体验人类活动与城乡发展的相互作用。人类活动与城乡规划是地理课程中的重要内容,若采用虚拟现实技术构建“虚拟城市”,则可以让学生在“虚拟城市”中根据自己的构想设计城市的功能分区、人口分布或交通线路等,并模拟城市发展、环境变化和人类活动之间的相互关系,帮助学生更好地理解和解释城市功能分区形成的原因和城市化对地理环境的影响。

（4）虚拟实验与地理信息技术的整合。高中地理新课程更加体现地理科学发展的时代特色,将3S技术引入高中课程。3S技术是遥感技术（Remote Sensing,简称RS）、地理信息系统(Geography Information Systems,简称GIS)和全球定位系统(Global Positioning Systems,简称GPS)的统称,将空间技术、传感技术、卫星定位与导航技术和计算机技术、通讯技术相结合,多学科高度集成地对空间信息进行采集、处理、管理、分析、表达、传播和应用。将虚拟实验技术与3S技术整合,可以模拟3S技术的工作原理。例如在实验平台上模拟地震、火灾,观察遥感技术给出的反馈信息,引导学生分析灾区的灾情,设计抗震救灾的工作方案。

四、基于虚拟现实技术的科学实验手段的应用形式

无论对教师教学还是学生学习而言,虚拟科学实验都会起到相当大的作用,它将通过实验教学环境和实验教学手段的虚拟化辅助教师高效完成教学计划,同时通过实验室、技能训练帮助学生更好地完成探究、自主和协作学习。

1.作为常规实验的有益补充,用于课堂教学

在如今的常规教学中,多媒体技术已经广泛应用,能够起到形象化展示科学原理、调动学生学习热情的作用,从而提高课堂教学的质量。不过当前课堂应用的多媒体技术,多以演示性为主,仿真度低、交互性差。以三维可视化、良好的人机交互性为突出优势的虚拟科学实验手段,可以将多媒体教学提升到一个新的水平。

2.用于学生自主探究学习

尽管新课程强调实验探究教学,但囿于学校实验条件、学时、实验安全性、教师观念等因素,学生依旧很少有机会参与实验探究。而虚拟实验手段可以为学生搭建一个完全自主的学习平台,既可以应用于课堂上的探究活动,也可以让学生在课后进行自主探究。学生可以随时随地在平台上进行探究式学习,并根据自己的兴趣爱好进行不同学科、不同内容、不同深度地学习,使对科学感兴趣的学生有充分的发展空间。

3.用于学生课后进行复现式学习

借助虚拟科学实验手段,可以使学生更方便地进行课后复现式学习。如果学生在课堂上没有很好地掌握老师所讲的内容,或者想重做一次课堂实验,那么学生可以到虚拟实验平台上进行再次实验。以及时弥补学生课堂学习的漏洞,使课后复习不再局限于平面的教材阅读或枯燥的作业训练。

4.与网络技术整合,实现跨时空的合作学习

许多学生沉迷于网络游戏,让老师与家长痛心疾首。反观科学教育,为什么就不能创建出吸引学生的科学学习环境呢？也许基于网络的虚拟科学实验平台也可以令部分学生“沉迷”。学生不仅可以在虚拟实验平台上进行自主探究,还可以借助网络寻求志同道合的伙伴,不论国籍、不分年龄,共同搭建学习小组,一起研究他们感兴趣的课题。这将为学生的合作学习提供契机和平台,学生可以把自己各种想法付诸于实践,而不必担心资金、材料、时空、环保、伦理等因素的限制。同时,还可以增强学生的团队协作意识,培养学生的人际交往能力。