VR自然科学实验室平台的设计与实现
吴明珠 朱佩仪 陈瑛
摘 要：文章针对目前在中学实验教学中存在的安全隐患、实验耗材昂贵和浪费，以及实验过程不可逆等问题，提出将虚拟现实技术与自然科学实验教学相融合，设计与实现一个高效、安全可逆的高仿真实验场景平台。该实验室平台的设计实现包括了PC端和手机App端，从而打破了传统实验课堂的局限，重构了学习情境，以沉浸式的交互体验方式提高了学生学习的积极性与创新性。
关键词：VR自然科学;实验室;高仿真;沉浸式;安全
中图分类号：G710 文献标志码：A 文章编号：1673-8454（2021）14-0045-04
一、引言
VR技术又称为虚拟现实技术，该技术于20世纪80年代在美国兴起[1]。这种新型的交互手段是利用计算机生成高仿真的三维虚拟环境，并结合传感器让人们沉浸在虚拟的现实环境中。近几年，VR技术不断发展，不仅应用于游戏、影视行业，在军事训练、工业制造、建筑设计、医疗诊断、展馆展示等各个领域中都有广泛的应用[2]。当然，如何利用该技术为教育教学提供更好的帮助，也是教育工作者们所关注的问题。
2019年11月，《教育部关于加强和改进中小学实验教学的意见》（教基〔2019〕16号）[3]要求，各地各校要丰富实验教学实施形式，促进传统教学和现代新兴科技有机融合，切实增强实验教学的趣味性和吸引力。对于有危险性、破坏性和对环境有危害的实验，可用增强现实、虚拟现实等技术手段呈现[4]。2020年新冠肺炎疫情期间，很多学校“停课不停学”，学生采取在家学习的方式，如果能够在线开展化学、物理等相关实验操作，将有助于学习效果的提升，而VR实验室能够让学生有更强的参与性。
此外，现在的中学生是在网络中成长起来的一代人，他们有着旺盛的好奇心，喜欢接触和学习新的事物，VR实验室更具趣味性和技术含量的实验体验能激发他们对新技术的探究，激发创新意识，推动创客教育的发展。
二、传统中学自然科学实验存在的问题
目前，中学自然科学实验主要包括了物理、化学、生物这三门学科的实验教学[5][6]，学生通过在实验室中进行实践的过程来了解这些自然科学现象，掌握实验所涉及到的知识点的基本原理及规律。目前在传统实验教学实践中主要存在以下问题：
1.实验前后的预习与复习难以开展
传统实验的内容需要各种实验器材、实验用品耗材和实验环境。如果没有这些材料，仅凭想象来进行预习，学生缺乏兴趣，效果也不理想。此外，不同环境下的实验结果偏差较大，但由于无法在课后复制实验室环境，因此课后进行复习的效率很低，也不利于对教学内容的巩固。
2.师生和生生缺乏互动
传统的自然科学实验在实践过程中互动性不强。大部分课堂的实验都是教师首先讲授实验过程中需要掌握的定理，并详细讲解实验步骤，实验结果也会提前告知学生，然后由教师演示实验过程给学生看，整个教学过程比较枯燥，学生和教师、学生和学生之间很少有互动，从而缺乏学习的兴趣和积极性。
3.实验操作过程中存在一定的安全隐患
在实验室进行实验操作的过程中，学生有可能因为操作错误而导致实验器材损坏，而有些物理电学实验也有可能会引起漏电、触电，一些高危化学实验则有可能出现火灾、爆炸、中毒等危险情况，从而导致人身安全受到威胁。所以有些学校可能因为这些安全因素，会避免让学生亲自实操实验过程。这样虽然避免了危险发生，但是学生也没有机会亲身体验实验，对于实验原理的理解程度自然也会有所下降。
4.实验教学过程中对抽象概念难理解
自然科学实验中涉及到很多抽象的概念、规律与原理，如果没有有效的辅助工具和仿真环境，教师讲解起来非常困难，学生也无法形象地去理解。
5.传统实验过程不可逆
有些科学实验的过程变化速度比较快，学生可能没有来得及看清楚就结束了，由于当时实验条件与环境的限制，又不可能重复进行演示，实验操作步骤也不能回退，因此会影响学生对于实验原理的理解与接受。
6.实验管理人员和耗材的重复建设与浪费
各个实验需要的实验器材和操作环境不同，对实验员的要求有一定的标准，每一年的实验器材需要保修、实验用品需要定期进行年限保质期的更换，日复一日、年复一年，不能更好地循环利用物资，导致各项资源耗费严重。
三、VR自然科学实验室建设的意义
为了解决传统自然科学实验室建设中存在的问题，我们结合VR技术来建设自然科学虚拟仿真实验室，该实验室可以很好地在不安全、不确定等因素下模拟真实的实验，更好地吸引广大教师和学生对学科实验的兴趣，加上设备的不断更新，能够快速跟上现代社会的教育发展，更好地实现“以教促学”，高质量、高效率地让师生感受实验的乐趣和增加对各种实验的了解[7]。
VR自然科学实验室建设的意义主要体现在以下六个方面：
1.辅助教学资源开发，创新教学模式
学生可以自主进行体验学习，最大限度地增强学生的学习体验。学生与 VR资源库的学习内容进行交互，既可以调动学生的学习兴趣，又能够让学生发现自己在該模块学习中不懂的知识。然后由教师介入引导，归纳学生的问题，组织学生再次学习体验，解决他们的问题。其次，VR 技术为学生提供了一定数量和质量、生动有趣的学习资料，供学生开展自主学习、探究学习、巩固学习。
2.突破环境局限，优化实验教学过程
虚拟实验室打破了时间和空间的局限，相比传统实验室更加开放。学生可以灵活安排自己的学习时间，不再受实验设备和耗材等因素的限制，可以很方便地提前对所学实验进行预习，发现问题。同时，课后也可以对掌握不牢的实验项目进行复习并且反复实验，直到掌握实验内容与原理为止。
3.避免安全隐患，提升实验教学安全系数
真实实验具有一定的危险性，但通过VR虚拟仿真设备可进行模拟仿真，强化实验现象，可以很好地避免在不安全、不确定等因素下进行真实的实验，更好地吸引广大教师和学生对学科实验的兴趣。
4.解决实验场地和实验材料匮乏问题，减少经费投入
从长期的建设与发展目标来看，VR实验室作为仿真实验场地开展沉浸式学习，各门课程的实验项目都可以在这个虚拟实验室中统一展开，同时满足各科的需要，缓解了实验场地紧张的情况，同时无需配备多个实验员，由任教教师演示和引导即可完成实验项目。并且所有的实验仪器、实验耗材都是通过三维建模虚拟存在的，因此只需要软件的更新升级，不存在实际的损耗与更新问题，很大程度上节省了实验室建设中的人力、物力和财力的投入，降低了实验教学的投入成本。
5.实验过程可逆可改
传统的实验，尤其是化学实验，一旦实验进行，如果中途出现错误就只能重新做过而不能在错误的地方再做一次，这样会造成教学资源的浪费。并且，实验的过程不可逆转，难以看到逆转过来的实验效果。利用VR技术打造的实验室，实验的过程既可逆转也能重复进行或者修改实验过程中的某一步骤。
6.提高学生学习兴趣
将枯燥无味的实验课堂讲述转化为高度仿真的实验课堂，使学生犹如沉浸在真实的环境中，受到来自环境的各种感官的影响，从而调动学生的学习积极性，提高学生对实验学习的兴趣。
四、VR自然科学实验室平台的设计与实现
VR安全实验室多端平台分为PC端、App端和后台系统三个模块。PC端和App端为前台界面供用户操作使用，后台系统为管理员使用。PC端是一个引导用户使用VR安全实验室平台的在线平台;App端则负责引流，加快分发速度以及变现，进行进一步的用户沉淀，设计着重于精简核心功能。PC端有视频学习、课程定制、互动交流、VR体验、软件下载、个人中心等六个主要板块。VR自然科学实验室平台App端将PC端中的六大板块单独出来，精简成VR平台、视频、资讯、商城、论坛、评分考核等板块。后台系统则由管理员提供管理前端界面的相对应模块。
1.PC端的设计与实现
PC端的VR自然科学实验室网站是作为一个引导用户使用VR自然科学实验室平台的在线平台，它将VR端中缺少的、不完善的、不便于使用的功能分离到另外的平台，方便用户使用。其以高效便捷的特点服务于实验室平台，有效地提高了用户的使用率，以模块化和规范化实现了对VR端的分流管理，保证能够衔接VR端的使用。具体如下：第一，单独列出商城模块，让用户更加便捷地购买VR课程和产品;第二，同步班级系统，辅助VR端中的班级系统，帮助教师快速建立班级，查看学生成绩，发布考核任务;第三，同步评分考核，帮助学生快速查看自己的实验成绩，回顾实验当中的错误;第四，可以节省人力物力、提高效率，为VR端的成本运作节约资源。
PC端采用了Flex布局，使用JavaScript编程语言来开发，使用前后端分离开发模式。PC端的登录注册页面如图1所示。
VR自然科学实验室平台的VR端功能设计有登录系统，可进行信息的储存和清除等功能，如图2所示，可进行实验科目的查询和具体实验的选择，还可以进行计分来实时显示实验进程，也可用此功能来设计实验操作考核任务，进行实验操作的实验效果图如图3所示。
2.App端的设计与实现
App端是PC端的优化版，负责引流，加快分发速度以及变现，进行进一步的用户沉淀，设计着重于精简核心功能。App端使用Vue框架，前端组件库为Vant，脚手架为最新版本4.0。App端实现的核心功能有首页、视频学习、在线商城、班级管理、学习考核等模块。其中App端首页界面如图4所示，App端在线商城界面如图5所示。
3.后台系统的设计与实现
由于前端PC端和App端界面有大量的数据需要管理和上传，因此，一个与之相对应的后台管理系统的出现是极为必要的，它能够协助管理员轻松管理前端界面，一键添加、删除、修改各版块内容，同时作为VR端的中转站，对接班级系统和评分考核成绩。
后台系统利用可视化设计理念，将平台的课程、订单数据直观展示出来;利用响应式布局，实现手机端和PC端的一步适配，方便管理员随时随地管理应用。后台系统采用了Layui框架进行开发，后台管理系统页面如图6所示。
五、结语
VR自然科学实验室平台将虚拟现实技术与实验教学相结合，以优质的实验教学资源为核心，集多端平台于一体，将抽象概念具象化，为学习者打造了高度仿真、可交互、沉浸式、安全的三维互动实验学习环境。平台主要分为PC端、App端及后台管理系统，它主要服务于VR自然科学实验室VR端的高效使用，能够针对普遍用户、教师和学生对VR平台的了解和使用，有效提高VR自然科学实验室平台的使用效率和实现教师对班级考核的管理，灵活便捷通用的多平台使用特性能够让用户更好地使用VR自然科学实验室平台。
参考文献：
[1]陆颖隽.虚拟现实技术在数字图书馆的应用研究[D].武汉：武汉大学，2013.
[2]师亚媛.基于Unity 3D的高职院校虚拟实验系统的开发与应用研究[D].西安：陕西师范大学，2018.
[3]刘强.中小学实验教学的新遵循——《关于加强和改进中小学实验教学的意见》解讀[J].人民教育，2020（1）：33-35.
[4]刘强.贯彻落实《教育部关于加强和改进中小学实验教学的意见》的六项工作举措[J].教育与装备研究，2020（6）：10-12.
[5]王精国.虚拟仿真技术在物理实验教学中的应用[J].中小学数字化教学，2018（3）：86-87.
[6]冯燕，孙鹏，朱凯.虚拟仿真技术在化学教学改革中的作用[J].教育教学论坛，2020（7）：155-156.
[7]吴东梅.对数字化实验在初中化学课堂教学中运用的思考[J].安徽教育科研，2020（10）：37-39.
（编辑：李晓萍）
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