劉路苗 李偉 戴佳佳

力反饋技術(shù)及其在教育教學(xué)中的應(yīng)用

劉路苗 李偉 戴佳佳

（南京師范大學(xué) 教育科學(xué)學(xué)院,江蘇 南京 210000）

力反饋技術(shù)的出現(xiàn)提供了一種新型的人機(jī)交互體驗，它支持用戶通過力反饋設(shè)備感受計算機(jī)虛擬環(huán)境中的物體運動和力覺信息，是一種新型的教育教學(xué)手段。本文在介紹力反饋技術(shù)的基本概念、工作原理及主流的力反饋設(shè)備以及總結(jié)力反饋技術(shù)關(guān)鍵問題的基礎(chǔ)上，分析和歸納整理了力反饋技術(shù)被引入教育領(lǐng)域所取得的成果，得出力反饋技術(shù)在教育教學(xué)中的應(yīng)用呈現(xiàn)教育教學(xué)層次多樣化、教育教學(xué)領(lǐng)域多樣化和教育教學(xué)方式多樣化的特點。

力反饋;力反饋技術(shù);力反饋設(shè)備;教育教學(xué)應(yīng)用

虛擬現(xiàn)實技術(shù)是計算機(jī)圖形學(xué)、人機(jī)接口技術(shù)、多媒體技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、傳感技術(shù)等的集合，是一門富有挑戰(zhàn)性的交叉技術(shù)，被公認(rèn)為21世紀(jì)影響人們生活的重要技術(shù)和發(fā)展學(xué)科。力反饋技術(shù)，作為一種重要的人機(jī)接口技術(shù)，它結(jié)合其他虛擬現(xiàn)實技術(shù)，使用戶能夠通過視覺、聽覺和觸覺等通道與虛擬環(huán)境進(jìn)行交互，有助于用戶對虛擬環(huán)境的熟悉和掌握。將力反饋技術(shù)引入到教育教學(xué)活動，用戶一方面可以通過圖形窗口觀察教學(xué)情境，另一方面可以感受到在使用力反饋設(shè)備與教學(xué)情境中物體交互時產(chǎn)生的力反饋信息。力反饋技術(shù)和教學(xué)內(nèi)容相結(jié)合，既可以活躍課堂的學(xué)習(xí)氛圍，又可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。此外，力反饋技術(shù)擴(kuò)展了用戶的人機(jī)交互方式，有助于用戶手眼協(xié)調(diào)能力的提高，在教育領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊。經(jīng)實踐研

究和查閱文獻(xiàn)資料，筆者了解到目前國內(nèi)關(guān)于力反饋技術(shù)的研究和應(yīng)用還處于起步階段，本文對力反饋技術(shù)的概念、工作原理、主流設(shè)備及應(yīng)用中的關(guān)鍵問題進(jìn)行分析，對力反饋技術(shù)在教育教學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用進(jìn)行分類整理，指出其應(yīng)用特點和不足，以期對后來研究者起到參考和借鑒作用。

一、力反饋技術(shù)概述

（一）基本概念

力反饋是指在人機(jī)交互過程中，計算機(jī)對用戶的輸入做出響應(yīng)，并通過力反饋設(shè)備作用于用戶的過程[1]。它是一種機(jī)械裝置表現(xiàn)出來的反作用力，將力反饋設(shè)備與環(huán)境中物體交互的信息轉(zhuǎn)化成用戶能夠感知的力的效果[2]，如觸碰物體的阻力、舉起物體的重力和“觸摸”物體表面的摩擦力?；诹Ψ答伒木唧w應(yīng)用廣泛存在：在擊球訓(xùn)練的過程中，運動員在虛擬球場通過特殊的力反饋設(shè)備，身臨其境地感受“擊球”的力度和震感；在漢字書寫訓(xùn)練中，用戶借助力反饋設(shè)備訓(xùn)練書寫過程中腕部和手指的運動控制能力和力度控制能力，并通過反復(fù)練習(xí)強(qiáng)化書寫技能；在虛擬手術(shù)訓(xùn)練中，用戶使用力觸覺設(shè)備對虛擬的器官進(jìn)行手術(shù)，根據(jù)人手感知到的反饋力控制手術(shù)刀的切口和力度，獲得現(xiàn)場做手術(shù)時的逼真體驗。相比單純觀看專家動作技能視頻的教學(xué)方法，力反饋教學(xué)應(yīng)用不僅提供了一種更具真實感和沉浸性的教學(xué)情境，而且其學(xué)練結(jié)合的模式有助于提高用戶掌握動作技能的效率。

力反饋技術(shù)是一種新型的人機(jī)交互技術(shù)，它允許用戶借助力反饋設(shè)備觸碰、操縱計算機(jī)生成的虛擬環(huán)境中的物體，并感知物體的運動和相應(yīng)的力反饋信息，實現(xiàn)人機(jī)力覺交互[3]。雖然傳統(tǒng)的鼠標(biāo)、鍵盤、觸摸屏等交互手段可以滿足用戶與環(huán)境中物體交互的需求，但是缺乏力覺交互信息的反饋。力反饋技術(shù)結(jié)合其他的虛擬現(xiàn)實技術(shù)，使用戶在交互過程中不僅能夠通過視、聽覺通道獲取信息，還能夠通過觸覺通道感受模擬現(xiàn)實世界力覺交互的“觸感”。因此，力反饋技術(shù)的引入，使交互體驗更加自然、真實。

（二）工作原理

在力反饋系統(tǒng)中，用戶一方面可以在圖形窗口看到虛擬環(huán)境中的物體或場景，另一方面還可以借助力反饋設(shè)備身臨其境地感受操縱物體時的力覺信息。力反饋系統(tǒng)的工作原理如圖1所示。圖中主計算機(jī)是整個系統(tǒng)的核心，用于執(zhí)行程序的運算，處理外部設(shè)備輸入，實現(xiàn)圖形和力的同步實時渲染及力覺的輸出；力反饋設(shè)備是力反饋技術(shù)的關(guān)鍵部分，允許用戶操縱虛擬物體以及感受力覺信息;圖像顯示器，用于呈現(xiàn)渲染后的虛擬場景，通過可視化信息幫助用戶設(shè)計、感知虛擬環(huán)境。力反饋系統(tǒng)的具體實現(xiàn)步驟如下：

第一，初始化。創(chuàng)建虛擬環(huán)境中物體的幾何模型，依據(jù)其物理特征建立場景中物體柔軟系數(shù)和作用力的映射關(guān)系；依據(jù)力反饋設(shè)備的運動空間與計算機(jī)中圖形空間的映射關(guān)系，設(shè)置力反饋設(shè)備與虛擬物體的交互機(jī)制；初始化圖形窗口和力反饋設(shè)備。

第二，信息計算。一方面，應(yīng)用程序計算場景中的圖形大小、位置和光照等視覺信息，另一方面，應(yīng)用程序處理場景中物體的反饋力大小和物體材質(zhì)等觸覺信息。

第三，渲染和顯示。依據(jù)計算好的圖形信息，利用計算機(jī)在圖形窗口中繪制相應(yīng)的場景并將力覺信息輸出到力反饋設(shè)備，同時用戶感受到來自觸覺設(shè)備的反饋力。

圖1 力反饋技術(shù)工作原理

（三）主流的力反饋設(shè)備

在虛擬場景中，能夠精確地反饋力/觸覺信息的設(shè)備是至關(guān)重要的，它們是進(jìn)行人機(jī)力覺交互的接口，它們可以實現(xiàn)識別用戶的動作輸入，并將計算機(jī)分析得出的反饋力作用于用戶[4]。雖然力覺交互可以使用人體的許多部位來完成，但是目前只有基于手的力反饋設(shè)備較為發(fā)展成熟和廣泛使用[5]。Geomagic、Force Dimension、Haption以及Immersion等公司[6]在該方面的研發(fā)上做出了貢獻(xiàn)，圖2展示了這類主流的力反饋設(shè)備。

美國Geomagic公司的Phantom系列是筆式的力反饋設(shè)備[如圖2(a)(b)所示]，在醫(yī)學(xué)、藝術(shù)等領(lǐng)域已經(jīng)得到廣泛的使用；瑞士Force Dimension 公司的Omega系列和Delta系列是采用獨特的Delta結(jié)構(gòu)的力反饋設(shè)備[如圖2(c)(d)所示]，可在較大工作空間內(nèi)實現(xiàn)作用力的大范圍傳遞，主要應(yīng)用于工業(yè)、醫(yī)療、航空航天、計算機(jī)模擬等環(huán)境要求苛刻的高端領(lǐng)域；法國Haption 公司的Virtouse 系列是可進(jìn)行自行管理的力反饋設(shè)備[如圖2(e)所示]，具有活動范圍廣、可承受的力和扭矩大等優(yōu)點，多應(yīng)用于工業(yè)裝配、航空維修和生物工程領(lǐng)域；Logitech公司的Force 3D和Microsoft公司的Sidewinder是游戲桿式的力反饋設(shè)備[如圖2(f)(g)所示]，在游戲領(lǐng)域使用較廣；不同于上述桌面固定式的力反饋設(shè)備，美國Immersion 公司的Cyber Grasp 是一種裝配在操作者身體上的手套式力反饋設(shè)備[如圖2(h)所示]，它可以同時為手和手指提供力反饋，適用于虛擬現(xiàn)實研究、產(chǎn)品設(shè)計、動畫、教育等領(lǐng)域。

圖2 主流的力反饋設(shè)備

（四）關(guān)鍵問題

力反饋系統(tǒng)的實現(xiàn)過程中涉及到以下關(guān)鍵問題：力反饋計算模型設(shè)計、碰撞檢測、視覺與力覺的同步渲染，相應(yīng)地產(chǎn)生了針對解決上述問題的一系列算法和接口。

1.設(shè)計力反饋計算模型

力反饋計算模型用于計算虛擬環(huán)境中物體間交互時產(chǎn)生的力，并由力反饋設(shè)備傳遞給用戶[7]。目前，力反饋算法主要采用基于物理建模方法的有限元模型和彈簧—質(zhì)點模型[8]，如圖3所示。其中，有限元模型將連續(xù)體離散為多個單元，分別對每個單元進(jìn)行模擬，之后連接各單元模擬整個連續(xù)體，最后通過解方程組計算質(zhì)點的受力；彈簧—質(zhì)點模型首先將物體質(zhì)量離散到各個質(zhì)點，并通過彈簧連接柔性物體離散后的質(zhì)點，依據(jù)胡克定律計算質(zhì)點之間的力，從而模擬整個物體的受力。有限元模型能夠較好地滿足交互的真實性需求，但是運算量大、求解過程復(fù)雜，難以滿足交互的實時性需求；而彈簧—質(zhì)點模型具有建模過程簡單、計算量較小、交互實時性較好的特點。

圖3 有限元模型和彈簧—質(zhì)點模型

2.實現(xiàn)碰撞檢測

碰撞檢測用于實時檢測虛擬環(huán)境中物體間的碰撞情況，為之后圖形信息的繪制及力反饋信息的計算奠定基礎(chǔ)。當(dāng)前的碰撞檢測算法主要采用包圍盒技術(shù)[9]，首先對物體的包圍盒進(jìn)行相交檢測(模糊碰撞檢測)，當(dāng)包圍盒相交時其包圍的物體才有可能相交。然后進(jìn)行物體間的精細(xì)碰撞檢測，當(dāng)包圍盒不相交時，其包圍的物體一定不相交，結(jié)束物體間的碰撞檢測[10]。該方法可以避免大量不必要的相交測試，其碰撞檢測過程如圖4所示。

圖4 碰撞檢測流程圖

3.增強(qiáng)力覺真實感

視覺與力覺的同步渲染用于保持較低刷新頻率的視覺信息(30fps～60fps)和較高刷新頻率的力覺信息(1000fps)的一致性。目前，主流的開源力反饋接口OpenHaptics、CHAI3D等都支持視覺與力覺融合的應(yīng)用開發(fā)。其中，OpenHaptics是SenseAble公司針對Phantom系列力反饋設(shè)備研發(fā)的開發(fā)工具包，包括QuickHaptics API、Haptic Device API、Haptic Library API三個不同層次的接口庫，能夠滿足不同用戶的設(shè)計需求[11]；CHAI3D是由斯坦福大學(xué)人工智能實驗室研發(fā)的支持多種力反饋設(shè)備的開發(fā)工具包，它具有較好的可擴(kuò)展性，允許用戶在已有視覺、力覺渲染算法的基礎(chǔ)上根據(jù)自己的需要設(shè)計新的渲染算法，也可以通過添加驅(qū)動的方法支持新的力反饋設(shè)備[12]。

四、力反饋技術(shù)在教育教學(xué)中的應(yīng)用

力反饋技術(shù)最早應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，主要用于飛行員、宇航員的模擬訓(xùn)練。隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，游戲廠商開始將這一技術(shù)引入電子游戲，普通的PC用戶也能獲得力反饋體驗帶來的樂趣。當(dāng)前的教育活動主要通過文字、圖形圖像、聲音、視頻等給予學(xué)習(xí)者視、聽覺信息，忽視了觸覺信息對于培養(yǎng)學(xué)習(xí)者認(rèn)知思維的重要性。隨著力反饋技術(shù)的發(fā)展，將力覺交互引入教育應(yīng)用成為可能。力覺信息和視覺、聽覺信息相融合，進(jìn)一步擴(kuò)大了力反饋技術(shù)在教育中的應(yīng)用。隨著研究的深入，支持力反饋的教育應(yīng)用分布呈現(xiàn)出教育教學(xué)層次多樣化、教育教學(xué)領(lǐng)域多樣化和教育教學(xué)方式多樣化的特點。

（一）教育教學(xué)層次多樣化

1.基礎(chǔ)教育

在學(xué)習(xí)科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)（STEM:Science，Technology，Engineering & Math）課程時，用戶常常會遇到一些復(fù)雜抽象的內(nèi)容。研究表明，針對這些內(nèi)容的學(xué)習(xí)，采用從具體到抽象的教學(xué)策略，有助于提高用戶的學(xué)習(xí)效率。在教學(xué)過程中，師生先通過一定的教具以實踐操作的形式進(jìn)行具體事物的學(xué)習(xí)，再從符號、公式等抽象層次加深知識的理解。針對K-12數(shù)學(xué)教學(xué)，拉維克蘭(Ravikiran) 等人[13]開發(fā)了支持力反饋的教具，并將它們應(yīng)用于負(fù)數(shù)加法這一抽象概念的學(xué)習(xí)。負(fù)數(shù)加法教學(xué)過程中涉及的教具有：若干表面標(biāo)有數(shù)字的小球作為加數(shù)（每個小球被賦予不同的力，力的大小與小球上數(shù)字的絕對值大小成正比，當(dāng)小球上數(shù)字為正數(shù)時力的方向向下，負(fù)數(shù)時力的方向向上），一個加法容器（可放置一個或兩個加數(shù)）。用戶在進(jìn)行加法操作時，首先借助力反饋設(shè)備移動加數(shù)到加法容器，操作完成后可明顯感受到加法運算前后容器力的變化，即當(dāng)向加法容器內(nèi)加入一個正數(shù)時，加法容器向上的力相應(yīng)增加；當(dāng)向加法容器內(nèi)加入一個負(fù)數(shù)時，加法容器向下的力隨之增加。用戶根據(jù)加法容器內(nèi)力的大小和方向的變化情況，可以深入淺出地理解正負(fù)數(shù)對于相加運算后的和的影響。

2.高等教育

美國斯坦福大學(xué)和約翰霍普金斯大學(xué)[14]將力反饋技術(shù)融入大學(xué)生初級動力系統(tǒng)課程，并取得了良好的教學(xué)效果。該課程的學(xué)習(xí)內(nèi)容分為以下三個方面：①力反饋系統(tǒng)的構(gòu)建：首先，學(xué)生們要熟悉力反饋設(shè)備的操作方法和工作原理，并建立力反饋系統(tǒng)模型；其次，依據(jù)牛頓定律或其他類似的方法設(shè)計力反饋設(shè)備位置的運動控制方程，包括慣性、阻尼、摩擦力等參數(shù)的設(shè)定；最后，假設(shè)力反饋設(shè)備的運動是線性運動，校準(zhǔn)力反饋設(shè)備的運動力矩輸出和位置傳感器。②系統(tǒng)響應(yīng)和反饋控制的設(shè)計：學(xué)生們通過分析運動控制方程確定系統(tǒng)的極值，之后再通過一個放大回路連接計算機(jī)與力反饋設(shè)備。此外也可以借助控制軟件調(diào)節(jié)控制增益和反饋增益確保系統(tǒng)交互的穩(wěn)定性。③力反饋設(shè)備與虛擬環(huán)境的交互：學(xué)生們通過調(diào)整彈性系數(shù)和阻尼系數(shù)的大小，能夠使力反饋設(shè)備模擬彈簧和阻尼器，同時明顯地感知不同效果的摩擦力和阻尼力。此外，上述兩所大學(xué)中的約翰霍普金斯大學(xué)開設(shè)了用于遠(yuǎn)程操作和虛擬現(xiàn)實的力反饋系統(tǒng)研究生跨學(xué)科課程，該課程采用學(xué)生分組的形式進(jìn)行教學(xué)活動。小組成員來自不同專業(yè)，包括生物醫(yī)學(xué)工程、計算機(jī)科學(xué)、電子工程和機(jī)械工程。該課程設(shè)立的初衷是鼓勵來自不同專業(yè)背景的學(xué)生通過團(tuán)隊協(xié)作發(fā)揮各自的專長，如生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的學(xué)生能夠具備人類心理物理研究所需的專業(yè)醫(yī)學(xué)背景知識并且能夠為外科手術(shù)仿真提供組織模型，計算機(jī)科學(xué)專業(yè)的學(xué)生可重點負(fù)責(zé)實施編程和力反饋渲染，其他專業(yè)的學(xué)生則完成力反饋機(jī)制的設(shè)計和實現(xiàn)。該課程的教學(xué)成果顯著，課程開展的三年內(nèi)有大約一半的課程項目論文被相關(guān)會議錄用。此外，該課程的部分學(xué)生還參加了2006年巴黎支持力覺交互的機(jī)器人科學(xué)暑?；顒?，并展示了力反饋系統(tǒng)的基本設(shè)計實現(xiàn)過程。

表1 力反饋技術(shù)在不同教育層次中的應(yīng)用

（二）教育教學(xué)領(lǐng)域多樣化

1.醫(yī)學(xué)領(lǐng)域

“望、聞、問、切”四診法是中醫(yī)的精髓，其中“切”初指把脈，現(xiàn)在可泛指觸診。觸診是指醫(yī)生通過手指觸、摸、按、壓被檢查局部，以了解體表（皮膚及皮下組織等）及臟器（心、肺、肝、脾、腎等）的物理特征：大小、輪廓、硬度、觸痛、移動度及液動感等。它可為醫(yī)生檢查部位及臟器是否發(fā)生病變提供重要依據(jù)，此外其診斷結(jié)果的準(zhǔn)確性直接取決于醫(yī)生手法的熟練程度。塞巴斯蒂安(Sebastia)等人[18]設(shè)計實現(xiàn)的觸診教學(xué)系統(tǒng)，不僅提供了逼真的生物軟組織模型，而且優(yōu)化了力反饋計算模型和力反饋設(shè)備的操作方式。用戶在練習(xí)觸診手法時，一方面能夠在顯示器上看到自己的觸診動作，另一方面能夠借助力反饋設(shè)備感受按壓不同檢查部位時力度的變化。該系統(tǒng)是一個可供用戶雙手操作的觸診教學(xué)系統(tǒng)，其仿真效果獲得了觸診專家的認(rèn)可。

2.生物學(xué)領(lǐng)域

“分子對接”是分子生命科學(xué)教育的核心概念，同時也是用戶在學(xué)習(xí)過程中備感困惑的抽象概念。分子對接是一種將受體和配體分子通過空間匹配和能量匹配而相互識別形成分子復(fù)合物，并預(yù)測復(fù)合物結(jié)構(gòu)的藥物設(shè)計方法?？道?Konrad)等人[19]借助力反饋技術(shù)構(gòu)建了分子對接模型，使用戶能夠通過操縱力反饋設(shè)備改變分子的位置和方向來尋找理想的對接位置，同時感知分子對接過程中作用力的變化，從而生動、直觀地理解分子對接這一抽象概念。文章中設(shè)立兩個實驗組：視觸覺學(xué)習(xí)組和僅視覺學(xué)習(xí)組，實驗前后分別對實驗組成員進(jìn)行分子對接掌握程度測試。文章作者通過對比分析測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)：學(xué)習(xí)結(jié)束后的測試中，視觸覺學(xué)習(xí)組的測試時間少于僅視覺組，但測試準(zhǔn)確率高于僅視覺組。

3.藝術(shù)領(lǐng)域

中國有句成語“字如其人”，它在一定程度上反映了一手好書法的重要性。在書法練習(xí)過程中，用戶的筆畫順序和書寫力度都會對書寫效果產(chǎn)生影響。較之于以前的硬卡片書寫練習(xí)，穆罕默德(Mohamad)[20]的基于力反饋的書法練習(xí)系統(tǒng)不僅能使用戶模擬正確的書寫軌跡，還能使用戶在練習(xí)過程中及時糾正書寫錯誤，例如用戶在書寫過程中過于偏離預(yù)定的軌跡，力反饋設(shè)備向用戶施加相應(yīng)的力引導(dǎo)至預(yù)定軌跡。該系統(tǒng)提供了三種學(xué)習(xí)模式，每種模式下提供不同的力反饋信息，能夠滿足不同用戶的書法練習(xí)需求。

表2 力反饋技術(shù)在不同學(xué)科領(lǐng)域中的應(yīng)用

（三）教育教學(xué)方式多樣化

1.教學(xué)實驗

針對齒輪工作原理的教學(xué)，Insook（因斯奧克）等人[24]以互相嚙合的兩個齒輪為例，設(shè)計實現(xiàn)了一個視覺、力覺融合的教學(xué)實驗。實驗過程中，用戶借助力反饋設(shè)備轉(zhuǎn)動其中一個齒輪并帶動另一齒輪，這時就能感受到兩個齒輪間的咬合力。實驗結(jié)果表明，用戶通過對引入力反饋的齒輪嚙合仿真實驗的學(xué)習(xí)能夠加深齒輪工作原理的理解。閆峰新等人[25]構(gòu)建了一個集物理、數(shù)學(xué)、生物、化學(xué)現(xiàn)象和仿真為一體的教學(xué)內(nèi)容豐富的實驗平臺，此外該平臺還提供了一系列實驗工具用以輔助用戶的學(xué)習(xí)活動。文中詳細(xì)介紹了向心力的仿真實驗以幫助用戶理解質(zhì)量、距離和速度對向心力大小的影響。實驗中用戶能夠控制物體的質(zhì)量、繞行速度、與另一物體的距離，并借助力反饋設(shè)備感受向心力的變化。

2.教育游戲

Pong 是一款古老經(jīng)典且頗受玩家喜愛的彈球游戲，玩家需要在游戲中控制球拍將球擊打出去，并在回接球時盡量不讓球漏空。有相關(guān)研究團(tuán)隊[26]將力反饋技術(shù)引入到傳統(tǒng)的Pong 游戲，使用戶不僅能夠借助力反饋設(shè)備控制球拍將球擊打回去，還能體驗揮動球拍擊球時產(chǎn)生的力感和震感，增加游戲的趣味性。赫伯特(Herbet)等人[27]設(shè)計實現(xiàn)了一款面向成人口腔衛(wèi)生護(hù)理的系統(tǒng)，該系統(tǒng)致力于通過教授正確的刷牙方法達(dá)到有效保持口腔衛(wèi)生的目的。在該系統(tǒng)中用戶既可以看到虛擬場景中的口腔模型和牙刷模型（力反饋設(shè)備的圖形顯示），同時也可以感受到操縱力反饋設(shè)備刷牙過程中的力（包括大小和方向）。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)能有效提高用戶掌握正確刷牙方法的效率。

3.展覽體驗

力反饋技術(shù)在教育領(lǐng)域的另一個重要應(yīng)用，是公共場所如博物館和展覽館等的虛擬場景再現(xiàn)。在日常的文物展覽館，為了保護(hù)文物的完整性，絕大多數(shù)展品都設(shè)有禁止觸摸的標(biāo)識，用戶只能通過眼睛觀察文物的特征。使用虛擬現(xiàn)實技術(shù)和數(shù)字技術(shù)再現(xiàn)這些文物，既能允許參觀者觸摸這些文物，又能夠保證文物的安全。展館首先對這些文物進(jìn)行3D建模，其次在模型表面添加紋理、材質(zhì)等信息，最后連接力反饋設(shè)備，設(shè)計實現(xiàn)力反饋設(shè)備與場景中物體的互動機(jī)制[28]。參觀者只需借助力反饋設(shè)備，即可“觸摸”到文物的紋理和材質(zhì)信息[29]。此外，在諸如珊瑚礁、沙漠等特殊場景中加入力反饋技術(shù)，用戶不僅可以身臨其境地觀察場景中的魚、珊瑚、仙人掌等物體，而且可以使用力反饋設(shè)備在場景中進(jìn)行自由探索，同時獲得相應(yīng)的觸覺信息[30]。使用力反饋技術(shù)數(shù)字再現(xiàn)的特殊場景融合了視、聽、觸多種感官信息，因而更加真實、自然，有助于激發(fā)用戶的探索熱情和學(xué)習(xí)興趣。

表3 力反饋技術(shù)教育應(yīng)用形式

五、結(jié)語

作為虛擬現(xiàn)實技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)之一，力反饋技術(shù)實現(xiàn)了人機(jī)力覺交互，它結(jié)合其他虛擬現(xiàn)實技術(shù)提供了一種多感官通道融合的交互方式。與傳統(tǒng)的以視聽交互為主的教育應(yīng)用相比，力反饋教育應(yīng)用（其中包括力反饋技術(shù)以外的其他虛擬現(xiàn)實技術(shù)）不僅能為用戶提供豐富的視聽信息，同時允許用戶通過操縱力反饋設(shè)備身臨其境地感知虛擬環(huán)境中物體的運動和力覺信息。因此，將力反饋技術(shù)引入教育領(lǐng)域，能夠增強(qiáng)學(xué)習(xí)活動的真實性和沉浸感。筆者通過查閱分析力反饋技術(shù)在教育中應(yīng)用的相關(guān)文獻(xiàn)，總結(jié)了不同教育層次、教學(xué)領(lǐng)域及教學(xué)方式下的主要應(yīng)用，得到力反饋技術(shù)在教育中的應(yīng)用具有教育教學(xué)層次多樣化、教育教學(xué)領(lǐng)域多樣化和教育教學(xué)方式多樣化的特點。雖然與傳統(tǒng)的教學(xué)系統(tǒng)相比，使用力反饋技術(shù)的教學(xué)系統(tǒng)，具有多感官融合、體驗逼真、沉浸感強(qiáng)的優(yōu)勢，但是，力反饋技術(shù)在教育教學(xué)的應(yīng)用過程中仍有一些問題亟需解決。第一，如何選擇合適的教學(xué)內(nèi)容：即如何依據(jù)既定的教學(xué)目標(biāo)選擇合適的教學(xué)內(nèi)容，以充分發(fā)揮力覺交互在教學(xué)活動中的優(yōu)勢。第二，如何設(shè)計組織教學(xué)活動：由于教室空間有限和力反饋設(shè)備的成本問題，教學(xué)活動經(jīng)常以分組形式進(jìn)行，如何統(tǒng)籌小組合作和個人學(xué)習(xí)以確保教學(xué)目標(biāo)的完成。第三，如何評價力反饋對學(xué)習(xí)效果的影響：教學(xué)活動中經(jīng)常采用實驗對比的方式判斷力反饋是否影響最終的學(xué)習(xí)效果，但是還沒有形成明確的評價標(biāo)準(zhǔn)，而且多數(shù)實驗周期偏長(2—3個學(xué)期或?qū)W年)。由此可見，力反饋技術(shù)本身還不夠成熟，力反饋教育應(yīng)用尚處于初步發(fā)展階段。然而作為一種重要的交互手段，它以其獨特的優(yōu)勢指明了未來人機(jī)交互的發(fā)展方向，激發(fā)了廣大教育工作者的探索熱情和研究動力。相信在不久的將來，隨著信息技術(shù)的發(fā)展和研究的深入, 力反饋技術(shù)將能夠充分發(fā)揮其教育潛力，并且越來越多地應(yīng)用于教育活動。

[1][3]楊立穎.基于力反饋的機(jī)器人遙操作系統(tǒng)研究[D].廣州:華南理工大學(xué),2011.

[2]一居.力反饋技術(shù)[J].個人電腦,2003，(8)：174-175.

[4][7]陸九如,杭魯濱,黃曉波,等.基于虛擬現(xiàn)實的力反饋交互系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)[J].輕工機(jī)械,2016,34(2)：98-102.

[5]陸熊,宋愛國.力/觸覺再現(xiàn)設(shè)備的研究現(xiàn)狀與應(yīng)用[J].測控技術(shù),2008,27(8)：6-10.

[6]李佳佳,齊元勝,王曉華,等.基于虛擬現(xiàn)實的力反饋設(shè)備的研究與應(yīng)用[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù),2011,30(7)：1107-1111.

[8]儲麗麗.基于有限元分析和質(zhì)點彈簧模型的軟組織形變仿真研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué),2014.

[9]馬登武,葉文,李瑛.基于包圍盒的碰撞檢測算法綜述[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報,2006,18(4)：1058-1061.

[10]陳學(xué)文,丑武勝,劉靜華,等.基于包圍盒的碰撞檢測算法研究[J].計算機(jī)工程與應(yīng)用,2005,41(5)：46-50.

[11]SENSEABLE TECHNOLOGIES.3D Touch? SDK OpenHap- tics? Tookit Programer’s Guide(Version 3.0)[M/CD].Sense-Able Technologies,2008.

[12]CHAI3D.CHAI3D力反饋接口介紹[K/OL].(2013-08-18)[2017-01-10].http://www.chai3d.org/concept/about.

[13]SINGAPOGU R B,BURG T C.Haptic Virtual Manipulatives for Enhancing K-12 Special Education[C]//Southeast Regional Conference,Clemson,South Carolina,March 19-21,2009 New York:ASME,2009：1-4.

[14]GROW D,VERNER L N,OKAMURA A M.Educational Haptics[C].AAAI Spring Symposia-Robots and Robot Venues: Resources for AI Education,2007 San Francisco:AAAI,2007：53-58.

[15]COHEN C A,HEGARTY M.Inferring Cross Sections of 3D Objects:A New Spatial Thinking Test[J].Learning and Individual Differences(S1041-6080),2012，(22)：868-874.

[16]Damian Grajewskia,Filip Górskia,Adam Hamrol,et al.Immersive and Haptic Educational Simulations of Assembly Workplace Conditions[J].Procedia Computer Science(S1877-0509),2015，(75)：359-368.

[17]JAMES J,UNNIKRISHNAN R,DELMAR M.Haptic Sim- ulations for Training Plumbing Skills[C] IEEE International Symposium on Haptic,Audio and Visual Environments and Games,Richardson,TX,Oct 10-11,2014 New York:IEEE,2014.

[18]UllRICH S.Haptic Palpation for Medical Simulation in Virtual Environments[J].IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics(S1077-2026),2012，(18)：617-624.

[19]KNORAD J，BIVALL P，TIBELL A E，et al.Exploring Relationships between Students’ Interaction and Learning with A Haptic Virtual Biomolecular Model[J].Computers & Education (S0360-1315),2011,5(7)：2095-2105.

[20]EID M,MANSOUR M,LGLESIASR.A Haptic Multimedia Handwriting Learning System[C]//Proceedings of the Inter- national Workshop on Educational Multimedia and Multime- dia Education,Augsburg,Bavaria,Germany,September 28,2007 New York:ACM,2007：103-108.

[21]PINZON D,BYRNS S,ZHENG Bin.Prevailing Trends in Haptic Feedback Simulation for Minimally Invasive Surgery [J].Surgical Innovation(S1553-3506),2016,23(4)：415-421.

[22]CHEN Guan-chun.Virtualreality Simulator System for Double Interventional Cardiac Catheterization Using Haptic Force Producer with Visual Feedback[J].Computers and Elec- trical Engineering(S0045-7906),2016，(53)：230-243.

[23]MINOGUE J,BORLAND D.Investigating Students’ Ideas about Buoyancy and the Influence of Haptic Feedback[J].JSci Educ Technol(S1059-0145),2016,(25)：187-202.

[24][29]HAN I,BLACK J B.Incorporating Haptic Feedback in Simulation for Learning Physics[J].Computers & Education (S0360-1315),2011，(6)：2281-2290.

[25]YAN Feng-xin,HOU Zeng-xuan,ZHANG Ding-hua,et al. Research of Haptic Techniques for Computer-Based Educa-tion[C]//4thInternational Conference on Computer Science & Education,Nanjing,July 25-28,2009 New York:IEEE,2009：1636-1640.

[26]KESSLER J,LOVELACE R C,OKAMURA A M.A Haptic System for Educational Games:Design and Application-Specific Kinematic optimization[C]//Asme Dynamic Systems & Control Con-ference,Palo Alto,California,USA,October 21-23,2013 New York:ASME,2013,23(1)：80-88.

[27]RODRIGUES H F,MACHADO L S,VALENCA A G. Applying Haptic Systems in Serious Games:A Game for Adult’s Oral Hygiene Education[J].SBC Journal on Interactive Systems(S2236-3297),2014,5(1)：45.

[28]祁彬斌,陳彩華,龐明勇.Haptics 技術(shù)在教育教學(xué)中的應(yīng)用研究[J].教育現(xiàn)代化,2015，(1)：82-86.

[30]DARRAH M，MVRPHY K，SPERANSKY K，et al.Framework for K-12 Education Haptic Applications[C]// Haptics Symposium,Houston,TX,USA,February 23-26,2014 New York:IEEE,2014：409-414.

（責(zé)任編輯 孫志莉）

Haptic Technology and Its Application in Education and Teaching

LIU Lumiao,LI Wei,DAI Jiajia
(School of Education Science,Nanjing Normal University,Nanjing,Jiangsu,China 210000)

Haptic technology provides a new experience of human-machine interaction,which allows users to feel the motion and the force feedback information in the virtual environment through force feedback devices.It is a new means in education and teaching.In this paper we explained the basic concepts of the haptic technology and how it works,followed by a summary of main haptic devices and the key technologies included in haptic technology.We found that it features with diversified educational phases,educational areas and educational modes after our work on the analysis and summary of the application of the haptic technology in education and teaching.

force feedback;haptic technology;haptic device;education and teaching application

G4

A

2096-0069（2017）02-0034-08

2017-02-14

江蘇省社會科學(xué)基金項目(15TQB005)；江蘇省現(xiàn)代教育技術(shù)研究2014年度課題(2014－R－33356)；江蘇省高校自然科學(xué)基金項目(11KJB520008)

劉路苗（1990— ），女，河南安陽人，南京師范大學(xué)教育技術(shù)系研究生，研究方向為數(shù)字幾何處理；李偉（1990— ），男，山東泰安人，南京師范大學(xué)教育技術(shù)系研究生，研究方向為數(shù)字幾何處理；戴佳佳(1993— )，女，安徽蕪湖人，南京師范大學(xué)教育技術(shù)系研究生，研究方向為數(shù)字幾何處理。