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

一、虛擬實驗室的來由及特性

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

沉浸式虛擬實驗則是通過利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，設(shè)計數(shù)字化虛擬實驗環(huán)境，從而創(chuàng)建沉浸式的實驗交互情境[4]。通過沉浸式虛擬實驗室，學(xué)習(xí)者借助一定設(shè)備進入與真實實驗室一樣的空間場景進行交互操作和體驗，能夠進行反復(fù)訓(xùn)練、實踐并獲得理想的數(shù)據(jù)進行分析和處理等。同時，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驗環(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)備與之進行交互,從而可以使學(xué)習(xí)者在限定實驗條件下,操控實驗儀器設(shè)備,控制實驗進程,不斷進行實驗訓(xùn)練、觀察和獲取實驗結(jié)果[5]。

二、沉浸式虛擬實驗室設(shè)計的理論基礎(chǔ)

依據(jù)情境學(xué)習(xí)理論和具身認知中的教學(xué)環(huán)境相關(guān)理論，學(xué)生通過沉浸式虛擬實驗室進行實驗,可以使身體和心理均沉浸在逼真的虛擬實驗場景中，進而完成實驗教學(xué)，能夠吸引學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性與實驗的創(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,沉浸式虛擬實驗室通過提供高精度的立體實驗資源和強交互的類真實實驗場景，促進學(xué)習(xí)者在親身參與實踐訓(xùn)練的情境中獲得更好的學(xué)習(xí)效果 。基于“情境理性”知識觀，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” “學(xué)習(xí)是知識的社會協(xié)調(diào)” “學(xué)習(xí)是實踐共同體中合法的邊緣性參與”，是沉浸式虛擬實驗室設(shè)計開發(fā)的必要性和可行性依據(jù)。

（二）具身認知

具身教學(xué)認知環(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)境和實體環(huán)境很好地融合在一起，形成較為真實的混合現(xiàn)實環(huán)境。據(jù)此設(shè)計的沉浸式虛擬實驗室，能夠幫助教師充分調(diào)動實驗教學(xué)媒體資源，讓學(xué)生沉浸在這種具身的實驗教學(xué)環(huán)境中，從而促進學(xué)生主動學(xué)習(xí)，增強學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。

三、沉浸式虛擬實驗室設(shè)計的系統(tǒng)架構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)

沉浸式虛擬實驗室，以虛擬現(xiàn)實技術(shù)為核心，依據(jù)體驗式實驗設(shè)計的“四原則”嘗試設(shè)計虛擬實驗室實驗體系架構(gòu)[7]，依托虛擬現(xiàn)實和三維建模涉及的關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)建三維實驗場景。

（一）系統(tǒng)架構(gòu)

沉浸式虛擬實驗室根據(jù)現(xiàn)有的沉浸式虛擬實驗室構(gòu)想進行設(shè)計。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)約管理和實驗管理四大管理模塊；功能層主要包括人機交互、師生交互和生生交互；應(yīng)用層由物理實驗平臺、化學(xué)實驗平臺、生物實驗平臺等構(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 沉浸式虛擬實驗室體系架構(gòu)設(shè)計

（二）關(guān)鍵技術(shù)

沉浸式虛擬實驗室開發(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驗環(huán)境，使用C#語言在Microsoft Visual Studio（簡稱VS）軟件上實現(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)實的關(guān)鍵技術(shù)之一，對虛擬實驗沉浸性有重要影響。虛擬現(xiàn)實強調(diào)沉浸感、真實感，模型的質(zhì)量直接影響虛擬實驗的質(zhì)量。本研究通過3ds Max軟件對虛擬實驗室及虛擬實驗器材進行創(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)實的一個實現(xiàn)方式，能夠使虛擬實驗室更加自然、真實。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驗室與虛擬環(huán)境，觀察實驗現(xiàn)象。

3.人機交互技術(shù)

人機交互是學(xué)習(xí)者和計算機進行信息交流的方式，感知交互技術(shù)是虛擬現(xiàn)實的關(guān)鍵技術(shù)。人機交互技術(shù)經(jīng)歷了從桌面端的鍵盤鼠標，到移動端的多點觸控，再到虛擬現(xiàn)實中的體感交互，呈現(xiàn)出交互方式自然化，內(nèi)容多樣化的特點。目前，虛擬現(xiàn)實在人機交互方面借助的設(shè)備主要包括3D體感攝像機數(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)出的射線與虛擬實驗器材模型進行碰撞檢測實現(xiàn)交互操作，從而完成實驗操作步驟。

四、沉浸式虛擬實驗室的教學(xué)模式及實驗流程

（一）教學(xué)模式

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

圖2 虛擬實驗室教學(xué)模式

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

（二）實驗流程

1.搭建運行環(huán)境

選定一定空間，需要至少一套HTC Vive設(shè)備和一臺計算機，根據(jù)HTC Vive手冊連接好頭盔、手柄以及感應(yīng)器并設(shè)定好活動范圍。將設(shè)備與主機相接，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。完成后打開虛擬實驗項目，進入虛擬實驗室界面(如圖3)。

圖3 沉浸式虛擬實驗室

2.選擇虛擬實驗

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

3.開始虛擬實驗

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

4.實驗案例演示

由于本案例中的“硫的燃燒實驗”在進行真實實驗時，會產(chǎn)生有毒氣體，污染環(huán)境，而且在實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“虛擬實驗—真實實驗—虛擬實驗（N）—真實實驗”教學(xué)模式進行實驗教學(xué)。其中，虛擬實驗（N）視頻演示二維碼如圖4所示。

圖4 沉浸式虛擬實驗視頻演示二維碼

五、結(jié)語

具體來說，利用沉浸式虛擬實驗室進行實驗教學(xué)具有以下價值：（1）減少實驗室建設(shè)的資金和空間投入、彌補實驗場地的不足；（2）節(jié)省實驗器材的損耗，緩解設(shè)備的缺少或陳舊帶來的壓力等情況；（3）避免實驗中的危險和危害，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)閷嶒灥脑O(shè)計者、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，主動獲取知識；（5）提供實時監(jiān)測、模擬自檢等多種訓(xùn)練模式，給予反饋性提示；（6）促進開放式、個性化教學(xué)。沉浸式虛擬實驗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)生動手能力，促進學(xué)生轉(zhuǎn)變 “學(xué)習(xí)只能依靠被動接受”的固化思維，主動學(xué)習(xí)和模擬訓(xùn)練，可以不受傳統(tǒng)實驗室開放時間的限制，靈活安排自己的實驗時間，也可以根據(jù)自己的進度或興趣選擇實驗內(nèi)容進行課外拓展和補充；（7）引導(dǎo)橫向拓展與縱向應(yīng)用相結(jié)合。沉浸式虛擬實驗室的橫向拓展是指由教學(xué)者開發(fā)設(shè)計性和綜合性實驗，提高學(xué)生實驗動手能力，增強科學(xué)實驗素養(yǎng)；縱向應(yīng)用是指開設(shè)新技術(shù)成果的應(yīng)用以及其他新型實驗，提供相應(yīng)的實驗課題，由學(xué)習(xí)者根據(jù)個人興趣和能力選擇進行實驗探究，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力等。對于實驗這種需要學(xué)習(xí)者親身參與的實踐活動來說，沉浸式虛擬實驗室是一種發(fā)展趨勢，更是一種創(chuàng)新變革的教學(xué)應(yīng)用。

雖然沉浸式虛擬實驗室有諸多優(yōu)點，但是要想達到一定的教學(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，才能夠再進行系統(tǒng)設(shè)計，切忌把使用虛擬實驗僅僅當作目的和形式。此外，沉浸式虛擬實驗室還有很多不足：（1）實驗器材模型、實驗場景和類型不夠豐富，有待充實；（2）實驗操作中操控手柄代替雙手，有一定的不適，在體驗上有虛擬感和眩暈感；（3）實驗產(chǎn)生的氣味無法親身體驗，只能以簡單的現(xiàn)象作為替代；（4）實驗操作的其他交互設(shè)計較少，可能會造成穿模現(xiàn)象等。同時，我們還應(yīng)該明確的是：首先，沉浸式虛擬實驗室只是學(xué)習(xí)的工具而不是學(xué)習(xí)的目的，切勿本末倒置；其次，利用沉浸式虛擬實驗室進行實驗前要根據(jù)實驗類型選取相應(yīng)的教學(xué)模式；再次，沉浸式虛擬實驗室不能完全代替真實實驗室[8]，因為沉浸式虛擬實驗是一種實驗過程的設(shè)計；最后，沉浸式虛擬實驗在一定程度上會限制實驗的豐富性和創(chuàng)新性，學(xué)生在訓(xùn)練、操作時會出現(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)真實實驗作為基礎(chǔ)，學(xué)生要把沉浸式虛擬實驗室作為一種工具，更要勤于探究和創(chuàng)新，鍛煉和提升綜合實驗?zāi)芰Α?/p>