Unity虚拟实验的初探

Unity虚拟实验的初探

虚拟实验的涵义

目前，虚拟实验尚未有统一的定义。不同的学者因为各自的研究目的和角度对虚拟实验做了不同的阐述，主要有以下几种：

“虚拟实验是指利用虚拟现实技术构建的虚拟实验环境，在这个虚拟实验环境中用户进行实验，犹如在真实实验环境中进行实验一样，并且所获得的实验效果和在真实环境中所获得的实验效果是一样的，甚至会更佳”。

这一定义强调，只有运用了虚拟现实技术而设计和开发出来的实验系统才能称之为虚拟实验。此定义是从虚拟现实的技术上来表述的。因此，虚拟实验系统也就具备了沉浸性、交互性和想象性，因为这是虚拟实验系统的共性。但是，现在除了虚拟现实技术，也能运用flash、cult3D、javaSD、U3D等技术来进行虚拟实验的开发。

“虚拟实验室是一个电子平台，借助分布式信息通道技术，创造进行远程协

作和实验的环境”。

该定义注重的是远程协作，认为虚拟实验是属于网络教学的一部分，如此，“虚拟实验也可以称为远程实验”。相比之前的定义，此定义对于具体采用的技术并没有涉及，换句话说，只要能够创造一个可以模拟真实实验的虚拟环境，并且取得的效果与在真实实验中所获得的是一样的，就被称作虚拟实验。

除以上两种外，还有学者从虚拟实验的功能层面对虚拟实验进行定义：虚拟实验由实验相关的实验资源如模拟程序、实验工具等构成，为用户创建可交互的模拟实验环境；用户可以通过增添新的物体、创建新的实验并把它们转变为Hypertext来扩展实验室。

这一定义关注的是虚拟实验的功能层面，即用户可以在其中进行交互的模拟实验场所即为虚拟实验。

三种不同的定义代表着三种不同的层面，但三者之问也有相通的地方：即虚拟实验是相对真实实验而言的，虚拟实验是对真实实验的模拟和仿真；在实验过程中，所采用的实验工具和操作的实验对象是否是虚拟物是两者的主要区别。但上面的三种定义均未涉及到虚拟实验在教学中的应用。

结合自身的认识与理解，综合前三者的定义，则从教学应用层次来描述虚拟实验。

虚拟实验以计算机技术和网络技术为支撑的交互平台。用户依据实验原理，在此平台上正确操作虚拟实验工具和实验对象，所取得的效果不低于真实环境的效果。在教学实践中，教师可以运用虚拟实验或者结合虚拟实验于真实实验进行实验的教学，以提高学生的动手和善于发现问题的能力，培养学生敢于实践和勇于质疑创新的精神。

虚拟实验的特点

虚拟实验有着比和传统实验无法匹敌的优点。以下是虚拟实验的典型特点：

l、交互性。

交互性是虚拟实验的根本。学习者与虚拟实验的交互，师生的交互以及学习者之间的

交互，均为虚拟实验的交互。良好的交互能让当学习者在虚拟实验中良好地体验学习，从而进一步发挥教学的功效。

2、自主性。

学习者可以无论何时何地自主地实验和实验的内容。

3、资源共享性。

教学资源(课件、试题、实验报告等资源)的共享与虚拟实验对象(信息、软件、实验仪器和设备等资源)的共享统称称为资源共享性。通过功效，不仅节约了教学成本，也能让学习者更方便地学习和使用。这是是搭建虚拟实验的一个目标。

4、显著的优势。

主要表现为：当真实环境中不能科学准确地实验时，可以在虚拟实验环境中得到很好的实现：虚拟实验可以将现实实验的高危险性降至为零；虚拟实验不用考虑实验仪器、设备的更新换代；不用受时空的限制，不用担心弄坏贵重实验器材，学习者可以在虚拟实验中自主选择实验；不用担心由于实验仪器不干净、老化等问题而对实验结果产生较大的实验误差。

综合上述，可以看出虚拟实验优点十分明显，所以受到了广大师生的欢迎。在不久的将来，虚拟实验将会作为信息时代的产物发挥其巨大的作用。

虚拟实验的类型

虚拟实验按不同的标准可以分为不同类型。笔者根据用户的参与形式以及用户沉浸于虚拟实验的程度的不同，将虚拟实验分成以下三种类型：桌面式虚拟实验、沉浸式虚拟实验和分布式虚拟实验。其中，用户沉浸感最强的的沉浸式虚拟实验。它是全息的三维显示技术，即用户需要佩戴一些如头蓝式显示器，或者数据手套等传感器等装备，然后进入到真实感受非常强的虚拟三维环境中。但因为购买这些装置是比较昂贵的，而且后期的更新和维护也需要很大的开销，从而导致沉浸式虚拟实验系统需要比较高的成本，无法广泛应用于教育领域。当

下最流行的虚拟实验便是桌面式虚拟实验，其成本低，更新便利，在教育领域得到了广泛的应用。用户听过计算机显示屏幕进入到虚拟实验的窗口，然后点击鼠标、键盘等输入设备便可进行交互操作。但桌面式虚拟实验不足点在于：用户的所有感官都是处于现实世界中的，周边环境用户产生影响和干扰很容易分散用户的注意力。与前两者相比，分布式虚拟实验则是基于网络环境而构建的，它通过计算机网络将不同教室或学校的相互独立用户带入同一个虚拟空间，不同的用户进入虚拟实验场景并不都相同，并且在虚拟实验场景中，每个用户都有一个对应的虚拟替身，从而协同完成实验操作过程。

虚拟实验的发展前景

虚拟实验是一种新型的实验教学模式。它也是教育信息化研究领域中的热点。虚拟实验能极大的促进传统教学的改革，拥有非常大的发展与应用前景。相信在今后不短的时间内，越来越多的专家们、学者们以及研发人员会对虚拟实验进行更深入、全面和完善的研究。

1、引入仿真技术。

虚拟实验虽然能模拟真实实验，但用户的体验和感受并不是完全真实的。虚拟现实技术和仿真技术的结合既会是对真实世界的构建，同时通过运用一些传感工具来进一步加强用户所有感官与真实世界交互的体验，后者将比真实更真实。

2、协作虚拟实验。

协作实验可以培养学生的团队精神与合作能力。这样的虚拟实验即可称之为协作虚拟实验。为了能够完成任务，学生必须和同伴交流与讨论，既有分工，又有合作，共同去完成实验。在这个过程中，既培养了学生的团队合作能力，也增强了同学之问的感情。这将是虚拟实验的一个发展方向。

3、自适性虚拟实验。

生物通过改变自己的生活习性来适应新的环境即为白适性。如果虚拟实验具备自适性，学习者将会拥有一个获取知识、技能的自适应实验环境。

4、虚拟实验与真实实验相结合。

真实实验和虚拟实验都有其相应的优缺点。真实实验不能满足学生对时空的要求，但也不能完全取消真实实验。虚拟实验提供的虚拟化实验环境可能会比较容易让学习者感到不安。因此，和真实实验相结合是虚拟实验的另一发展方向。

虚拟认识论及启示

人们通过感觉器官来感知外部世界，以此来形成对外部世界的认识。虚拟认识论指的是，通过某种方法加强对外部世界的感应，从而达到快速认识世界的目的。虚拟现实的基

本原理可概括为四条心理学假说：带宽假说、感觉的传递假说、扩展的经验雏形假说和信息感觉化假说。

带宽假说是指虚拟现实可以扩大人们在感知过程中所接收的信息量，如果要提高人们对外部信息的认知能力，则可以通过提升感知过程中所接收的信息量来到达目的。虚拟实验就是通过图像、声音、动画、交互等多方面多渠道动态交互的传达信息，这使得学生的感受器官，能够全方位的接受外部刺激，增加感知效果，让学生更加轻松的获取信息，进而提高学生的对信息的认知水平。感觉的传递假说是指在不同时空和某些特殊的范围内均可以传递感觉。这说明，在虚拟实验中除了能呈现客观存在的现实世界能够在，甚至还能构建通过想象而存在的空间。

扩展的经验雏形假说指的是，学生可以通过虚拟现实技术，学习和吸收他人的经验，也指通过虚拟现实技术展示他人的经验，一次来让学生学习并吸收。信息感觉化假说是指学生对以感觉性的、空间性的和经验性的客观形式存在的信息理解的更加好。

基于以上四条理论假说，虚拟实验通过信息技术来模拟真实实验环境、过程和结果，以增加学生对实验的感知能力，提高学生对实验的认知。