支持力反馈的沉浸式物理学习环境的构建

郑明钰，李家和，张 晗，骆岩林，申佳丽，朱小明

支持力反馈的沉浸式物理学习环境的构建

郑明钰，李家和，张 晗，骆岩林，申佳丽，朱小明

(北京师范大学人工智能学院，北京 100875)

随着虚拟现实(VR)技术的发展，沉浸式学习环境在教育教学领域应用前景日趋广阔，如物理实验仿真教学。然而，现有虚拟学习环境大多只能提供视觉与听觉的交互，不支持力触觉交互，存在弊端。项目组将力反馈技术应用于虚拟学习环境，描述一个支持力反馈的沉浸式物理学习环境的总体框架和开发流程。使用Touch力反馈设备，借助Unity3D软件和OpenHaptics力觉函数库，设计实现典型案例：重力和摩擦力实验。通过实验得出：支持力反馈的沉浸式物理学习环境，具有更好的沉浸感和自然交互性，可加深学生对抽象物理概念和规律的理解，提高学习兴趣和自主性。

沉浸式学习环境；力反馈；虚拟现实；物理教学；人机交互

近年来，中小学基础教育越发重视对学生实践能力和学科素养的培养，对于一些以实验为基础的学科，如物理，实验是教学过程中一个必不可少的环节。然而，由于条件制约，实际物理教学过程中存在着“实验一遍过”、甚至“无实验”等难题，同时，由于某些物理模型较为抽象，教师很难在课堂上展示，导致学生理解错误，无法领会，甚至选择放弃学习。

随着虚拟现实(virtual reality，VR)技术的发展，越来越多的教育机构意识到虚拟学习环境可以弥补传统实验教学的不足。将虚拟学习环境运用到物理实验教学，可让学生体会各种抽象的物理模型，获得直观而深刻的沉浸式学习体验，从而加深理解。这种教学方式不仅能提高学生兴趣，也有利于重复实验、降低成本。

当前，虚拟学习环境中主要考虑视觉和听觉两方面的信息交互，缺乏力觉交互手段，导致交互性不足，沉浸感较差。经过调研发现，物理教学对力觉交互的需求明显，传统虚拟学习环境无法达到物理实验教学的预期效果，故本文提出将力反馈添加到传统的虚拟学习环境中的设想。

基于上述分析，本文搭建一个支持力反馈的沉浸式虚拟物理实验室，实现2个代表性实验案例，分别为：①重力实验——探究物体重力与质量的关系；②摩擦力实验——探究滑动摩擦力和动摩擦因数的关系。

1 相关工作

1.1 沉浸式学习环境

沉浸式学习环境是指利用VR等计算机技术构建的高度虚拟仿真学习环境。沉浸式学习有助于学习者体验更逼真的场景，从而产生更加难忘的沉浸式学习体验[1]。利用VR技术搭建的沉浸式学习环境具有多项促进学习的潜能：有助于理解抽象概念，实现内在动机和参与；可用于开展在真实世界中不宜进行的体验学习任务等[2]。

近年来，使用VR技术提供的沉浸式学习体验日益引起人们的重视，逐步形成沉浸式学习和各行各业交叉融合的局面。滕健等[3]将VR和脑机交互技术相结合，开发模拟驾驶教学演示系统，弥补传统模拟驾驶中对于意外场景下学员心理状态的监测与协助的缺失；王萍等[4]利用沉浸式VR技术进行静脉注射实验教学，证明其在护理实验教学领域有良好的应用前景；王晓露等[5]利用沉浸式VR技术实现药学实验意外事故的虚拟警示和仪器仿真操作，改善传统药学实验教学中存在的弊端；张莉和路虹剑[6]提出将沉浸式VR技术应用于情境创设、探究性实验教学中，丰富了小学课堂的科学教学模式；谢峰[7]探究了基于5G网络下利用VR技术搭建的沉浸式课堂教学的应用模式；JADHAV等[8]利用VR辅助远程呈现设备，为居家的残疾学生搭建了一个三维虚拟教室，为其提供更好的学习体验；GEORGIOU等[9]通过VR模拟仿真技术辅助物理课堂，帮助高中学生理解狭义相对论相关知识；国外高校如哈佛大学、斯坦福大学也利用沉浸式学习环境开设课程或实施虚拟图书馆、虚拟校园、虚拟课堂等项目[10]。

沉浸式学习环境虽然是近年来VR技术和其他领域交叉的热点，但是大部分沉浸式学习环境缺少重要的力觉交互功能。本文将力反馈技术加入到沉浸式学习环境中，用于物理学科的实验教学，为其提供便捷、有效的虚拟仿真教学手段。

1.2 力反馈技术

力反馈是指在人机交互过程中，用户向虚拟环境输入力学信号或运动信号，计算机根据相应算法计算反馈力大小和方向，并通过力反馈设备进行输出，使用户得到和现实世界一致的力觉反馈。力反馈技术改善了传统的以视觉和听觉为基础的人机交互方式，增强了人机之间的信息交流，使交互体验更加自然、真实，通过“所见即所触”提供了更加丰富多彩的仿真应用[11]。

力反馈技术在改善人机交互方式、工业建模、虚拟手术等领域有许多案例研究。张静等[12]提出了一种基于分布式系统的动态碰撞检测与虚拟力觉交互的控制策略，增强现有人机交互系统中的沉浸感；徐远等[13]基于六维力传感器的反馈力提出了2种装配轨迹策划策略，用于改善工业生产中自动装配技术装配精度不高的问题；侯增选等[14]利用Phantom Desktop力反馈设备实现了在虚拟系统中的行书风格化绘制，增强了人机交互的实时书法体验；吴其凡等[15]设计了一种基于力反馈的颅颌面虚拟手术仿真平台，提高医生术前规划效率和训练的效果；顾灵凯等[16]研发一套耳显微外科虚拟手术仿真系统，用于术前模拟训练，提高手术精确性；ZHU等[17]和KATAOKA等[18]分别设计了一款支持力反馈的智能穿戴手套和一台小巧方便的手握式力反馈设备，使用户在感知虚拟物体时可以得到相应的触觉反馈； AL-SADA等[19]构建了一个提供多种力反馈的穿戴式设备HapticSnakes，改善了传统力反馈产品在力反馈的种类和作用位置方面的局限性；3D Systems公司研发了一套基于力反馈技术的3D模型设计与建构的计算机辅助设计系统Freeform，便于学习者直接通过触觉去雕刻设计出任意形态的三维造型[20]。

力反馈技术与沉浸式物理学习环境的结合需要通过力觉交互系统来实现。力觉交互系统主要由力反馈设备和力觉函数库组成，其工作流程如图1所示。

图1 力觉交互系统工作流程

在力觉交互系统中，用户通过力反馈设备在虚拟仿真环境中触碰、感知和操作虚拟物体，调用力觉函数库中的函数接口，根据力觉渲染算法计算反馈力，随后力反馈设备接受程序计算出的力反馈信息并将对应的反馈力传递给用户，使用户感受到与现实世界一致的触觉体验。本文选用3D Systems公司的Touch力反馈设备来提供力反馈功能[21]，选择与Touch设备配套的OpenHaptics API进行开发[22]，在OpenHaptics API中实现的是Virtual Proxy力觉渲染算法[23]。

将力反馈技术应用于沉浸式物理学习环境，可以增强VR环境的逼真度和沉浸感。学习者在虚拟学习环境中对虚拟物体进行操作时，能够通过力觉感知到物体所受的重力、摩擦力、弹力等，加深对物理知识的理解。

1.3 中学物理实验

物理是中学非常重要但较为抽象的学科，以实验为基础。但实验教学受条件制约，面临如实验室条件有限、实验器材配备不足、实验材料损耗大等问题；又如由于实验容量大、课时少等原因，许多实验课学生还未做完就只能草草结束；再加上准备工作繁琐，大部分实验学生只能操作一次，无法再体验。“实验一遍过”甚至“无实验”等问题导致学生缺少动手机会，降低其积极性，同时也不利于理解抽象知识点。

本文设计支持力反馈的沉浸式物理学习环境，有利于减少实验课繁琐的准备流程，节约实验材料，同时为学生提供沉浸式学习体验，提高学习物理实验的主动性和效率，另外也为学生提供反复实验的机会，帮助学生巩固知识点。

为了探索沉浸式物理学习环境中力觉交互相关的中学物理知识点，项目组进行了充分调研，结果见表1，说明力反馈技术在中学物理实验教学中有广阔应用场景。从知识点中选择重力和摩擦力2个知识点搭建相应沉浸式物理学习环境并为其添加力交互功能，让学生进行虚拟仿真物理实验，加深对抽象知识点的理解。

表1 力觉交互相关的物理知识点

2 主要方法

本文设计的支持力反馈的沉浸式物理学习环境的总体框架如图2所示。沉浸式物理学习环境的构建分为3个环节：搭建虚拟环境、添加力反馈、沉浸式交互体验。学习环境搭建完成后，学习者在虚拟场景中进行物理实验，操纵Touch力反馈设备与虚拟物体进行交互并得到力觉反馈，通过HTC Vive设备得到视觉反馈。

图2 总体框架图

2.1 搭建虚拟环境

首先通过Blender三维软件进行建模，然后用PhotoShop进行贴图设计，接着将模型及贴图导入Unity3D中，并放到三维场景中的合适位置，设置光照，添加刚体组件Rigidbody和碰撞检测组件Collider，最终利用Unity3D内置渲染引擎绘制出完整场景如图3所示。

图3 虚拟实验场景((a)重力实验场景；(b)摩擦力实验场景)

2.2 添加力反馈

利用OpenHaptics®Unity Plugin[24]将力觉交互系统和虚拟环境相连，从而在沉浸式物理学习环境中添加力反馈功能。该插件支持Unity物理引擎，包含实现力觉交互功能所需的预制件和一些基础力觉脚本。利用该插件在OpenHaptics基础上编写用于力觉渲染的C#脚本，进而为Unity中的物体添加不同的力觉交互效果，比如重力、摩擦力、穿刺效果等。

2.2.1 给重力场景添加力反馈

首先，添加力反馈功能必需的“HapticDevice WithGrabber”预制件，预制件默认模型如图4所示，用户亦可自行设计模型。该预制件为用户在虚拟场景中与虚拟物体进行力觉交互的工具，负责绑定力反馈设备和力觉交互的响应函数。用户使用预制件对虚拟物体进行操作，感受到相应力反馈。

图4 “HapticDeviceWithGrabber”预制件

然后，给砝码添加重力反馈。OpenHaptics在Unity场景中的重力反馈基于Unity物理引擎，给砝码添加“rigidbody”组件使其受到虚拟环境的“重力”影响，然后将砝码的tag改为“Touchable”使其能被力觉交互工具触碰和提起。

算法1. 给物体M添加重力反馈

输入：

Unity的3D-Object: M,

Unity的物理引擎设置: PhysicsSetting,

M的质量: m, 重力加速度: g

输出：添加重力反馈后的3D-Object M

为了能感受到不同砝码的重量，只需改变每个砝码在“rigidbody”组件中的mass值，整个过程的伪代码见算法1。学习者在虚拟学习环境进行重力实验，用力觉交互工具提起不同的木块和砝码，会感受到每个物体各不相同的重力，将木块依次放到天平上，读出砝码质量，探究物体重力与质量的关系。

2.2.2 给摩擦力场景添加力反馈

搭建好摩擦力场景后，首先添加“HapticDevice WithGrabber”预制件，然后添加脚本为3个斜面设置不同的动摩擦因数，使之产生不同的滑动摩擦力。采用类似的方法可以为物体设置不同的表面属性，如刚度(hlStiffness)、阻尼(hlDamping)、动摩擦系数(hlDF)、静摩擦系数(hlSF)和穿透性(hlPopThrough)。整个过程的伪代码见算法2。

算法2.给物体M添加摩擦力反馈

输入：

Unity的3D-Object: M,

滑动摩擦力参数: hlDF,

静摩擦力参数: hlSF,

HapticSurface脚本,

输出：添加摩擦力反馈后的3D-Object M

以一个斜面为例，为其添加Haptic Surface脚本，通过操纵面板直接进行参数的调整，选择“HL_Touch_Model”为“HL_CONTACT”，并调整“Static Friction”和“Dynamic Friction” 2个参数，可以设置静摩擦力和滑动摩擦力，如图5所示。学习者先通过力觉交互工具触摸斜面以感知不同斜面的粗糙程度，然后从3个斜面上释放滑块，观察下滑的速度，感知不同动摩擦因数下滑动摩擦力的大小。进一步通过已知信息计算滑块的加速度，加深对受力分析、滑动摩擦力等相关知识的理解。

图5 斜面的Haptic Surface参数设置

Fig. 5 ‘Haptic Surface’ parameter setting of bevel

2.3 沉浸式交互体验

本文选择HTC Vive产品支撑VR环境。HTC Vive是由HTC与Valve联合开发的一款VR头戴式显示器产品[25]，通过Vive操控手柄和头戴式设备的360°精确追踪技术为用户提供逼真的VR体验，将传统的Vive操控手柄替换为Touch力反馈设备从而在VR环境中提供力反馈。用户佩戴HTC VIVE设备的VR头盔进入虚拟环境，通过Touch设备与虚拟环境中的物体进行交互，感知反馈力，如图6所示，用户提起砝码感受到重力，同时有“触摸”虚拟物体的感觉。根据用户反馈可以进一步对场景进行修改。

图6 沉浸式体验场景((a)用户操作实景；(b)虚拟学习环境场景)

3 评 价

3.1 评价对象

现有虚拟物理学习环境以二维形式较多，其中北京乐步教育科技有限公司设计的“NoBook”虚拟物理实验室[26]等发展较为成熟，该实验室收录了大部分中学物理实验。为了验证支持力反馈的沉浸式物理学习环境能够改善用户的学习体验、增添虚拟学习环境的沉浸感，本文设计了2组对比实验，第1组对比“NoBook”二维虚拟实验室与传统的未添加力反馈的沉浸式物理学习环境，比较用户在三维和二维虚拟学习环境中的学习体验；第2组对比传统的沉浸式物理学习环境与支持力反馈的沉浸式物理学习环境，观察力反馈技术是否能够增强三维虚拟学习环境的沉浸感，改善用户体验。3个评价对象均为滑动摩擦力相关实验：在二维虚拟物理实验室中，用户只能通过鼠标与虚拟器材进行交互；在三维沉浸式物理学习环境中，3个斜面(木质、石英和玻璃斜面)的动摩擦因数不同，用户通过手柄或力反馈设备进行交互。3个评价对象如图7所示。

图7 3个评价对象((a)“NoBook”二维虚拟物理实验；(b)传统的三维沉浸式虚拟物理实验(无力反馈)；(c)支持力反馈的三维沉浸式虚拟物理实验)

3.2 评价方法

鉴于暂没有统一的对虚拟学习环境的评价指标，本文参考何聚厚等[27]提出的基于沉浸式VR系统的学习评价指标体系，选择并优化其若干指标，建立针对虚拟物理学习环境的评价指标体系，并利用层次分析法对各指标权重进行计算。通过咨询教育领域专家得到专家判断矩阵，见表2，最终的指标体系及其权重见表3。该指标体系从情感、过程和知识3个层面对3个评价对象进行定量评估，重点考察虚拟物理学习环境的沉浸感和交互性。

表2 专家判断矩阵

注：变量与表3中的指标相对应

每一种评价标准均使用1~5标度打分，依次代表完全不符合、基本不符合、基本符合、符合、完全符合(或非常不满意、基本不满意、基本满意、满意、非常满意)。最终得分为

(1)

其中，为最终得分；g为二级指标打分；w为对应权重。

表3 虚拟物理学习环境的评价指标

共有6组志愿者参与本次实验，每组15人。以其中一组测评为例进行介绍：实验前，向志愿者介绍3种虚拟学习环境的使用方法及实验目的，实验按以下步骤进行：

步骤1. 对3种实验进行编号，“NoBook”二维虚拟物理实验室为实验1，经典的沉浸式物理学习环境为实验2，支持力反馈的沉浸式物理学习环境为实验3。

步骤2. 第1组的实验顺序为实验1、实验2和实验3。

步骤3. 3种实验体验完毕后，志愿者填写调查问卷，交流实验感受。

步骤4. 第1组体验完毕后，第2组开始，直到6组全部体验完成。

3.3 评价结果

在6组志愿者全部实验完毕后，整理调查问卷的结果进行评分，结果见表4。

表4 评价指标得分

注：加粗为更优结果，总分满分5分

从表4可以看出，相比于二维虚拟物理学习环境，三维的沉浸式物理学习环境能够给学生提供更优质的学习过程体验，调动学习主动性，提高学习兴趣；同时力反馈功能显著改善学生在三维交互过程中的沉浸感，有助于提升学习专注度，进而加深对知识的理解。不过少许志愿者在实验过程中表现出对于VR环境略有不适感，在“学习适应” (1)项中给“NoBook”二维虚拟物理实验室打出了略高于其他2项实验的分值，说明极少部分志愿者对VR设备和力反馈设备需要更长的适应时间，这也是今后需要优化的地方。整体来看，支持力反馈的沉浸式物理学习环境在实际教学中有较大优势，能够更好满足师生需求，在未来应用前景广阔。

4 总结与展望

本文设计实现了支持力反馈的沉浸式物理学习环境，为用户提供实时的力觉反馈效果。该虚拟学习环境具有高沉浸感和自然交互性，改善传统虚拟物理实验环境的人机交互方式，同时为解决当今中国物理教学中“实验难”、“实验一遍过”甚至“无实验”等问题提出一种新的解决思路，不仅有利于满足学生对于模拟物理实验的需求，更可以帮助学生多次进行物理实验、复习和巩固相关知识。

本文相关技术具有很强的拓展性，可以类似地将物理领域中电场力、磁场力、万有引力等学生难以理解的力学实验引入其中，目前本项目组正在依此思路进一步研发其他实验案例。未来，将对力觉渲染算法作进一步研究，优化力反馈效果，进一步改进和完善沉浸式物理学习环境，并推广应用。

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Immersive physics learning environment with force feedback

ZHENG Ming-yu, LI Jia-he, ZHANG Han, LUO Yan-lin, SHEN Jia-li, ZHU Xiao-ming

(College of Artificial Intelligence, Beijing Normal University, Beijing 100875, China)

With the development of virtual reality (VR) technology, the immersive learning environment can play a great role in the field of education. However, most of the existing immersive environments can only provide visual and auditory interactions, and are unable to provide force and touch interactions, which are the drawbacks. Our project described a complete framework and development process of an immersive physics learning environment with force feedback. Using the Touch force-feedback device, along with the Unity3D software and OpenHaptics function library, the gravity and friction experiments were designed. Through the evaluation experiment, it can be concluded that the immersive physics learning environment with force feedback can provide a better sense of immersion and more natural interactions, which can deepen students’ understanding of abstract physical concepts and improve their interest in learning.

immersive learning environment; force feedback; virtual reality; physics teaching; human-computer interaction

TP 391.9

10.11996/JG.j.2095-302X.2021010079

A

2095-302X(2021)01-0079-08

2020-07-22；

22 July，2020；

2020-09-20

20 September，2020

国家自然科学基金项目(61977063)；全国教育科学规划课题(BCA150050)

：National Natural Science Foundation of China (61977063); National Educational Science Planned Project of China (BCA150050)

郑明钰(1998-)，男，河南新乡人，本科生。主要研究方向为可视化和虚拟现实。E-mail：201711210110@mail.bnu.edu.cn

ZHENG Ming-yu (1998-), male, undergraduate. His main research interests cover visualization and virtual reality. E-mail：201711210110@mail.bnu.edu.cn

骆岩林(1968-)，女，甘肃武威人，副教授，博士。主要研究方向为可视化和虚拟现实。E-mail：luoyl@bnu.edu.cn

LUO Yan-lin (1968-), female, associate professor, Ph.D. Her main research interests cover visualization and virtual reality. E-mail：luoyl@bnu.edu.cn