虚拟现实技术用作治疗儿童自闭症的工具

虚拟现实技术用作治疗儿童自闭症的工具

学号：1403110066 姓名：黄 鑫

简 介

虚拟现实(VR),一个计算机模拟的真实世界,提供了用户可以在现实生活中体验到的多感官,多维介质交互(Burdea和Coiffet 2003)。虚拟现实有别于其他技术接口的两个关键特性是:浸没和互动。浸没指的是三维的现场感或虚拟环境中的“存在”。这种强烈的现场感通过增加关注相关刺激和限制注意力分散以及现实任务无关的刺激增强学习(Witmer等 2005)。与虚拟现实系统交互的程度可以通过任何感觉形态,取决于所使用的设备。虚拟现实工具包括可穿戴头盔设备(HMDs),提供360度多种感觉的刺激,桌面系统,传统的计算机屏幕上的虚拟世界,和投影系统,它们可以捕获和映射用户的实时操作到虚拟环境中(Burdea和Coiffet 2003)。大多数虚拟现实程序使用这三个系统的变化。

虚拟现实正在获得支持作为一个潜在的康复领域的有效工具,因为它能够在吸引和激励用户的同时提供某些治疗的优势。这种快速发展的技术的潜力“不仅仅是现有的人类运用计算机技术的一个简单的线性扩展。虚拟现实提供了创建人

体试验系统,培训系统和治疗环境的潜能,它们允许复杂的精确控制,身临其境,动态三维刺激演示,在复杂的交互场景中,行为跟踪和性能记录的实现” (Rizzo 和Kim 2005, 119页)。基于这些原因,设计师和研究人员已经开始探索虚拟现实作为一个自闭症儿童的治疗工具。

虚拟现实在康复中的作用是一种新的但快速发展的领域。本章提供了这个领域中一个综合的先进技术发展水平知识,以作为未来研究的平台。下一节将讨论使用虚拟现实作为自闭症儿童的治疗工具的理论优势,以下部分概述了当前为这些孩子创建的虚拟现实系统的治疗环境和测试的综述。

虚拟现实技术在自闭症治疗中的应用

使用虚拟现实作为自闭症儿童的康复工具有诸多好处。一般来说,虚拟现实可以合并现有的自闭症治疗方法,而传统方法难以集成在一个框架。对自闭症儿童成功教育计划的基本组件包括提供现实的和相关的刺激,提供个性化程序,创建一个结构化的学习环境并提供系统的指令(Iovannone 2003)。一个治疗的VR程序有能力满足并且超越上述所有的这些期望。

自闭症固有的非均质性导致了多种介入性方法的发展。从概念上讲,孤独症康复可以视为一系列上下相关的行为策略来指导孩子,非结构化的,自然的干预措施。行为方法使用重复原则和强化改变特定行为(Lovaas 1987),而自然的方法利用学习的机会当他们出现在自然环境中(Cowan 2007)。行为方法的有效性已经在改变自闭症儿童特定的行为得到了广泛的验证,比如增加目光接触,表达需求,根据社会规范的行为,和学习基本的学术技能,如阅读、写作、和批判性思考(Howlin 1998;Magliaro等2005)。行为主义方法的主要缺点是指令主要是医生或老师驱动,加强行为的环境不一定模拟的是真实情况,从而影响技巧的泛化程度或技能转换到训练之外(Parsons等2002)。推广已经被认为是最流行和普及自闭症治疗的问题;这是特别明显的行为干预(Howlin 1998;Rao等1998年)。第二种方法是通过自然干预的措施教学和奖励在孩子的自然环境中的行为，旨在解决泛化的问题(Cowan和Allen2007)。然而,往往很难促进强烈重复或在一个复杂的自然情况下修改环境刺激。虽然每种方法相对的存在缺点,他们通常很难合并在一个程序下运行。虚拟现实有能力填补这一缺口。

VR设计师能够把行为策略直接融入计划,其中包括直接指令,多个提示,指导和强化。虚拟现实也善于促进多个重复的机会。重要的是,虚拟现实程序可以概

括关键原则的整体自然的干预措施,特别是在各种情况下加强技能,使用各种教学材料和特殊的教学方法,使教学环境类似于真实的环境,教会技能背后的规则和原则而不是技能本身,包括自然刺激和强化物(Cowan和Allen2007)。VR程序可以提供各种各样的控制环境,设计自然刺激信号,反馈。虚拟环境基本上是用来模拟真实情况,因此,有一个高度的缺乏行为干预措施的生态效度。生态效度是虚拟环境中模拟真实的环境的程度,高生态效度增加模拟环境中所学技能将转移到现实世界中的可能性(Rizzo和Kim2005)。此外,虚拟现实同时允许对环境刺激特殊控制,使程序可以合并为顺序的和包含日益复杂的感官刺激以及促进多个重复的技巧,这两者都是难以实现的自然的干预措施。因此,虚拟现实有合并基本组件行为和自然的方法为一个统一的、集成的程序的潜能。

除了提供一个集成的行为自然化方法,虚拟现实额外的一个好处是它进一步为每个孩子提供个性化程序的容量。个性化的虚拟现实干预可以通过确定孩子的自身兴趣和偏好,比如喜欢卡通人物或歌,将它们直接集成到程序中。这种最大化接触,是成功学习的最重要的预测因子之一(Hurth等1999;Rogers1999)。此外,虚拟环境的复杂性可以被修改。减少环境的复杂性或增加首选刺激可以提高孩子的关注度和参与度。

自闭症儿童最好能预测他们的一天。他们在提供了额外的支持,帮助他们预测未来事件,了解行为预计的基础上更容易适应日常活动的变化(Hurth等1999;Rogers 1999)。虚拟环境可以创建可预测的、结构化的学习环境同时在干预程序和虚拟环境本身中有可预见性和一致性。在虚拟场景中的物理杂乱可以最小化,额外的支持,如视觉线索和时间表也可以合并促进活动中的改变或转换(Rogers 1999)。在一个适当的结构化学习环境中,孩子们意识到在学习过程中他

们将做什么,最大化他们任务成功的可能性(Hurth等1999;Iovannone等2003)。传统的自闭症儿童学习计划是高度结构化的和重复的,伴随活动中难度的递增。这种重复需要教师以一种持续的激励方式呈现同样的练习。虚拟现实可以减轻老师的负担,因为它有“在一个身临其境的虚拟环境中，系统交付能力和控制动态、交互式3D刺激”(Rizzo和Kim 2005)。完全控制虚拟现实任务的设计允许物理和程序相关的结构被引入到干预中。此外,额外的支持可以集成,环境可以根据训练任务的要求和孩子的需求被简化。

对自闭症儿童的系统指令需要为每个学生建立有意义的目标,建立一个特定的,直接指令计划实施教学过程和评估这些目标的实现程度(Hurth等1999;Iovannone等2003)。控制虚拟现实应用的设计允许系统的教学策略被纳入程序。指示,线索,提示可以集成到每个任务的阶段。VR干预也可以提供各种形式的反馈和感官(Rizzo和Kim2005)。因此,虚拟现实程序有能力整合关键方面的系统指令,从而促进参与,最终提高学习。

在儿科康复中使用虚拟现实的唯一好处是安全的保证,这是一个父母主要关心的问题。这与通常没有足够的认知能力了解危险的概念的残疾儿童的父母更加相关,或者他们没有足够的身体的技能来应对危险情况。虚拟现实技术提供了对在现实世界中被认为是危险的现实环境的安全访问,如过人行横道或消防安全。在一个虚拟环境中练习危险的技能让孩子开拓足够的认知和物理技能以及在现实世界中安全运用这些技能的信心(我等2007)。无偏见环境能够发展一个在安全方面的信心和能力,是虚拟现实系统的最有价值的功能之一。

总的来说,虚拟现实有能力将不同介入方法合并成一个有凝聚力的项目去迎合自闭症儿童独特的学习要求,通过结构控制和系统的指令,高程度的现实主义,

保证身体,心理和情感上的安全。虽然其理论优势明显,虚拟现实在多大程度上实现了这种潜能将在下一节中讨论。几种方法将被提出,每个都将将虚拟现实纳入自闭症儿童的治疗。

虚拟现实和自闭症治疗

当前部分描述了使用VR作为自闭症儿童的治疗方式及其可用性。第一节着重于使用虚拟解决三种孤独症的基本不足中的两个,即社会和交际行为的核心障碍。第二部分论述了虚拟现实的扩展到其他非诊断性障碍和技能不足是自闭症儿童常见的治疗目标。

解决基本不足

虚拟现实有支持自闭症儿童社会学习和交流发展的潜能。当前节展示已经创建的四个独立程序,初步测试用于自闭症儿童。每个程序在虚拟环境的设计和格式以及干预本身的强度等方面用一种稍微不同的方法改善自闭症儿童社交和沟通行为。

虚拟咖啡馆是一个桌面虚拟现实程序,旨在教导在公众场合中适当的社会行为。虚拟咖啡馆里描绘了一个模拟环境,配有一个能购买饮料,酒保和各种人坐在凳子上,排队秩序,站在吧台前的计数器(见图1)。该程序包含四个等级,教导日益复杂的社会习俗与订购,支付,在人群中导航,在一家咖啡馆坐下来。孩子为了完成任务收到口头和文字提示。通过完整的程序运作之后,其中包括两项训练,每项30 - 50分钟长,青少年能够用言语表达,更加复杂,将他们对社会习俗的理解应用在一个咖啡馆环境以及可以扩展他们学习其他的虚拟场景(Mitchell 2007)。虚拟咖啡馆项目反映了在自闭症治疗中使用虚拟现实常用方法:提供一个对常见场景的

现实模拟,将更加突出线索,提示和增强和多个实践技能的机会。能否真正的普遍化技能于真实场景中(例如：在一个真正的咖啡馆中),以及其他类似的社会习俗场景尚不清楚。

名叫“我要表现好像”的触摸屏虚拟现实工具是为了教自闭症儿童如何思考想象(Herrera等2008)。这个程序为了促进想象力或象征性思维而开发,被认为是对发展前兆复杂的社会的理解。“我要表现好像”这一程序模拟一个虚拟超市内,孩子们可以对象逐渐有更多想象力的方式与各种杂货相处。起初,孩子们探索超市。然后他们与对象功能交互(例如，捡香蕉),最终学会以虚构的方式(即操作对象。把香蕉用作电话)。实际的干预是非常密集的,由每周三个交易日,每次20 - 30分钟长,持续约2 - 3个月。孩子们通过多个水平和复杂度的程序逐步进步。有两个孩子的自闭症试点研究中,两个孩子均改善测试对象的使用功能,假装玩,想象力,和魔法的理解(Herrera等2008)。这些结果对使用虚拟现实工具来提高自闭症儿童的象征性思维能力提供了初步支持;然而,需要更大规模的研究来验证这一结果和评估假设改善象征性思维转化为社会发挥行为的变化。

图一、虚拟城市应用程序的屏幕截图(米切尔等2007)。咖啡馆就是从用户的角度来看,其任务是选择合适的地方坐

第三个项目是StoryTable、多用户触控手势投影系统,它提供了一个创新的社会技能和沟通培训方法(Bauminger等2007)。StoryTable程序采用协同虚拟环境中两个孩子共同努力,创建一个虚拟的故事通过选择和排序的各种实时屏幕和故事元素,如设置,情节和主人公。一些故事元素必须同时被两个用户被移动,这需要两个孩子的合作。干预本身侧重于教学和加强关键社会技能如眼神、轮流、分享和联合指导行为。实际的程序为高功能自闭症儿童设计,9到11岁,是结构化的十多个20分钟的会话。在治疗期间,一对孩子在指导下一起创建和讲述故事。三对孩子评估这个项目。完成课程后,所有的孩子都呈现出更多的积极的社会行为,成功地推广到另一个合作领域,非虚拟现实游戏。此外,儿童游戏的质量改进从简单的平行游戏到复杂,协调的游戏，他们的沟通进展从简单的短语到更复杂,深

刻的话语(Bauminger等2007)。StoryTable项目支持一种结合刺激,奖励可视化界面,与真实的人进行学习和互动机会的成功方法。

图2 教师与学生虚拟合作活动图（Cheng等2010）任务中，学生需对老师的指令选择适当的面部表情反应回应。

多用户虚拟环境自闭症治疗的能力最近被扩展到“协作虚拟学习环境”的概念(CVLEs),它允许多个人在同一个虚拟环境中相互作用(Cheng和Ye 2010)。这个CVLE程序旨在提高自闭症儿童的社会能力。虚拟现实设计包括两个虚拟场景：教室和户外场景。场景包括单独的化身(虚拟角色),每个代表一个教师或学生,涉及的社会任务包括化身之间语言和非语言沟通。例如,老师的化身将执行一个行为,问一个问题,或表达一种情感,学生将被要求做出适当反应(见图2)。干预计划

是专为学龄儿童自闭症干预包括五个干预课时,每个30-40分钟长。三个自闭症儿童的报告已经显示在感知和表达语言和非语言沟通的程度和复杂度以及增加积极的行为,如眼神交流,适当的礼仪和倾听他人的能力有渐进式的进步(Cheng和Ye 2010)。因此,类似于StoryTable程序,可以推断出,提供机会与虚拟和非虚拟中的人进行交互可能在虚拟或非虚拟中任何一个的效果要好。

表1虚拟现实的核心目标和自闭症障碍治疗的程序。表1总结了4个虚拟现实程序，目标核心、诊断的自闭症障碍的讨论部分主要解决的不足。三个项目注重社会行为和沟通行为，一个注重想象力和象征性思维。每个项目使用不同类型的虚拟现实系统和不同的干预强度。

行为目标 VR系统和坏境类型 桌面VR，虚拟咖啡社会交际行为 馆 每个30-50分钟 每周3个课时， 可触桌面VR，“我要想象力和象征性思维 每个20-30分钟， Herrera等2008年 干预强度 两个课时， Mirchell等2007年 相关文献 表现好像” 持续2-3个月 多用户触控手势VR，社会交际行为 StoryTable应用 桌面VR，合作虚拟 社会交际行为 学习环境 每个30-40分钟 每个20分钟 5个课时， Cheng等2010年 年 10个课时， Bauminger等2007总的来说,这四个项目显示了改善特定社会和交际行为的潜力。每个程序方法处理问题的方式略有不同,但每个均关注提高个别技能或行为并提供重复的实践机会(见表1项目总结)。遇到的主要问题是在现实生活中这些技能转换的程度。目前还不清楚如果虚拟现实提供的高度的现实主义的推广是否会产生重大影响。

所有程序需要将概括任务纳入他们的评价过程。总的来说,程序明显说明一个事实，即使虚拟现实有潜力成为一个更大治疗项目有价值的助手,但很可能不够作为一个孤立的手段为自闭症儿童提供治疗。

解决其他不足

尽管虚拟现实已经成为解决社会和交际障碍定义自闭症的常见手段,也有可能改变其他领域的行为和思维模式。本节探讨了利用虚拟现实技术来解决自闭症儿童经常遇到的普遍但非核心问题。创建虚拟现实项目来提高安全行为,神经认知不足和感觉不足。

安全行为

自1992年以来，斯特里克兰和他的同事为普遍发育迟缓的儿童开发各种虚拟现实系统,包括自闭症。其中的一个系统是一个教家庭消防安全的桌面虚拟现实系统。程序本身的设计是基于美国消防管理局推荐的安全步骤,其中包括逃离的最短路线和召集小组到共同的聚会场所。在虚拟项目中,在消防安全教育的背景下的每一步,一个虚拟的房子,通过动画形象“巴迪“展现。程序为3和6岁的自闭症和其他普遍发育障碍儿童所设计，最初测试在孩子的家庭(1小时训练)和在学校(多个10分钟会话结束几个月)都有。在最初的项目评估研究中,斯特里克兰和他的同事报道,14个孩子中的11个成功地学会了消防安全步骤,能够概括他们的新技能,口头描述如何应用安全措施回到自己家里(Strickland等2007)。但孩子们是否会在真正的紧急情况下执行这些步骤尚未确定。

在这些结果的基础上，他和他的同事(2007)创建了一个虚拟现实程序,合并了火灾和龙卷风的安全措施。此外,他们使用ScentPalate(R),它提供了一种烟熏的

气味,从而实现了首次嗅觉的虚拟体验。这个项目是专门为年龄在6到12岁的自闭症儿童设计的。程序提出了比斯特里克兰和他的同事们的计划更高复杂度的任务,涉及到5周的训练。相比非虚拟现实的安全培训项目如那些使用传统的直接指导,图片卡及角色扮演相比，孩子在同一水平上完成虚拟培训项目的执行。此外,VR程序与传统的程序相比需要大约一半的时间管理,不包括额外的准备工作参与规划和后期的组织材料(我等 2007)。因此,虽然孩子可能通过虚拟现实和非虚拟现实项目达到相似的掌握水平,但有些孩子从虚拟媒体比传统项目会更有效地学习。利用虚拟现实的能力,个性化的培训项目也对增加个人成就有帮助。

除了紧急情况下的安全,过马路的安全也是一个父母担心的主要问题。一个基于虚拟现实的过马路项目为年龄在8-16岁的自闭症儿童开发。程序要求孩子通过控制他们的虚拟化身的行为安全的过马路。程序本身是由九个阶段的学习组成,其间任务变得越来越困难,需要大约十六课时10-30分钟的学习。在程序中,孩子学习使得化身在在穿越之前,要看两方的马路，不在红灯期间过马路,有绿灯变为红灯的意识,以及如何避免事故的发生。一群通过虚拟现实中治疗自闭症儿童测试了这个程序;但是,只有大约一半的孩子可以运用到真实生活中过马路(Josman等人出版)。因此,尽管VR提高实际推广理论,但这项研究的结果强调,每个虚拟现实项目必须单独评估其真正的生态效度和临床适用性。

总之,这三个教学项目说明虚拟现实教育自闭症儿童安全行为的潜能。虚拟环境提供了孩子们一个安全的训练技能的环境,否则这些训练可能在真实环境中相当危险。孩子们犯的错误,通常将给带来灾难性的后果。然而,在虚拟环境中学习的程度转化为实际的行为是有问题的。在上述项目,参与者在真实的场景中的表

现也变化很大。这种间断或许可以通过模拟更大程度的现实,更大的沉浸度和在虚拟活动中更大的参与度。

神经认知不足

自闭症儿童神经认知不足已经反复证明,包括特定的障碍,如注意力和执行能力的缺陷(Hill2004)。自闭症不足引起的神经认知不足与其他疾病的神经认知不足特征经常重叠。有新兴的旨在解决自闭症儿童这些不足的程序。从概念上讲,改善不足或许构成了各种公开的行为的基础，可能会导致更大的整体发展(Wang和Reid 2009)。

马克斯和伯克(1997)创建了一个梦境驱动的虚拟游戏来解决自闭症儿童的注意力缺陷。程序显示了一个有龙和其他各种神秘的生物三维山区。尽管有多个虚拟现实程序为儿童注意缺陷多动障碍而开发,当前项目是独一无二的,因为它是专门为年龄4-11岁的自闭症儿童开发的。使用一个头戴设备,孩子能够检测视觉和听觉对象并与之交互。五个孩子患有自闭症和五个发育正常的儿童参与评估的研究计划和评估改善注意力分散和时间的任务。自闭症儿童在虚拟世界中表现出更高程度的关注事件和地点,空间和定向听觉刺激，这一现象证明在虚拟世界中有一个直接影响孩子们的“存在”的感觉。因此,多系统提示加入虚拟项目有助于孩子专注任务和参与。然而,不同于为注意缺陷多动障碍儿童设计的虚拟现实系统,这个程序没有具体的目标、可衡量关注的组件。

其他研究小组也在参与和改进报道出现在自闭症儿童治疗中的VR干预措施。尤其是两个小组,使用投影虚拟现实、将虚拟环境投射到墙上或屏幕,用户的形象和动作可以捕获并实时投影到屏幕。Mineo和同事(2009)测试了一个虚拟环境,在其中孩子被映射在海滩上,被蛋形的物体包围并在空中移动。孩子必须伸出

手去触摸的对象,通过这样做,促进他们转换成为鸟。研究人员进行了一项研究,年龄6-18岁的42个自闭症儿童被随机分配到self-video(查看视频自己从事虚拟现实活动),其他视频(查看视频的一个熟悉的人从事虚拟现实活动)和self-VR(实际参与虚拟现实活动)。比较不同群体,儿童self-VR集团展现出最大的关注和实际表现。这种支持虚拟环境中的主动积极参与比被动观察的类似事件展现出更大的潜力。

与简单的形状分组不同,我们的应用程序允许定义不同形状之间的机械联系(如图4)。当前实现了一个转动关节,一个棱形的联合和一个僵硬的关节连接。对于转动联合,可以添加电动机。它会导致其附加形状旋转和常数径向速度。运用这样的连接可以创建更复杂的物理场景。例如,可以构建一个离心调节器在PhysicsPlayground模拟这种方式(如图9右)。修改和定位各连接点要么是利用脉冲要么直接通过选择联合一个3D空间。 分 析

在每一个物理实验中,我们可能对一定震级和性能的模拟对象感兴趣。为了能够区分虚拟仿真与真实,在对象提取之前、期间和在运行时提供准确的物理性质显得尤为重要。出于教学的目的,这些数据可以用来学习的理论背景或用传统方式确认结果,例如,通过使用适当的公式。以高兴趣对物理震级的分析是速度、加速度、力、摩擦、能源和路径。 提供两种机制都输出这样的数据： a)一种可以进行距离测量的简单工具

b)一个强大的分析器,可以从形状提取和显示所有有趣的、有关物理震级(如图4右)。

我们使用一个示波器作为原型分析。一个示波器有两个轴,一个时间轴和一个电压轴。两轴相等地用于我们的应用程序。从价值轴我们可以得到——除了绝对值,如电压——也由三维向量组成。这是必须的,因为像速度或路径级有三个尺寸加值。因此,我们的分析仪有四个输入字段- x，y，z和绝对值。

输入字段可以连接到不同的形状属性,如速度和动能能源。这个属性通过所谓的适配器表示。速度、能源和一个路径适配器的支持。适配器必须手动添加每个形状。一个额外的适配器联接特定的物理级,通过适配器、数据可以插入分析仪。模拟过程中,适配器将不断地发送它值一致的时间价值函数分析仪并实时绘制。这使得学生在运行实验时学习所有的数据。

此外,这些适配器不仅充当到分析器的接口同时我们也可以想象他们的价值。例如,路径适配器(附加到一个对象)记录和随后画它的轨迹,而速度适配器将在x,y和z方向分裂和可视化绝对速度值。 力适配器

除了具有分析能力的适配器,我们还添加了一个力适配器。通过力适配器,一个直接和动态多变的力可以作用在一个形状上影响其运动。这是的在物理场景中有了许多新的可能性。例如想象精确模拟一个加速和减速一辆车。

适配器的配置是通过个人互动面板配置的。当选择适配器时,可以使用一个内置的关键帧编辑器定义一个力的时间函数。最后这个函数在模拟过程中被执行。这个功能表现在下一节的“教学经验:速度和速度”的例子中。

图4、在虚拟现实中可视化的PhysicsPlayground元素

在图4中,显示了上述PhysicsPlayground的构件。A和B代表机械联系。两个连接相同的形状,盒子和球体。转动关节B制约两者之间的身体沿旋转轴(深色的箭头指向外)的转动运动。棱柱联合A限制了平移运动两者之间的身体沿着矢量在A以下绘制。 C是一个更复杂的形状,一个翻跟斗。D显示分组的形状,在模拟将一起运动。E表示分析仪连接速度适配器F的一个球体。在模拟时F的速度值将要记录。在分析仪结果中橙色曲线代表的是从早些时候的实验运行的球反弹到底层平面和继续滚下。仅仅通过在橙线记录上移动笔我们可以获得准确的时间流速值。G演示了测量工具。目前,测量的是一个盒子的长度。

教 育 用 例

力和反作用力

在下面,PhysicsPlayground对于学校实验和学校练习的适用性将通过力和反作用力演示。如力和反作用力的影响通过动力学第三个公理描述。它表明每个力都有两个涉力物体A和B导致了大小相等方向相反的反作用力。

我们使用波尔(1931)描述一个实验去证明力和反作用力。因此,两人面对面站,各自站在各自的无摩擦力的移动车厢上(如图5)。同时,两人抓住一个绳连接他们。有了这样的设置,我们可以进行一系列的测试:

1.所有参与者同时拉绳子。

2.左边的人拉绳子而右边的人抓住绳子。 3.同上面一样，但只是右边的人拉绳子。

独立的参与者拉绳子,两车将从开始的点移动相同的距离在中间的两个碰撞。这是一个结果的力和反作用力。

图5、对于作用力和反作用力的解释

在我们的模拟实验中,马车(人所站的地方)由两个相同的,无摩擦滑动的盒子A和B替换。每个箱子有一个可旋转的球体在中间,球体是通过两个转动关节安装在箱形框架。这些球体代表了两个人。绳子就通过位于顶部的两个球体间的一个木棒表示。此外,木棒和球体必须有一个最大化摩擦系数为1,这样一切都正确的。接下来,我们希望参与者在模拟中拉绳子。因此,马达必须附加到每个箱形框架的一个转动关节上。在物体A上,这个马达必须自旋逆时针方向旋转,而在物体B,它必须顺时针旋转。当一个马达模拟过程中被激活,它将把一个预定义的转矩沿连接球体的转动轴转动。这将把球体用动变成一个转动运动。这个球又将试图把这个运动传递到球和木棒的每个接触点。这导致一个与球无关地反对其转动的力F1。在另一个方向,它在木棒上施加一个反作用力F1和前面的力F1具有相同的绝对值。无论一个或两个马达被激活,观察模拟实验的人会注意这两种仿真箱框架将总是在中点合为一体(在他们起点之间的中部位置)。此外,这可以证明在

PhysicsPlayground通过通过轨迹适配器分析每箱形框架的路径。在仿真中,分析仪将记录一个类似于图5右所示的曲线。学生可以读取s1和s2分析器的距离。不管哪个人拉绳子,两个车厢总是相等地移动。 教学课：速度和速率

这节课演示了PhysicsPlayground如何可以应用到一个传统物理课。选择适当的物理运动(斯塔克,2002)。它实际上是一部分高中最终的物理考试。

在这个练习中,幻灯片上的两个物体A和B均在一架飞机在全球坐标系x轴上以不同的速度运动。在某个时间点,两个物体可能发生碰撞。在这个设置下许多物理场景可能发生。我们将重新创建大多数学校任务(斯塔克,2002)和在后来扩展的场景。在PhysicsPlayground中开始时设置包含一个平面和两个物体A和B一样如图6步骤1所示。

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图6、完成PhysicsPlayground基于教学联系的设置后进行的3步模拟过程

学生的问题描述如下：

物体A代表一辆玩具车沿着X轴正方向运动。从它所处的位置开始运动加速时间与图7所给出的力FA(t)相关，所有物体摩擦力为零。使用PhysicsPlayground获取到玩具车A的最终速度并用正常算法算出来的值检验它。

图7、左图为所给的力与时间关系图，右图为力适应转换

在PhysicsPlayground的帮助下为了解决这个问题,首先学生不得不将时间-力的函数转换到PhysicsPlayground中。 基本上,这是通过添加一个力适配器,它指向x轴正方向到玩具车。这个适配器是显示在图6中,附加到对象A(点表示为< F >)。在下一步,为了表示时间-力的函数关键帧的适配器必须进行调整,如图7所示。如果一切正常,在仿真开始后物体应该沿着x轴运动。在为了检验运动,学生可以创建一个分析器连接力适配器和输入的分析器。如果分析仪的记录等于图7中时间-力的函数,说明前面的步骤都正确地执行。

下一步是调查玩具车的速度。这很简单我们只需要给物体A附上一个速度适配器。这样做之后,速度适配器必须与x输入的分析仪相连接,学生可以从分析器读出最终玩具车的速度。打印出来的分析器最终如图8所示。

图8、分析物体A与B后的输出信号曲线在之后被标记

唯一相关的图表是FA(t)和vA(t)。物体A和B的一些额外的打印输出体只是为了证明分析仪所能够完成的（它们不是任务相关的)。图表标记E代表动能。图形FA(t)代表了时间-力函数,并在模拟中将其应用到玩具车上。很明显,它的分析仪图和图7所示的是一样的。确切的说它应该是这样的。

速率图vA(t)的速率适配器来源于FA(t)。当力FA从物体A撤除时，物体A最终速率到达。从这一刻起,虚线垂直于横坐标(FA(t)停止作用于物体A)相交vA(t)在这一个点上达到最终速度。根据分析仪可得,最终速度= 5.04m/s。由于结果,即最终速度,使用PhysicsPlayground能够获得,接下来学生可以尝试计算下。

在结果(斯塔克,2002)中,首先我们计算在力函数Fa=ΣF*Δt曲线下的面积。为计算最终速度,面积Fa在匀加速运动公式最终速度v=Fa/m被用作参数,其中m是物体A的质量。在PhysicsPlayground中确定物体A的质量,我们可以计算最终速度而得到一个最终结果为5.00m/s。这是非常接近仿真结果的。

除了上面所说的练习和实验,PhysicsPlayground可以被用来演示各种机械设备,如图9所示。

图9、左:一个简单的场景,模拟运动的汽车曲轴。为研究的活塞的运动在后台连接活塞到分

析器。右:离心调节器。如果涡轮旋转得更快,物体A将升起和蒸汽供应将会减少。

运动轨迹

最后,应用程序也可以用来可视化数学和几何内容,如运动学(如图10)。通过一个适当的链接和旋转力量三个形状之间的A,B,C,我们可以使形状B围绕静态形状A旋转而形状C围绕形状B旋转。轨迹旋转通过路径适配器在C上可视化,数学曲线如外摆线和圆内旋轮线被画出。

图10、PhysicsPlayground中的一个外摆线

结 论

有了PhysicsPlayground,可以开发一个虚拟现实应用用于帮助教学以及学习力学。在Studierstube框架上端的物理引擎——物理运算引擎提供了技术基础和管理所有物理计算。模拟的准确性是良好的,考虑充分的教育目的相比于精确计算,我们以此来验证结果。

教育用例演示PhysicsPlayground可以多么通用的集成在物理课里。潜在的应用是多方面的。学生可以构建虚拟模拟模型实验来研究物理特性,验证公式,开发理论,总之积极参与物理教育。它培养实验和理解。

到目前为止,PhysicsPlayground只被在维也纳科技大学的互动媒体系统集团的人员评估。没有对其学习的有效性进行相关评估。收集关于应用程序的可用性的反馈将是有趣的,因此在下一个阶段一个基于专家的可用性评估包括不同年级的物理老师和学生将会非常有意义。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/2drg.html