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1、虚拟现实技术用作治疗儿童自闭症的工具学号：140331100666姓名：黄 鑫简 介虚拟现实(VRR),一个计计算机模拟的的真实世界,提供了用户户可以在现实实生活中体验验到的多感官官,多维介质交互(Burrdea和Coifffet 20003)。虚虚拟现实有别别于其他技术术接口的两个个关键特性是是:浸没和互互动。浸没指指的是三维的的现场感或虚虚拟环境中的的“存在”。这这种强烈的现现场感通过增增加关注相关关刺激和限制制注意力分散散以及现实任任务无关的刺刺激增强学习习(Witmmer等 20055)。与虚拟现现实系统交互互的程度可以以通过任何感感觉形态,取取决于所使用用的设备。虚虚拟现实工具具包括
2、可穿戴戴头盔设备(HMDs),提供3660度多种感感觉的刺激,桌面系统,传统的计算算机屏幕上的的虚拟世界,和投影系统统,它们可以以捕获和映射射用户的实时时操作到虚拟拟环境中(BBurdeaa和Coifffet 20003)。大大多数虚拟现现实程序使用用这三个系统统的变化。虚拟现实正在获获得支持作为为一个潜在的的康复领域的的有效工具,因为它能够够在吸引和激激励用户的同同时提供某些些治疗的优势势。这种快速速发展的技术术的潜力“不仅仅是现现有的人类运运用计算机技技术的一个简简单的线性扩扩展。虚拟现现实提供了创创建人体试验验系统,培训训系统和治疗疗环境的潜能能,它们允许许复杂的精确确控制,身临临其境,
3、动态态三维刺激演演示,在复杂杂的交互场景景中,行为跟跟踪和性能记记录的实现” (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。虚拟现实在康复复中的作用是是一种新的但但快速发展的的领域。本章章提供了这个个领域中一个个综合的先进进技术发展水水平知识,以以作为未来研研究的平台。下下一节将讨论论使用虚拟现现实作为自闭闭症儿童的治治疗工具的理理论优势,以以下部分概述述了当前为这这些孩子创建建的虚拟现实实系统的治疗疗环境和测试试的综述。虚虚拟现实技术术在自闭症治治疗中的应用用使用虚拟现实作作为自闭症儿儿童的康复工工具有诸多好好
4、处。一般来来说,虚拟现现实可以合并并现有的自闭闭症治疗方法法,而传统方方法难以集成成在一个框架架。对自闭症症儿童成功教教育计划的基基本组件包括括提供现实的的和相关的刺刺激,提供个个性化程序,创建一个结结构化的学习习环境并提供供系统的指令令(Iovaannonee 20033)。一个治疗疗的VR程序序有能力满足足并且超越上上述所有的这这些期望。自闭症固有的非非均质性导致致了多种介入入性方法的发发展。从概念念上讲,孤独独症康复可以以视为一系列列上下相关的的行为策略来来指导孩子,非结构化的的,自然的干干预措施。行行为方法使用用重复原则和和强化改变特特定行为(LLovaass 19877),而自然然的
5、方法利用用学习的机会会当他们出现现在自然环境境中(Cowwan 20007)。行行为方法的有有效性已经在在改变自闭症症儿童特定的的行为得到了了广泛的验证证,比如增加加目光接触,表达需求,根据社会规规范的行为,和学习基本本的学术技能能,如阅读、写写作、和批判判性思考(HHowlinn 19988;Maglliaro等等2005)。行为主义义方法的主要要缺点是指令令主要是医生生或老师驱动动,加强行为为的环境不一一定模拟的是是真实情况,从而影响技技巧的泛化程程度或技能转转换到训练之之外(Parrsons等等2002)。推广已经经被认为是最最流行和普及及自闭症治疗疗的问题;这这是特别明显显的行为干预预
6、(Howllin 19998;Raao等19998年)。第第二种方法是是通过自然干干预的措施教教学和奖励在在孩子的自然然环境中的行行为，旨在解解决泛化的问问题(Cowwan和Alllen20007)。然然而,往往很很难促进强烈烈重复或在一一个复杂的自自然情况下修修改环境刺激激。虽然每种种方法相对的的存在缺点,他们通常很很难合并在一一个程序下运运行。虚拟现现实有能力填填补这一缺口口。VR设计师能够够把行为策略略直接融入计计划,其中包包括直接指令令,多个提示示,指导和强强化。虚拟现现实也善于促促进多个重复复的机会。重重要的是,虚虚拟现实程序序可以概括关关键原则的整整体自然的干干预措施,特特别是在各
7、种种情况下加强强技能,使用用各种教学材材料和特殊的的教学方法,使教学环境境类似于真实实的环境,教教会技能背后后的规则和原原则而不是技技能本身,包包括自然刺激激和强化物(Cowann和Alleen20077)。VR程程序可以提供供各种各样的的控制环境,设计自然刺刺激信号,反反馈。虚拟环环境基本上是是用来模拟真真实情况,因因此,有一个个高度的缺乏乏行为干预措措施的生态效效度。生态效效度是虚拟环环境中模拟真真实的环境的的程度,高生生态效度增加加模拟环境中中所学技能将将转移到现实实世界中的可可能性(Riizzo和KKim20005)。此外外,虚拟现实实同时允许对对环境刺激特特殊控制,使使程序可以合合并
8、为顺序的的和包含日益益复杂的感官官刺激以及促促进多个重复复的技巧,这这两者都是难难以实现的自自然的干预措措施。因此,虚拟现实有有合并基本组组件行为和自自然的方法为为一个统一的的、集成的程程序的潜能。除了提供一个集集成的行为自自然化方法,虚拟现实额额外的一个好好处是它进一一步为每个孩孩子提供个性性化程序的容容量。个性化化的虚拟现实实干预可以通通过确定孩子子的自身兴趣趣和偏好,比比如喜欢卡通通人物或歌,将它们直接接集成到程序序中。这种最最大化接触,是成功学习习的最重要的的预测因子之之一(Hurrth等19999;Roogers11999)。此此外,虚拟环环境的复杂性性可以被修改改。减少环境境的复杂
9、性或或增加首选刺刺激可以提高高孩子的关注注度和参与度。自闭症儿童最好好能预测他们们的一天。他他们在提供了了额外的支持持,帮助他们们预测未来事事件,了解行行为预计的基基础上更容易易适应日常活活动的变化(Hurthh等19999;Rogeers19999)。虚虚拟环境可以以创建可预测测的、结构化化的学习环境境同时在干预预程序和虚拟拟环境本身中中有可预见性性和一致性。在在虚拟场景中中的物理杂乱乱可以最小化化,额外的支支持,如视觉觉线索和时间间表也可以合合并促进活动动中的改变或或转换(Roogers1999)。在一个适适当的结构化化学习环境中中,孩子们意意识到在学习习过程中他们们将做什么,最大化他们们
10、任务成功的的可能性(HHurth等等1999;Iovannnone等等2003)。传统的自自闭症儿童学学习计划是高高度结构化的的和重复的,伴随活动中中难度的递增增。这种重复复需要教师以以一种持续的的激励方式呈呈现同样的练练习。虚拟现现实可以减轻轻老师的负担担,因为它有有“在一个身身临其境的虚虚拟环境中，系系统交付能力力和控制动态态、交互式33D刺激”(Rizzoo和Kim 2005)。完全控制制虚拟现实任任务的设计允允许物理和程程序相关的结结构被引入到到干预中。此此外,额外的的支持可以集集成,环境可可以根据训练练任务的要求求和孩子的需需求被简化。对自闭症儿童的的系统指令需需要为每个学学生建立有
11、意意义的目标,建立一个特特定的,直接接指令计划实实施教学过程程和评估这些些目标的实现现程度(Huurth等11999;IIovannnone等22003)。控控制虚拟现实实应用的设计计允许系统的的教学策略被被纳入程序。指指示,线索,提示可以集集成到每个任任务的阶段。VVR干预也可可以提供各种种形式的反馈馈和感官(RRizzo和和Kim20005)。因因此,虚拟现现实程序有能能力整合关键键方面的系统统指令,从而而促进参与,最终提高学学习。在儿科康复中使使用虚拟现实实的唯一好处处是安全的保保证,这是一一个父母主要要关心的问题题。这与通常常没有足够的的认知能力了了解危险的概概念的残疾儿儿童的父母更更
12、加相关,或或者他们没有有足够的身体体的技能来应应对危险情况况。虚拟现实实技术提供了了对在现实世世界中被认为为是危险的现现实环境的安安全访问,如如过人行横道道或消防安全全。在一个虚虚拟环境中练练习危险的技技能让孩子开开拓足够的认认知和物理技技能以及在现现实世界中安安全运用这些些技能的信心心(我等20007)。无无偏见环境能能够发展一个个在安全方面面的信心和能能力,是虚拟拟现实系统的的最有价值的的功能之一。总的来说,虚拟拟现实有能力力将不同介入入方法合并成成一个有凝聚聚力的项目去去迎合自闭症症儿童独特的的学习要求,通过结构控控制和系统的的指令,高程程度的现实主主义,保证身身体,心理和和情感上的安安
13、全。虽然其其理论优势明明显,虚拟现现实在多大程程度上实现了了这种潜能将将在下一节中中讨论。几种种方法将被提提出,每个都都将将虚拟现现实纳入自闭闭症儿童的治治疗。虚拟现实和自闭闭症治疗当前部分描述了了使用VR作作为自闭症儿儿童的治疗方方式及其可用用性。第一节节着重于使用用虚拟解决三三种孤独症的的基本不足中的两个个,即社会和和交际行为的的核心障碍。第第二部分论述述了虚拟现实实的扩展到其其他非诊断性性障碍和技能能不足是自闭症症儿童常见的的治疗目标。解决基本不足虚拟现实有支持持自闭症儿童童社会学习和和交流发展的的潜能。当前前节展示已经经创建的四个个独立程序,初步测试用用于自闭症儿儿童。每个程程序在虚拟
14、环环境的设计和和格式以及干干预本身的强强度等方面用用一种稍微不不同的方法改改善自闭症儿儿童社交和沟沟通行为。虚拟咖啡馆是一一个桌面虚拟拟现实程序,旨在教导在在公众场合中中适当的社会会行为。虚拟拟咖啡馆里描描绘了一个模模拟环境,配配有一个能购购买饮料,酒酒保和各种人人坐在凳子上上,排队秩序序,站在吧台台前的计数器器(见图1)。该程序包包含四个等级级,教导日益益复杂的社会会习俗与订购购,支付,在在人群中导航航,在一家咖咖啡馆坐下来来。孩子为了了完成任务收收到口头和文文字提示。通通过完整的程程序运作之后后,其中包括括两项训练,每项30 - 50分分钟长,青少少年能够用言言语表达,更更加复杂,将将他们
15、对社会会习俗的理解解应用在一个个咖啡馆环境境以及可以扩扩展他们学习习其他的虚拟拟场景(Miitchelll 20007)。虚拟拟咖啡馆项目目反映了在自自闭症治疗中中使用虚拟现现实常用方法法:提供一个个对常见场景景的现实模拟拟,将更加突突出线索,提提示和增强和和多个实践技技能的机会。能能否真正的普普遍化技能于于真实场景中中(例如：在在一个真正的的咖啡馆中),以及其他他类似的社会会习俗场景尚尚不清楚。名叫“我要表现现好像”的触触摸屏虚拟现现实工具是为为了教自闭症症儿童如何思思考想象(HHerrerra等20008)。这个个程序为了促促进想象力或或象征性思维维而开发,被被认为是对发发展前兆复杂杂的社
16、会的理理解。“我要要表现好像”这这一程序模拟拟一个虚拟超超市内,孩子子们可以对象象逐渐有更多多想象力的方方式与各种杂杂货相处。起起初,孩子们们探索超市。然然后他们与对对象功能交互互(例如，捡捡香蕉),最最终学会以虚虚构的方式(即操作对象象。把香蕉用用作电话)。实实际的干预是是非常密集的的,由每周三三个交易日,每次20 - 30分分钟长,持续续约2 - 3个月。孩孩子们通过多多个水平和复复杂度的程序序逐步进步。有有两个孩子的的自闭症试点点研究中,两两个孩子均改改善测试对象象的使用功能能,假装玩,想象力,和和魔法的理解解(Herrrera等22008)。这这些结果对使使用虚拟现实实工具来提高高自闭
17、症儿童童的象征性思思维能力提供供了初步支持持;然而,需需要更大规模模的研究来验验证这一结果果和评估假设设改善象征性性思维转化为为社会发挥行行为的变化。图一、虚拟城市市应用程序的的屏幕截图(米切尔等22007)。咖咖啡馆就是从从用户的角度度来看,其任任务是选择合合适的地方坐坐第三个项目是SStoryTTable、多多用户触控手手势投影系统统,它提供了了一个创新的的社会技能和和沟通培训方方法(Bauumingeer等20007)。SttoryTaable程序序采用协同虚虚拟环境中两两个孩子共同同努力,创建建一个虚拟的的故事通过选选择和排序的的各种实时屏屏幕和故事元元素,如设置置,情节和主主人公。一
18、些些故事元素必必须同时被两两个用户被移移动,这需要要两个孩子的的合作。干预预本身侧重于于教学和加强强关键社会技技能如眼神、轮轮流、分享和和联合指导行行为。实际的的程序为高功功能自闭症儿儿童设计,99到11岁,是结构化的的十多个200分钟的会话话。在治疗期期间,一对孩孩子在指导下下一起创建和和讲述故事。三三对孩子评估估这个项目。完完成课程后,所有的孩子子都呈现出更更多的积极的的社会行为,成功地推广广到另一个合合作领域,非非虚拟现实游游戏。此外,儿童游戏的的质量改进从从简单的平行行游戏到复杂杂,协调的游游戏，他们的的沟通进展从从简单的短语语到更复杂,深刻的话语语(Baummingerr等20077
19、)。StooryTabble项目支支持一种结合合刺激,奖励励可视化界面面,与真实的的人进行学习习和互动机会会的成功方法法。图2 教师与学学生虚拟合作作活动图（CCheng等等2010）任任务中，学生生需对老师的的指令选择适适当的面部表表情反应回应应。多用户虚拟环境境自闭症治疗疗的能力最近近被扩展到“协协作虚拟学习习环境”的概概念(CVLLEs),它它允许多个人人在同一个虚虚拟环境中相相互作用(CCheng和和Ye 20010)。这这个CVLEE程序旨在提提高自闭症儿儿童的社会能能力。虚拟现现实设计包括括两个虚拟场场景：教室和和户外场景。场场景包括单独独的化身(虚虚拟角色),每个代表一一个教师或
20、学学生,涉及的的社会任务包包括化身之间间语言和非语语言沟通。例例如,老师的的化身将执行行一个行为,问一个问题题,或表达一一种情感,学学生将被要求求做出适当反反应(见图22)。干预计计划是专为学学龄儿童自闭闭症干预包括括五个干预课课时,每个330-40分分钟长。三个个自闭症儿童童的报告已经经显示在感知知和表达语言言和非语言沟沟通的程度和和复杂度以及及增加积极的的行为,如眼眼神交流,适适当的礼仪和和倾听他人的的能力有渐进进式的进步(Chenng和Ye 2010)。因此,类类似于StooryTabble程序,可以推断出出,提供机会会与虚拟和非非虚拟中的人人进行交互可可能在虚拟或或非虚拟中任任何一个的
21、效效果要好。表1虚拟现实的的核心目标和和自闭症障碍碍治疗的程序序。表1总结结了4个虚拟拟现实程序，目目标核心、诊诊断的自闭症症障碍的讨论论部分主要解解决的不足。三三个项目注重重社会行为和和沟通行为，一一个注重想象象力和象征性性思维。每个个项目使用不不同类型的虚虚拟现实系统统和不同的干干预强度。行为目标VR系统和坏境境类型干预强度相关文献社会交际行为桌面VR，虚拟拟咖啡馆两个课时，每个30-500分钟Mirchelll等20007年想象力和象征性性思维可触桌面VR，“我要表现好像”每周3个课时，每个20-300分钟，持续2-3个月月Herreraa等20088年社会交际行为多用户触控手势势VR，
22、SttoryTaable应用用10个课时，每个20分钟Baumingger等20007年社会交际行为桌面VR，合作作虚拟学习环境5个课时，每个30-400分钟Cheng等22010年总的来说,这四四个项目显示示了改善特定定社会和交际际行为的潜力力。每个程序序方法处理问问题的方式略略有不同,但但每个均关注注提高个别技技能或行为并并提供重复的的实践机会(见表1项目目总结)。遇遇到的主要问问题是在现实实生活中这些些技能转换的的程度。目前前还不清楚如如果虚拟现实实提供的高度度的现实主义义的推广是否否会产生重大大影响。所有有程序需要将将概括任务纳纳入他们的评评价过程。总总的来说,程程序明显说明明一个事实
23、，即即使虚拟现实实有潜力成为为一个更大治治疗项目有价价值的助手,但很可能不不够作为一个个孤立的手段段为自闭症儿儿童提供治疗疗。解决其他不足尽管虚拟现实已已经成为解决决社会和交际际障碍定义自自闭症的常见见手段,也有有可能改变其其他领域的行行为和思维模模式。本节探探讨了利用虚虚拟现实技术术来解决自闭闭症儿童经常常遇到的普遍遍但非核心问问题。创建虚虚拟现实项目目来提高安全全行为,神经经认知不足和感觉不足。安全行为自1992年以以来，斯特里里克兰和他的的同事为普遍遍发育迟缓的的儿童开发各各种虚拟现实实系统,包括括自闭症。其其中的一个系系统是一个教教家庭消防安安全的桌面虚虚拟现实系统统。程序本身身的设计
24、是基基于美国消防防管理局推荐荐的安全步骤骤,其中包括括逃离的最短短路线和召集集小组到共同同的聚会场所所。在虚拟项项目中,在消消防安全教育育的背景下的的每一步,一一个虚拟的房房子,通过动动画形象“巴巴迪“展现。程程序为3和66岁的自闭症症和其他普遍遍发育障碍儿儿童所设计，最最初测试在孩孩子的家庭(1小时训练练)和在学校校(多个100分钟会话结结束几个月)都有。在最最初的项目评评估研究中,斯特里克兰兰和他的同事事报道,144个孩子中的的11个成功功地学会了消消防安全步骤骤,能够概括括他们的新技技能,口头描描述如何应用用安全措施回回到自己家里里(Striicklannd等20007)。但孩孩子们是否
25、会会在真正的紧紧急情况下执执行这些步骤骤尚未确定。在这些结果的基基础上，他和和他的同事(2007)创建了一个个虚拟现实程程序,合并了了火灾和龙卷卷风的安全措措施。此外,他们使用SScentPPalatee(R),它它提供了一种种烟熏的气味味,从而实现现了首次嗅觉觉的虚拟体验验。这个项目目是专门为年年龄在6到112岁的自闭症儿儿童设计的。程程序提出了比比斯特里克兰兰和他的同事事们的计划更更高复杂度的的任务,涉及及到5周的训训练。相比非非虚拟现实的的安全培训项项目如那些使使用传统的直直接指导,图图片卡及角色色扮演相比，孩孩子在同一水水平上完成虚虚拟培训项目目的执行。此此外,VR程程序与传统的的程序
26、相比需需要大约一半半的时间管理理,不包括额额外的准备工工作参与规划划和后期的组组织材料(我我等 20007)。因此此,虽然孩子子可能通过虚虚拟现实和非非虚拟现实项项目达到相似似的掌握水平平,但有些孩孩子从虚拟媒媒体比传统项项目会更有效效地学习。利利用虚拟现实实的能力,个个性化的培训训项目也对增增加个人成就就有帮助。除了紧急情况下下的安全,过过马路的安全全也是一个父父母担心的主主要问题。一一个基于虚拟拟现实的过马马路项目为年年龄在8-116岁的自闭闭症儿童开发发。程序要求求孩子通过控控制他们的虚虚拟化身的行行为安全的过过马路。程序序本身是由九九个阶段的学学习组成,其其间任务变得得越来越困难难,需
27、要大约约十六课时110-30分分钟的学习。在在程序中,孩孩子学习使得得化身在在穿穿越之前,要要看两方的马马路，不在红红灯期间过马马路,有绿灯灯变为红灯的的意识,以及及如何避免事事故的发生。一一群通过虚拟拟现实中治疗疗自闭症儿童童测试了这个个程序;但是是,只有大约约一半的孩子子可以运用到到真实生活中中过马路(JJosmann等人出版)。因此,尽尽管VR提高高实际推广理理论,但这项项研究的结果果强调,每个个虚拟现实项项目必须单独独评估其真正正的生态效度度和临床适用用性。总之,这三个教教学项目说明明虚拟现实教教育自闭症儿儿童安全行为为的潜能。虚虚拟环境提供供了孩子们一一个安全的训训练技能的环环境,否
28、则这这些训练可能能在真实环境境中相当危险险。孩子们犯犯的错误,通通常将给带来来灾难性的后后果。然而,在虚拟环境境中学习的程程度转化为实实际的行为是是有问题的。在在上述项目,参与者在真真实的场景中中的表现也变变化很大。这这种间断或许许可以通过模模拟更大程度度的现实,更更大的沉浸度度和在虚拟活活动中更大的的参与度。神经认知不足自闭症儿童神经经认知不足已已经反复证明明,包括特定定的障碍,如如注意力和执执行能力的缺缺陷(Hilll20044)。自闭症症不足引起的的神经认知不不足与其他疾疾病的神经认认知不足特征征经常重叠。有有新兴的旨在在解决自闭症症儿童这些不不足的程序。从从概念上讲,改善不足或或许构成
29、了各各种公开的行行为的基础，可可能会导致更更大的整体发发展(Wanng和Reiid 20009)。马克斯和伯克(1997)创建了一个个梦境驱动的的虚拟游戏来来解决自闭症症儿童的注意意力缺陷。程程序显示了一一个有龙和其其他各种神秘秘的生物三维维山区。尽管管有多个虚拟拟现实程序为为儿童注意缺缺陷多动障碍碍而开发,当当前项目是独独一无二的,因为它是专专门为年龄44-11岁的的自闭症儿童童开发的。使使用一个头戴戴设备,孩子子能够检测视视觉和听觉对对象并与之交交互。五个孩孩子患有自闭闭症和五个发发育正常的儿儿童参与评估估的研究计划划和评估改善善注意力分散散和时间的任任务。自闭症症儿童在虚拟拟世界中表现现
30、出更高程度度的关注事件件和地点,空空间和定向听听觉刺激，这这一现象证明明在虚拟世界界中有一个直直接影响孩子子们的“存在在”的感觉。因因此,多系统统提示加入虚虚拟项目有助助于孩子专注注任务和参与与。然而,不不同于为注意意缺陷多动障障碍儿童设计计的虚拟现实实系统,这个个程序没有具具体的目标、可可衡量关注的的组件。其他研究小组也也在参与和改改进报道出现现在自闭症儿儿童治疗中的的VR干预措措施。尤其是是两个小组,使用投影虚虚拟现实、将将虚拟环境投投射到墙上或或屏幕,用户户的形象和动动作可以捕获获并实时投影影到屏幕。MMineo和和同事(20009)测试试了一个虚拟拟环境,在其其中孩子被映映射在海滩上上
31、,被蛋形的的物体包围并并在空中移动动。孩子必须须伸出手去触触摸的对象,通过这样做做,促进他们们转换成为鸟鸟。研究人员员进行了一项项研究,年龄龄6-18岁岁的42个自自闭症儿童被被随机分配到到self-videoo(查看视频频自己从事虚虚拟现实活动动),其他视视频(查看视视频的一个熟熟悉的人从事事虚拟现实活活动)和seelf-VRR(实际参与与虚拟现实活活动)。比较较不同群体,儿童sellf-VR集集团展现出最最大的关注和和实际表现。这这种支持虚拟拟环境中的主主动积极参与与比被动观察察的类似事件件展现出更大大的潜力。与简单的形状分分组不同,我我们的应用程程序允许定义义不同形状之之间的机械联联系(
32、如图44)。当前实实现了一个转转动关节,一一个棱形的联联合和一个僵僵硬的关节连连接。对于转转动联合,可可以添加电动动机。它会导导致其附加形形状旋转和常常数径向速度度。运用这样样的连接可以以创建更复杂杂的物理场景景。例如,可可以构建一个个离心调节器器在PhyssicsPllaygroound模拟拟这种方式(如图9右)。修改和定定位各连接点点要么是利用用脉冲要么直直接通过选择择联合一个33D空间。分 析在每一个物理实实验中,我们们可能对一定定震级和性能能的模拟对象象感兴趣。为为了能够区分分虚拟仿真与与真实,在对对象提取之前前、期间和在在运行时提供供准确的物理理性质显得尤尤为重要。出出于教学的目目的
33、,这些数数据可以用来来学习的理论论背景或用传传统方式确认认结果,例如如,通过使用用适当的公式式。以高兴趣趣对物理震级级的分析是速速度、加速度度、力、摩擦擦、能源和路路径。提供两种机制都都输出这样的的数据：a)一种可以进进行距离测量量的简单工具具b)一个强大的的分析器,可可以从形状提提取和显示所所有有趣的、有有关物理震级级(如图4右右)。我们使用一个示示波器作为原原型分析。一一个示波器有有两个轴,一一个时间轴和和一个电压轴轴。两轴相等等地用于我们们的应用程序序。从价值轴轴我们可以得得到除了绝对对值,如电压压也由三维维向量组成。这这是必须的,因为像速度度或路径级有有三个尺寸加加值。因此,我们的分析
34、析仪有四个输输入字段- x，y，z和绝对值。输入字段可以连连接到不同的的形状属性,如速度和动动能能源。这个属属性通过所谓谓的适配器表表示。速度、能能源和一个路路径适配器的的支持。适配配器必须手动动添加每个形形状。一个额额外的适配器器联接特定的的物理级,通通过适配器、数数据可以插入入分析仪。模模拟过程中,适配器将不不断地发送它它值一致的时时间价值函数数分析仪并实实时绘制。这这使得学生在在运行实验时时学习所有的的数据。此外,这些适配配器不仅充当当到分析器的的接口同时我我们也可以想想象他们的价价值。例如,路径适配器器(附加到一一个对象)记记录和随后画画它的轨迹,而速度适配配器将在x,y和z方向分裂和
35、和可视化绝对对速度值。力适配器除了具有分析能能力的适配器器,我们还添添加了一个力力适配器。通通过力适配器器,一个直接接和动态多变变的力可以作作用在一个形形状上影响其其运动。这是是的在物理场场景中有了许许多新的可能能性。例如想想象精确模拟拟一个加速和和减速一辆车车。适配器的配置是是通过个人互互动面板配置置的。当选择择适配器时,可以使用一一个内置的关关键帧编辑器器定义一个力力的时间函数数。最后这个个函数在模拟拟过程中被执执行。这个功功能表现在下下一节的“教学经验:速度和速度度”的例子中。图4、在虚拟现现实中可视化化的PhyssicsPllaygroound元素素在图4中,显示示了上述Phhysic
36、ssPlayggroundd的构件。A和B代表机械联联系。两个连连接相同的形形状,盒子和和球体。转动动关节B制约两者之之间的身体沿沿旋转轴(深深色的箭头指指向外)的转转动运动。棱棱柱联合A限制了平移移运动两者之之间的身体沿沿着矢量在AA以下绘制。 C是一个更复复杂的形状,一个翻跟斗斗。D显示分组的的形状,在模模拟将一起运运动。E表示分析仪仪连接速度适适配器F的一个球体体。在模拟时时F的速度值值将要记录。在在分析仪结果果中橙色曲线线代表的是从从早些时候的的实验运行的的球反弹到底底层平面和继继续滚下。仅仅仅通过在橙橙线记录上移移动笔我们可可以获得准确确的时间流速速值。G演示了测量量工具。目前前,测
37、量的是是一个盒子的的长度。教 育 用 例例力和反作用力在下面,PhyysicsPPlaygrround对对于学校实验验和学校练习习的适用性将将通过力和反反作用力演示示。如力和反反作用力的影影响通过动力力学第三个公公理描述。它它表明每个力力都有两个涉涉力物体A和B导致了大小小相等方向相相反的反作用用力。我们使用波尔(1931)描描述一个实验验去证明力和和反作用力。因因此,两人面面对面站,各各自站在各自自的无摩擦力力的移动车厢厢上(如图55)。同时,两人抓住一一个绳连接他他们。有了这这样的设置,我们可以进进行一系列的的测试:1. 所有参与者同时时拉绳子。2. 左边的人拉绳子子而右边的人人抓住绳子。
38、3. 同上面一样，但但只是右边的的人拉绳子。独立的参与者拉拉绳子,两车车将从开始的的点移动相同同的距离在中中间的两个碰碰撞。这是一一个结果的力力和反作用力力。图5、对于作用用力和反作用用力的解释在我们的模拟实实验中,马车车(人所站的的地方)由两两个相同的,无摩擦滑动动的盒子A和B替换。每个个箱子有一个个可旋转的球球体在中间,球体是通过过两个转动关关节安装在箱箱形框架。这这些球体代表表了两个人。绳绳子就通过位位于顶部的两两个球体间的的一个木棒表表示。此外,木棒和球体体必须有一个个最大化摩擦擦系数为1,这样一切切都正确的。接接下来,我们们希望参与者者在模拟中拉拉绳子。因此此,马达必须须附加到每个个
39、箱形框架的的一个转动关关节上。在物物体A上,这个马马达必须自旋旋逆时针方向向旋转,而在在物体B,它必须顺顺时针旋转。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
40、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：速度和和速率这节课演示了PPhysiccsPlayygrounnd如何可以以应用到一个个传统物理课课。选择适当当的物理运动动(斯塔克,2002)。它它实际上是一一部分高中最最终的物理考考试。在这个练习中,幻灯片上的的两个物体AA和B均在一架飞飞机在全球坐坐标系x轴上上以不同的速速度运动。在在某个时间点点,两个物体体可能发生碰碰撞。在这个个设置下许多多物理场景可可能发生。我我们将重新创创建大多数学学校任务(斯斯塔克,20002)和在在后来扩展的的场景。在PPhysi
41、ccsPlayygrounnd中开始时时设置包含一一个平面和两两个物体A和B一样如图6步骤1所示。.图6、完成PhhysicssPlayggroundd基于教学联联系的设置后后进行的3步步模拟过程学生的问题描述述如下：物体A代表一辆辆玩具车沿着着X轴正方向向运动。从它它所处的位置置开始运动加加速时间与图图7所给出的的力FA(tt)相关，所所有物体摩擦擦力为零。使使用PhyssicsPllaygroound获取取到玩具车AA的最终速度度并用正常算算法算出来的的值检验它。图7、左图为所所给的力与时时间关系图，右右图为力适应应转换在PhysiccsPlayygrounnd的帮助下下为了解决这这个问题
42、,首先学生不不得不将时间间-力的函数转转换到PhyysicsPPlaygrround中中。 基本上,这这是通过添加加一个力适配配器,它指向向x轴正方向到到玩具车。这这个适配器是是显示在图66中,附加到到对象A(点点表示为)。在下一步,为为了表示时间间-力的函数数关键帧的适适配器必须进进行调整,如如图7所示。如如果一切正常常,在仿真开开始后物体应应该沿着x轴运动。在在为了检验运运动,学生可可以创建一个个分析器连接接力适配器和和输入的分析析器。如果分分析仪的记录录等于图7中中时间-力的的函数,说明明前面的步骤骤都正确地执执行。下一步是调查玩玩具车的速度度。这很简单单我们只需要要给物体A附上一个速速
43、度适配器。这这样做之后,速度适配器器必须与x输入的分析析仪相连接,学生可以从从分析器读出出最终玩具车车的速度。打打印出来的分分析器最终如如图8所示。图8、分析物体体A与B后的输出信信号曲线在之之后被标记唯一相关的图表表是FA(tt)和vA(t)。物体A和B的一些额外外的打印输出出体只是为了了证明分析仪仪所能够完成成的（它们不不是任务相关关的)。图表表标记E代表动能。图图形FA(tt)代表了时时间-力函数数,并在模拟拟中将其应用用到玩具车上上。很明显,它的分析仪仪图和图7所所示的是一样样的。确切的的说它应该是是这样的。速率图vA(tt)的速率适适配器来源于于FA(t)。当力FA从物体A撤除时，物
44、物体A最终速率到到达。从这一一刻起,虚线线垂直于横坐坐标(FA(t)停止作作用于物体AA)相交vA(tt)在这一个个点上达到最最终速度。根根据分析仪可可得,最终速速度= 5.04m/ss。由于结果果,即最终速速度,使用PPhysiccsPlayygrounnd能够获得得,接下来学学生可以尝试试计算下。在结果(斯塔克克,20022)中,首先先我们计算在在力函数Faa=F*t曲线下的的面积。为计计算最终速度度,面积Faa在匀加速运运动公式最终终速度v=Fa/mm被用作参数数,其中m是物体A的质量。在在PhysiicsPlaaygrouund中确定定物体A的质量,我我们可以计算算最终速度而而得到一个
45、最最终结果为55.00m/s。这是非非常接近仿真真结果的。除了上面所说的的练习和实验验,PhyssicsPllaygroound可以以被用来演示示各种机械设设备,如图99所示。图9、左:一个个简单的场景景,模拟运动动的汽车曲轴轴。为研究的的活塞的运动动在后台连接接活塞到分析析器。右:离离心调节器。如如果涡轮旋转转得更快,物物体A将升起起和蒸汽供应应将会减少。运动轨迹最后,应用程序序也可以用来来可视化数学学和几何内容容,如运动学学(如图100)。通过一一个适当的链链接和旋转力力量三个形状状之间的A,B,C,我我们可以使形形状B围绕静静态形状A旋转而形状状C围绕形状B旋转。轨迹迹旋转通过路路径适配
46、器在在C上可视化,数学曲线如如外摆线和圆内旋轮线线被画出。图10、PhyysicsPPlaygrround中中的一个外摆摆线结 论有了PhysiicsPlaaygrouund,可以以开发一个虚虚拟现实应用用用于帮助教教学以及学习习力学。在SStudieerstubbe框架上端端的物理引擎擎物理运算算引擎提供了了技术基础和和管理所有物物理计算。模模拟的准确性性是良好的,考虑充分的的教育目的相相比于精确计计算,我们以以此来验证结结果。教育用例演示PPhysiccsPlayygrounnd可以多么么通用的集成成在物理课里里。潜在的应应用是多方面面的。学生可可以构建虚拟拟模拟模型实实验来研究物物理特性,验验证公式,开开发理论,总总之积极参与与物理教育。它它培养实验和和理解。到目前为止,PPhysiccsPlayygrounnd只被在维维也纳科技大大学的互动媒媒体系统集团团的人员评估估。没有对其其学习的有效效性进行相关关评估。收集集关于应用程程序的可用性性的反馈将是是有趣的,因因此在下一个个阶段一个基基于专家的可可用性评估包包括不同年级级的物理老师师和学生将会会非常有意义义。