虛擬現(xiàn)實技術用作治療兒童自閉癥的工具

1、虛擬現(xiàn)實技術用作治療兒童自閉癥的工具 簡 介虛擬現(xiàn)實(VR),一個計算機模擬的真實世界,提供了用戶可以在現(xiàn)實生活中體驗到的多感官,多維介質(zhì)交互(Burdea和Coiffet 2003)。虛擬現(xiàn)實有別于其他技術接口的兩個關鍵特性是:浸沒和互動。浸沒指的是三維的現(xiàn)場感或虛擬環(huán)境中的“存在”。這種強烈的現(xiàn)場感通過增加關注相關刺激和限制注意力分散以及現(xiàn)實任務無關的刺激增強學習(Witmer等 2005)。與虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)交互的程度可以通過任何感覺形態(tài),取決于所使用的設備。虛擬現(xiàn)實工具包括可穿戴頭盔設備(HMDs),提供360度多種感覺的刺激,桌面系統(tǒng),傳統(tǒng)的計算機屏幕上的虛擬世界,和投影系統(tǒng),它們可以捕

2、獲和映射用戶的實時操作到虛擬環(huán)境中(Burdea和Coiffet 2003)。大多數(shù)虛擬現(xiàn)實程序使用這三個系統(tǒng)的變化。虛擬現(xiàn)實正在獲得支持作為一個潛在的康復領域的有效工具,因為它能夠在吸引和激勵用戶的同時提供某些治療的優(yōu)勢。這種快速發(fā)展的技術的潛力“不僅僅是現(xiàn)有的人類運用計算機技術的一個簡單的線性擴展。虛擬現(xiàn)實提供了創(chuàng)建人體試驗系統(tǒng),培訓系統(tǒng)和治療環(huán)境的潛能,它們允許復雜的精確控制,身臨其境,動態(tài)三維刺激演示,在復雜的交互場景中,行為跟蹤和性能記錄的實現(xiàn)” (Rizzo 和Kim 2005, 119頁)?；谶@些原因,設計師和研究人員已經(jīng)開始探索虛擬現(xiàn)實作為一個自閉癥兒童的治療工具。虛擬現(xiàn)實在

3、康復中的作用是一種新的但快速發(fā)展的領域。本章提供了這個領域中一個綜合的先進技術發(fā)展水平知識,以作為未來研究的平臺。下一節(jié)將討論使用虛擬現(xiàn)實作為自閉癥兒童的治療工具的理論優(yōu)勢,以下部分概述了當前為這些孩子創(chuàng)建的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的治療環(huán)境和測試的綜述。虛擬現(xiàn)實技術在自閉癥治療中的應用使用虛擬現(xiàn)實作為自閉癥兒童的康復工具有諸多好處。一般來說,虛擬現(xiàn)實可以合并現(xiàn)有的自閉癥治療方法,而傳統(tǒng)方法難以集成在一個框架。對自閉癥兒童成功教育計劃的基本組件包括提供現(xiàn)實的和相關的刺激,提供個性化程序,創(chuàng)建一個結構化的學習環(huán)境并提供系統(tǒng)的指令(Iovannone 2003)。一個治療的VR程序有能力滿足并且超越上述所有的

4、這些期望。自閉癥固有的非均質(zhì)性導致了多種介入性方法的發(fā)展。從概念上講,孤獨癥康復可以視為一系列上下相關的行為策略來指導孩子,非結構化的,自然的干預措施。行為方法使用重復原則和強化改變特定行為(Lovaas 1987),而自然的方法利用學習的機會當他們出現(xiàn)在自然環(huán)境中(Cowan 2007)。行為方法的有效性已經(jīng)在改變自閉癥兒童特定的行為得到了廣泛的驗證,比如增加目光接觸,表達需求,根據(jù)社會規(guī)范的行為,和學習基本的學術技能,如閱讀、寫作、和批判性思考(Howlin 1998;Magliaro等2005)。行為主義方法的主要缺點是指令主要是醫(yī)生或老師驅(qū)動,加強行為的環(huán)境不一定模擬的是真實情況,從而

5、影響技巧的泛化程度或技能轉(zhuǎn)換到訓練之外(Parsons等2002)。推廣已經(jīng)被認為是最流行和普及自閉癥治療的問題;這是特別明顯的行為干預(Howlin 1998;Rao等1998年)。第二種方法是通過自然干預的措施教學和獎勵在孩子的自然環(huán)境中的行為，旨在解決泛化的問題(Cowan和Allen2007)。然而,往往很難促進強烈重復或在一個復雜的自然情況下修改環(huán)境刺激。雖然每種方法相對的存在缺點,他們通常很難合并在一個程序下運行。虛擬現(xiàn)實有能力填補這一缺口。VR設計師能夠把行為策略直接融入計劃,其中包括直接指令,多個提示,指導和強化。虛擬現(xiàn)實也善于促進多個重復的機會。重要的是,虛擬現(xiàn)實程序可以概括

6、關鍵原則的整體自然的干預措施,特別是在各種情況下加強技能,使用各種教學材料和特殊的教學方法,使教學環(huán)境類似于真實的環(huán)境,教會技能背后的規(guī)則和原則而不是技能本身,包括自然刺激和強化物(Cowan和Allen2007)。VR程序可以提供各種各樣的控制環(huán)境,設計自然刺激信號,反饋。虛擬環(huán)境基本上是用來模擬真實情況,因此,有一個高度的缺乏行為干預措施的生態(tài)效度。生態(tài)效度是虛擬環(huán)境中模擬真實的環(huán)境的程度,高生態(tài)效度增加模擬環(huán)境中所學技能將轉(zhuǎn)移到現(xiàn)實世界中的可能性(Rizzo和Kim2005)。此外,虛擬現(xiàn)實同時允許對環(huán)境刺激特殊控制,使程序可以合并為順序的和包含日益復雜的感官刺激以及促進多個重復的技巧,

7、這兩者都是難以實現(xiàn)的自然的干預措施。因此,虛擬現(xiàn)實有合并基本組件行為和自然的方法為一個統(tǒng)一的、集成的程序的潛能。除了提供一個集成的行為自然化方法,虛擬現(xiàn)實額外的一個好處是它進一步為每個孩子提供個性化程序的容量。個性化的虛擬現(xiàn)實干預可以通過確定孩子的自身興趣和偏好,比如喜歡卡通人物或歌,將它們直接集成到程序中。這種最大化接觸,是成功學習的最重要的預測因子之一(Hurth等1999;Rogers1999)。此外,虛擬環(huán)境的復雜性可以被修改。減少環(huán)境的復雜性或增加首選刺激可以提高孩子的關注度和參與度。自閉癥兒童最好能預測他們的一天。他們在提供了額外的支持,幫助他們預測未來事件,了解行為預計的基礎上更

8、容易適應日常活動的變化(Hurth等1999;Rogers1999)。虛擬環(huán)境可以創(chuàng)建可預測的、結構化的學習環(huán)境同時在干預程序和虛擬環(huán)境本身中有可預見性和一致性。在虛擬場景中的物理雜亂可以最小化,額外的支持,如視覺線索和時間表也可以合并促進活動中的改變或轉(zhuǎn)換(Rogers1999)。在一個適當?shù)慕Y構化學習環(huán)境中,孩子們意識到在學習過程中他們將做什么,最大化他們?nèi)蝿粘晒Φ目赡苄?Hurth等1999;Iovannone等2003)。傳統(tǒng)的自閉癥兒童學習計劃是高度結構化的和重復的,伴隨活動中難度的遞增。這種重復需要教師以一種持續(xù)的激勵方式呈現(xiàn)同樣的練習。虛擬現(xiàn)實可以減輕老師的負擔,因為它有“在一個

9、身臨其境的虛擬環(huán)境中，系統(tǒng)交付能力和控制動態(tài)、交互式3D刺激”(Rizzo和Kim 2005)。完全控制虛擬現(xiàn)實任務的設計允許物理和程序相關的結構被引入到干預中。此外,額外的支持可以集成,環(huán)境可以根據(jù)訓練任務的要求和孩子的需求被簡化。對自閉癥兒童的系統(tǒng)指令需要為每個學生建立有意義的目標,建立一個特定的,直接指令計劃實施教學過程和評估這些目標的實現(xiàn)程度(Hurth等1999;Iovannone等2003)。控制虛擬現(xiàn)實應用的設計允許系統(tǒng)的教學策略被納入程序。指示,線索,提示可以集成到每個任務的階段。VR干預也可以提供各種形式的反饋和感官(Rizzo和Kim2005)。因此,虛擬現(xiàn)實程序有能力整合

10、關鍵方面的系統(tǒng)指令,從而促進參與,最終提高學習。在兒科康復中使用虛擬現(xiàn)實的唯一好處是安全的保證,這是一個父母主要關心的問題。這與通常沒有足夠的認知能力了解危險的概念的殘疾兒童的父母更加相關,或者他們沒有足夠的身體的技能來應對危險情況。虛擬現(xiàn)實技術提供了對在現(xiàn)實世界中被認為是危險的現(xiàn)實環(huán)境的安全訪問,如過人行橫道或消防安全。在一個虛擬環(huán)境中練習危險的技能讓孩子開拓足夠的認知和物理技能以及在現(xiàn)實世界中安全運用這些技能的信心(我等2007)。無偏見環(huán)境能夠發(fā)展一個在安全方面的信心和能力,是虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的最有價值的功能之一?？偟膩碚f,虛擬現(xiàn)實有能力將不同介入方法合并成一個有凝聚力的項目去迎合自閉癥兒童

11、獨特的學習要求,通過結構控制和系統(tǒng)的指令,高程度的現(xiàn)實主義,保證身體,心理和情感上的安全。雖然其理論優(yōu)勢明顯,虛擬現(xiàn)實在多大程度上實現(xiàn)了這種潛能將在下一節(jié)中討論。幾種方法將被提出,每個都將將虛擬現(xiàn)實納入自閉癥兒童的治療。虛擬現(xiàn)實和自閉癥治療當前部分描述了使用VR作為自閉癥兒童的治療方式及其可用性。第一節(jié)著重于使用虛擬解決三種孤獨癥的基本不足中的兩個,即社會和交際行為的核心障礙。第二部分論述了虛擬現(xiàn)實的擴展到其他非診斷性障礙和技能不足是自閉癥兒童常見的治療目標。解決基本不足虛擬現(xiàn)實有支持自閉癥兒童社會學習和交流發(fā)展的潛能。當前節(jié)展示已經(jīng)創(chuàng)建的四個獨立程序,初步測試用于自閉癥兒童。每個程序在虛擬環(huán)

12、境的設計和格式以及干預本身的強度等方面用一種稍微不同的方法改善自閉癥兒童社交和溝通行為。虛擬咖啡館是一個桌面虛擬現(xiàn)實程序,旨在教導在公眾場合中適當?shù)纳鐣袨?。虛擬咖啡館里描繪了一個模擬環(huán)境,配有一個能購買飲料,酒保和各種人坐在凳子上,排隊秩序,站在吧臺前的計數(shù)器(見圖1)。該程序包含四個等級,教導日益復雜的社會習俗與訂購,支付,在人群中導航,在一家咖啡館坐下來。孩子為了完成任務收到口頭和文字提示。通過完整的程序運作之后,其中包括兩項訓練,每項30 - 50分鐘長,青少年能夠用言語表達,更加復雜,將他們對社會習俗的理解應用在一個咖啡館環(huán)境以及可以擴展他們學習其他的虛擬場景(Mitchell 20

13、07)。虛擬咖啡館項目反映了在自閉癥治療中使用虛擬現(xiàn)實常用方法:提供一個對常見場景的現(xiàn)實模擬,將更加突出線索,提示和增強和多個實踐技能的機會。能否真正的普遍化技能于真實場景中(例如：在一個真正的咖啡館中),以及其他類似的社會習俗場景尚不清楚。名叫“我要表現(xiàn)好像”的觸摸屏虛擬現(xiàn)實工具是為了教自閉癥兒童如何思考想象(Herrera等2008)。這個程序為了促進想象力或象征性思維而開發(fā),被認為是對發(fā)展前兆復雜的社會的理解?！拔乙憩F(xiàn)好像”這一程序模擬一個虛擬超市內(nèi),孩子們可以對象逐漸有更多想象力的方式與各種雜貨相處。起初,孩子們探索超市。然后他們與對象功能交互(例如，撿香蕉),最終學會以虛構的方式(

14、即操作對象。把香蕉用作電話)。實際的干預是非常密集的,由每周三個交易日,每次20 - 30分鐘長,持續(xù)約2 - 3個月。孩子們通過多個水平和復雜度的程序逐步進步。有兩個孩子的自閉癥試點研究中,兩個孩子均改善測試對象的使用功能,假裝玩,想象力,和魔法的理解(Herrera等2008)。這些結果對使用虛擬現(xiàn)實工具來提高自閉癥兒童的象征性思維能力提供了初步支持;然而,需要更大規(guī)模的研究來驗證這一結果和評估假設改善象征性思維轉(zhuǎn)化為社會發(fā)揮行為的變化。圖一、虛擬城市應用程序的屏幕截圖(米切爾等2007)?？Х瑞^就是從用戶的角度來看,其任務是選擇合適的地方坐第三個項目是StoryTable、多用戶觸控手勢

15、投影系統(tǒng),它提供了一個創(chuàng)新的社會技能和溝通培訓方法(Bauminger等2007)。StoryTable程序采用協(xié)同虛擬環(huán)境中兩個孩子共同努力,創(chuàng)建一個虛擬的故事通過選擇和排序的各種實時屏幕和故事元素,如設置,情節(jié)和主人公。一些故事元素必須同時被兩個用戶被移動,這需要兩個孩子的合作。干預本身側重于教學和加強關鍵社會技能如眼神、輪流、分享和聯(lián)合指導行為。實際的程序為高功能自閉癥兒童設計,9到11歲,是結構化的十多個20分鐘的會話。在治療期間,一對孩子在指導下一起創(chuàng)建和講述故事。三對孩子評估這個項目。完成課程后,所有的孩子都呈現(xiàn)出更多的積極的社會行為,成功地推廣到另一個合作領域,非虛擬現(xiàn)實游戲。此

16、外,兒童游戲的質(zhì)量改進從簡單的平行游戲到復雜,協(xié)調(diào)的游戲，他們的溝通進展從簡單的短語到更復雜,深刻的話語(Bauminger等2007)。StoryTable項目支持一種結合刺激,獎勵可視化界面,與真實的人進行學習和互動機會的成功方法。圖2 教師與學生虛擬合作活動圖（Cheng等2010）任務中，學生需對老師的指令選擇適當?shù)拿娌勘砬榉磻貞?。多用戶虛擬環(huán)境自閉癥治療的能力最近被擴展到“協(xié)作虛擬學習環(huán)境”的概念(CVLEs),它允許多個人在同一個虛擬環(huán)境中相互作用(Cheng和Ye 2010)。這個CVLE程序旨在提高自閉癥兒童的社會能力。虛擬現(xiàn)實設計包括兩個虛擬場景：教室和戶外場景。場景包括單

17、獨的化身(虛擬角色),每個代表一個教師或?qū)W生,涉及的社會任務包括化身之間語言和非語言溝通。例如,老師的化身將執(zhí)行一個行為,問一個問題,或表達一種情感,學生將被要求做出適當反應(見圖2)。干預計劃是專為學齡兒童自閉癥干預包括五個干預課時,每個30-40分鐘長。三個自閉癥兒童的報告已經(jīng)顯示在感知和表達語言和非語言溝通的程度和復雜度以及增加積極的行為,如眼神交流,適當?shù)亩Y儀和傾聽他人的能力有漸進式的進步(Cheng和Ye 2010)。因此,類似于StoryTable程序,可以推斷出,提供機會與虛擬和非虛擬中的人進行交互可能在虛擬或非虛擬中任何一個的效果要好。表1虛擬現(xiàn)實的核心目標和自閉癥障礙治療的程

18、序。表1總結了4個虛擬現(xiàn)實程序，目標核心、診斷的自閉癥障礙的討論部分主要解決的不足。三個項目注重社會行為和溝通行為，一個注重想象力和象征性思維。每個項目使用不同類型的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)和不同的干預強度。行為目標VR系統(tǒng)和壞境類型干預強度相關文獻社會交際行為桌面VR，虛擬咖啡館兩個課時，每個30-50分鐘Mirchell等2007年想象力和象征性思維可觸桌面VR，“我要表現(xiàn)好像”每周3個課時，每個20-30分鐘，持續(xù)2-3個月Herrera等2008年社會交際行為多用戶觸控手勢VR，StoryTable應用10個課時，每個20分鐘Bauminger等2007年社會交際行為桌面VR，合作虛擬學習環(huán)境5個

19、課時，每個30-40分鐘Cheng等2010年總的來說,這四個項目顯示了改善特定社會和交際行為的潛力。每個程序方法處理問題的方式略有不同,但每個均關注提高個別技能或行為并提供重復的實踐機會(見表1項目總結)。遇到的主要問題是在現(xiàn)實生活中這些技能轉(zhuǎn)換的程度。目前還不清楚如果虛擬現(xiàn)實提供的高度的現(xiàn)實主義的推廣是否會產(chǎn)生重大影響。所有程序需要將概括任務納入他們的評價過程?？偟膩碚f,程序明顯說明一個事實，即使虛擬現(xiàn)實有潛力成為一個更大治療項目有價值的助手,但很可能不夠作為一個孤立的手段為自閉癥兒童提供治療。解決其他不足盡管虛擬現(xiàn)實已經(jīng)成為解決社會和交際障礙定義自閉癥的常見手段,也有可能改變其他領域的行

20、為和思維模式。本節(jié)探討了利用虛擬現(xiàn)實技術來解決自閉癥兒童經(jīng)常遇到的普遍但非核心問題。創(chuàng)建虛擬現(xiàn)實項目來提高安全行為,神經(jīng)認知不足和感覺不足。安全行為自1992年以來，斯特里克蘭和他的同事為普遍發(fā)育遲緩的兒童開發(fā)各種虛擬現(xiàn)實系統(tǒng),包括自閉癥。其中的一個系統(tǒng)是一個教家庭消防安全的桌面虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)。程序本身的設計是基于美國消防管理局推薦的安全步驟,其中包括逃離的最短路線和召集小組到共同的聚會場所。在虛擬項目中,在消防安全教育的背景下的每一步,一個虛擬的房子,通過動畫形象“巴迪“展現(xiàn)。程序為3和6歲的自閉癥和其他普遍發(fā)育障礙兒童所設計，最初測試在孩子的家庭(1小時訓練)和在學校(多個10分鐘會話結束幾

21、個月)都有。在最初的項目評估研究中,斯特里克蘭和他的同事報道,14個孩子中的11個成功地學會了消防安全步驟,能夠概括他們的新技能,口頭描述如何應用安全措施回到自己家里(Strickland等2007)。但孩子們是否會在真正的緊急情況下執(zhí)行這些步驟尚未確定。在這些結果的基礎上，他和他的同事(2007)創(chuàng)建了一個虛擬現(xiàn)實程序,合并了火災和龍卷風的安全措施。此外,他們使用ScentPalate(R),它提供了一種煙熏的氣味,從而實現(xiàn)了首次嗅覺的虛擬體驗。這個項目是專門為年齡在6到12歲的自閉癥兒童設計的。程序提出了比斯特里克蘭和他的同事們的計劃更高復雜度的任務,涉及到5周的訓練。相比非虛擬現(xiàn)實的安全

22、培訓項目如那些使用傳統(tǒng)的直接指導,圖片卡及角色扮演相比，孩子在同一水平上完成虛擬培訓項目的執(zhí)行。此外,VR程序與傳統(tǒng)的程序相比需要大約一半的時間管理,不包括額外的準備工作參與規(guī)劃和后期的組織材料(我等 2007)。因此,雖然孩子可能通過虛擬現(xiàn)實和非虛擬現(xiàn)實項目達到相似的掌握水平,但有些孩子從虛擬媒體比傳統(tǒng)項目會更有效地學習。利用虛擬現(xiàn)實的能力,個性化的培訓項目也對增加個人成就有幫助。除了緊急情況下的安全,過馬路的安全也是一個父母擔心的主要問題。一個基于虛擬現(xiàn)實的過馬路項目為年齡在8-16歲的自閉癥兒童開發(fā)。程序要求孩子通過控制他們的虛擬化身的行為安全的過馬路。程序本身是由九個階段的學習組成,其

23、間任務變得越來越困難,需要大約十六課時10-30分鐘的學習。在程序中,孩子學習使得化身在在穿越之前,要看兩方的馬路，不在紅燈期間過馬路,有綠燈變?yōu)榧t燈的意識,以及如何避免事故的發(fā)生。一群通過虛擬現(xiàn)實中治療自閉癥兒童測試了這個程序;但是,只有大約一半的孩子可以運用到真實生活中過馬路(Josman等人出版)。因此,盡管VR提高實際推廣理論,但這項研究的結果強調(diào),每個虛擬現(xiàn)實項目必須單獨評估其真正的生態(tài)效度和臨床適用性?？傊?這三個教學項目說明虛擬現(xiàn)實教育自閉癥兒童安全行為的潛能。虛擬環(huán)境提供了孩子們一個安全的訓練技能的環(huán)境,否則這些訓練可能在真實環(huán)境中相當危險。孩子們犯的錯誤,通常將給帶來災難性的

24、后果。然而,在虛擬環(huán)境中學習的程度轉(zhuǎn)化為實際的行為是有問題的。在上述項目,參與者在真實的場景中的表現(xiàn)也變化很大。這種間斷或許可以通過模擬更大程度的現(xiàn)實,更大的沉浸度和在虛擬活動中更大的參與度。神經(jīng)認知不足自閉癥兒童神經(jīng)認知不足已經(jīng)反復證明,包括特定的障礙,如注意力和執(zhí)行能力的缺陷(Hill2004)。自閉癥不足引起的神經(jīng)認知不足與其他疾病的神經(jīng)認知不足特征經(jīng)常重疊。有新興的旨在解決自閉癥兒童這些不足的程序。從概念上講,改善不足或許構成了各種公開的行為的基礎，可能會導致更大的整體發(fā)展(Wang和Reid 2009)。馬克斯和伯克(1997)創(chuàng)建了一個夢境驅(qū)動的虛擬游戲來解決自閉癥兒童的注意力缺陷

25、。程序顯示了一個有龍和其他各種神秘的生物三維山區(qū)。盡管有多個虛擬現(xiàn)實程序為兒童注意缺陷多動障礙而開發(fā),當前項目是獨一無二的,因為它是專門為年齡4-11歲的自閉癥兒童開發(fā)的。使用一個頭戴設備,孩子能夠檢測視覺和聽覺對象并與之交互。五個孩子患有自閉癥和五個發(fā)育正常的兒童參與評估的研究計劃和評估改善注意力分散和時間的任務。自閉癥兒童在虛擬世界中表現(xiàn)出更高程度的關注事件和地點,空間和定向聽覺刺激，這一現(xiàn)象證明在虛擬世界中有一個直接影響孩子們的“存在”的感覺。因此,多系統(tǒng)提示加入虛擬項目有助于孩子專注任務和參與。然而,不同于為注意缺陷多動障礙兒童設計的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng),這個程序沒有具體的目標、可衡量關注的組

26、件。其他研究小組也在參與和改進報道出現(xiàn)在自閉癥兒童治療中的VR干預措施。尤其是兩個小組,使用投影虛擬現(xiàn)實、將虛擬環(huán)境投射到墻上或屏幕,用戶的形象和動作可以捕獲并實時投影到屏幕。Mineo和同事(2009)測試了一個虛擬環(huán)境,在其中孩子被映射在海灘上,被蛋形的物體包圍并在空中移動。孩子必須伸出手去觸摸的對象,通過這樣做,促進他們轉(zhuǎn)換成為鳥。研究人員進行了一項研究,年齡6-18歲的42個自閉癥兒童被隨機分配到self-video(查看視頻自己從事虛擬現(xiàn)實活動),其他視頻(查看視頻的一個熟悉的人從事虛擬現(xiàn)實活動)和self-VR(實際參與虛擬現(xiàn)實活動)。比較不同群體,兒童self-VR集團展現(xiàn)出最大

27、的關注和實際表現(xiàn)。這種支持虛擬環(huán)境中的主動積極參與比被動觀察的類似事件展現(xiàn)出更大的潛力。與簡單的形狀分組不同,我們的應用程序允許定義不同形狀之間的機械聯(lián)系(如圖4)。當前實現(xiàn)了一個轉(zhuǎn)動關節(jié),一個棱形的聯(lián)合和一個僵硬的關節(jié)連接。對于轉(zhuǎn)動聯(lián)合,可以添加電動機。它會導致其附加形狀旋轉(zhuǎn)和常數(shù)徑向速度。運用這樣的連接可以創(chuàng)建更復雜的物理場景。例如,可以構建一個離心調(diào)節(jié)器在PhysicsPlayground模擬這種方式(如圖9右)。修改和定位各連接點要么是利用脈沖要么直接通過選擇聯(lián)合一個3D空間。分 析在每一個物理實驗中,我們可能對一定震級和性能的模擬對象感興趣。為了能夠區(qū)分虛擬仿真與真實,在對象提取之前

28、、期間和在運行時提供準確的物理性質(zhì)顯得尤為重要。出于教學的目的,這些數(shù)據(jù)可以用來學習的理論背景或用傳統(tǒng)方式確認結果,例如,通過使用適當?shù)墓健Ｒ愿吲d趣對物理震級的分析是速度、加速度、力、摩擦、能源和路徑。提供兩種機制都輸出這樣的數(shù)據(jù)：a)一種可以進行距離測量的簡單工具b)一個強大的分析器,可以從形狀提取和顯示所有有趣的、有關物理震級(如圖4右)。我們使用一個示波器作為原型分析。一個示波器有兩個軸,一個時間軸和一個電壓軸。兩軸相等地用于我們的應用程序。從價值軸我們可以得到除了絕對值,如電壓也由三維向量組成。這是必須的,因為像速度或路徑級有三個尺寸加值。因此,我們的分析儀有四個輸入字段- x，y，

29、z和絕對值。輸入字段可以連接到不同的形狀屬性,如速度和動能能源。這個屬性通過所謂的適配器表示。速度、能源和一個路徑適配器的支持。適配器必須手動添加每個形狀。一個額外的適配器聯(lián)接特定的物理級,通過適配器、數(shù)據(jù)可以插入分析儀。模擬過程中,適配器將不斷地發(fā)送它值一致的時間價值函數(shù)分析儀并實時繪制。這使得學生在運行實驗時學習所有的數(shù)據(jù)。此外,這些適配器不僅充當?shù)椒治銎鞯慕涌谕瑫r我們也可以想象他們的價值。例如,路徑適配器(附加到一個對象)記錄和隨后畫它的軌跡,而速度適配器將在x,y和z方向分裂和可視化絕對速度值。力適配器除了具有分析能力的適配器,我們還添加了一個力適配器。通過力適配器,一個直接和動態(tài)多變

30、的力可以作用在一個形狀上影響其運動。這是的在物理場景中有了許多新的可能性。例如想象精確模擬一個加速和減速一輛車。適配器的配置是通過個人互動面板配置的。當選擇適配器時,可以使用一個內(nèi)置的關鍵幀編輯器定義一個力的時間函數(shù)。最后這個函數(shù)在模擬過程中被執(zhí)行。這個功能表現(xiàn)在下一節(jié)的“教學經(jīng)驗:速度和速度”的例子中。圖4、在虛擬現(xiàn)實中可視化的PhysicsPlayground元素在圖4中,顯示了上述PhysicsPlayground的構件。A和B代表機械聯(lián)系。兩個連接相同的形狀,盒子和球體。轉(zhuǎn)動關節(jié)B制約兩者之間的身體沿旋轉(zhuǎn)軸(深色的箭頭指向外)的轉(zhuǎn)動運動。棱柱聯(lián)合A限制了平移運動兩者之間的身體沿著矢量在

31、A以下繪制。 C是一個更復雜的形狀,一個翻跟斗。D顯示分組的形狀,在模擬將一起運動。E表示分析儀連接速度適配器F的一個球體。在模擬時F的速度值將要記錄。在分析儀結果中橙色曲線代表的是從早些時候的實驗運行的球反彈到底層平面和繼續(xù)滾下。僅僅通過在橙線記錄上移動筆我們可以獲得準確的時間流速值。G演示了測量工具。目前,測量的是一個盒子的長度。教 育 用 例力和反作用力在下面,PhysicsPlayground對于學校實驗和學校練習的適用性將通過力和反作用力演示。如力和反作用力的影響通過動力學第三個公理描述。它表明每個力都有兩個涉力物體A和B導致了大小相等方向相反的反作用力。我們使用波爾(1931)描述

32、一個實驗去證明力和反作用力。因此,兩人面對面站,各自站在各自的無摩擦力的移動車廂上(如圖5)。同時,兩人抓住一個繩連接他們。有了這樣的設置,我們可以進行一系列的測試:1. 所有參與者同時拉繩子。2. 左邊的人拉繩子而右邊的人抓住繩子。3. 同上面一樣，但只是右邊的人拉繩子。獨立的參與者拉繩子,兩車將從開始的點移動相同的距離在中間的兩個碰撞。這是一個結果的力和反作用力。圖5、對于作用力和反作用力的解釋在我們的模擬實驗中,馬車(人所站的地方)由兩個相同的,無摩擦滑動的盒子A和B替換。每個箱子有一個可旋轉(zhuǎn)的球體在中間,球體是通過兩個轉(zhuǎn)動關節(jié)安裝在箱形框架。這些球體代表了兩個人。繩子就通過位于頂部的兩

33、個球體間的一個木棒表示。此外,木棒和球體必須有一個最大化摩擦系數(shù)為1,這樣一切都正確的。接下來,我們希望參與者在模擬中拉繩子。因此,馬達必須附加到每個箱形框架的一個轉(zhuǎn)動關節(jié)上。在物體A上,這個馬達必須自旋逆時針方向旋轉(zhuǎn),而在物體B,它必須順時針旋轉(zhuǎn)。當一個馬達模擬過程中被激活,它將把一個預定義的轉(zhuǎn)矩沿連接球體的轉(zhuǎn)動軸轉(zhuǎn)動。這將把球體用動變成一個轉(zhuǎn)動運動。這個球又將試圖把這個運動傳遞到球和木棒的每個接觸點。這導致一個與球無關地反對其轉(zhuǎn)動的力F1。在另一個方向,它在木棒上施加一個反作用力F1和前面的力F1具有相同的絕對值。無論一個或兩個馬達被激活,觀察模擬實驗的人會注意這兩種仿真箱框架將總是在中點

34、合為一體(在他們起點之間的中部位置)。此外,這可以證明在PhysicsPlayground通過通過軌跡適配器分析每箱形框架的路徑。在仿真中,分析儀將記錄一個類似于圖5右所示的曲線。學生可以讀取s1和s2分析器的距離。不管哪個人拉繩子,兩個車廂總是相等地移動。教學課：速度和速率這節(jié)課演示了PhysicsPlayground如何可以應用到一個傳統(tǒng)物理課。選擇適當?shù)奈锢磉\動(斯塔克,2002)。它實際上是一部分高中最終的物理考試。在這個練習中,幻燈片上的兩個物體A和B均在一架飛機在全球坐標系x軸上以不同的速度運動。在某個時間點,兩個物體可能發(fā)生碰撞。在這個設置下許多物理場景可能發(fā)生。我們將重新創(chuàng)建大

35、多數(shù)學校任務(斯塔克,2002)和在后來擴展的場景。在PhysicsPlayground中開始時設置包含一個平面和兩個物體A和B一樣如圖6步驟1所示。.圖6、完成PhysicsPlayground基于教學聯(lián)系的設置后進行的3步模擬過程學生的問題描述如下：物體A代表一輛玩具車沿著X軸正方向運動。從它所處的位置開始運動加速時間與圖7所給出的力FA(t)相關，所有物體摩擦力為零。使用PhysicsPlayground獲取到玩具車A的最終速度并用正常算法算出來的值檢驗它。圖7、左圖為所給的力與時間關系圖，右圖為力適應轉(zhuǎn)換在PhysicsPlayground的幫助下為了解決這個問題,首先學生不得不將時間-力的函數(shù)轉(zhuǎn)換到PhysicsPlayground中。 基本上,這是通過添加一個力適配器,它指向x軸正方向到玩具車。這個適配器是顯示在圖6中,附加到對象A(點表示為)。在下一步,為了表示時間-力的函數(shù)關鍵幀的適配器必須進行調(diào)整,如圖7所示。如果一切正常,在仿真開始后物體應該沿著x軸運動。在為了檢驗運動,學生可以創(chuàng)建一個分析器連接力適配器和輸入的分析器。如果分析儀的記錄等于圖7中時間-力的函數(shù),說明前面的步驟都正確地執(zhí)行。下一步是調(diào)查玩具車的速度。這很簡單我們只需要給物體A附上