基于Flash3D的中學化學虛擬實驗平臺的設計與實現(xiàn)

[摘 要] 用Flash3D技術開發(fā)三維虛擬實驗平臺具有技術難度適中、功能易于擴展、瀏覽器插件安裝方便且使用普遍等優(yōu)點，但是已有的三維虛擬實驗平臺較少采用Flash3D技術。文章首先從系統(tǒng)架構、數(shù)據(jù)庫設計、虛擬實驗過程設計等方面詳細論述了基于Flash3D技術的中學化學虛擬實驗平臺的設計方案，然后闡述了該平臺的功能，接著從三維虛擬實驗場景中的交互、化學實驗現(xiàn)象的模擬、數(shù)據(jù)通信等方面提出了該平臺的實現(xiàn)方法。最后介紹了中學化學虛擬實驗平臺的特色。

[關鍵詞] 中學化學虛擬實驗平臺； Flash3D； 設計與實現(xiàn)； Papervision3D； Flint粒子系統(tǒng)

[中圖分類號] G434 [文獻標志碼] A

[作者簡介] 張學軍（1968—），男，甘肅會寧人。教授，博士，主要從事數(shù)字化教育資源設計與開發(fā)、虛擬現(xiàn)實技術與教育研究。

一、引 言

化學作為一門以實驗為基礎的學科，它通過實驗教學可以使學生獲得生動的感性知識，從而更好地理解、鞏固所學的化學知識。同時，實驗更是培養(yǎng)和發(fā)展學生思維能力和創(chuàng)新能力的重要方法和手段。近幾年來隨著新課程改革的不斷深入，中學化學實驗教學改革取得了一定的進展，但是實驗教學中仍存在實驗設備不足、實驗室開放時間少、實驗內容的深度和廣度不夠、大多數(shù)教學實驗屬于驗證性實驗等問題。針對這些問題，許多學校采取了改善實驗教學條件，改進實驗教學方法等措施，一些學校還逐步在實驗教學環(huán)節(jié)中引入虛擬實驗。充分利用具有開放性、仿真性、經(jīng)濟性、可重復使用性、共享性等獨特優(yōu)點的虛擬實驗進行教學，可以有效彌補現(xiàn)實實驗教學的不足。[1]目前已經(jīng)開發(fā)的三維虛擬實驗平臺大多基于VRML、Virtools、VRP等技術，[2][3][4][5][6][7]使用Flash3D技術的則較少。[8]這幾種典型的三維虛擬實驗開發(fā)技術都有各自的優(yōu)點和不足，其技術比較見表1。

使用VRML開發(fā)虛擬實驗技術雖然是免費、開源的，但其開發(fā)難度高，周期長；使用Virtools開發(fā)虛擬實驗技術難度較高，側重于單機版，網(wǎng)絡版功能受限制；使用VRP開發(fā)虛擬實驗技術難度較低。其中Virtools和VRP用于商業(yè)均需要付費，VRML、Virtools和VRP應用于網(wǎng)絡環(huán)境時其瀏覽器插件都不普及，且功能擴展時難度高。使用Flash3D開發(fā)虛擬實驗技術難度適中，功能易于擴展，便于連接后臺數(shù)據(jù)庫形成集實驗教學、實驗操作、實驗報告和實驗評價于一體的綜合性的實驗平臺。Flash3D技術是近年迅速發(fā)展起來的一種在線3D技術，它用ActionScript在Flash二維的世界里表現(xiàn)三維對象。其主要優(yōu)勢在于：（1）Flash播放器已相當?shù)仄占?，根?jù)調查顯示，約98.7%以上的PC上都有安裝；（2）Flash技術背后有Adobe公司的強力支撐，Adobe提出的RIA技術架構已成為當今Web發(fā)展與應用的一個熱點。目前Flash3D的主要引擎有Papervision3D、Away3D、Sandy3D、Alternativa3D等。其中Papervision3D（以下簡稱PV3D）由巴西人Carlos開發(fā)出來，目的在于實現(xiàn)更加炫麗美觀、功能強大的Flash3D Web應用程序。PV3D以其開源、支持ActionScript3.0（以下簡稱AS3）、API文檔齊全、性能優(yōu)越受到好評。為開發(fā)方便，本文在平臺設計開發(fā)中選擇Flash3D引擎中免費、開源的PV3D來使用。

二、 VCE平臺設計

（一）系統(tǒng)架構

中學化學虛擬實驗平臺VCE（Virtual Chemical Experiment，以下簡稱VCE平臺）采用Web/Brower模式，客戶端采用瀏覽器來完成實驗操作及實驗報告填寫、批改、查詢等功能。開發(fā)三維虛擬實驗時，使用FlashCS5，腳本語言采用AS3。由于FlashCS5基本上是二維的，所以三維實驗場景在3DSMAX創(chuàng)建完成后需要通過DAE插件導出，導出后的DAE文件還需要在FlashCS5中安裝三維引擎PV3D才能支持。服務器端采用Web Server IIS 6.0+ASP程序?？蛻舳酥邪墓δ茉诜掌鞫擞袑奶幚沓绦颍缈蛻舳酥械摹皩嶒灢僮鳌惫δ茉诜掌鞫擞小皩嶒灢僮鰽sp程序”來作相應的處理。數(shù)據(jù)庫采用Access或Microsoft SQL Server 2000。VCE平臺系統(tǒng)架構如圖1所示。

圖1 VCE平臺系統(tǒng)架構

（二）數(shù)據(jù)庫設計

VCE平臺數(shù)據(jù)庫由五部分組成：用戶管理及界面、虛擬實驗及實驗報告、作業(yè)布置及批改、在線考試、在線論壇。其中用戶管理及界面包括六個數(shù)據(jù)庫表，其中管理員表、教師表及學生表分別存儲不同身份人員的信息，班級表存儲學生班級數(shù)據(jù)，教師菜單表和學生菜單表分別存儲教師和學生進入系統(tǒng)后的界面顯示控制信息。虛擬實驗及實驗報告包括很多表，每個具體的中學化學虛擬實驗由兩個表組成，如 “一氧化碳還原氧化銅”虛擬實驗由一氧化碳還原氧化銅虛擬實驗表和一氧化碳還原氧化銅實驗報告表組成，前者主要存儲學生做虛擬實驗的過程記錄，后者則存儲學生完成的實驗報告。需要說明的是虛擬實驗表中的部分字段要傳遞數(shù)據(jù)給實驗報告表，以服務于實驗報告的填寫。作業(yè)布置及批改由作業(yè)布置表和作業(yè)批改表組成，前者完成實驗作業(yè)的具體布置任務，后者則記錄學生所完成的實驗作業(yè)及教師對作業(yè)的批改信息。在線考試由單選題表、多選題表、填空題表、問答題表和閱卷表組成，前四個表存儲不同類型的考試試題及參考答案，閱卷表則存儲對學生在線考試的批閱信息。在線論壇由論壇主題分類表、發(fā)言帖子表、用戶積分表等多個表組成，論壇主題分類表主要存儲虛擬實驗的主題分類信息，一般來說一個虛擬實驗項目作為一個主題分類。發(fā)言帖子表存儲用戶發(fā)帖、回帖的數(shù)據(jù)，用戶積分表則主要存儲用戶因為發(fā)帖、回帖而產(chǎn)生的積分信息。數(shù)據(jù)庫各大部分及每一部分之間的內部結構關系如圖2所示。

圖2 VCE平臺數(shù)據(jù)庫內部結構關系

（三）虛擬實驗過程設計

VCE平臺共設計了10多個不同的中學化學虛擬實驗，每個虛擬實驗的過程設計類似。下面以“一氧化碳還原氧化銅”實驗為例來說明。 “一氧化碳還原氧化銅”實驗在過程上主要是從以下六個方面進行設計的：（1）選擇實驗儀器藥品；（2）取裝藥品；（3）組裝儀器；（4）按正確順序操作實驗；（5）觀察并記錄實驗現(xiàn)象；（6）停止通一氧化碳，熄滅酒精燈并拆卸儀器。為了讓學生能夠熟練地掌握本實驗用到的儀器藥品，設計了“選擇實驗儀器藥品”這一環(huán)節(jié)，同時為了降低選擇的難度，使學生有足夠的信心去做，為學生提供了三次選擇的機會，同時給出了相應的提示，縮小選擇范圍，如“除了鐵架臺、試管、木塊、酒精燈、導管以外，還需要以下哪三種實驗儀器？你有三次選擇機會”，學習者在操作過程中選對或選擇次數(shù)達到三次將出現(xiàn)進入下一步的按鈕，單擊進入下一步。在分值的計算上，采用了依次遞減計分的方法，即第一次全選對計為滿分（此部分分數(shù)占操作過程總分的30%），第二次選對則為總分的30%×90%，第三次選對為總分的30%×80%，否則計為0分。這些得分直接記錄在虛擬實驗表中，然后系統(tǒng)從虛擬實驗表中調取該部分得分到實驗報告中。為了培養(yǎng)學生的化學實驗動手能力，在組裝化學儀器的過程中不但設置了組裝正確或錯誤的反饋，并且給出了時間限制，若在規(guī)定時間內仍未完成儀器組裝，則實驗自動跳轉到下一步繼續(xù)運行。為了加深學生對實驗過程中一些關鍵知識點的記憶以及加強虛擬實驗的真實性，在實驗操作過程中設計了對重要知識點的考核，如在通入一氧化碳的環(huán)節(jié)（這個環(huán)節(jié)是實驗的重點環(huán)節(jié)，包含的知識點為考點）中，正確的操作應該是先通入一氧化碳，再點燃最右邊的酒精燈，最后點燃鐵架臺上的酒精燈。但在實際操作過程中并不是所有學習者都可以一次性按正確的步驟進行操作，所以在虛擬實驗操作過程中對錯誤的操作引起的后果給與提示和形象的直觀表現(xiàn)，在加深學生印象的同時提高了虛擬實驗的真實性。比如學習者在操作過程中，先點燃了鐵架臺上的酒精燈，后通入一氧化碳，則顯示試管爆炸破裂的現(xiàn)象，并提示重做。因為雙孔試管加熱會導致右邊試管中的澄清石灰水回流，造成試管炸裂。在操作虛擬實驗的過程中，為了培養(yǎng)學生的觀察能力和語言表達能力，設計了一些文本輸入框，供學生填寫觀察到的實驗現(xiàn)象、實驗中存在的問題等。如在“觀察并記錄實驗現(xiàn)象”環(huán)節(jié)中，設計了“你觀察到的實驗現(xiàn)象是： ”這一輸入文本框，并且根據(jù)學生輸入的內容，系統(tǒng)會給出相應的反饋。

三、 VCE平臺功能

VCE平臺由三大功能模塊組成：管理系統(tǒng)、虛擬實驗系統(tǒng)和實驗評價系統(tǒng)，如圖3所示。

圖3 VCE平臺功能模塊

（一）管理系統(tǒng)

管理系統(tǒng)包括用戶管理和實驗資源管理。用戶管理系統(tǒng)主要用于存儲、管理和維護用戶信息，系統(tǒng)有三類主要用戶：教師、學生和管理員，不同的用戶有不同的權限和職責。實驗資源管理主要是對實驗資源進行更新維護，包括添加刪除實驗、課程實驗管理和實驗儀器的管理。

（二）虛擬實驗系統(tǒng)

虛擬實驗系統(tǒng)包括各類具體實驗、實驗教學資料、實驗儀器和開放性實驗。根據(jù)實驗教學要求，利用虛擬現(xiàn)實技術構建各種虛擬儀器和物品，讓用戶在網(wǎng)上進行實驗。實驗教學資料提供實驗相關的知識，如實驗目的、實驗原理、實驗內容、儀器藥品、實驗說明等；開放性實驗是為開發(fā)學生的創(chuàng)新思維和想象能力而設計的，學生可以根據(jù)興趣、實驗儀器的功能實現(xiàn)各種設計性實驗。如“一氧化碳還原氧化銅”虛擬實驗，如圖4所示。在虛擬實驗中主要有基于鼠標的操作交互和基于鍵盤的操作交互。圖4中所反映的是基于鍵盤的操作交互中的文本輸入型操作交互，輸入觀察到的實驗現(xiàn)象“試管口有氣泡產(chǎn)生，澄清石灰水變渾濁，黑色的氧化銅粉末變?yōu)榧t色”，通過計算機存入到“一氧化碳還原氧化銅”對應的虛擬實驗表中以便在實驗報告中調用。

每個虛擬實驗項目具體的開發(fā)步驟為：分析實驗并依照實驗指導先作好教學設計，然后結合2D和3D軟件工具進行Web頁面的整體布局設計。場景以及主體對象模型、材質及運動設計在3DSMAX中完成后，利用導出插件導成PV3D可以識別的DAE格式，在FlashCS5中使用AS3腳本語言通過PV3D引擎設置交互事件。最后將FlashCS5的內容集成到同一Web頁面內，實現(xiàn)FlashCS5對實驗場景及內容的直接控制。虛擬實驗真正實現(xiàn)了建模的真實性、場景的沉浸感與實驗交互性的全面結合，進一步提高了虛擬實驗設計開發(fā)的科學性和實用性。

圖4 “一氧化碳還原氧化銅”虛擬實驗

（三）實驗評價系統(tǒng)

實驗評價系統(tǒng)包括實驗報告系統(tǒng)、作業(yè)系統(tǒng)、在線考試、在線論壇。實驗評價數(shù)據(jù)從后臺數(shù)據(jù)庫獲取。教師依據(jù)評級標準對學生的實驗過程進行評價，給出反饋意見。

學生使用實驗報告系統(tǒng)預習實驗后向教師提交預習報告，實驗完畢后提交實驗報告；教師使用該模塊查看學生預習實驗報告和實驗報告，并給實驗報告評分?！耙谎趸歼€原氧化銅”實驗報告如圖5所示，實驗報告成績的評定由兩部分組成，實驗中客觀部分（儀器藥品選擇、儀器組裝等）的考查內容由計算機自動評分，實驗中主觀部分的考查內容由教師評定，計算機最終根據(jù)一定比例給出綜合后的成績，同時教師寫出實驗報告評語。

圖5 “一氧化碳還原氧化銅”實驗報告

作業(yè)系統(tǒng)包括教師布置實驗作業(yè)、學生提交實驗作業(yè)、教師批改實驗作業(yè)以及學生查看實驗作業(yè)成績等功能。教師布置實驗作業(yè)和批改實驗作業(yè)如圖6所示。

圖6 教師布置實驗作業(yè)和批改實驗作業(yè)

在線考試包括管理員錄入試題、學生在線考試（計算機自動從題庫抽題；試題配圖；有選擇題、填空題等客觀題，也有問答題等主觀題）、教師閱卷（只閱主觀題，客觀題計算機自動閱卷）、學生查看成績等功能。

在線論壇主要用于實現(xiàn)各類用戶之間的學習交流，教師通過查看學生發(fā)言帖子、統(tǒng)計學生積分對學生作出相應評價。

四、 VCE平臺實現(xiàn)

VCE平臺的實現(xiàn)包括三維場景的創(chuàng)建、三維虛擬實驗場景中的交互、化學實驗現(xiàn)象的模擬、數(shù)據(jù)通信等多個方面。下面主要從三維虛擬實驗場景中的交互、化學實驗現(xiàn)象的模擬、數(shù)據(jù)通信三個方面介紹。

（一）三維虛擬實驗場景中的交互

圖7 虛擬實驗三維場景中的交互

3DSMAX建模生成中學化學三維模型，優(yōu)化、貼圖后通過導出插件導成PV3D中使用的中學化學三維模型DAE文件。PV3D中通過編程可實現(xiàn)三維模型的選擇、旋轉、縮放等交互功能（如圖7所示）。但是由于在PV3D中利用二維模型拖放的startDrag和stopDrag函數(shù)并不能實現(xiàn)對三維模型的拖放，所以需要對PV3D進行二次開發(fā)以實現(xiàn)三維模型的拖放功能。

PV3D中實現(xiàn)三維模型拖放功能的核心代碼如下：

var ray：Number3D = camera.unproject（viewport.containerSprite.mouseX，

viewport.containerSprite.mouseY）；

ray = Number3D.add（ray， camera.position）；

var cameraVertex3D：Vertex3D =new Vertex3D（camera.x， camera.y， camera.z）；

var rayVertex3D：Vertex3D = new Vertex3D（ray.x， ray.y， ray.z）；

var intersectPoint：Vertex3D = planeToDragOn.getIntersectionLine

（cameraVertex3D， rayVertex3D）；

if（currentBody）{ // currentBody為要拖放的三維模型變量

currentBody.x = intersectPoint.x；

currentBody.y = intersectPoint.y；

currentBody.z = intersectPoint.z；}

由于三維模型的空間坐標與二維模型的不同， PV3D中用于二維模型碰撞檢測的hitTestObject函數(shù)對于不規(guī)則的化學三維模型一般不起作用，因此需要采用別的辦法。一個較為可行的辦法是引入JigLibFlash物理引擎實現(xiàn)碰撞檢測功能。此方法筆者另外撰文論述，此處不再贅述。

（二）化學實驗現(xiàn)象的模擬

VCE平臺中的化學實驗現(xiàn)象具有動態(tài)性、不規(guī)則性，它具有由產(chǎn)生、發(fā)展到消亡各個時期組成的生命周期，其中每個時期的圖像形狀、顏色、微粒的大小、多少等不一樣，尤其是在三維虛擬實驗中還要表現(xiàn)實驗現(xiàn)象的空間感，對于這樣的化學實驗現(xiàn)象只有粒子系統(tǒng)才能模擬出來。粒子系統(tǒng)是由一種或多種微粒凝聚而成一種不規(guī)則形狀的系統(tǒng)，其中微粒的大小、形狀、顏色等屬性和相應動作均可以設置。粒子系統(tǒng)的創(chuàng)設過程包括創(chuàng)建粒子發(fā)射器、創(chuàng)建渲染器、初始化粒子、使用動作等。Flint是一個基于AS3的開源的粒子系統(tǒng)類庫，提供了很多預定義的粒子動作，并且提供了擴展的接口。筆者通過Flint粒子系統(tǒng)類庫，動態(tài)模擬化學實驗現(xiàn)象，實現(xiàn)了氣泡、燃燒、藥品微粒、爆炸等功能，其具體模擬算法如下：

步驟1：Import 導入Flint粒子庫中的類；

步驟2：創(chuàng)建粒子發(fā)射器Emitter，屬性設置為Emitter3D；

步驟3：用計數(shù)器Counter創(chuàng)建發(fā)射粒子的個數(shù)；

步驟4：初始化粒子Initializers位置、速度、圖形和色彩；

步驟5：使用動作Actions，更新粒子的位置；

步驟6：創(chuàng)建渲染器Renderer，屏幕上繪制粒子；

步驟7：發(fā)射粒子Start。

虛擬實驗中氣泡、燃燒、藥品微粒、爆炸等化學現(xiàn)象的模擬效果如圖8所示。

圖8 虛擬實驗中化學實驗現(xiàn)象的模擬

（三）數(shù)據(jù)通信

VCE平臺中的數(shù)據(jù)通信主要指各部分之間相互傳遞信息。先在3DSMAX中建立中學化學物體三維模型，通過ColladaMax插件將模型導出為DAE文件，再將DAE文件利用PV3D代碼導入到Flash CS5中進行編輯對三維模型實現(xiàn)交互，完成化學虛擬實驗。最后生成虛擬實驗swf文件嵌入到ASP應用程序中，通過代碼實現(xiàn)與數(shù)據(jù)庫互相傳遞信息，如圖9所示。

圖9 VCE平臺的數(shù)據(jù)通信

其中“一氧化碳還原氧化銅”實驗中虛擬實驗給ASP應用程序傳遞信息的主要程序代碼如下：

private function onclick（event：Event）：void

{variables=new URLVariables（）；

myrequest=new URLRequest（“hyyht_3d_save.asp”）；

loader1=new URLLoader（）；

variables.yqxz=n1；

variables.yqzz=n2；

…

myrequest.data=variables；

myrequest.method=URLRequestMethod.POST；

loader1.load（myrequest）；

flash.net.navigateToURL（new URLRequest（“hyyht_3d_save.asp”），“_blank”）；}

五、 VCE平臺特色

1. VCE平臺對中學化學虛擬實驗場景、虛擬儀器、物品進行二維和三維混合建模， 建模手段體現(xiàn)綜合性。傳統(tǒng)的做法或者只進行三維建模，或者只進行二維建模。只進行三維建模存在情景逼真但速度太慢的缺點，只進行二維建模存在速度雖快但情景不逼真的缺點。為了既達到情景逼真的效果又滿足速度快捷的要求，VCE平臺采用二維和三維混合建模的方法，即有些采用二維建模，有些采用三維建模。

2. VCE平臺中的虛擬實驗在Flash3D環(huán)境中實現(xiàn)用戶對虛擬儀器、物品的交互操作，實驗操作強調交互性。

3. VCE平臺中的虛擬實驗詳細記錄用戶的實驗步驟和相關實驗數(shù)據(jù)，以便為后面提交實驗報告和對該用戶的實驗評價提供依據(jù)，實驗過程具有記錄性。目前以Flash技術為主的虛擬實驗基本上是對實驗進行動態(tài)模擬演示，無法記錄用戶的實驗步驟和相關實驗數(shù)據(jù)，因而這些虛擬實驗都無法直接對用戶的實驗結果給出評價。一般的做法是在實驗做完后通過調查問卷、訪談等間接手段來評價。VCE平臺通過解決Flash3D和動態(tài)網(wǎng)頁的數(shù)據(jù)通信問題以及動態(tài)網(wǎng)頁和數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)通信問題，從而實現(xiàn)詳細記錄用戶的實驗步驟和相關實驗數(shù)據(jù)，以便為以后提交實驗報告和對該用戶的實驗評價實現(xiàn)直接提供依據(jù)。

4. VCE平臺是集實驗教學、實驗操作、實驗報告和實驗評價于一體，具有良好交互性、場景逼真、功能齊全、速度快捷、簡單易用的中學化學網(wǎng)絡綜合虛擬實驗教學平臺，可實現(xiàn)從輔助教學、自主實驗到實驗報告的網(wǎng)上提交與批閱的全程操作與管理，滿足網(wǎng)上實驗教學的需要，在一定程度上解決了目前中學化學實驗教學中存在的問題，具有較大的推廣應用價值。

六、 總結與展望

筆者所在研究團隊設計并開發(fā)了VCE平臺。為了進一步改進與完善VCE平臺，我們對VCE平臺的教學應用進行了測試和應用效果研究。從對西北師范大學第二附屬中學、蘭州市第六十六中學兩個班120名學生的問卷調查和對這兩所中學七位化學教師的訪談結果來看，VCE平臺應用的整體效果是不錯的。當然，該平臺仍存在一些不足，需要在使用中繼續(xù)完善。