VR化學(xué)實驗室的實現(xiàn)與應(yīng)用

莫志平 魏菊霞 李晶 鄧乃哲 莫江慶

摘 要：虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，VR）技術(shù)的普遍發(fā)展，讓眾多領(lǐng)域都能夠應(yīng)用到VR技術(shù)，給人們生活生產(chǎn)帶來極大便利。將VR技術(shù)應(yīng)用于化學(xué)實驗，通過虛擬仿真項目給予學(xué)生身臨其境的感知效果，制造更多化學(xué)實驗實踐和應(yīng)用的機會，提高學(xué)生的動手能力。

關(guān)鍵詞：VR;虛擬現(xiàn)實;化學(xué)實驗室

0 引言

虛擬現(xiàn)實技術(shù)（Virtual Reality，VR）是以計算機技術(shù)為核心生成的一個三維空間的虛擬世界，借用專用設(shè)備為用戶提供關(guān)于視覺、聽覺、觸覺的感官模擬，并通過鍵盤、鼠標(biāo)、VR設(shè)備等操作實現(xiàn)人機交互，使用戶有身臨其境之感[1]。VR技術(shù)主要特征是用戶身臨其境，置身于由計算機系統(tǒng)生成的交互式的三維虛擬環(huán)境中，與之進行交互。通過參與者與仿真環(huán)境的相互作用，利用人類本身所對接觸事物的感知和認(rèn)知能力，幫助啟發(fā)參與者的思維，全方位地獲取事物的各種空間信息和邏輯信息。

初中化學(xué)是大部分學(xué)生第一次接觸化學(xué)世界，感受化學(xué)的魅力。初中化學(xué)實驗中有許多有趣的實驗，例如木炭還原氧化銅、實驗室制氧氣、鐵在氧氣中燃燒等等，每一個奇妙的展現(xiàn)背后都是化學(xué)物質(zhì)在偷偷地發(fā)生反應(yīng)，這正是引導(dǎo)同學(xué)們?nèi)ド钊胩骄俊⒚鞯闹匾颉；瘜W(xué)實驗要求學(xué)生借助實驗儀器和實驗藥品自己動手，親自操作，感受實驗的樂趣，而教師也需要進行現(xiàn)場指導(dǎo)，讓學(xué)生的實驗操作合乎規(guī)范，避免安全事故的發(fā)生[2]。

本論文所研究的VR化學(xué)實驗室以學(xué)生為主體，利用頭盔、手柄等設(shè)備制作化學(xué)實驗，捉住當(dāng)代人們對游戲的熱愛，對科技的追求，模擬出真實的實驗室空間，讓玩家置身其中，沉醉于化學(xué)實驗的操作過程和反應(yīng)效果，具有真實性、安全性和可玩性。

1 VR化學(xué)實驗室的可行性分析

1.1 開設(shè)虛擬教學(xué)實驗課程

在傳統(tǒng)的教學(xué)當(dāng)中，因為化學(xué)實驗器材的不完善、試驗地點無法滿足眾多學(xué)生，以及教育經(jīng)費的有限性等諸多方面，阻礙了學(xué)生化學(xué)實驗的操作。VR化學(xué)實驗室可以更好的解決這些問題難點，讓更多學(xué)生能夠親身體驗到化學(xué)實驗的奧秘、原理和樂趣。

1.2 提高實驗安全性

化學(xué)實驗中，步驟嚴(yán)謹(jǐn)，化學(xué)劑量明確，需要極其精準(zhǔn)才能成功完成實驗。有一些實驗過程，稍不注意，會造成爆炸、腐蝕等嚴(yán)重的后果。傳統(tǒng)的危險實驗，只會在視頻書籍當(dāng)中演示給學(xué)生看，而學(xué)生卻無法進行真實的演練。VR化學(xué)實驗室可以讓學(xué)生仿真模擬，避免實驗所帶來的風(fēng)險，學(xué)生可以放心的進行化學(xué)實驗的操作，減少不必要的意外，認(rèn)真觀察化學(xué)實驗效果，提高動手能力。

1.3 解決廢物處理成本高、實驗耗材消耗巨大等問題

一個班級的化學(xué)實驗課，若讓每個學(xué)生都可以動手操作，則需要大量的化學(xué)材料和實驗耗材。如果學(xué)生實驗過程中某一個步驟操作失誤，需要重新配置化學(xué)材料，過度的浪費會造成一定的化學(xué)污染。VR化學(xué)實驗室不需要具備這些化學(xué)材料即可完成大部分的實驗，同時能看到模擬的實驗效果，減少了材料的鋪張浪費。

綜上所述，VR化學(xué)實驗室系統(tǒng)的建立是可行的。

2 VR化學(xué)實驗室

在真實的化學(xué)實驗過程中，化學(xué)材料的使用存在一定的危險性，不恰當(dāng)?shù)牟僮鬟€會引發(fā)爆炸事故。另外，實驗環(huán)境的復(fù)雜性、廢物處理成本高、實驗耗材消耗巨大等問題都嚴(yán)重影響高校的實驗教學(xué)效果。

VR化學(xué)實驗室利用三維仿真技術(shù)對實驗的環(huán)境、設(shè)備、材料等進行模型構(gòu)建，并通過人機交互技術(shù)實現(xiàn)在虛擬場景中進行各種化學(xué)實驗操作。在VR實驗室中，學(xué)生不僅可以自由漫游，還可以360度查看實驗設(shè)備。

當(dāng)學(xué)生進入實驗?zāi)Ｊ胶螅到y(tǒng)會通過語音和智能標(biāo)簽引導(dǎo)學(xué)生選擇實驗并完成實驗。同時，系統(tǒng)會以動畫的形式對實驗步驟進行播放，通過具體的畫面進行教學(xué)。除了觀看實驗仿真模擬場景外，學(xué)生還可以操控VR手柄，實現(xiàn)化學(xué)材料的抓取、調(diào)配、放置、開始實驗等操作。在實驗操作的同時，系統(tǒng)會記錄學(xué)生的操作過程，如果學(xué)生操作有誤，系統(tǒng)還會以逼真的災(zāi)害場景提示，并及時糾正錯誤的操作步驟。

這里以制取氧氣為例，進入實驗平臺后，桌上已經(jīng)放置好需要用到的化學(xué)藥品，黑板上也描述了該化學(xué)需要的儀器，以及化學(xué)方程式，化學(xué)步驟、注意事項等，如圖2。

學(xué)生可以從這些化學(xué)藥品中選擇部分，通過VR手柄抓取想要使用的化學(xué)藥品，丟進試管，并通過移動VR手柄，將裝有化學(xué)藥品的試管放置在鐵架臺上，將酒精燈移至試管尾部，抓取點火器點火，如果位置放置正確，則一段時間后通過集氣瓶收集氧氣。集滿氧氣后，關(guān)火，實驗完成。

3 結(jié)束語

結(jié)合化學(xué)元素和化學(xué)反應(yīng)式，根據(jù)不同的化學(xué)變化進行模擬仿真，充分發(fā)揮虛擬現(xiàn)實技術(shù)在化學(xué)實驗的優(yōu)勢，讓化學(xué)實驗迸發(fā)出勃勃生機。VR化學(xué)實驗室系統(tǒng)模擬真實的實驗室，創(chuàng)造了一個逼真的實驗環(huán)境，讓學(xué)生和教師能夠高效地完成專業(yè)的教學(xué)內(nèi)容。虛擬現(xiàn)實技術(shù)的逼真仿真模擬和自然的人機交互性大大地提高學(xué)校的教學(xué)質(zhì)量，讓化學(xué)實驗不再是紙上談兵。

參考文獻：

[1]閆曉麗，鄭延斌，姚飛，蘇景霞.基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)虛擬化學(xué)實驗室的設(shè)計實現(xiàn)[J].科技視界，2013（33）：26-27.

[2]李中強.虛擬現(xiàn)實技術(shù)支持下高中化學(xué)實驗教學(xué)的開展[J].教學(xué)與管理，2018（31）：61-63.