物理化學實驗3D虛擬教學系統開發

羅澤康 蘇江微 田弘 張光威 葉秋韻 熊振海

摘要：物理化學實驗原理和儀器裝置比較復雜，操作步驟中關鍵點較多，對學生的實驗預習質量要求很高。而傳統實驗教學因實驗課時、形式、儀器數量等導致實驗相對缺乏效率。本文借助虛擬現實技術，開發一套虛擬實驗教學系統作為高校傳統實驗教學的補充和完善，為解決當前高校實驗教學的困難尋找一條有效的途徑。

關鍵詞：虛擬現實;物理化學實驗;Unity 3D;移動教育

中圖分類號：G642.0 ? ? 文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1674-9324（2019）20-0275-02

一、背景

按照國家教育部在2012年3月頒布的《教育信息化十年發展規劃（2011—2020）》的通知，我國教育事業將以教育信息化帶動教育現代化作為發展的戰略選擇。這一政策加快了教育信息化的腳步，使得虛擬現實技術和教育相結合的理念開始推廣。2018年2月，在教育部等五部門發布的《教師教育振興行動計劃（2018—2022年）》通知中，虛擬現實技術再次被提及，并提出“互聯網+教師教育”創新行動，充分將虛擬現實技術和教師教育相結合的理念發揚。

二、虛擬教學系統的設計

在開發系統之前，需要將每一個實驗的操作步驟都進行知識分解。這能使得系統中重要操作步驟均可以按照知識分解情況分別制作操作環節。根據實驗原理、重要操作步驟、可能出現的失誤、基本儀器使用規范等方面，結合課程中老師設置的思考題進行題目的整理，并設置評分。參考我校《物理化學實驗講義》選定了三個實驗，分別為：液體飽和蒸汽壓的測定、蔗糖水解轉化的動力學研究、電導法測定弱電解質的電離常數，并初步了解流程圖需具備的一些基本要素，制作初稿。初稿的制作包括兩套流程圖、出題與評分。針對實驗講義，首先在閱讀時畫出重點，尤其在實驗步驟中斟酌分解操作步驟。對圈畫重點進行二次整理與縮減，形成基本流程圖繪制。在流程圖繪制過程需要注重實驗的細節，盡可能多考慮到實驗中會發生的現象。

物化實驗需要用到的儀器較為復雜，每個學校使用的實驗儀器也不盡相同，所以建立自己學校的實驗儀器模型十分必要。我們前往物化實驗室對所需儀器進行多方位拍攝，按比例進行建模。最后，經過更全面的分析得出解決方案，修改成型后導入系統中。

知識庫模塊的作用在于將需要在系統中展示的相關實驗內容進行知識分解后以數據庫的形式加以儲存，主要利用MySQL數據庫技術進行數據庫系統的構建。將之前對實驗原理、實驗流程、實驗關鍵點進行分析所得的實驗流程圖、實驗知識點、實驗思考題以數據表的形式輸入數據庫并建立評分體系。然后在Unity中使用www功能創建的程序，使其與Web服務器交互，在Unity中運行程序，Unity先將數據發送給服務器并存入數據庫中，也可以在數據庫中下載這些數據，Unity收到后將它們打印出來，使用戶獲得非實時交互功能。在虛擬教學系統中，功能的設計是主要任務。本文構建的物理化學實驗虛擬教學系統在功能上主要設計了系統模塊和功能模塊。其中系統模塊主要為虛擬實驗室，功能模塊包括對話程序、鏡頭切換程序、幫助程序等。虛擬實驗室系統模塊部分包括學習模式和操作模式兩種模式，以使其可以學習和考試兩用。

學習模式：本操作模式適用于對本實驗沒有太多了解的學生，學生可自行操作實驗，如在實驗中碰到任何不懂的或有疑問時可通過幫助按鈕獲得實驗的正確操作步驟。同時，如果學生在自己操作時出錯，系統也會給予一定的提示。操作模式：與學習模式不同，在操作模式中學生應該對于整個實驗原理和流程都有了具體的了解，本模式沒有任何提示和幫助。操作過程中，系統會根據學生實驗操作和問題回答給學生打分，老師可根據分數給學生成績。在操作模式中，若學生忘了步驟或不清楚的時候可以返回到菜單界面，重新選擇模式，但再一次進入操作模式時實驗是重新開始的。

功能模塊設計：（1）實驗開始前問答功能。實驗開始前的小測試是考查學生對于整個實驗關鍵控制點是否準確了解的重要指標，通過對于學生給出的答案進行分析可以讓老師有效地判斷學生實驗的薄弱環節，同時進一步加深學生對于實驗的關鍵步驟和知識的記憶。（2）視角切換功能。在真實實驗中，我們往往可以360度全方位地進行實驗觀察，為了實現這一點，在虛擬實驗室中加入攝像頭的切換。“鏡頭切換”可以進行第一人稱視角和第三人稱視角的轉變，用戶在進入實驗室后可以自由觀察整個實驗室和實驗儀器，視角也可以任意調節方便用戶全部了解實驗。（3）幫助系統。幫助系統可以在學習模式中隨時解決用戶的疑問，使用戶對于物化實驗的具體步驟、實驗原理、實驗儀器等有及時和詳細的了解。“幫助”出現步驟演示，下方有“返回”按鈕，點擊后回到首頁。靠近實驗臺開始實驗步驟講解，點擊實驗儀器會對實驗儀器進行說明。

三、結論

本文中的物理化學實驗虛擬教學系統是基于uinty3D引擎的，此系統具有的特點為：研發的物理化學虛擬實驗系統是虛擬現實技術和移動教育結合的綜合體現，同過去的多媒體軟件純粹是實驗步驟的簡單演示不同，本系統的界面清晰友好，交互性強，具有很強的操作性和仿真性，軟件背后的邏輯性使所有的操作均有相應的結果，將實驗操作與原理融于一體，讓使用者通過仿真操作對實驗建立起具體的了解，加深了對儀器功能、使用方法的認識，是實驗教學的有益補充形式。

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