基于VR技術的自然科學實驗資源庫系統研究與設計

李兵川 王劍峰 宋苗苗 吳文靈 黎 江

（重慶航天職業技術學院，重慶400021）

1 實驗簡介

本課題主要圍繞三個自然科學實驗進行虛擬仿真研究，分別是高錳酸鉀制氧實驗、豌豆雜交實驗、太陽觀察實驗，通過這三個實驗實現對真實科學實驗的虛擬仿真，并逐步構建能容納更多實驗的自然科學實驗虛擬仿真資源庫系統。

1.1 高錳酸鉀制氧實驗

可以使用設備制作初中的基礎實驗，通過高錳酸鉀制氧。2KMnO4=△= K2MnO4+MnO2+O2↑實驗中包括加熱的效果以及氧氣的效果都有所體現，真正的做到了把實驗復現到VR 設備之中。不僅如此，在化學中有所涉及的實驗設備我們都有所制作，包括針對于液體溫度的檢測，VR 實驗室使用了UI 對其進行展示，無論是氣體沸騰的效果還是溫度變化的曲線都完美的進行了呈現。還包括劃火柴、點燃酒精燈等操作，這些簡單的操作，所有的細節都完美體現。

1.2 豌豆雜交實驗

體驗者能夠親手種植豌豆，對其基因進行檢測，這樣能夠忽略現實中時間的限制，在現實中此類不太可能讓體驗者真正實現的實驗我們能夠在VR 實驗室體驗，這樣可以大大的解決時間和空間上的限制。

1.3 觀察太陽天文實驗

太陽的活動影響著地球上的一切以及生活作息。通過了解此次實驗中的的道具巴德膜以及ERF 鏡片觀測太陽，讓我們知道如何正確使用天文望遠鏡觀測太陽的活動。

2 系統設計

2.1 項目結構設計（圖1）

從實驗者的角度出發，利用VR 技術模擬1 個化學實驗和1個生物實驗和1 個天文實驗。項目是基于SteamVR 環境運行。

2.2 高錳酸鉀制氧實驗設計（圖2）

圖1 項目整體結構

可以使用設備制作初中的基礎實驗，通過高錳酸鉀制氧。2KMnO4=△= K2MnO4+MnO2+O2↑實驗中包括加熱的效果，以及氧氣的效果都有所體現，真正的做到了把實驗復現到VR 設備之中。

圖2 高錳酸鉀制氧實驗效果圖

不僅如此，在化學中有所涉及的實驗設備我們都仿真制作完成，包括針對于液體溫度的檢測，VR 實驗室使用了UI 對其進行展示，無論是氣體沸騰的效果還是溫度變化的曲線都完美的進行了呈現。另外劃火柴，點燃酒精燈等操作也在實驗中高仿真呈現出來。

劃火柴功能實現代碼：

當速度值達到1 米每秒，并且火柴棍碰撞器接觸到火柴盒碰撞器的時候將isFire 標簽設置為真，并且激活火焰特效，通過這樣的功能編寫能夠高度虛擬仿真火柴摩擦點燃的效果。

酒精燈點燃和熄滅實現代碼：

當點燃的火柴碰撞器碰撞到打開的酒精燈碰撞器時，酒精燈的火苗特效會被激活，并且播放點火音效，當酒精燈帽蓋住后酒精燈就熄滅。

2.3 豌豆雜交實驗設計

體驗者能夠親手種植豌豆，對其的基因進行檢測，這樣能夠忽略現實中時間的限制，在現實中此類不太可能讓體驗者真正實現的實驗我們能夠在VR 實驗室體驗。這樣可以大大的解決時間和空間上的限制。我們能夠用鏟子將地表鏟開，種植不同基因的種子，放入種子在坑中，蓋上泥土，澆水就可以進行灌溉啦.達到一定程度便會長出對應的豌豆苗直至長大，得到的基因型我們可以通過VR 設備進行觀看，以達到學習的目的。鏟土和蓋土功能實現代碼：

當鏟子觸發器離開土面時三次內每次土壤下降5 厘米，并顯示鏟開的狀態，另外蓋土的次數三次內時每次土壤上升5 厘米，并實現蓋土狀態，這兩個功能真實模擬了鏟土和蓋土的狀態。

2.4 觀察太陽天文實驗設計

太陽的活動影響著地球上的一切以及生活作息。通過了解此次實驗中的的道具，巴德膜以及ERF 鏡片觀測太陽，讓體驗者學習到如何正確使用天文望遠鏡觀測太陽的活動，也能觀察月亮的自轉，甚至還能進入宇宙近距離觀察太陽等行星。

3 結論

隨著社會的進步，國家需要高素質人才，培養人員實驗操作水平是當前物理、化學人才培養的主要任務之一，也是高素質人才培養的重要內容。但大部分普通基礎操作者不具有實驗操作用具，且實驗內容很多，更何況有些化學實驗藥品，如果沒有相關證明是不可以購買的，舉例：鹽酸屬于易制毒化學品，需要到當地公安機關進行備案，然后申請辦理易制毒備案證明，由當地公安機關批準，持證明才可以和有資質的廠家進行購買。自然科學實驗如果沒有專業人員指導，操作者可能不知道自己的操作什么地方存在失誤，達不到訓練要求，白費力氣，這時本項目就可以發揮它的作用。作為一套軟件，只需購買軟件本體，VR 設備本身可以租用或者購買二手，VR 設備自身也可以用于其他方面的應用，而不僅限于實驗操作的內容。使用虛擬現實進行自然科學實驗操作，不僅安全可靠、方便快捷、不用考慮廢料處理，還能通過實驗軟件直接對操作者的實驗操作進行打分，指出操作時出現的問題，以真正達到訓練目的，相信經過不懈努力，基于Unity3d 引擎的虛擬現實自然科學實驗項目能擁有更大的市場。