基于java3D虚拟化学实验系统的构建——以钠溶于水反应现象为例

徐心语

（东北师范大学计算机科学与信息技术学院，长春 130117）

基于java3D虚拟化学实验系统的构建
——以钠溶于水反应现象为例

徐心语

（东北师范大学计算机科学与信息技术学院，长春 130117）

随着信息技术的迅速发展，虚拟现实技术也在不断进步和发展中并广泛应用到各个领域中。虚拟化学实验系统基于Java3D平台，与3DMAX建模技术、计算机图形学等技术相结合，以钠溶于水反应为例，创建出虚拟的化学实验环境和仪器药品，使用户可以通过鼠标与电脑进行交互，自主完成虚拟化学实验并观察实验现象，提高同学们的学习兴趣，有很大的发展空间和潜力。

虚拟现实；技术；化学实验；教学；钠溶于水；Java3D

1 引言

随着现代科技的发展，化学学科的研究也越来越深入，化学实验渐渐走近了学生们的课堂。化学实验以它复杂的操作过程，生动的反应现象吸引着同学们的学习兴趣，帮助他们更好的理解化学方程式的意义和化学物质的变化规律。应用到化学教学中可以提升教学效率，激发同学们学习兴趣，也有利于化学专家进一步研究和发明。

2 虚拟现实技术的发展

虚拟现实技术是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统，它利用计算机生成一种模拟环境，是一种多源信息融合的、交互式的三维动态视景和实体行为的系统仿真使用户沉浸到该环境中。它具有多感知性、存在感、交互性、自主性的特征，结合了计算机图形学、建模技术、立体显示技术/声音视觉输入输出技术等，将虚拟世界与真实世界相结合，使用户可以通过鼠标键盘与计算机系统进行交互操作，身临其境地体会虚拟世界的乐趣。

3 java3D虚拟化学实验研究方案

3.1 研究目标

基于Java3D平台，模拟出3D虚拟的钠溶于水的化学实验所用到的仪器、药品、实验过程的声音、形态、颜色变化和实验最终结果，使用户可以通过鼠标自主进行实验的每一步操作并观察出清晰准确的反应结果，并构建出化学实验平台。

3.2 技术线路

⊙ 利用3DMAX将实验用品分层次进行2D建模。

⊙ 将模型组合，构建出与实验用品相同比例的3D模型。

⊙ 利用Java3D对3D模型进行交互操作并添加动画效果。

⊙ 制作声音、灯光、颜色等3D环境变化。

⊙ 操作者控制模型进行实验。

⊙ 构建出化学实验平台并进行发布。

4 系统简介

4.1 3D实验用品模型的建立

在充分了解真实实验用具的形状、规格、材质、透明度等基本情况后，将相关数据导入3DMAX中，通过三维建模，构建出与真实实验用品比例相同的烧杯、胶头滴管、试剂瓶等3D虚拟实验用品模型。

4.2 交互处理

交互处理是虚拟实验室实用性与否的关键，为了使学生更好的理解实验，需要他们可以亲自操作每个步骤。

4.3 音频处理

在基础动画基本完成后，为了增加实验的逼真效果，我们增加了倒入试剂时的水流声，钠反应时的呲呲的响声等音频。并在实验操作的每一步添加了音频指导，使学生在自学过程中可以了解每一步实验过程的操作和解析。

5 java3D虚拟化学实验平台创建的成果与应用

5.1 成果展示

在经过一段时间的努力后，虚拟化学实验室系统基本上初步建立，能在用户的操作下顺利完成纳溶于水的实验并把钠溶于水的“浮、溶、响、动、红”的现象模拟出来。

用户通过单击鼠标的左键既可拖放试剂和药物，单击鼠标右键既可将试剂倒入烧杯中。利用音频，播放实验步骤，提示用户如何操作。如图1为部分反应结果。

图1 反应结果

5.2 成果测试与反馈

图2 调查问卷结果

在完成实验平台的创建后，我们将此平台在本学校进行了小范围的测试使用，计算机专业、教育技术专业、图书与情报学专业、经济学专业、软件工程专业的学生参与了试用体验。在测试结束后，我们以问卷的方式对学生使用情况进行了调查，部分结果如下：调查问卷共发放150份，有效问卷133份，结果见图2。

6 java3D虚拟化学实验前景展望

虚拟现实作为现代科技的前沿，有着广阔的发展前景和应用领域。将这种技术应用到化学教学中，可以使学生很好的理解化学实验的过程和现象，提高学习的积极性，引发关于教育方式和教育发展的讨论。同时，将此系统应用在化学研究中，可以避免不安全因导致的不良后果、药品缺失等导致无法实现化学实验，在一定程度上促进化学领域的发展。尽管此系统现在处于起步阶段，含有的实验内容较少，但在今后随着科技和VR技术的发展，虚拟化学实验系统会增加其多样性，改进视觉效果，有着较大的发展前景和使用空间。

[1] 杨汉国．基于VR技术的多媒体教学系统实验研究与实现[D]．四川师范大学，2010

[2] 汪诗林，吴泉源．开展虚拟实验系统的研究和应用[J]．计算机工程与科学，2010,(02):33-35+39

[3] 易洁．高中化学实验教学的现状及其思考．教育，2015.38

星网宇达荣膺“北京信息化协会优秀集成企业”

4月21日，北京信息化协会第五届理事会2017年度会员代表大会暨2016年度优秀集成企业及优秀会员个人奖颁奖典礼在京召开，北京星网宇达科技股份有限公司（股票代码002829）荣膺“北京信息化协会优秀集成企业”，公司董事会秘书兼副总裁张志良先生荣膺“北京信息化协会优秀会员个人”。

北京信息化协会（Beijing Informatization Association缩写BIA）成立于2003年10月16日，由从事信息系统集成、信息技术服务运行维护、互联网、信息安全、云计算、物联网和大数据等业务的企业、投资机构及应用信息化等近千家单位组成。协会自成立以来对具备创能力与成长潜力的新兴企业的发展、高端人才的培养与输送、以及行业生态链中上下游企业的沟通、交流起到了重要的推动作用，有效推动了行业的创新与发展。作为协会会员单位及代表性系统集成企业，星网宇达致力于切实推进协会各项工作、协调协会企业合作关系，并通过不断完善企业内部管理及人才组织结构为协会兄弟企业作出表率。公司董事会秘书兼副总裁张志良先生与协会日常工作保持密切联络，为提升协会创新活力、推进协会健康发展做出了不容忽视的贡献，“北京信息化协会优秀集成企业”及“北京信息化协会优秀会员个人”实至名归。

星网宇达作为北京信息化协会的会员单位，是国家级高新技术企业，始终致力于以惯性导航为核心的独立自主知识产权的北斗定位定向系统、惯性/北斗组合导航系统、卫星通信系统、光电探测系统、无人机、雷达、红外感知、智能无人车等军民两用产品线的研发与产业化应用，公司具有全部四项军工资质，荣获“北斗产业化应用先锋”、“中国卫星导航与位置服务五十强企业”、北京市企业技术中心、北京市工程实验室。未来，星网宇达将更加积极地参与北京信息化协会的活动，共同为推进中国企业信息化进程而努力。

Construction of Virtual Chemistry Experiment System Based on Java3D --A Case Study of Sodium Soluble in Water

Xu Xinyu
(College of Computer Science and Information Technology, Northeast Normal University, Changchun, 130117)

As the rapid development of information technology, the Virtual Reality Technology is also in progress and development and widely used in various fields. Using the VR technology can give users an immersive experience of the real experience, and when applying it to the field of chemical experiment teaching. Virtual chemistry experiment system based on Java 3D platform, combined with the 3DMAX modeling technology, computer graphics technology, the water soluble sodium reaction as an example, to create a virtual experimental environment and chemical instruments and medicines, the user can interact with computer mouse, independently complete the virtual chemistry experiment and observe the phenomenon, improve the students the interest in learning, there is much room for development and potential.

Virtual Reality; Technology; Chemistry Experiment; Teaching; Sodium soluble in water; Java3D

10.3969/J.ISSN.1672-7274.2017.05.007

TN929.1

B文章编码：1672-7274（2017）05-0020-03