物理化学实验3D虚拟教学系统开发

罗泽康 苏江微 田弘 张光威 叶秋韵 熊振海

摘要：物理化学实验原理和仪器装置比较复杂，操作步骤中关键点较多，对学生的实验预习质量要求很高。而传统实验教学因实验课时、形式、仪器数量等导致实验相对缺乏效率。本文借助虚拟现实技术，开发一套虚拟实验教学系统作为高校传统实验教学的补充和完善，为解决当前高校实验教学的困难寻找一条有效的途径。

关键词：虚拟现实;物理化学实验;Unity 3D;移动教育

中图分类号：G642.0     文献标志码：A     文章编号：1674-9324（2019）20-0275-02

一、背景

按照国家教育部在2012年3月颁布的《教育信息化十年发展规划（2011—2020）》的通知，我国教育事业将以教育信息化带动教育现代化作为发展的战略选择。这一政策加快了教育信息化的脚步，使得虚拟现实技术和教育相结合的理念开始推广。2018年2月，在教育部等五部门发布的《教师教育振兴行动计划（2018—2022年）》通知中，虚拟现实技术再次被提及，并提出“互联网+教师教育”创新行动，充分将虚拟现实技术和教师教育相结合的理念发扬。

二、虚拟教学系统的设计

在开发系统之前，需要将每一个实验的操作步骤都进行知识分解。这能使得系统中重要操作步骤均可以按照知识分解情况分别制作操作环节。根据实验原理、重要操作步骤、可能出现的失误、基本仪器使用规范等方面，结合课程中老师设置的思考题进行题目的整理，并设置评分。参考我校《物理化学实验讲义》选定了三个实验，分别为：液体饱和蒸汽压的测定、蔗糖水解转化的动力学研究、电导法测定弱电解质的电离常数，并初步了解流程图需具备的一些基本要素，制作初稿。初稿的制作包括两套流程图、出题与评分。针对实验讲义，首先在阅读时画出重点，尤其在实验步骤中斟酌分解操作步骤。对圈画重点进行二次整理与缩减，形成基本流程图绘制。在流程图绘制过程需要注重实验的细节，尽可能多考虑到实验中会发生的现象。

物化实验需要用到的仪器较为复杂，每个学校使用的实验仪器也不尽相同，所以建立自己学校的实验仪器模型十分必要。我们前往物化实验室对所需仪器进行多方位拍摄，按比例进行建模。最后，经过更全面的分析得出解决方案，修改成型后导入系统中。

知识库模块的作用在于将需要在系统中展示的相关实验内容进行知识分解后以数据库的形式加以储存，主要利用MySQL数据库技术进行数据库系统的构建。将之前对实验原理、实验流程、实验关键点进行分析所得的实验流程图、实验知识点、实验思考题以数据表的形式输入数据库并建立评分体系。然后在Unity中使用www功能创建的程序，使其与Web服务器交互，在Unity中运行程序，Unity先将数据发送给服务器并存入数据库中，也可以在数据库中下载这些数据，Unity收到后将它们打印出来，使用户获得非实时交互功能。在虚拟教学系统中，功能的设计是主要任务。本文构建的物理化学实验虚拟教学系统在功能上主要设计了系统模块和功能模块。其中系统模块主要为虚拟实验室，功能模块包括对话程序、镜头切换程序、帮助程序等。虚拟实验室系统模块部分包括学习模式和操作模式两种模式，以使其可以学习和考试两用。

学习模式：本操作模式适用于对本实验没有太多了解的学生，学生可自行操作实验，如在实验中碰到任何不懂的或有疑问时可通过帮助按钮获得实验的正确操作步骤。同时，如果学生在自己操作时出错，系统也会给予一定的提示。操作模式：与学习模式不同，在操作模式中学生应该对于整个实验原理和流程都有了具体的了解，本模式没有任何提示和帮助。操作过程中，系统会根据学生实验操作和问题回答给学生打分，老师可根据分数给学生成绩。在操作模式中，若学生忘了步骤或不清楚的时候可以返回到菜单界面，重新选择模式，但再一次进入操作模式时实验是重新开始的。

功能模块设计：（1）实验开始前问答功能。实验开始前的小测试是考查学生对于整个实验关键控制点是否准确了解的重要指标，通过对于学生给出的答案进行分析可以让老师有效地判断学生实验的薄弱环节，同时进一步加深学生对于实验的关键步骤和知识的记忆。（2）视角切换功能。在真实实验中，我们往往可以360度全方位地进行实验观察，为了实现这一点，在虚拟实验室中加入摄像头的切换。“镜头切换”可以进行第一人称视角和第三人称视角的转变，用户在进入实验室后可以自由观察整个实验室和实验仪器，视角也可以任意调节方便用户全部了解实验。（3）帮助系统。帮助系统可以在学习模式中随时解决用户的疑问，使用户对于物化实验的具体步骤、實验原理、实验仪器等有及时和详细的了解。“帮助”出现步骤演示，下方有“返回”按钮，点击后回到首页。靠近实验台开始实验步骤讲解，点击实验仪器会对实验仪器进行说明。

三、结论

本文中的物理化学实验虚拟教学系统是基于uinty3D引擎的，此系统具有的特点为：研发的物理化学虚拟实验系统是虚拟现实技术和移动教育结合的综合体现，同过去的多媒体软件纯粹是实验步骤的简单演示不同，本系统的界面清晰友好，交互性强，具有很强的操作性和仿真性，软件背后的逻辑性使所有的操作均有相应的结果，将实验操作与原理融于一体，让使用者通过仿真操作对实验建立起具体的了解，加深了对仪器功能、使用方法的认识，是实验教学的有益补充形式。

参考文献：

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