基于Unity3D的藏汉双语虚拟化学实验系统

陈 浩，索南尖措，邱吏源，古入次仁

在中学开设的众多课程中，化学是一门非常重视动手实践的学科，其不仅肩负着传播基础科学知识，还有发掘和培养化学科研后备人才的重任[1]。然而，在西藏地区的化学教学中，由于化学实验器材的不完善、试验地点无法满足众多学生等诸多因素限制，严重阻碍了西藏地区学生化学实验的操作。再者，对于多数藏区孩子来说，初中化学是他们第一次系统接触化学知识，如何让孩子们对这门新接触的学科产生兴趣，从而调动他们自主学习的积极性，使他们更加积极主动地投入到化学学习中，是当下教学的一大难题[2]。

本套虚拟实验系统基于Unity3D等三维引擎开发，真实性与趣味性并重，可以很好地解决以上难题。让更多的藏区学生能够随时随地反复进行虚拟化学实验，亲身体验到化学实验的奥秘、原理和乐趣。

1 系统开发中的关键技术

在Windows操作系统下，基于Unity3D平台，主要采用C#或JavaScript等脚本语言进行系统开发，建模工具采用Maya和Cinema4D，AR交互功能主要通过Vuforia实现。开发虚拟化学实验系统的引擎主要包括了 Unity3D和Vuforia。

1.1 Unity3D引擎

Unity 3D是主流的虚拟现实创作工具，具有直观的虚拟现实编辑功能和强大的跨平台能力，让三维创作变得简单。结合C#或JavaScript等脚本语言可以实现各种交互功能。现如今，Unity3D作为一款成熟的三维游戏创作引擎，在虚拟现实和增强现实等领域正被越来越多的国内外人士广泛运用[3]。

1.2 Vuforia引擎

在众多的AR SDK中，Vuforia凭借其更强的兼容性、开源等特性成为了当下最流行的增强现实开发平台之一[4]。Vuforia与Unity3D相结合可以轻松实现各种优秀的3D展示效果和交互功能。Vuforia支持Android、iOS、PC等多种主流操作系统，这使得开发者可轻松实现跨平台，几乎无需二次开发，节省了大量时间。通过Vuforia引擎可以将化学实验细节立体的、真实的再现。本文借助Vuforia引擎，将识别图导入在Vuforia官网创建的数据库，导入AR Target并挂载上相应脚本，开发了AR的化学实验器材演示功能，测试效果如图1。

图1 AR演示在安卓平板上的测试效果

2 系统的设计与实现

2.1 系统的开发流程

前期工作：

想要制作一套适合藏区中学生的藏汉双语化学虚拟实验系统，离不开的是与本地区内不同民族的中学生进行交流以及对中学化学实验的充分了解。我们首先对游戏剧情、关卡设置进行精心设计，保证虚拟实验系统的趣味性和各关卡的衔接性。

而后，对化学实验仪器、药品、实验室环境进行3D建模，对模型进行适当地减免操作后，以Fbx或Obj格式导入Unity3D；同时，通过Photoshop等软件对拍摄的实验器材图像进行修剪和修正，最后烘培成贴图；运用Shader脚本编程实现诸如火焰、玻璃、有色气体等通过贴图难以实现的材质效果。

系统实现：

1）运用NGUI对系统界面进行开发，设计出具有藏式风格的UI界面；同时将使用引导和错误提示音视频导入Unity3D，通过编写C#脚本设置好触发条件。

2）根据参与实验教学的教师提供的评分标准，进行实验评分模块的设计，保证其灵活性与准确性[5]。

3）通过Unity3D结合Vuforia的方式实现支持AR展示的实验器材库。选择高锐度的图像设置成为AR Image，以保证Vuforia有更高的稳定性和更精准的识别率。

4）对系统性能进行调优，如剔除过多的三角面，保持UV贴图接缝和硬边尽可能的少的方式，减少系统对设备性能资源的消耗，保证大多数PC和手机用户可正常访问。

2.2 系统的设计目标

1）本套系统将每一个课本上要求掌握的化学实验设计为一个关卡，并加入很多有趣好玩的故事剧情，可以很好地引导同学们去深入探究、摸索，一步步堪破化学实验的奥秘，培养学生们对化学学习的兴趣，让他们更加积极主动的投入到化学学习中。

2）藏汉双语设计使得区内学生使用更加便捷。

3）实验评分模块，应与主持实验教学的教师充分交流，保证评分系统的灵活性与准确性。

4）在虚拟场景中按比例真实还原实验设施和器材，所有重要的场景，以及各种实验现象都要尽量真实地表现出来。

5）提供比较人性化的UI界面便于用户操作，通过NGUI实现不同显示比例的设备都能正常显示。

6）对系统运行效果以及性能进行评估，保证大多数普通用户可正常访问。

2.3 系统的实现

依据上述的开发流程，采用Cinema4D和Maya作为主要三维建模工具，Unity3D为系统开发平台，设计开发具有真实性和趣味性的藏汉双语虚拟化学实验系统。用户可以自由选择进行虚拟化学实验或是趣味闯关，虚拟化学实验或是趣味闯关都应设置操作提示，系统可根据用户的操作进行打分，在操作错误的地方也应有语音或是弹窗提示。图2为在Unity3D引擎中开发挑选实验器材模块。

图2 Unity3D工作区

3 系统测试

在虚拟化学实验系统开发完成后，将其发布到PC和Android等移动平台进行测试。就目前来看，本套系统的主要功能得到了大部分体验用户的肯定和认可，但其中任有大量功能存在不足，诸如化学实验所产生的气泡，有色气体，沉淀等实验现象不够明显；游戏剧情略显单调，不够有趣；游戏难度系数也普遍偏低，不够吸引人等问题都有待进一步开发和完善。

4 结论

基于Unity3D的藏汉双语虚拟化学实验系统是对我区传统化学教学模式的一次大胆创新。将带给学生更加有趣、便捷、安全的化学实验体验，实验将不再受时间和空间的限制，学生可以随时学习和实践化学知识。同时，一套趣味性十足的闯关平台，也将有效地激发学生的学习积极性，为今后系统学习该课程打下基础。