陳 浩，索南尖措，邱吏源，古入次仁

在中學(xué)開設(shè)的眾多課程中，化學(xué)是一門非常重視動手實(shí)踐的學(xué)科，其不僅肩負(fù)著傳播基礎(chǔ)科學(xué)知識，還有發(fā)掘和培養(yǎng)化學(xué)科研后備人才的重任[1]。然而，在西藏地區(qū)的化學(xué)教學(xué)中，由于化學(xué)實(shí)驗(yàn)器材的不完善、試驗(yàn)地點(diǎn)無法滿足眾多學(xué)生等諸多因素限制，嚴(yán)重阻礙了西藏地區(qū)學(xué)生化學(xué)實(shí)驗(yàn)的操作。再者，對于多數(shù)藏區(qū)孩子來說，初中化學(xué)是他們第一次系統(tǒng)接觸化學(xué)知識，如何讓孩子們對這門新接觸的學(xué)科產(chǎn)生興趣，從而調(diào)動他們自主學(xué)習(xí)的積極性，使他們更加積極主動地投入到化學(xué)學(xué)習(xí)中，是當(dāng)下教學(xué)的一大難題[2]。

本套虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)基于Unity3D等三維引擎開發(fā)，真實(shí)性與趣味性并重，可以很好地解決以上難題。讓更多的藏區(qū)學(xué)生能夠隨時隨地反復(fù)進(jìn)行虛擬化學(xué)實(shí)驗(yàn)，親身體驗(yàn)到化學(xué)實(shí)驗(yàn)的奧秘、原理和樂趣。

1 系統(tǒng)開發(fā)中的關(guān)鍵技術(shù)

在Windows操作系統(tǒng)下，基于Unity3D平臺，主要采用C#或JavaScript等腳本語言進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)，建模工具采用Maya和Cinema4D，AR交互功能主要通過Vuforia實(shí)現(xiàn)。開發(fā)虛擬化學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的引擎主要包括了 Unity3D和Vuforia。

1.1 Unity3D引擎

Unity 3D是主流的虛擬現(xiàn)實(shí)創(chuàng)作工具，具有直觀的虛擬現(xiàn)實(shí)編輯功能和強(qiáng)大的跨平臺能力，讓三維創(chuàng)作變得簡單。結(jié)合C#或JavaScript等腳本語言可以實(shí)現(xiàn)各種交互功能。現(xiàn)如今，Unity3D作為一款成熟的三維游戲創(chuàng)作引擎，在虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等領(lǐng)域正被越來越多的國內(nèi)外人士廣泛運(yùn)用[3]。

1.2 Vuforia引擎

在眾多的AR SDK中，Vuforia憑借其更強(qiáng)的兼容性、開源等特性成為了當(dāng)下最流行的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)開發(fā)平臺之一[4]。Vuforia與Unity3D相結(jié)合可以輕松實(shí)現(xiàn)各種優(yōu)秀的3D展示效果和交互功能。Vuforia支持Android、iOS、PC等多種主流操作系統(tǒng)，這使得開發(fā)者可輕松實(shí)現(xiàn)跨平臺，幾乎無需二次開發(fā)，節(jié)省了大量時間。通過Vuforia引擎可以將化學(xué)實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)立體的、真實(shí)的再現(xiàn)。本文借助Vuforia引擎，將識別圖導(dǎo)入在Vuforia官網(wǎng)創(chuàng)建的數(shù)據(jù)庫，導(dǎo)入AR Target并掛載上相應(yīng)腳本，開發(fā)了AR的化學(xué)實(shí)驗(yàn)器材演示功能，測試效果如圖1。

圖1 AR演示在安卓平板上的測試效果

2 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)的開發(fā)流程

前期工作：

想要制作一套適合藏區(qū)中學(xué)生的藏漢雙語化學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，離不開的是與本地區(qū)內(nèi)不同民族的中學(xué)生進(jìn)行交流以及對中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的充分了解。我們首先對游戲劇情、關(guān)卡設(shè)置進(jìn)行精心設(shè)計(jì)，保證虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的趣味性和各關(guān)卡的銜接性。

而后，對化學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器、藥品、實(shí)驗(yàn)室環(huán)境進(jìn)行3D建模，對模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)販p免操作后，以Fbx或Obj格式導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D；同時，通過Photoshop等軟件對拍攝的實(shí)驗(yàn)器材圖像進(jìn)行修剪和修正，最后烘培成貼圖；運(yùn)用Shader腳本編程實(shí)現(xiàn)諸如火焰、玻璃、有色氣體等通過貼圖難以實(shí)現(xiàn)的材質(zhì)效果。

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)：

1）運(yùn)用NGUI對系統(tǒng)界面進(jìn)行開發(fā)，設(shè)計(jì)出具有藏式風(fēng)格的UI界面；同時將使用引導(dǎo)和錯誤提示音視頻導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D，通過編寫C#腳本設(shè)置好觸發(fā)條件。

2）根據(jù)參與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的教師提供的評分標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)評分模塊的設(shè)計(jì)，保證其靈活性與準(zhǔn)確性[5]。

3）通過Unity3D結(jié)合Vuforia的方式實(shí)現(xiàn)支持AR展示的實(shí)驗(yàn)器材庫。選擇高銳度的圖像設(shè)置成為AR Image，以保證Vuforia有更高的穩(wěn)定性和更精準(zhǔn)的識別率。

4）對系統(tǒng)性能進(jìn)行調(diào)優(yōu)，如剔除過多的三角面，保持UV貼圖接縫和硬邊盡可能的少的方式，減少系統(tǒng)對設(shè)備性能資源的消耗，保證大多數(shù)PC和手機(jī)用戶可正常訪問。

2.2 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)

1）本套系統(tǒng)將每一個課本上要求掌握的化學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)為一個關(guān)卡，并加入很多有趣好玩的故事劇情，可以很好地引導(dǎo)同學(xué)們?nèi)ド钊胩骄?、摸索，一步步堪破化學(xué)實(shí)驗(yàn)的奧秘，培養(yǎng)學(xué)生們對化學(xué)學(xué)習(xí)的興趣，讓他們更加積極主動的投入到化學(xué)學(xué)習(xí)中。

2）藏漢雙語設(shè)計(jì)使得區(qū)內(nèi)學(xué)生使用更加便捷。

3）實(shí)驗(yàn)評分模塊，應(yīng)與主持實(shí)驗(yàn)教學(xué)的教師充分交流，保證評分系統(tǒng)的靈活性與準(zhǔn)確性。

4）在虛擬場景中按比例真實(shí)還原實(shí)驗(yàn)設(shè)施和器材，所有重要的場景，以及各種實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象都要盡量真實(shí)地表現(xiàn)出來。

5）提供比較人性化的UI界面便于用戶操作，通過NGUI實(shí)現(xiàn)不同顯示比例的設(shè)備都能正常顯示。

6）對系統(tǒng)運(yùn)行效果以及性能進(jìn)行評估，保證大多數(shù)普通用戶可正常訪問。

2.3 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

依據(jù)上述的開發(fā)流程，采用Cinema4D和Maya作為主要三維建模工具，Unity3D為系統(tǒng)開發(fā)平臺，設(shè)計(jì)開發(fā)具有真實(shí)性和趣味性的藏漢雙語虛擬化學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。用戶可以自由選擇進(jìn)行虛擬化學(xué)實(shí)驗(yàn)或是趣味闖關(guān)，虛擬化學(xué)實(shí)驗(yàn)或是趣味闖關(guān)都應(yīng)設(shè)置操作提示，系統(tǒng)可根據(jù)用戶的操作進(jìn)行打分，在操作錯誤的地方也應(yīng)有語音或是彈窗提示。圖2為在Unity3D引擎中開發(fā)挑選實(shí)驗(yàn)器材模塊。

圖2 Unity3D工作區(qū)

3 系統(tǒng)測試

在虛擬化學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)開發(fā)完成后，將其發(fā)布到PC和Android等移動平臺進(jìn)行測試。就目前來看，本套系統(tǒng)的主要功能得到了大部分體驗(yàn)用戶的肯定和認(rèn)可，但其中任有大量功能存在不足，諸如化學(xué)實(shí)驗(yàn)所產(chǎn)生的氣泡，有色氣體，沉淀等實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不夠明顯；游戲劇情略顯單調(diào)，不夠有趣；游戲難度系數(shù)也普遍偏低，不夠吸引人等問題都有待進(jìn)一步開發(fā)和完善。

4 結(jié)論

基于Unity3D的藏漢雙語虛擬化學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是對我區(qū)傳統(tǒng)化學(xué)教學(xué)模式的一次大膽創(chuàng)新。將帶給學(xué)生更加有趣、便捷、安全的化學(xué)實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)將不再受時間和空間的限制，學(xué)生可以隨時學(xué)習(xí)和實(shí)踐化學(xué)知識。同時，一套趣味性十足的闖關(guān)平臺，也將有效地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，為今后系統(tǒng)學(xué)習(xí)該課程打下基礎(chǔ)。