彭佳漢，李剛毅，秦天文，馮佳玉，韓書垚，張亦馳，賴曉晨

（大連理工大學軟件學院，大連 116000）

0 引言

隨著我國信息技術(shù)的不斷發(fā)展，軟件已經(jīng)開始滲透到了教育領(lǐng)域當中，成為了提升學校教學能力的強大支持。教育部文件《教師教育振興行動計劃（2018-2022 年）》中指出，教育要實施“互聯(lián)網(wǎng)+教師教育”創(chuàng)新行動，充分利用云計算、大數(shù)據(jù)、虛擬現(xiàn)實、人工智能等新技術(shù)，推進教師教育信息化教學服務平臺建設和應用。眾所周知，化學是非常重要的一門學科，而在我們的國內(nèi)校園中，受到各種條件制約，使得學生們無法嘗試大多數(shù)的實驗，因此，如今迫切需要使用信息化手段來幫助解決這個問題。

1 研究現(xiàn)狀

仿真化學實驗教學是一種新型的教學媒體和現(xiàn)代化的教學手段，具有容量大、速度快以及圖文并茂、聲色俱全、生動形象等特點，因而可以擴展實驗類型，拓寬學生事業(yè)，彌補課內(nèi)常規(guī)實驗的不足[1]。

目前，國內(nèi)市場推出了許多仿真化學實驗軟件，目前的軟件面臨著以下的現(xiàn)狀：

現(xiàn)在網(wǎng)上的許多應用都是以教材知識和基礎操作為中心，大多數(shù)都是以演示實驗為主，很少有讓用戶自己操作的機會；界面和儀器一般都較為生硬，使得用戶在使用時有很強的距離感，無法體驗到自己動手做實驗的感覺。

本文將介紹基于ARCore 的中學實驗平臺軟件，軟件提供了大量以動手做為主的實驗素材，基于Google的ARCore 技術(shù)，用戶拿起手機進行操作，感覺實驗就仿佛發(fā)生在自己面前，帶來了良好的學習體驗，更激發(fā)了用戶對化學實驗的好奇心，加深了對化學知識的理解，為化學課程的教學信息化帶來巨大的助力。

2 系統(tǒng)設計

2.1 系統(tǒng)概要

本項目主要由3 個功能構(gòu)成，功能分別為“實驗展示”功能、“動手做試驗”功能和“老師指導”功能。項目系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。

2.2 “實驗展示”模塊

“實驗展示”功能根據(jù)教育部《普通高中化學課程標準》所要求掌握的實驗，包括二氧化硫和濃硫酸的性質(zhì)實驗、氫氧化鋁的兩性實驗、氨及銨鹽的性質(zhì)實驗和葡萄糖與新制氫氧化銅懸濁液實驗等，設計出預計設置22 種相應的實驗模型。學生在完成書本內(nèi)容的學習后，通過掃描書本上的實驗圖片，在手機上觀看立體的實驗。學生不僅僅可以看到具體的實驗流程，更可以通過自身移動多角度地、全方面地觀察實驗現(xiàn)象，同時，在實驗的關(guān)鍵點還會用箭頭和文字進行標注提醒，實現(xiàn)二維的知識與三維的立體圖像結(jié)合，以便學生更好地掌握實驗流程、實驗現(xiàn)象以及實驗中的關(guān)鍵點。

通過“實驗展示”功能，一方面學生不用在實驗室接觸危險的化學藥品即可多角度、全方位地觀察實驗，另一方面二維與三維的結(jié)合使得學習更加有趣，使得學生對實驗現(xiàn)象的記憶更加深刻。

這里我們把每個實驗都做成一個預制體，因為AR技術(shù)需要與環(huán)境相適應，所以實驗中的流程都是實時進行的，保證了實驗制作的獨立性，增強了軟件的擴展性。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.3 “動手做實驗”模塊

“動手做試驗”根據(jù)中學實驗要求，設計出中學化學實驗所常使用到的13 種儀器，包括試管、燒杯、燒瓶、錐形瓶、集氣瓶等和中學化學實驗所常使用到的38種化學試劑，包括乙酸乙酯、氫氧化銅、乙醇、碳酸鈉和碳酸氫鈉等。學生通過對書上實驗圖片進行掃描后，選擇“動手做試驗”。隨后，手機上加載出實驗所需的儀器和化學試劑的模型，學生通過拖拽等方式可完成儀器的拼接、化學試劑的添加和在相應關(guān)鍵處添加標注等功能，在儀器拼接以及試劑添加完成后，即可觀察實驗現(xiàn)象。

這里將單獨的化學實驗按照時間順序分成多個階段，每個階段都有其對應的操作，學生需按步驟進行實驗，即完成第一階段的操作才可進入下一階段，以此類推，整體上按時間循序漸進，幫助學生理解整個實驗流程。

2.4 “老師指導”模塊

“老師指導”功能基于“實驗展示”和“動手做試驗”功能。在學生進行“實驗展示”和“動手做試驗”時，教師可從另一個手機上實時觀看學生所進行的操作，并且對實驗中的重要點用箭頭和文字進行標注，學生可在自己的手機上看到老師的標注信息，從而更好地理解實驗原理和學習實驗過程。

總的來講，該模塊支持跨設備觀看實驗、跨設備標注等一些聯(lián)網(wǎng)操作。這使得學生們在能夠接觸新型化學實驗的同時，還可以得到教師的指導，能夠更好地對化學實驗進行學習記憶。

“老師指導”模塊相當于在前兩個模塊的基礎上增加聯(lián)網(wǎng)標識等功能，從功能上來講，三個模塊相互聯(lián)系又相互獨立，第一個模塊注重實驗的整體性和完整性，第二個模塊注重實驗的邏輯性和步驟性，第三個模塊注重聯(lián)網(wǎng)和標識，方便開發(fā)者擴展相應功能。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

3.1 實現(xiàn)概述

（1）技術(shù)實現(xiàn)。平臺采用了Google 的先進增強現(xiàn)實技術(shù)ARCore，主要使用其中的圖片增強功能部分，確保AR 成像與化學實驗展示的穩(wěn)定性。ARCore 的運動跟蹤技術(shù)使用手機攝像頭標識興趣點（稱為特征點），并跟蹤這些點隨著時間變化的移動。將這些點的移動與手機慣性傳感器的讀數(shù)組合，可以在手機移動時確定手機的位置和屏幕方向。通過將渲染3D 內(nèi)容的虛擬攝像頭的姿態(tài)與ARCore 提供的設備攝像頭的姿態(tài)對齊，開發(fā)者能夠從正確的透視角度渲染虛擬內(nèi)容。渲染的虛擬圖像可以疊加到從設備攝像頭獲取的圖像上，讓虛擬內(nèi)容看起來就像現(xiàn)實世界的一部分一樣；本項目還采用Unity 物理引擎，使化學實驗具有更逼真的物理和化學效果，同時優(yōu)化應用所需的計算資源。

（2）關(guān)鍵點。關(guān)鍵點在于如何在手機有限的存儲、計算資源上更完美地展示化學實驗。在化學儀器模型方面，我們平衡了化學儀器的模型、貼圖精度與性能，部分使軟件能夠在手機有限的計算資源上得到較好的顯示效果。

（3）難點。難點在于如何實現(xiàn)用戶之間的聯(lián)網(wǎng)功能，如何在松耦合方式下實現(xiàn)場景與預制體之間的通信與綁定。該部分需要考慮服務器的房間邏輯、掉線邏輯、中途加入邏輯、服務器資源回收利用、還需要保證較低的延遲等。我們采用游戲服務器，保證網(wǎng)絡連通的可靠性與低延遲，同時也便于處理房間邏輯；在松耦合問題中，我們設置了共享存儲空間、利用多態(tài)方法動態(tài)綁定通信函數(shù)與實驗物體。從而解決這兩個難點。

3.2 實驗展示與動手做實驗部分

各模塊中包含的具體操作流程基本一致，下面以實驗展示模塊進行展示。圖2 是選擇實驗界面，圖3是正式操作界面。首先用戶選擇實驗，進入實驗后自動播放該實驗的操作步驟，期間會有標簽提示注意事項等。用戶可以利用AR 技術(shù)全方位進行觀看。

圖2

圖3

實現(xiàn)過程：在實驗展示部分，首先我們利用計時器和Unity 的動畫系統(tǒng)，通過實例化、旋轉(zhuǎn)、平移、形變等效果實現(xiàn)單獨部件的實驗操作，再通過全局的控制器統(tǒng)一調(diào)度每個部件相應函數(shù)觸發(fā)的事件或邏輯關(guān)系，達到化學實驗現(xiàn)象的效果。

難點：動手做實驗部分的難點在于如何在二維的手機屏幕上操控3D 空間中的實驗儀器。我們構(gòu)建了一個3D 的“T”字型實驗操作平臺，用戶只能控制實驗儀器在此平臺上移動。為了達到拖拽的目的，我們對實驗儀器的圖層進行區(qū)分。每一幀系統(tǒng)都會檢測用戶的操作。當用戶在拖拽時，攝像機根據(jù)屏幕的觸點發(fā)射一條射線，設置為僅能碰到化學儀器；在碰到化學儀器后，再發(fā)射一條僅能碰到實驗平臺的射線，然后將該化學儀器挪動至該實驗平臺的觸點上。由于每一幀都會進行此操作，化學儀器也就能隨著手指的滑動變換自己再實驗平臺上的位置。核心偽代碼如下：

3.3 老師指導部分

實現(xiàn)過程：這一模塊采用游戲服務器MatchVS，將登錄服務器等過程隱式實現(xiàn)，給用戶更流暢的體驗；程序通過MatchVS 的接口完成相應的數(shù)據(jù)傳輸操作。在MatchVS 接口的基礎上，為了迎合項目需求，本項目額外增加的功能有：創(chuàng)建房間時，用戶可以選擇要展示的實驗；在其他用戶加入房間時，會給這位用戶發(fā)送當前實驗的ID 編號，以達到實驗同步的效果。且第一個進入房間的人默認為房主，擁有最高權(quán)限。

相應的函數(shù)與邏輯順序關(guān)系如圖4，主要有登錄登出、加入退出房間、房間中通信等函數(shù)。且在其他人加入離開房間時，服務器向房間內(nèi)其他用戶通報信息。

為了減少項目體量，壓縮安裝包大小，老師指導部分與項目展示、動手做實驗兩個模塊采用相同的預制體文件，達到模型、代碼復用的功能；聯(lián)網(wǎng)部分采用松耦合的設計，將編寫的腳本掛載在能夠被交互的實驗器材上即可，提供了良好的可拓展性，方便之后實驗的拓展。

圖4

同時，本項目支持斷點重連：若用戶在使用過程中網(wǎng)絡中斷或切換網(wǎng)絡環(huán)境，依然能夠順利返回之前的房間。

為了減少對網(wǎng)絡帶寬的需求，我們僅傳輸實驗操作或系統(tǒng)變化對應的字符串，將這些信息通過JSON 數(shù)據(jù)類型封裝，對應操作的邏輯在客戶端進行運算渲染。偽代碼如下：

難點：SDK 的信息的回調(diào)函數(shù)采用static 類型，無法通過函數(shù)調(diào)用、Unity 中的action 方法與掛載在物體上的腳本進行調(diào)用。為了解決這一問題，我們在全局控制器中設置了一個全局的監(jiān)聽器與標志位，在每一幀監(jiān)測是否接收到來自服務器的信號。如果接收到信號，那么控制器就通過松耦合的方式調(diào)用對應物體的方法。

下面是系統(tǒng)信息回調(diào)函數(shù)部分代碼，當接收到網(wǎng)絡傳遞來的數(shù)據(jù)時，函數(shù)更改全局變量與標志位。偽代碼如下：

下面是控制器監(jiān)聽部分偽代碼，每一幀都會檢測是否更改。若更改，跳轉(zhuǎn)到處理函數(shù)中。

4 結(jié)語

基于ARCore 的中學實驗平臺提供了豐富的接口和實驗資源，實現(xiàn)了高仿真效果的化學實驗模擬，可以滿足中學化學實驗學習的需要，用戶可以在有限的教學資源下，安全的學習化學實驗知識，激發(fā)了用戶對化學學習的興趣，極大的推進了中學化學課程的教學信息化。