葉詩慧

摘要：針對高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)操作條件有限、危險(xiǎn)性大、實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容深度廣度不夠等問題，結(jié)合Unity3D技術(shù)設(shè)計(jì)開發(fā)一套應(yīng)用于高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。參照高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)大綱的要求，將虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)劃分為三大功能模塊：實(shí)驗(yàn)演示模塊、三維操作模塊、操作考試模塊。其中關(guān)鍵技術(shù)采用粒子系統(tǒng)特效技術(shù)、模型貼圖紋理處理技術(shù)、視頻調(diào)用技術(shù)、人物漫游技術(shù)以及碰撞檢測技術(shù)，并且通過3個(gè)功能模塊對學(xué)習(xí)者進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)操作訓(xùn)練，多通道、多角度提高學(xué)習(xí)者的手腦協(xié)作能力，進(jìn)而激發(fā)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)興趣。

關(guān)鍵詞：Unity3D;化學(xué)學(xué)習(xí);虛擬實(shí)驗(yàn)

中圖分類號：TP311

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DesignandImplementationofChemicalVirtual

ExperimentSystemBasedonUnity3D

YEShihui

（SchoolofComputerandInformationTechnology，NortheasternPetroleumUniversity，Daqing163318，China）

Abstract：Aimingattheproblemssuchaslimitedoperationconditions，highriskandinsufficientdepthandbreadthofexperimentalteachingcontents，thispaperdesignsanddevelopsavirtualexperimentalsystemappliedinhighschoolchemistryexperimentalteachingbycombiningUnity3Dtechnology.Accordingtotherequirementsofhighschoolchemistryexperimentoutline，thevirtualexperimentsystemisdividedintothreefunctionalmodules：experimentaldemonstrationmodule，threedimensionaloperationmoduleandoperationtestmodule.Keytechnologiessuchasparticlesystemeffectstechnology，themodelmaptextureprocessingtechnology，videocallsandroamingandcollisiondetectiontechnologyareused，andthroughthethreefunctionalmodules，thevirtualexperimentoperationcantrainlearnerswithmultichannelthinkingandimprovethelearnerscooperationabilityofhandsandbrain，inturn，stimulatelearnersinterestinlearning.

Keywords：Unity3D;chemicaltraining;virtualexperiment

0引言

化學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的科學(xué)，實(shí)驗(yàn)儀器陳舊、實(shí)驗(yàn)藥品缺少、實(shí)驗(yàn)室開放時(shí)間少，以及一些高危操作影響著實(shí)驗(yàn)在學(xué)校中的展開。為緩解這一教學(xué)現(xiàn)狀，化學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)的引入是非常必要的。相比于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，化學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚴怪R從抽象變具體、降低實(shí)驗(yàn)成本、避免安全隱患等。虛擬實(shí)驗(yàn)尤其是桌面式虛擬實(shí)驗(yàn)相較真實(shí)實(shí)驗(yàn)成本較低，便于及時(shí)更新，學(xué)習(xí)者能隨時(shí)隨地使用實(shí)驗(yàn)所需資源。通過使用虛擬實(shí)驗(yàn)，可以完成對虛擬物體的使用操作，獲得與真實(shí)實(shí)驗(yàn)相似的現(xiàn)象與結(jié)果，從而掌握在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中相同的知識與技能，甚至能掌握現(xiàn)實(shí)中由于安全因素不能進(jìn)行操作的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，為實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了一種新的方式與思路。虛擬實(shí)驗(yàn)在不同類型的化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的作用有很大的差異對于一些安全性高、現(xiàn)象明顯的感知實(shí)驗(yàn)、驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)等采用虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以起到模擬、渲染、立體、交互的輔助作用;對于毒氣性質(zhì)、易燃易爆等化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)有著不可替代的作用，其安全、高效且能給實(shí)驗(yàn)者帶來聲光、溫度等多重感官刺激，甚至可以使實(shí)驗(yàn)效果優(yōu)于真實(shí)實(shí)驗(yàn)[1]。

1總體設(shè)計(jì)

1.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

本系統(tǒng)的主要目的是使學(xué)習(xí)者具有更加真實(shí)的模擬現(xiàn)實(shí)的學(xué)習(xí)環(huán)境，既能促進(jìn)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣還能提高學(xué)生的技能水平，從而完成學(xué)習(xí)目標(biāo)，掌握相應(yīng)知識點(diǎn)。通過檢索相關(guān)資料與教材，深入了解相關(guān)化學(xué)實(shí)驗(yàn)操作過程，并結(jié)合迪克凱里教學(xué)設(shè)計(jì)理論對系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)。首先在進(jìn)行開發(fā)前，對學(xué)生的學(xué)情與學(xué)習(xí)偏好進(jìn)行分析，確定學(xué)生當(dāng)前水平和要達(dá)到的預(yù)期效果;其次對學(xué)習(xí)目標(biāo)進(jìn)行分析，通過解讀高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)大綱中對實(shí)驗(yàn)的要求及課程要求來確定學(xué)習(xí)目標(biāo);最后分析學(xué)習(xí)內(nèi)容和學(xué)習(xí)者，結(jié)合化學(xué)實(shí)驗(yàn)的基本操作流程對系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。在本化學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，學(xué)習(xí)者可以通過觀看演示動(dòng)畫、動(dòng)手操作交互動(dòng)畫等方式熟悉實(shí)驗(yàn)流程及實(shí)驗(yàn)用品，掌握實(shí)驗(yàn)過程中的反應(yīng)原理，并通過三維考試模塊對所學(xué)知識進(jìn)行評價(jià)。

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)使用兩層邏輯架構(gòu)模式，虛擬實(shí)驗(yàn)部分采用的是三維交互式虛擬環(huán)境開發(fā)框架，選擇具有跨多種平臺優(yōu)勢的開發(fā)軟件unity3D進(jìn)行開發(fā);系統(tǒng)管理部分采用的是統(tǒng)一的管理框架。開發(fā)過程要依據(jù)真實(shí)的化學(xué)實(shí)驗(yàn)過程，首先對化學(xué)實(shí)驗(yàn)分類以及實(shí)驗(yàn)過程呈現(xiàn)方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，并編寫對應(yīng)的腳本;其次利用3DMAX軟件建立模型導(dǎo)入unity3D中根據(jù)腳本制作交互動(dòng)畫;最后將構(gòu)建好的資源匯總到高中化學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中。本系統(tǒng)選取“氯氣的實(shí)驗(yàn)室制法”、“銅與濃硫酸反應(yīng)”、“乙醇的消去反應(yīng)”為主要實(shí)驗(yàn)對象進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)，每個(gè)實(shí)驗(yàn)都包括三個(gè)不同的功能模塊，以保證學(xué)習(xí)者能夠順利完成學(xué)習(xí)目標(biāo)。如圖1所示。

1.2功能實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)通過3DMAX制作模型，將生成的FBX格式的模型導(dǎo)入到unity3D中進(jìn)行交互場景的搭建[2]。場景中人物、地板、墻壁、實(shí)驗(yàn)儀器等相關(guān)工具需要放置在合適的位置以便后續(xù)交互動(dòng)作的開發(fā)。根據(jù)學(xué)習(xí)者的需要使用本系統(tǒng)時(shí)，分別進(jìn)行系統(tǒng)的：實(shí)驗(yàn)演示模塊、三維操作模塊、操作考試模塊三種功能模塊進(jìn)行練習(xí)。

（1）實(shí)驗(yàn)演示模塊

本模塊以視頻方式呈現(xiàn)，此模塊在三維操作模塊的基礎(chǔ)上進(jìn)行開發(fā)。實(shí)際操作三維操作模塊，并將這一操作過程用EV錄屏軟件錄制下來。錄制視頻時(shí)鼠標(biāo)設(shè)置為不顯示光標(biāo);畫質(zhì)級別設(shè)置為“原畫”;文件格式保存為.mp4其他均為默認(rèn)設(shè)置。這樣既保證了視頻的清晰度，又方便后續(xù)的剪輯。將錄制好的視頻導(dǎo)入到Premiere中進(jìn)行剪輯，去掉多余的視頻片段，再將實(shí)驗(yàn)過程完整的串聯(lián)起來。視頻中伴隨語音講解，將配好錄音導(dǎo)入Premiere中，并將語音正確對應(yīng)到合適的位置，說明實(shí)驗(yàn)的儀器、方法、用量等。最后利用AE進(jìn)行片頭、片尾的制作。在使用此系統(tǒng)時(shí)首先接觸演示模塊能夠讓使用者對所學(xué)知識有一個(gè)初步的了解與掌握，對后續(xù)的學(xué)習(xí)起到先導(dǎo)作用。

（2）三維操作模塊

三維操作模塊使用3DMAX與unity3D技術(shù)開發(fā)出可以進(jìn)行實(shí)時(shí)交互的可操作三維交互場景。在此功能模塊中通過線性腳本控制實(shí)現(xiàn)交互動(dòng)畫，每一個(gè)腳本對應(yīng)一到兩個(gè)動(dòng)畫。學(xué)習(xí)者使用時(shí)可以通過每個(gè)步驟文字提示內(nèi)容進(jìn)行操作，文字提示功能通過在腳本中加入publicstringnextText語句，并在unity3D前臺輸入文字提示內(nèi)容。操作過程中，將需要使用的工具放置在屏幕右側(cè)UI中，UI界面中的圖片在Photoshop中修改美化，放在相應(yīng)的資源包中，如圖2所示。

新建ToolControl腳本，并設(shè)置UI個(gè)數(shù)，設(shè)置完成之后，將對應(yīng)的圖片拖拽至ToolControl腳本中使用。當(dāng)操作需要使用工具時(shí)，相應(yīng)的工具高亮提示。除此之外在本模塊中實(shí)現(xiàn)了真實(shí)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生的各種效果，包括火焰的燃燒、氣體的產(chǎn)生以及各種實(shí)驗(yàn)試劑顏色的變化，增加本系統(tǒng)的真實(shí)感。

（3）操作考試模塊

操作考試模塊與三維交互模塊開發(fā)過程一致，增加計(jì)分的功能。在原有腳本中增加添加elseif條件判斷語句，判斷鼠標(biāo)點(diǎn)擊的物體是否正確，若鼠標(biāo)點(diǎn)擊正確則得分，并將得分計(jì)入到總分中，若點(diǎn)擊錯(cuò)誤不得分，錯(cuò)誤原因系統(tǒng)調(diào)用XML文檔在結(jié)果頁面中顯示出來。此功能模塊用來對學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)成果進(jìn)行檢驗(yàn)，代碼如下。

if（

gameObject.GetComponent（）.isDone==true&&

StaticVar.iconName=="jjd"&&

gameObject.GetComponent（）.isConfirmButtonClick==true&&gameObject.GetComponent（）.objectHit！=null&&isDone==false）

{

ClickObj=gameObject.GetComponent（）.objectHit;

if（ClickObj.name==stepClickObj.name）

{

transform.GetComponent