李兵川 王劍峰 宋苗苗 吳文靈 黎 江

（重慶航天職業(yè)技術(shù)學(xué)院，重慶400021）

1 實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)介

本課題主要圍繞三個(gè)自然科學(xué)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行虛擬仿真研究，分別是高錳酸鉀制氧實(shí)驗(yàn)、豌豆雜交實(shí)驗(yàn)、太陽(yáng)觀察實(shí)驗(yàn)，通過(guò)這三個(gè)實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)對(duì)真實(shí)科學(xué)實(shí)驗(yàn)的虛擬仿真，并逐步構(gòu)建能容納更多實(shí)驗(yàn)的自然科學(xué)實(shí)驗(yàn)虛擬仿真資源庫(kù)系統(tǒng)。

1.1 高錳酸鉀制氧實(shí)驗(yàn)

可以使用設(shè)備制作初中的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，通過(guò)高錳酸鉀制氧。2KMnO4=△= K2MnO4+MnO2+O2↑實(shí)驗(yàn)中包括加熱的效果以及氧氣的效果都有所體現(xiàn)，真正的做到了把實(shí)驗(yàn)復(fù)現(xiàn)到VR 設(shè)備之中。不僅如此，在化學(xué)中有所涉及的實(shí)驗(yàn)設(shè)備我們都有所制作，包括針對(duì)于液體溫度的檢測(cè)，VR 實(shí)驗(yàn)室使用了UI 對(duì)其進(jìn)行展示，無(wú)論是氣體沸騰的效果還是溫度變化的曲線都完美的進(jìn)行了呈現(xiàn)。還包括劃火柴、點(diǎn)燃酒精燈等操作，這些簡(jiǎn)單的操作，所有的細(xì)節(jié)都完美體現(xiàn)。

1.2 豌豆雜交實(shí)驗(yàn)

體驗(yàn)者能夠親手種植豌豆，對(duì)其基因進(jìn)行檢測(cè)，這樣能夠忽略現(xiàn)實(shí)中時(shí)間的限制，在現(xiàn)實(shí)中此類不太可能讓體驗(yàn)者真正實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)我們能夠在VR 實(shí)驗(yàn)室體驗(yàn)，這樣可以大大的解決時(shí)間和空間上的限制。

1.3 觀察太陽(yáng)天文實(shí)驗(yàn)

太陽(yáng)的活動(dòng)影響著地球上的一切以及生活作息。通過(guò)了解此次實(shí)驗(yàn)中的的道具巴德膜以及ERF 鏡片觀測(cè)太陽(yáng)，讓我們知道如何正確使用天文望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)太陽(yáng)的活動(dòng)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 項(xiàng)目結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（圖1）

從實(shí)驗(yàn)者的角度出發(fā)，利用VR 技術(shù)模擬1 個(gè)化學(xué)實(shí)驗(yàn)和1個(gè)生物實(shí)驗(yàn)和1 個(gè)天文實(shí)驗(yàn)。項(xiàng)目是基于SteamVR 環(huán)境運(yùn)行。

2.2 高錳酸鉀制氧實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)（圖2）

圖1 項(xiàng)目整體結(jié)構(gòu)

可以使用設(shè)備制作初中的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，通過(guò)高錳酸鉀制氧。2KMnO4=△= K2MnO4+MnO2+O2↑實(shí)驗(yàn)中包括加熱的效果，以及氧氣的效果都有所體現(xiàn)，真正的做到了把實(shí)驗(yàn)復(fù)現(xiàn)到VR 設(shè)備之中。

圖2 高錳酸鉀制氧實(shí)驗(yàn)效果圖

不僅如此，在化學(xué)中有所涉及的實(shí)驗(yàn)設(shè)備我們都仿真制作完成，包括針對(duì)于液體溫度的檢測(cè)，VR 實(shí)驗(yàn)室使用了UI 對(duì)其進(jìn)行展示，無(wú)論是氣體沸騰的效果還是溫度變化的曲線都完美的進(jìn)行了呈現(xiàn)。另外劃火柴，點(diǎn)燃酒精燈等操作也在實(shí)驗(yàn)中高仿真呈現(xiàn)出來(lái)。

劃火柴功能實(shí)現(xiàn)代碼：

當(dāng)速度值達(dá)到1 米每秒，并且火柴棍碰撞器接觸到火柴盒碰撞器的時(shí)候?qū)sFire 標(biāo)簽設(shè)置為真，并且激活火焰特效，通過(guò)這樣的功能編寫(xiě)能夠高度虛擬仿真火柴摩擦點(diǎn)燃的效果。

酒精燈點(diǎn)燃和熄滅實(shí)現(xiàn)代碼：

當(dāng)點(diǎn)燃的火柴碰撞器碰撞到打開(kāi)的酒精燈碰撞器時(shí)，酒精燈的火苗特效會(huì)被激活，并且播放點(diǎn)火音效，當(dāng)酒精燈帽蓋住后酒精燈就熄滅。

2.3 豌豆雜交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

體驗(yàn)者能夠親手種植豌豆，對(duì)其的基因進(jìn)行檢測(cè)，這樣能夠忽略現(xiàn)實(shí)中時(shí)間的限制，在現(xiàn)實(shí)中此類不太可能讓體驗(yàn)者真正實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)我們能夠在VR 實(shí)驗(yàn)室體驗(yàn)。這樣可以大大的解決時(shí)間和空間上的限制。我們能夠用鏟子將地表鏟開(kāi)，種植不同基因的種子，放入種子在坑中，蓋上泥土，澆水就可以進(jìn)行灌溉啦.達(dá)到一定程度便會(huì)長(zhǎng)出對(duì)應(yīng)的豌豆苗直至長(zhǎng)大，得到的基因型我們可以通過(guò)VR 設(shè)備進(jìn)行觀看，以達(dá)到學(xué)習(xí)的目的。鏟土和蓋土功能實(shí)現(xiàn)代碼：

當(dāng)鏟子觸發(fā)器離開(kāi)土面時(shí)三次內(nèi)每次土壤下降5 厘米，并顯示鏟開(kāi)的狀態(tài)，另外蓋土的次數(shù)三次內(nèi)時(shí)每次土壤上升5 厘米，并實(shí)現(xiàn)蓋土狀態(tài)，這兩個(gè)功能真實(shí)模擬了鏟土和蓋土的狀態(tài)。

2.4 觀察太陽(yáng)天文實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

太陽(yáng)的活動(dòng)影響著地球上的一切以及生活作息。通過(guò)了解此次實(shí)驗(yàn)中的的道具，巴德膜以及ERF 鏡片觀測(cè)太陽(yáng)，讓體驗(yàn)者學(xué)習(xí)到如何正確使用天文望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)太陽(yáng)的活動(dòng)，也能觀察月亮的自轉(zhuǎn)，甚至還能進(jìn)入宇宙近距離觀察太陽(yáng)等行星。

3 結(jié)論

隨著社會(huì)的進(jìn)步，國(guó)家需要高素質(zhì)人才，培養(yǎng)人員實(shí)驗(yàn)操作水平是當(dāng)前物理、化學(xué)人才培養(yǎng)的主要任務(wù)之一，也是高素質(zhì)人才培養(yǎng)的重要內(nèi)容。但大部分普通基礎(chǔ)操作者不具有實(shí)驗(yàn)操作用具，且實(shí)驗(yàn)內(nèi)容很多，更何況有些化學(xué)實(shí)驗(yàn)藥品，如果沒(méi)有相關(guān)證明是不可以購(gòu)買的，舉例：鹽酸屬于易制毒化學(xué)品，需要到當(dāng)?shù)毓矙C(jī)關(guān)進(jìn)行備案，然后申請(qǐng)辦理易制毒備案證明，由當(dāng)?shù)毓矙C(jī)關(guān)批準(zhǔn)，持證明才可以和有資質(zhì)的廠家進(jìn)行購(gòu)買。自然科學(xué)實(shí)驗(yàn)如果沒(méi)有專業(yè)人員指導(dǎo)，操作者可能不知道自己的操作什么地方存在失誤，達(dá)不到訓(xùn)練要求，白費(fèi)力氣，這時(shí)本項(xiàng)目就可以發(fā)揮它的作用。作為一套軟件，只需購(gòu)買軟件本體，VR 設(shè)備本身可以租用或者購(gòu)買二手，VR 設(shè)備自身也可以用于其他方面的應(yīng)用，而不僅限于實(shí)驗(yàn)操作的內(nèi)容。使用虛擬現(xiàn)實(shí)進(jìn)行自然科學(xué)實(shí)驗(yàn)操作，不僅安全可靠、方便快捷、不用考慮廢料處理，還能通過(guò)實(shí)驗(yàn)軟件直接對(duì)操作者的實(shí)驗(yàn)操作進(jìn)行打分，指出操作時(shí)出現(xiàn)的問(wèn)題，以真正達(dá)到訓(xùn)練目的，相信經(jīng)過(guò)不懈努力，基于Unity3d 引擎的虛擬現(xiàn)實(shí)自然科學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目能擁有更大的市場(chǎng)。