基于Secondlife的虛擬化學實驗研究

摘 要：本研究針對目前中學化學實驗教學存在的問題，結合Secondlife和Sloodle平臺的優(yōu)勢，在已有的《高錳酸鉀制取氧氣》實驗模式的基礎上，主要闡述了該虛擬實驗環(huán)境的實現(xiàn)過程。本研究的虛擬實驗為中學化學實驗教學改革提供了一種新技術和手段。

關鍵詞：虛擬實驗 Secondlife Sloodle 化學實驗教學

中圖分類號：G420 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）09（b）-0175-01

《新課程標準》要求新的化學課程以學生的發(fā)展和社會需求為出發(fā)點，通過實驗過程操作獲得化學知識與技能，而基于Flash5.0、openGL、X3D等技術的三維虛擬環(huán)境交互形式單一，體驗感差，不能激發(fā)學習興趣[1]，缺少智能的化學反應機制和對實驗過程的管理、控制，不利于學習者對實驗過程的認知和理解。本研究一方面利用Secondlife的建模工具和林登腳本語言及粒子系統(tǒng)創(chuàng)建形象逼真的反應現(xiàn)象和深度的操作交互；另一方面運用Mloodle平臺對整個實驗操作過程進行跟蹤、管理和控制。本研究所創(chuàng)建的學習環(huán)境具有情境沉浸感強、交互多元化、精密的反應機制控制和過程管理等特點，能夠有效解決化學實驗教學面臨的實際問題。

1 基于Secondlife的虛擬化學實驗的實現(xiàn)

基于Secondlife的虛擬化學實驗環(huán)境主要包括場景及模型、交互系統(tǒng)、支持工具、資源系統(tǒng)、特效系統(tǒng)、評價反饋系統(tǒng)等。

1.1 虛擬實驗場景及模型的實現(xiàn)

Secondlife內(nèi)部虛擬實驗場景的創(chuàng)設過程首先是利用3D建模工具創(chuàng)建物理模型，配套使用外部三維建模軟件如Blender、3D Max以及圖形處理軟件Photoshop等制作出材質(zhì)，再將材質(zhì)貼在物理模型上形成虛擬物體；最后將設計好的林登腳本添加到物體上，實現(xiàn)物體的功能屬性，其實質(zhì)是通過將各種虛擬物體（又稱PRIM，用戶用于創(chuàng)造物體的基本單位）的有序組合，來實現(xiàn)自動行為和創(chuàng)建復雜的系統(tǒng)，提供虛擬現(xiàn)實交互功能的擴展。

1.2 虛擬化身

為了增加整個虛擬實驗的體驗感、沉浸感，加深學生對實驗的感觸和認知，Secondlife為用戶提供了虛擬化身（Avatar）?；硎且匀藶榛拘螤睿碇g還可以進行語言，動作、表情等交互。

1.3 交互系統(tǒng)實現(xiàn)

交互系統(tǒng)主要是人機交互、人機交互主要是按照實驗設計的先后順序觸發(fā)激活實驗儀器。為了提示各個儀器的順序，給儀器設置了變色功能；點擊各個儀器，使之能按順序出現(xiàn)在特定位置，這一功能的實現(xiàn)主要是先在實驗室中復制了一套儀器，并將它們擺放在特定的位置上，通過“Hide”將其隱藏起來，再通過鼠標點擊顯現(xiàn)出來。實驗儀器的觸發(fā)反應是通過林等腳本語言來控制[2]。

1.4 支持工具實現(xiàn)

（1）搜索工具。

搜索工具主要包括地圖工具和瞬間移動工具，通過地圖工具搜索到學習場所和學習伙伴，通過瞬間移動工具移動到指定地點。

（2）資源工具。

①Secondlife中資源存儲和調(diào)用方式主要有兩種方式：第一，直接將各類型的資源上傳到Secondlife環(huán)境內(nèi)部，這種方式不便于資源的擴展應用；第二，通過外部聚合及Sloodle平臺的支持來匯聚資源。

②Sloodle平臺的資源支持。

將資源以模塊的形式存儲在Sloodle平臺中，然后通過Secondlife的遠程數(shù)據(jù)調(diào)以（XML-RPC，HTTP-Request）方式獲得資源庫的地址，最終使用相應的API將資源呈現(xiàn)到Secondlife中。

（3）實驗認知工具。實驗過程記錄：Secondlife提供的“攝像機”功能，可實時追蹤學習者的實驗操作過程，采集實驗數(shù)據(jù)，攝取實驗現(xiàn)象，加深學習者對實驗的認知和理解；另外，Secondlife的Note工具可以提供給學習者實時的文字記錄功能，促進學習者對實驗的反思和理解。

1.5 評價反饋工具

評價反饋工具是為學習者完成實驗之后進行自我反思，教師對學習者的實驗過程和結論進行評價反饋的平臺。

在虛擬實驗中利用Sloodle中的Tracker工具獲取學習者的實驗操作記錄、實驗反應數(shù)據(jù)、跟蹤學習者的學習路徑，了解學習者的實驗過程。學習者通過數(shù)據(jù)分析推理化學反應機制，促進對實驗過程的認知和理解[3]。

1.6 特效實現(xiàn)

在Secondlife中特效的實現(xiàn)是通過在環(huán)境編輯器（Environment Editor）中編輯粒子的濃度、數(shù)量、陰影、最大粒子數(shù)、不透明度等物理屬性，結合林等腳本語言和網(wǎng)格來營造虛擬的實驗效果。

2 Sloodle平臺的功能實現(xiàn)

2.1 Sloodle平臺的功能結構

Sloodle是結合Moodle和Secondlife兩者優(yōu)勢形成的一個開源平臺，Secondlife可以為學習者進行實驗提供一個虛擬的沉浸性實驗環(huán)境，而Sloodle系統(tǒng)在此基礎上又實現(xiàn)了對實驗過程的跟蹤管理和控制，本研究將兩者又鏈接起來，支持整個實驗過程。

2.2 Secondlife與Moodle的鏈接

修改Moodle平臺的數(shù)據(jù)庫及代碼使其與Secondlife鏈接。這種方法利用應用編程接口和html、林登腳本語言，通過XML-RPC遠程調(diào)用在兩個平臺之間互傳數(shù)據(jù)；Secondlife內(nèi)置的林登腳本語言提供了許多方法可以使Secondlife中物體與外部網(wǎng)絡服務器通信，也可以通過XML-RPC和HTTP請求向網(wǎng)站服務器發(fā)送數(shù)據(jù)。

3 結論

本研究利用Secondlife虛擬環(huán)境的情境性、操作交互性和Sloodle平臺對實驗過程的控制和管理等特性創(chuàng)建了基于Secondlife的虛擬化學實驗。該實驗具有沉浸感強、深度操作交互、精密的反應機制控制和過程管理等特點，可有效解決當前中學化學實驗教學無法培養(yǎng)學生實踐能力，不能促進學生對實驗過程的認知和理解等問題，彌補中學化學實驗教學的不足。

參考文獻

[1] 張淼.Secondlife環(huán)境下初中力學虛擬實驗的設計與實現(xiàn)[D].重慶：西南大學，2013.

[2] 陳穎博.基于Secondlife的虛擬圖書館讀者培訓環(huán)境設計與實現(xiàn)[D].重慶：西南大學，2012.

[3] 陳穎博.基于Secondlife的探究式學習環(huán)境設計與實現(xiàn)[J].中國遠程教育，2012（2）：79-80.endprint