VR化學(xué)實(shí)驗(yàn)室的實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用

莫志平 魏菊霞 李晶 鄧乃哲 莫江慶

摘 要：虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，VR）技術(shù)的普遍發(fā)展，讓眾多領(lǐng)域都能夠應(yīng)用到VR技術(shù)，給人們生活生產(chǎn)帶來(lái)極大便利。將VR技術(shù)應(yīng)用于化學(xué)實(shí)驗(yàn)，通過(guò)虛擬仿真項(xiàng)目給予學(xué)生身臨其境的感知效果，制造更多化學(xué)實(shí)驗(yàn)實(shí)踐和應(yīng)用的機(jī)會(huì)，提高學(xué)生的動(dòng)手能力。

關(guān)鍵詞：VR;虛擬現(xiàn)實(shí);化學(xué)實(shí)驗(yàn)室

0 引言

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Virtual Reality，VR）是以計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心生成的一個(gè)三維空間的虛擬世界，借用專用設(shè)備為用戶提供關(guān)于視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)的感官模擬，并通過(guò)鍵盤(pán)、鼠標(biāo)、VR設(shè)備等操作實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，使用戶有身臨其境之感[1]。VR技術(shù)主要特征是用戶身臨其境，置身于由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)生成的交互式的三維虛擬環(huán)境中，與之進(jìn)行交互。通過(guò)參與者與仿真環(huán)境的相互作用，利用人類本身所對(duì)接觸事物的感知和認(rèn)知能力，幫助啟發(fā)參與者的思維，全方位地獲取事物的各種空間信息和邏輯信息。

初中化學(xué)是大部分學(xué)生第一次接觸化學(xué)世界，感受化學(xué)的魅力。初中化學(xué)實(shí)驗(yàn)中有許多有趣的實(shí)驗(yàn)，例如木炭還原氧化銅、實(shí)驗(yàn)室制氧氣、鐵在氧氣中燃燒等等，每一個(gè)奇妙的展現(xiàn)背后都是化學(xué)物質(zhì)在偷偷地發(fā)生反應(yīng)，這正是引導(dǎo)同學(xué)們?nèi)ド钊胩骄?、摸索的重要原因?；瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生借助實(shí)驗(yàn)儀器和實(shí)驗(yàn)藥品自己動(dòng)手，親自操作，感受實(shí)驗(yàn)的樂(lè)趣，而教師也需要進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)，讓學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作合乎規(guī)范，避免安全事故的發(fā)生[2]。

本論文所研究的VR化學(xué)實(shí)驗(yàn)室以學(xué)生為主體，利用頭盔、手柄等設(shè)備制作化學(xué)實(shí)驗(yàn)，捉住當(dāng)代人們對(duì)游戲的熱愛(ài)，對(duì)科技的追求，模擬出真實(shí)的實(shí)驗(yàn)室空間，讓玩家置身其中，沉醉于化學(xué)實(shí)驗(yàn)的操作過(guò)程和反應(yīng)效果，具有真實(shí)性、安全性和可玩性。

1 VR化學(xué)實(shí)驗(yàn)室的可行性分析

1.1 開(kāi)設(shè)虛擬教學(xué)實(shí)驗(yàn)課程

在傳統(tǒng)的教學(xué)當(dāng)中，因?yàn)榛瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)器材的不完善、試驗(yàn)地點(diǎn)無(wú)法滿足眾多學(xué)生，以及教育經(jīng)費(fèi)的有限性等諸多方面，阻礙了學(xué)生化學(xué)實(shí)驗(yàn)的操作。VR化學(xué)實(shí)驗(yàn)室可以更好的解決這些問(wèn)題難點(diǎn)，讓更多學(xué)生能夠親身體驗(yàn)到化學(xué)實(shí)驗(yàn)的奧秘、原理和樂(lè)趣。

1.2 提高實(shí)驗(yàn)安全性

化學(xué)實(shí)驗(yàn)中，步驟嚴(yán)謹(jǐn)，化學(xué)劑量明確，需要極其精準(zhǔn)才能成功完成實(shí)驗(yàn)。有一些實(shí)驗(yàn)過(guò)程，稍不注意，會(huì)造成爆炸、腐蝕等嚴(yán)重的后果。傳統(tǒng)的危險(xiǎn)實(shí)驗(yàn)，只會(huì)在視頻書(shū)籍當(dāng)中演示給學(xué)生看，而學(xué)生卻無(wú)法進(jìn)行真實(shí)的演練。VR化學(xué)實(shí)驗(yàn)室可以讓學(xué)生仿真模擬，避免實(shí)驗(yàn)所帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)，學(xué)生可以放心的進(jìn)行化學(xué)實(shí)驗(yàn)的操作，減少不必要的意外，認(rèn)真觀察化學(xué)實(shí)驗(yàn)效果，提高動(dòng)手能力。

1.3 解決廢物處理成本高、實(shí)驗(yàn)耗材消耗巨大等問(wèn)題

一個(gè)班級(jí)的化學(xué)實(shí)驗(yàn)課，若讓每個(gè)學(xué)生都可以動(dòng)手操作，則需要大量的化學(xué)材料和實(shí)驗(yàn)耗材。如果學(xué)生實(shí)驗(yàn)過(guò)程中某一個(gè)步驟操作失誤，需要重新配置化學(xué)材料，過(guò)度的浪費(fèi)會(huì)造成一定的化學(xué)污染。VR化學(xué)實(shí)驗(yàn)室不需要具備這些化學(xué)材料即可完成大部分的實(shí)驗(yàn)，同時(shí)能看到模擬的實(shí)驗(yàn)效果，減少了材料的鋪張浪費(fèi)。

綜上所述，VR化學(xué)實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)的建立是可行的。

2 VR化學(xué)實(shí)驗(yàn)室

在真實(shí)的化學(xué)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，化學(xué)材料的使用存在一定的危險(xiǎn)性，不恰當(dāng)?shù)牟僮鬟€會(huì)引發(fā)爆炸事故。另外，實(shí)驗(yàn)環(huán)境的復(fù)雜性、廢物處理成本高、實(shí)驗(yàn)耗材消耗巨大等問(wèn)題都嚴(yán)重影響高校的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

VR化學(xué)實(shí)驗(yàn)室利用三維仿真技術(shù)對(duì)實(shí)驗(yàn)的環(huán)境、設(shè)備、材料等進(jìn)行模型構(gòu)建，并通過(guò)人機(jī)交互技術(shù)實(shí)現(xiàn)在虛擬場(chǎng)景中進(jìn)行各種化學(xué)實(shí)驗(yàn)操作。在VR實(shí)驗(yàn)室中，學(xué)生不僅可以自由漫游，還可以360度查看實(shí)驗(yàn)設(shè)備。

當(dāng)學(xué)生進(jìn)入實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ胶螅到y(tǒng)會(huì)通過(guò)語(yǔ)音和智能標(biāo)簽引導(dǎo)學(xué)生選擇實(shí)驗(yàn)并完成實(shí)驗(yàn)。同時(shí)，系統(tǒng)會(huì)以動(dòng)畫(huà)的形式對(duì)實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行播放，通過(guò)具體的畫(huà)面進(jìn)行教學(xué)。除了觀看實(shí)驗(yàn)仿真模擬場(chǎng)景外，學(xué)生還可以操控VR手柄，實(shí)現(xiàn)化學(xué)材料的抓取、調(diào)配、放置、開(kāi)始實(shí)驗(yàn)等操作。在實(shí)驗(yàn)操作的同時(shí)，系統(tǒng)會(huì)記錄學(xué)生的操作過(guò)程，如果學(xué)生操作有誤，系統(tǒng)還會(huì)以逼真的災(zāi)害場(chǎng)景提示，并及時(shí)糾正錯(cuò)誤的操作步驟。

這里以制取氧氣為例，進(jìn)入實(shí)驗(yàn)平臺(tái)后，桌上已經(jīng)放置好需要用到的化學(xué)藥品，黑板上也描述了該化學(xué)需要的儀器，以及化學(xué)方程式，化學(xué)步驟、注意事項(xiàng)等，如圖2。

學(xué)生可以從這些化學(xué)藥品中選擇部分，通過(guò)VR手柄抓取想要使用的化學(xué)藥品，丟進(jìn)試管，并通過(guò)移動(dòng)VR手柄，將裝有化學(xué)藥品的試管放置在鐵架臺(tái)上，將酒精燈移至試管尾部，抓取點(diǎn)火器點(diǎn)火，如果位置放置正確，則一段時(shí)間后通過(guò)集氣瓶收集氧氣。集滿氧氣后，關(guān)火，實(shí)驗(yàn)完成。

3 結(jié)束語(yǔ)

結(jié)合化學(xué)元素和化學(xué)反應(yīng)式，根據(jù)不同的化學(xué)變化進(jìn)行模擬仿真，充分發(fā)揮虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在化學(xué)實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢(shì)，讓化學(xué)實(shí)驗(yàn)迸發(fā)出勃勃生機(jī)。VR化學(xué)實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)模擬真實(shí)的實(shí)驗(yàn)室，創(chuàng)造了一個(gè)逼真的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，讓學(xué)生和教師能夠高效地完成專業(yè)的教學(xué)內(nèi)容。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的逼真仿真模擬和自然的人機(jī)交互性大大地提高學(xué)校的教學(xué)質(zhì)量，讓化學(xué)實(shí)驗(yàn)不再是紙上談兵。

參考文獻(xiàn)：

[1]閆曉麗，鄭延斌，姚飛，蘇景霞.基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)虛擬化學(xué)實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)[J].科技視界，2013（33）：26-27.

[2]李中強(qiáng).虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)支持下高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開(kāi)展[J].教學(xué)與管理，2018（31）：61-63.