基于Unity3D的化學(xué)虛擬實驗系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

葉詩慧

摘要：針對高中化學(xué)實驗操作條件有限、危險性大、實驗教學(xué)內(nèi)容深度廣度不夠等問題，結(jié)合Unity3D技術(shù)設(shè)計開發(fā)一套應(yīng)用于高中化學(xué)實驗教學(xué)的虛擬實驗系統(tǒng)。參照高中化學(xué)實驗大綱的要求，將虛擬實驗系統(tǒng)劃分為三大功能模塊：實驗演示模塊、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個功能模塊對學(xué)習(xí)者進(jìn)行虛擬實驗操作訓(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);虛擬實驗

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

1總體設(shè)計

1.1系統(tǒng)設(shè)計思路

本系統(tǒng)的主要目的是使學(xué)習(xí)者具有更加真實的模擬現(xiàn)實的學(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。通過檢索相關(guān)資料與教材，深入了解相關(guān)化學(xué)實驗操作過程，并結(jié)合迪克凱里教學(xué)設(shè)計理論對系統(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)實驗大綱中對實驗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)實驗的基本操作流程對系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計。在本化學(xué)虛擬實驗系統(tǒng)中，學(xué)習(xí)者可以通過觀看演示動畫、動手操作交互動畫等方式熟悉實驗流程及實驗用品，掌握實驗過程中的反應(yīng)原理，并通過三維考試模塊對所學(xué)知識進(jìn)行評價。

系統(tǒng)總體設(shè)計使用兩層邏輯架構(gòu)模式，虛擬實驗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)真實的化學(xué)實驗過程，首先對化學(xué)實驗分類以及實驗過程呈現(xiàn)方式進(jìn)行設(shè)計，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)腳本制作交互動畫;最后將構(gòu)建好的資源匯總到高中化學(xué)虛擬實驗系統(tǒng)中。本系統(tǒng)選取“氯氣的實驗室制法”、“銅與濃硫酸反應(yīng)”、“乙醇的消去反應(yīng)”為主要實驗對象進(jìn)行設(shè)計開發(fā)，每個實驗都包括三個不同的功能模塊，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、實驗儀器等相關(guān)工具需要放置在合適的位置以便后續(xù)交互動作的開發(fā)。根據(jù)學(xué)習(xí)者的需要使用本系統(tǒng)時，分別進(jìn)行系統(tǒng)的：實驗演示模塊、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）實驗演示模塊

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，再將實驗過程完整的串聯(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，說明實驗的儀器、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)時首先接觸演示模塊能夠讓使用者對所學(xué)知識有一個初步的了解與掌握，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)行實時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現(xiàn)交互動畫，每一個腳本對應(yīng)一到兩個動畫。學(xué)習(xí)者使用時可以通過每個步驟文字提示內(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，相應(yīng)的工具高亮提示。除此之外在本模塊中實現(xiàn)了真實化學(xué)實驗中產(chǎn)生的各種效果，包括火焰的燃燒、氣體的產(chǎn)生以及各種實驗試劑顏色的變化，增加本系統(tǒng)的真實感。

（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)點擊的物體是否正確，若鼠標(biāo)點擊正確則得分，并將得分計入到總分中，若點擊錯誤不得分，錯誤原因系統(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，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