羅澤康 蘇江微 田弘 張光威 葉秋韻 熊振海

摘要：物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)原理和儀器裝置比較復(fù)雜，操作步驟中關(guān)鍵點(diǎn)較多，對(duì)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)質(zhì)量要求很高。而傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)因?qū)嶒?yàn)課時(shí)、形式、儀器數(shù)量等導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)相對(duì)缺乏效率。本文借助虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，開(kāi)發(fā)一套虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)作為高校傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的補(bǔ)充和完善，為解決當(dāng)前高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)的困難尋找一條有效的途徑。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí);物理化學(xué)實(shí)驗(yàn);Unity 3D;移動(dòng)教育

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.0 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? 文章編號(hào)：1674-9324（2019）20-0275-02

一、背景

按照國(guó)家教育部在2012年3月頒布的《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011—2020）》的通知，我國(guó)教育事業(yè)將以教育信息化帶動(dòng)教育現(xiàn)代化作為發(fā)展的戰(zhàn)略選擇。這一政策加快了教育信息化的腳步，使得虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和教育相結(jié)合的理念開(kāi)始推廣。2018年2月，在教育部等五部門(mén)發(fā)布的《教師教育振興行動(dòng)計(jì)劃（2018—2022年）》通知中，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)再次被提及，并提出“互聯(lián)網(wǎng)+教師教育”創(chuàng)新行動(dòng)，充分將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和教師教育相結(jié)合的理念發(fā)揚(yáng)。

二、虛擬教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

在開(kāi)發(fā)系統(tǒng)之前，需要將每一個(gè)實(shí)驗(yàn)的操作步驟都進(jìn)行知識(shí)分解。這能使得系統(tǒng)中重要操作步驟均可以按照知識(shí)分解情況分別制作操作環(huán)節(jié)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理、重要操作步驟、可能出現(xiàn)的失誤、基本儀器使用規(guī)范等方面，結(jié)合課程中老師設(shè)置的思考題進(jìn)行題目的整理，并設(shè)置評(píng)分。參考我?！段锢砘瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)講義》選定了三個(gè)實(shí)驗(yàn)，分別為：液體飽和蒸汽壓的測(cè)定、蔗糖水解轉(zhuǎn)化的動(dòng)力學(xué)研究、電導(dǎo)法測(cè)定弱電解質(zhì)的電離常數(shù)，并初步了解流程圖需具備的一些基本要素，制作初稿。初稿的制作包括兩套流程圖、出題與評(píng)分。針對(duì)實(shí)驗(yàn)講義，首先在閱讀時(shí)畫(huà)出重點(diǎn)，尤其在實(shí)驗(yàn)步驟中斟酌分解操作步驟。對(duì)圈畫(huà)重點(diǎn)進(jìn)行二次整理與縮減，形成基本流程圖繪制。在流程圖繪制過(guò)程需要注重實(shí)驗(yàn)的細(xì)節(jié)，盡可能多考慮到實(shí)驗(yàn)中會(huì)發(fā)生的現(xiàn)象。

物化實(shí)驗(yàn)需要用到的儀器較為復(fù)雜，每個(gè)學(xué)校使用的實(shí)驗(yàn)儀器也不盡相同，所以建立自己學(xué)校的實(shí)驗(yàn)儀器模型十分必要。我們前往物化實(shí)驗(yàn)室對(duì)所需儀器進(jìn)行多方位拍攝，按比例進(jìn)行建模。最后，經(jīng)過(guò)更全面的分析得出解決方案，修改成型后導(dǎo)入系統(tǒng)中。

知識(shí)庫(kù)模塊的作用在于將需要在系統(tǒng)中展示的相關(guān)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行知識(shí)分解后以數(shù)據(jù)庫(kù)的形式加以?xún)?chǔ)存，主要利用MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的構(gòu)建。將之前對(duì)實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)流程、實(shí)驗(yàn)關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行分析所得的實(shí)驗(yàn)流程圖、實(shí)驗(yàn)知識(shí)點(diǎn)、實(shí)驗(yàn)思考題以數(shù)據(jù)表的形式輸入數(shù)據(jù)庫(kù)并建立評(píng)分體系。然后在Unity中使用www功能創(chuàng)建的程序，使其與Web服務(wù)器交互，在Unity中運(yùn)行程序，Unity先將數(shù)據(jù)發(fā)送給服務(wù)器并存入數(shù)據(jù)庫(kù)中，也可以在數(shù)據(jù)庫(kù)中下載這些數(shù)據(jù)，Unity收到后將它們打印出來(lái)，使用戶(hù)獲得非實(shí)時(shí)交互功能。在虛擬教學(xué)系統(tǒng)中，功能的設(shè)計(jì)是主要任務(wù)。本文構(gòu)建的物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)虛擬教學(xué)系統(tǒng)在功能上主要設(shè)計(jì)了系統(tǒng)模塊和功能模塊。其中系統(tǒng)模塊主要為虛擬實(shí)驗(yàn)室，功能模塊包括對(duì)話(huà)程序、鏡頭切換程序、幫助程序等。虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)模塊部分包括學(xué)習(xí)模式和操作模式兩種模式，以使其可以學(xué)習(xí)和考試兩用。

學(xué)習(xí)模式：本操作模式適用于對(duì)本實(shí)驗(yàn)沒(méi)有太多了解的學(xué)生，學(xué)生可自行操作實(shí)驗(yàn)，如在實(shí)驗(yàn)中碰到任何不懂的或有疑問(wèn)時(shí)可通過(guò)幫助按鈕獲得實(shí)驗(yàn)的正確操作步驟。同時(shí)，如果學(xué)生在自己操作時(shí)出錯(cuò)，系統(tǒng)也會(huì)給予一定的提示。操作模式：與學(xué)習(xí)模式不同，在操作模式中學(xué)生應(yīng)該對(duì)于整個(gè)實(shí)驗(yàn)原理和流程都有了具體的了解，本模式?jīng)]有任何提示和幫助。操作過(guò)程中，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作和問(wèn)題回答給學(xué)生打分，老師可根據(jù)分?jǐn)?shù)給學(xué)生成績(jī)。在操作模式中，若學(xué)生忘了步驟或不清楚的時(shí)候可以返回到菜單界面，重新選擇模式，但再一次進(jìn)入操作模式時(shí)實(shí)驗(yàn)是重新開(kāi)始的。

功能模塊設(shè)計(jì)：（1）實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前問(wèn)答功能。實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前的小測(cè)試是考查學(xué)生對(duì)于整個(gè)實(shí)驗(yàn)關(guān)鍵控制點(diǎn)是否準(zhǔn)確了解的重要指標(biāo)，通過(guò)對(duì)于學(xué)生給出的答案進(jìn)行分析可以讓老師有效地判斷學(xué)生實(shí)驗(yàn)的薄弱環(huán)節(jié)，同時(shí)進(jìn)一步加深學(xué)生對(duì)于實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵步驟和知識(shí)的記憶。（2）視角切換功能。在真實(shí)實(shí)驗(yàn)中，我們往往可以360度全方位地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)觀察，為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，在虛擬實(shí)驗(yàn)室中加入攝像頭的切換?！扮R頭切換”可以進(jìn)行第一人稱(chēng)視角和第三人稱(chēng)視角的轉(zhuǎn)變，用戶(hù)在進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室后可以自由觀察整個(gè)實(shí)驗(yàn)室和實(shí)驗(yàn)儀器，視角也可以任意調(diào)節(jié)方便用戶(hù)全部了解實(shí)驗(yàn)。（3）幫助系統(tǒng)。幫助系統(tǒng)可以在學(xué)習(xí)模式中隨時(shí)解決用戶(hù)的疑問(wèn)，使用戶(hù)對(duì)于物化實(shí)驗(yàn)的具體步驟、實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)儀器等有及時(shí)和詳細(xì)的了解。“幫助”出現(xiàn)步驟演示，下方有“返回”按鈕，點(diǎn)擊后回到首頁(yè)?？拷鼘?shí)驗(yàn)臺(tái)開(kāi)始實(shí)驗(yàn)步驟講解，點(diǎn)擊實(shí)驗(yàn)儀器會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)行說(shuō)明。

三、結(jié)論

本文中的物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)虛擬教學(xué)系統(tǒng)是基于uinty3D引擎的，此系統(tǒng)具有的特點(diǎn)為：研發(fā)的物理化學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和移動(dòng)教育結(jié)合的綜合體現(xiàn)，同過(guò)去的多媒體軟件純粹是實(shí)驗(yàn)步驟的簡(jiǎn)單演示不同，本系統(tǒng)的界面清晰友好，交互性強(qiáng)，具有很強(qiáng)的操作性和仿真性，軟件背后的邏輯性使所有的操作均有相應(yīng)的結(jié)果，將實(shí)驗(yàn)操作與原理融于一體，讓使用者通過(guò)仿真操作對(duì)實(shí)驗(yàn)建立起具體的了解，加深了對(duì)儀器功能、使用方法的認(rèn)識(shí)，是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有益補(bǔ)充形式。

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