基于VR技術的自然科學實驗資源庫系統(tǒng)研究與設計

李兵川 王劍峰 宋苗苗 吳文靈 黎 江

（重慶航天職業(yè)技術學院，重慶400021）

1 實驗簡介

本課題主要圍繞三個自然科學實驗進行虛擬仿真研究，分別是高錳酸鉀制氧實驗、豌豆雜交實驗、太陽觀察實驗，通過這三個實驗實現(xiàn)對真實科學實驗的虛擬仿真，并逐步構建能容納更多實驗的自然科學實驗虛擬仿真資源庫系統(tǒng)。

1.1 高錳酸鉀制氧實驗

可以使用設備制作初中的基礎實驗，通過高錳酸鉀制氧。2KMnO4=△= K2MnO4+MnO2+O2↑實驗中包括加熱的效果以及氧氣的效果都有所體現(xiàn)，真正的做到了把實驗復現(xiàn)到VR 設備之中。不僅如此，在化學中有所涉及的實驗設備我們都有所制作，包括針對于液體溫度的檢測，VR 實驗室使用了UI 對其進行展示，無論是氣體沸騰的效果還是溫度變化的曲線都完美的進行了呈現(xiàn)。還包括劃火柴、點燃酒精燈等操作，這些簡單的操作，所有的細節(jié)都完美體現(xiàn)。

1.2 豌豆雜交實驗

體驗者能夠親手種植豌豆，對其基因進行檢測，這樣能夠忽略現(xiàn)實中時間的限制，在現(xiàn)實中此類不太可能讓體驗者真正實現(xiàn)的實驗我們能夠在VR 實驗室體驗，這樣可以大大的解決時間和空間上的限制。

1.3 觀察太陽天文實驗

太陽的活動影響著地球上的一切以及生活作息。通過了解此次實驗中的的道具巴德膜以及ERF 鏡片觀測太陽，讓我們知道如何正確使用天文望遠鏡觀測太陽的活動。

2 系統(tǒng)設計

2.1 項目結構設計（圖1）

從實驗者的角度出發(fā)，利用VR 技術模擬1 個化學實驗和1個生物實驗和1 個天文實驗。項目是基于SteamVR 環(huán)境運行。

2.2 高錳酸鉀制氧實驗設計（圖2）

圖1 項目整體結構

可以使用設備制作初中的基礎實驗，通過高錳酸鉀制氧。2KMnO4=△= K2MnO4+MnO2+O2↑實驗中包括加熱的效果，以及氧氣的效果都有所體現(xiàn)，真正的做到了把實驗復現(xiàn)到VR 設備之中。

圖2 高錳酸鉀制氧實驗效果圖

不僅如此，在化學中有所涉及的實驗設備我們都仿真制作完成，包括針對于液體溫度的檢測，VR 實驗室使用了UI 對其進行展示，無論是氣體沸騰的效果還是溫度變化的曲線都完美的進行了呈現(xiàn)。另外劃火柴，點燃酒精燈等操作也在實驗中高仿真呈現(xiàn)出來。

劃火柴功能實現(xiàn)代碼：

當速度值達到1 米每秒，并且火柴棍碰撞器接觸到火柴盒碰撞器的時候?qū)sFire 標簽設置為真，并且激活火焰特效，通過這樣的功能編寫能夠高度虛擬仿真火柴摩擦點燃的效果。

酒精燈點燃和熄滅實現(xiàn)代碼：

當點燃的火柴碰撞器碰撞到打開的酒精燈碰撞器時，酒精燈的火苗特效會被激活，并且播放點火音效，當酒精燈帽蓋住后酒精燈就熄滅。

2.3 豌豆雜交實驗設計

體驗者能夠親手種植豌豆，對其的基因進行檢測，這樣能夠忽略現(xiàn)實中時間的限制，在現(xiàn)實中此類不太可能讓體驗者真正實現(xiàn)的實驗我們能夠在VR 實驗室體驗。這樣可以大大的解決時間和空間上的限制。我們能夠用鏟子將地表鏟開，種植不同基因的種子，放入種子在坑中，蓋上泥土，澆水就可以進行灌溉啦.達到一定程度便會長出對應的豌豆苗直至長大，得到的基因型我們可以通過VR 設備進行觀看，以達到學習的目的。鏟土和蓋土功能實現(xiàn)代碼：

當鏟子觸發(fā)器離開土面時三次內(nèi)每次土壤下降5 厘米，并顯示鏟開的狀態(tài)，另外蓋土的次數(shù)三次內(nèi)時每次土壤上升5 厘米，并實現(xiàn)蓋土狀態(tài)，這兩個功能真實模擬了鏟土和蓋土的狀態(tài)。

2.4 觀察太陽天文實驗設計

太陽的活動影響著地球上的一切以及生活作息。通過了解此次實驗中的的道具，巴德膜以及ERF 鏡片觀測太陽，讓體驗者學習到如何正確使用天文望遠鏡觀測太陽的活動，也能觀察月亮的自轉，甚至還能進入宇宙近距離觀察太陽等行星。

3 結論

隨著社會的進步，國家需要高素質(zhì)人才，培養(yǎng)人員實驗操作水平是當前物理、化學人才培養(yǎng)的主要任務之一，也是高素質(zhì)人才培養(yǎng)的重要內(nèi)容。但大部分普通基礎操作者不具有實驗操作用具，且實驗內(nèi)容很多，更何況有些化學實驗藥品，如果沒有相關證明是不可以購買的，舉例：鹽酸屬于易制毒化學品，需要到當?shù)毓矙C關進行備案，然后申請辦理易制毒備案證明，由當?shù)毓矙C關批準，持證明才可以和有資質(zhì)的廠家進行購買。自然科學實驗如果沒有專業(yè)人員指導，操作者可能不知道自己的操作什么地方存在失誤，達不到訓練要求，白費力氣，這時本項目就可以發(fā)揮它的作用。作為一套軟件，只需購買軟件本體，VR 設備本身可以租用或者購買二手，VR 設備自身也可以用于其他方面的應用，而不僅限于實驗操作的內(nèi)容。使用虛擬現(xiàn)實進行自然科學實驗操作，不僅安全可靠、方便快捷、不用考慮廢料處理，還能通過實驗軟件直接對操作者的實驗操作進行打分，指出操作時出現(xiàn)的問題，以真正達到訓練目的，相信經(jīng)過不懈努力，基于Unity3d 引擎的虛擬現(xiàn)實自然科學實驗項目能擁有更大的市場。