莫志平 魏菊霞 李晶 鄧乃哲 莫江慶

摘 要：虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，VR）技術的普遍發(fā)展，讓眾多領域都能夠應用到VR技術，給人們生活生產(chǎn)帶來極大便利。將VR技術應用于化學實驗，通過虛擬仿真項目給予學生身臨其境的感知效果，制造更多化學實驗實踐和應用的機會，提高學生的動手能力。

關鍵詞：VR;虛擬現(xiàn)實;化學實驗室

0 引言

虛擬現(xiàn)實技術（Virtual Reality，VR）是以計算機技術為核心生成的一個三維空間的虛擬世界，借用專用設備為用戶提供關于視覺、聽覺、觸覺的感官模擬，并通過鍵盤、鼠標、VR設備等操作實現(xiàn)人機交互，使用戶有身臨其境之感[1]。VR技術主要特征是用戶身臨其境，置身于由計算機系統(tǒng)生成的交互式的三維虛擬環(huán)境中，與之進行交互。通過參與者與仿真環(huán)境的相互作用，利用人類本身所對接觸事物的感知和認知能力，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。

初中化學是大部分學生第一次接觸化學世界，感受化學的魅力。初中化學實驗中有許多有趣的實驗，例如木炭還原氧化銅、實驗室制氧氣、鐵在氧氣中燃燒等等，每一個奇妙的展現(xiàn)背后都是化學物質(zhì)在偷偷地發(fā)生反應，這正是引導同學們?nèi)ド钊胩骄?、摸索的重要原因?；瘜W實驗要求學生借助實驗儀器和實驗藥品自己動手，親自操作，感受實驗的樂趣，而教師也需要進行現(xiàn)場指導，讓學生的實驗操作合乎規(guī)范，避免安全事故的發(fā)生[2]。

本論文所研究的VR化學實驗室以學生為主體，利用頭盔、手柄等設備制作化學實驗，捉住當代人們對游戲的熱愛，對科技的追求，模擬出真實的實驗室空間，讓玩家置身其中，沉醉于化學實驗的操作過程和反應效果，具有真實性、安全性和可玩性。

1 VR化學實驗室的可行性分析

1.1 開設虛擬教學實驗課程

在傳統(tǒng)的教學當中，因為化學實驗器材的不完善、試驗地點無法滿足眾多學生，以及教育經(jīng)費的有限性等諸多方面，阻礙了學生化學實驗的操作。VR化學實驗室可以更好的解決這些問題難點，讓更多學生能夠親身體驗到化學實驗的奧秘、原理和樂趣。

1.2 提高實驗安全性

化學實驗中，步驟嚴謹，化學劑量明確，需要極其精準才能成功完成實驗。有一些實驗過程，稍不注意，會造成爆炸、腐蝕等嚴重的后果。傳統(tǒng)的危險實驗，只會在視頻書籍當中演示給學生看，而學生卻無法進行真實的演練。VR化學實驗室可以讓學生仿真模擬，避免實驗所帶來的風險，學生可以放心的進行化學實驗的操作，減少不必要的意外，認真觀察化學實驗效果，提高動手能力。

1.3 解決廢物處理成本高、實驗耗材消耗巨大等問題

一個班級的化學實驗課，若讓每個學生都可以動手操作，則需要大量的化學材料和實驗耗材。如果學生實驗過程中某一個步驟操作失誤，需要重新配置化學材料，過度的浪費會造成一定的化學污染。VR化學實驗室不需要具備這些化學材料即可完成大部分的實驗，同時能看到模擬的實驗效果，減少了材料的鋪張浪費。

綜上所述，VR化學實驗室系統(tǒng)的建立是可行的。

2 VR化學實驗室

在真實的化學實驗過程中，化學材料的使用存在一定的危險性，不恰當?shù)牟僮鬟€會引發(fā)爆炸事故。另外，實驗環(huán)境的復雜性、廢物處理成本高、實驗耗材消耗巨大等問題都嚴重影響高校的實驗教學效果。

VR化學實驗室利用三維仿真技術對實驗的環(huán)境、設備、材料等進行模型構(gòu)建，并通過人機交互技術實現(xiàn)在虛擬場景中進行各種化學實驗操作。在VR實驗室中，學生不僅可以自由漫游，還可以360度查看實驗設備。

當學生進入實驗模式后，系統(tǒng)會通過語音和智能標簽引導學生選擇實驗并完成實驗。同時，系統(tǒng)會以動畫的形式對實驗步驟進行播放，通過具體的畫面進行教學。除了觀看實驗仿真模擬場景外，學生還可以操控VR手柄，實現(xiàn)化學材料的抓取、調(diào)配、放置、開始實驗等操作。在實驗操作的同時，系統(tǒng)會記錄學生的操作過程，如果學生操作有誤，系統(tǒng)還會以逼真的災害場景提示，并及時糾正錯誤的操作步驟。

這里以制取氧氣為例，進入實驗平臺后，桌上已經(jīng)放置好需要用到的化學藥品，黑板上也描述了該化學需要的儀器，以及化學方程式，化學步驟、注意事項等，如圖2。

學生可以從這些化學藥品中選擇部分，通過VR手柄抓取想要使用的化學藥品，丟進試管，并通過移動VR手柄，將裝有化學藥品的試管放置在鐵架臺上，將酒精燈移至試管尾部，抓取點火器點火，如果位置放置正確，則一段時間后通過集氣瓶收集氧氣。集滿氧氣后，關火，實驗完成。

3 結(jié)束語

結(jié)合化學元素和化學反應式，根據(jù)不同的化學變化進行模擬仿真，充分發(fā)揮虛擬現(xiàn)實技術在化學實驗的優(yōu)勢，讓化學實驗迸發(fā)出勃勃生機。VR化學實驗室系統(tǒng)模擬真實的實驗室，創(chuàng)造了一個逼真的實驗環(huán)境，讓學生和教師能夠高效地完成專業(yè)的教學內(nèi)容。虛擬現(xiàn)實技術的逼真仿真模擬和自然的人機交互性大大地提高學校的教學質(zhì)量，讓化學實驗不再是紙上談兵。

參考文獻：

[1]閆曉麗，鄭延斌，姚飛，蘇景霞.基于虛擬現(xiàn)實技術的網(wǎng)絡虛擬化學實驗室的設計實現(xiàn)[J].科技視界，2013（33）：26-27.

[2]李中強.虛擬現(xiàn)實技術支持下高中化學實驗教學的開展[J].教學與管理，2018（31）：61-63.