賈舒欣，楊麗麗，趙永超*

(1.聊城大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，山東 聊城 252059；2.石河子大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，新疆 石河子 832003)

0 引言

ContextCapture(CC)軟件是國(guó)內(nèi)外普遍使用的一種三維建模軟件，它的主要優(yōu)點(diǎn)是對(duì)影像的要求不高，有一定的相片數(shù)量、角度和距離足夠、重疊度足夠就可以快速地建立各個(gè)尺寸的模型。用 ContextCapture軟件進(jìn)行三維實(shí)景建模的優(yōu)點(diǎn)是：自動(dòng)化程度高、效率高、成本低等。

化工專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)和化工實(shí)訓(xùn)實(shí)驗(yàn)等實(shí)踐課程是化工專(zhuān)業(yè)學(xué)習(xí)中比較重要的課程，通過(guò)實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)，可以深入理解對(duì)應(yīng)的理論知識(shí)，可以提高動(dòng)手能力，提高科學(xué)研究的素養(yǎng)和能力。在學(xué)習(xí)的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備和場(chǎng)地相對(duì)有限，在實(shí)驗(yàn)室練習(xí)時(shí)間也很有限，加上實(shí)驗(yàn)為小組合作分工模式，平均到個(gè)人來(lái)說(shuō)對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置和設(shè)備的了解、熟悉、掌握和應(yīng)用水平在一定程度上達(dá)不到理想的效果。課前預(yù)習(xí)和課后復(fù)習(xí)也由于沒(méi)有實(shí)物的裝置而感到束手無(wú)措。

實(shí)景建?？山鉀Q這個(gè)問(wèn)題。多角度對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行拍照或拍攝視頻，將拍攝的圖片或視頻導(dǎo)入ContextCapture 軟件進(jìn)行3D 實(shí)景建模，得到該實(shí)驗(yàn)裝置的 3D 實(shí)景模型文件。該模型可以實(shí)現(xiàn)對(duì)裝置的百分百實(shí)景還原，實(shí)現(xiàn)多方位多角度各種距離查看實(shí)驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)，可以對(duì)模型的縮放、旋轉(zhuǎn)、平移、漫游等，體會(huì)到“身臨其境”的感覺(jué)，方便課前預(yù)習(xí)和課后復(fù)習(xí)，能夠提高學(xué)習(xí)效率、完善學(xué)習(xí)效果、激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。將實(shí)景建模應(yīng)用到化工實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，能在學(xué)生預(yù)習(xí)、學(xué)生復(fù)習(xí)和教師實(shí)驗(yàn)講解、成績(jī)?cè)u(píng)定各環(huán)節(jié)取得很好的效果。

1 實(shí)景建模的原理

最近幾年來(lái)，三維實(shí)景建模技術(shù)慢慢走進(jìn)人們的生活，并且逐漸應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域中。通過(guò)這種技術(shù)得到的三維實(shí)景模型與真實(shí)場(chǎng)景一致，在一定的技術(shù)條件下，模型和真實(shí)場(chǎng)景的誤差能夠達(dá)到毫米級(jí)別[1]。應(yīng)用實(shí)景建模軟件，對(duì)化工實(shí)驗(yàn)室中的裝置及其管道閥門(mén)等附屬設(shè)備進(jìn)行三維實(shí)景建模，通過(guò)該模型可幫助進(jìn)行化工實(shí)踐課學(xué)習(xí)。

1.1 實(shí)景建模的原理

實(shí)景建模的原理是以傾斜攝影測(cè)量原理為基礎(chǔ)的[2-3]。傾斜攝影測(cè)量基本原理是：通過(guò)多角度對(duì)對(duì)象進(jìn)行拍攝，可快速而高效地采集三維空間數(shù)據(jù)，再通過(guò)視覺(jué)原理自動(dòng)識(shí)別并匹配同名點(diǎn)，結(jié)合影像的 POS數(shù)據(jù)(位置數(shù)據(jù) Position 的簡(jiǎn)稱(chēng)，是指傾斜攝影測(cè)量中的各種外方位元素，比如，經(jīng)度、緯度、拍攝的俯仰角等數(shù)據(jù))和相對(duì)位置關(guān)系進(jìn)行空中三角運(yùn)算，產(chǎn)生三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，再結(jié)合影像紋理信息，從而生成實(shí)景三維模型。攝影測(cè)量時(shí)，一般是同時(shí)拍攝一組正射、四組傾斜和五組不同角度相片[4]。拍攝照片時(shí)，相機(jī)會(huì)自動(dòng)記錄拍攝高度、平面坐標(biāo)，并要求相鄰相片之間必須有一定重合度，最后，在專(zhuān)業(yè)后處理軟件，如 CC中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，生成三維實(shí)景模型。

1.2 實(shí)景建模軟件

近年來(lái)，采用傾斜攝影數(shù)據(jù)進(jìn)行三維建模的軟件較多[5]，如 ContextCapture (又名Smart 3D)[6]、Photo Scan、Photo Mesh、Pix 4D、DP-Smart、街景工廠等，其中ContextCapture 應(yīng)用最廣，效率最高[7]。ContextCapture軟件支持多種數(shù)據(jù)，比如說(shuō)，無(wú)人機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、手機(jī)攝像頭以及拍攝的視頻等形式的數(shù)據(jù)都可以被作為數(shù)據(jù)源；經(jīng)過(guò)一系列運(yùn)算，得到多種格式的三維模型、正攝影像(digital orthophoto map, DOM)、數(shù)字地表模型(digital surface model，DSM)等。

2 實(shí)景建模的實(shí)驗(yàn)過(guò)程

2.1 拍攝對(duì)象和拍攝設(shè)備

2.1.1 建模小試

在正式拍攝實(shí)驗(yàn)設(shè)備之前，由于對(duì) ContextCapture能識(shí)別的照片條件(如大小、清晰度、焦距、裝置顏色、拍攝環(huán)境以及干擾物品等客觀條件)不是很確定，所以決定用小物件進(jìn)行小試。

選取了玩具模型(顏色比較鮮艷)、鼠標(biāo)(立體感比較強(qiáng))、深色保溫杯(圓柱體有利于拍攝)、展開(kāi)的書(shū)本(有密密麻麻的小字) 作為試驗(yàn)建模物品，按照流程，首先攝影測(cè)量、環(huán)繞拍攝，然后將照片或視頻導(dǎo)入ContextCapture 軟件中，經(jīng)歷軟件的空中三角運(yùn)算，重建項(xiàng)目運(yùn)算之后，均得到了物品的3D 模型。

2.1.2 選取實(shí)驗(yàn)裝置

學(xué)校實(shí)踐課程有實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)、實(shí)習(xí)三大類(lèi)裝置，實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)、實(shí)習(xí)的裝置和實(shí)驗(yàn)流程復(fù)雜程度逐漸增加。實(shí)驗(yàn)課程的裝置相對(duì)來(lái)說(shuō)比較簡(jiǎn)單，一般只有孤立的一個(gè)單元操作設(shè)備，并且體積比較小，管路布置比較簡(jiǎn)單，如精餾實(shí)驗(yàn)、流化床干燥實(shí)驗(yàn)、恒壓過(guò)濾實(shí)驗(yàn)等；實(shí)訓(xùn)課程的裝置復(fù)雜程度居中，設(shè)備體積居中，一般為兩層；實(shí)習(xí)車(chē)間的設(shè)備最為復(fù)雜，一般有多個(gè)工段、占地面積大而且大多布局二層或多層，管道布置極其復(fù)雜，閥門(mén)眾多。

由于拍攝設(shè)備和個(gè)人電腦運(yùn)算能力的局限性，只能選擇實(shí)驗(yàn)課程的裝置進(jìn)行拍攝。拍攝選取了單釜三釜停留時(shí)間分布的測(cè)定實(shí)驗(yàn)裝置，而且該裝置的特征比較符合小試?yán)锟偨Y(jié)出的照片拍攝特征；通過(guò)嘗試建模，單釜三釜實(shí)驗(yàn)裝置建?；旧?；建模結(jié)果生成之后又選取了實(shí)習(xí)車(chē)間的一個(gè)隔膜泵進(jìn)行拍攝建模進(jìn)一步驗(yàn)證。

2.1.3 拍攝設(shè)備說(shuō)明

根據(jù)選取的設(shè)備特征(設(shè)備體積不大，管路較簡(jiǎn)單等)和拍攝環(huán)境(實(shí)驗(yàn)室內(nèi)、基本沒(méi)有光線天氣等因素的影響)以及建模效果要求(清晰地看清楚設(shè)備和管路閥門(mén)即可，不需要太細(xì)致地紋理)，綜合考慮現(xiàn)有的設(shè)備及情況，選擇了手機(jī)相機(jī)作為拍攝設(shè)備。

手機(jī)拍攝時(shí)只使用后置攝像頭，參數(shù)如下：4800萬(wàn)像素主攝像頭；攝像頭的型號(hào)：SONY IMX 586；感光面積為 1/2.0；光圈為 f/1.7，鏡頭為 6P 鏡頭；視頻功能：1080P 高清視頻拍攝，60 fps/30 fps；慢動(dòng)作視頻拍攝，支持1080P，120 fps； EIS 視頻圖像防抖功能。

2.2 拍攝實(shí)驗(yàn)裝置

2.2.1 拍攝準(zhǔn)備

單釜及三釜停留時(shí)間分布的測(cè)定的實(shí)驗(yàn)裝置優(yōu)點(diǎn)是背靠白色墻面、周?chē)蓴_物品較少、靠窗、光線比較好、管路比較簡(jiǎn)單。發(fā)現(xiàn)反應(yīng)釜是透明塑料材質(zhì)的，一定程度上很像玻璃鏡面，ContextCapture 軟件可能無(wú)法識(shí)別。為了避免這個(gè)因素帶來(lái)的干擾，盡量保證實(shí)景建模的效果，選取幾張顏色鮮明的彩紙對(duì)透明的反應(yīng)釜進(jìn)行包裝，釜體、攪拌器、閥門(mén)等采用不同的顏色的彩紙包裝以形成對(duì)比。

經(jīng)過(guò)第一次建模嘗試，發(fā)現(xiàn)設(shè)備周?chē)恍┪锲窌?huì)入鏡并干擾軟件生成模型，于是采用幾塊白布和白紙對(duì)周?chē)锲愤M(jìn)行遮擋。由于實(shí)驗(yàn)裝置比人身高要高，拍時(shí)要站在高處拍攝，以獲得從設(shè)備上方觀測(cè)時(shí)的影像。

2.2.2 視頻拍攝

通過(guò)查閱文獻(xiàn)以及觀看視頻資料可得，拍攝短視頻并導(dǎo)入軟件效果更好。拍攝短視頻時(shí)，首先站到高處垂直拍攝整體裝置，接著斜向下拍攝，緩慢移動(dòng)，環(huán)繞一周。根據(jù) ContextCapture 的識(shí)別功能，視頻可以自動(dòng)被截圖成眾多照片，并且重合度比直接插入圖片好。拍攝得到1 分16 秒的視頻，達(dá)到了傾斜拍攝的要求，可導(dǎo)入 CC 軟件進(jìn)行實(shí)景建模。圖1 是拍攝的視頻的截圖。

2.3 導(dǎo)入視頻

2.3.1 打開(kāi)并新建工程

ContextCapture 軟件包括 ContextCapture Master、ContextCapture Viewer 和 ContextCapture Engine 等一系列軟件，ContextCapture Master 相當(dāng)于一個(gè)組織管理者，由它創(chuàng)建并且管理建模任務(wù)，所有的操作通過(guò)它進(jìn)行；ContextCapture Viewer 相當(dāng)于一個(gè)查看者，可預(yù)覽查看生成的三維模型；ContextCapture Engine 的作用是負(fù)責(zé)計(jì)算及建模，并能詳細(xì)地顯示各個(gè)步驟運(yùn)算地過(guò)程，最后將運(yùn)算的結(jié)果呈送給ContextCapture Master。圖2 為 ContextCapture 軟件包含的三個(gè)圖標(biāo)。

首先打開(kāi) ContextCapture Engine 軟件，并且要一直運(yùn)行。圖3 為 CC Engine 運(yùn)行的實(shí)時(shí)畫(huà)面。

圖3 CC Engine 運(yùn)行實(shí)時(shí)畫(huà)面

接著打開(kāi)軟件 ContextCapture Master，新建一個(gè)工程，名字要求用英文或者字母格式，選取需要保存的文件夾的位置。

2.3.2 導(dǎo)入視頻的過(guò)程

CC 軟件可以自動(dòng)對(duì)導(dǎo)入的視頻進(jìn)行截圖并保存下來(lái)，從而使導(dǎo)入視頻的效果和插入圖片的效果相同；導(dǎo)入視頻的優(yōu)勢(shì)在于截圖數(shù)量較多，重合度較好，有利于以后的空三運(yùn)算和重建項(xiàng)目。

打開(kāi)并新建工程之后，選擇影像選項(xiàng)卡，選擇導(dǎo)入視頻，并對(duì)導(dǎo)入視頻的方式進(jìn)行設(shè)置。通過(guò)設(shè)置視頻的開(kāi)始時(shí)間和結(jié)束時(shí)間，可以剪輯出需要的清晰度較高的視頻；通過(guò)設(shè)置截圖的時(shí)間間隔，可以決定進(jìn)行空三運(yùn)算的圖片數(shù)量。圖4、圖5、圖6 是空三運(yùn)算操作界面截圖。

圖4 導(dǎo)入視頻設(shè)置對(duì)話框

圖5 CC 軟件自動(dòng)截圖畫(huà)面

圖6 導(dǎo)入視頻完成界面

2.4 空中三角測(cè)量

空中三角測(cè)量是在立體攝影測(cè)量中，設(shè)備上的某點(diǎn)和相機(jī)拍攝該點(diǎn)時(shí)的不同位置構(gòu)成一個(gè)立體的三角構(gòu)型，然后求得該點(diǎn)的相對(duì)高度和平面位置的測(cè)量方法。類(lèi)似于一個(gè)人用兩只眼睛看一個(gè)物體來(lái)確定物體的位置。

在CC 軟件中，由于插入的圖片重疊度不夠或者影像信息有所缺失，可以通過(guò)空中三角測(cè)量對(duì)圖像進(jìn)行完善，在三維坐標(biāo)系中形成一系列的實(shí)物坐標(biāo)點(diǎn)。

圖7是空中三角測(cè)量的操作界面。圖8 是空中三角測(cè)量計(jì)算結(jié)果。

圖7 空中三角測(cè)量計(jì)算運(yùn)行界面

圖8 空中三角測(cè)量計(jì)算結(jié)果界面

2.5 重建項(xiàng)目

2.5.1 新建重建項(xiàng)目

“以器官系統(tǒng)為中心”（organ system-centered，OSC）的課程模式是以人體器官系統(tǒng)為中心，重組醫(yī)學(xué)各門(mén)學(xué)科知識(shí)，使基礎(chǔ)和臨床課程之間銜接更系統(tǒng)化和完整化，已成為國(guó)內(nèi)醫(yī)學(xué)院校課程改革的重點(diǎn)[1]。目前我國(guó)的整合改革主要集中在基礎(chǔ)課程之間的水平整合及基礎(chǔ)與臨床課程之間的垂直整合，而在臨床學(xué)科間開(kāi)展橫向整合的較少，可借鑒的經(jīng)驗(yàn)也較為有限。因此，我院臨床醫(yī)學(xué)系積極開(kāi)展OSC臨床課程間橫向整合改革，在血液與腫瘤疾病教學(xué)過(guò)程中，積極引入CBL（case-based learning）以案例為基礎(chǔ)的教學(xué)方法，取得了良好的教學(xué)效果。

新建重建項(xiàng)目是對(duì)上一步空中三角測(cè)量的細(xì)化，空中三角測(cè)量的結(jié)果可以認(rèn)為是一個(gè)草圖，通過(guò)重建項(xiàng)目可以進(jìn)一步渲染，得到逼真的模型。軟件顯示可進(jìn)行生產(chǎn)之后可以得到成功的模型，如果發(fā)生錯(cuò)誤則得不到。

點(diǎn)擊重建項(xiàng)目檢驗(yàn)是否可以進(jìn)行重建項(xiàng)目，操作界面如圖9 所示。

圖9 新建重建項(xiàng)目界面

可進(jìn)行生產(chǎn)界面如圖10 所示。

圖10 可進(jìn)行生產(chǎn)界面

2.5.2 空間結(jié)構(gòu)框架裁剪

提交新的重建項(xiàng)目之前，在空間框架選項(xiàng)卡里，出現(xiàn)了用實(shí)物顏色的點(diǎn)代表實(shí)物分布點(diǎn)的三維坐標(biāo)圖，3D 實(shí)景模型實(shí)物點(diǎn)已經(jīng)初步形成，其中連成曲線的系列白點(diǎn)代表拍攝設(shè)備的移動(dòng)軌跡。圖11 是初步的空間框架圖。

圖11 初步空間框架圖

由于周?chē)恍┢渌麩o(wú)關(guān)物品的入鏡，導(dǎo)致這些干擾物品的實(shí)物點(diǎn)也參與了空中三角測(cè)量，并且實(shí)物點(diǎn)出現(xiàn)在空間框架中，非常影響接下來(lái)重建項(xiàng)目的計(jì)算，計(jì)算量增大而且提高了模型變形的可能性，所以要對(duì)圖11 中的三維模型實(shí)物點(diǎn)進(jìn)行裁剪。

裁剪的方法是：按下剪輯指令按鈕，用鼠標(biāo)左鍵即可拖動(dòng)立方體(代表實(shí)物點(diǎn)范圍)的各個(gè)面，立方體內(nèi)部空間代表了接下來(lái)重建項(xiàng)目的范圍。裁剪時(shí)要注意盡量刪去分布不集中的點(diǎn)，只留下集中的點(diǎn)方便重建。圖12 是裁剪完成后的操作畫(huà)面。

圖12 裁剪后結(jié)果圖

裁剪完成后，返回概要選項(xiàng)卡處，點(diǎn)擊提交重建項(xiàng)目，軟件開(kāi)始搭建3D 模型，這時(shí)候需要經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)的等待，同時(shí)可以通過(guò)查看CC Engine 查看構(gòu)建模型的進(jìn)度，如果失敗，CC Engine 的計(jì)算欄目不再進(jìn)行；圖13 為構(gòu)建模型的操作界面。

圖13 構(gòu)建模型的操作界面

圖14為實(shí)景建模的最終結(jié)果。該結(jié)果由于手機(jī)拍攝不夠?qū)I(yè)，特別是電腦運(yùn)算能力的限制，模型清晰程度一般，但模型與實(shí)物總體一致，模型可以通過(guò)鼠標(biāo)或者鍵盤(pán)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，平移放大從上下左右各個(gè)方向進(jìn)行查看，與看實(shí)物情況一致。

圖14 單釜三釜停留時(shí)間分布實(shí)驗(yàn)裝置建模結(jié)果截圖

2.6 實(shí)習(xí)車(chē)間內(nèi)隔膜泵實(shí)景建模結(jié)果

在完成單釜三釜裝置的實(shí)景建模之后，決定進(jìn)一步驗(yàn)證，同時(shí)多獲取一個(gè)素材，對(duì)車(chē)間一個(gè)進(jìn)料隔膜泵實(shí)景建模，建模過(guò)程和單釜三釜實(shí)驗(yàn)裝置一樣，圖15為建模的結(jié)果圖?？蓪?shí)現(xiàn)對(duì)該設(shè)備的上下左右多角度觀察，與在現(xiàn)場(chǎng)看一致。

圖15 隔膜泵建模結(jié)果截圖

3 結(jié)果分析與討論

3.1 建模過(guò)程中的問(wèn)題與解決

從建模小試以來(lái)直到單釜三釜實(shí)驗(yàn)裝置建模完成的過(guò)程，出現(xiàn)了很多問(wèn)題，導(dǎo)致建模過(guò)程多次失敗，出現(xiàn)一些奇奇怪怪的模型，甚至沒(méi)有模型?，F(xiàn)總結(jié)如下：

(1)首先設(shè)備比較高，拍攝時(shí)需要站在高處拍攝頂部，拍攝者移動(dòng)位置時(shí)鏡頭有很大晃動(dòng)，導(dǎo)致鏡頭模糊不清，軟件無(wú)法正常識(shí)別，于是建模失敗。解決方法：①鏡頭移動(dòng)時(shí)盡量保持鏡頭穩(wěn)定，保證畫(huà)面的清晰度；②導(dǎo)入視頻時(shí)及時(shí)對(duì)截圖進(jìn)行預(yù)覽，刪去模糊不清的圖片；③加入控制點(diǎn)和連接點(diǎn)，這個(gè)較復(fù)雜，待以后學(xué)習(xí)。

(2)在保證所有圖片清晰度沒(méi)有問(wèn)題的情況下導(dǎo)入 CC 軟件進(jìn)行建模，發(fā)現(xiàn)在新建重建項(xiàng)目的步驟里，由于周?chē)蓴_物品太多(例如窗戶、黑板、桌椅以及靠近的實(shí)驗(yàn)儀器)找不到集中分布的實(shí)物點(diǎn)，無(wú)法找到裁剪的合適范圍；重建項(xiàng)目完成之后，模型雖然生成，但是“形如怪獸”，模型與實(shí)物相差巨大。解決方法：選擇空曠的地點(diǎn)或者干擾物品少的拍攝環(huán)境進(jìn)行拍攝，突出主要裝置，減少其他實(shí)驗(yàn)儀器的入鏡，適當(dāng)增加照片的重合度。

(3)選擇化工專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)單釜及三釜停留時(shí)間分布的實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行拍攝，并且把四周用白布和白紙遮擋避免其他物品干擾，但是建模之后在 CC Engine界面顯示失敗，無(wú)論是改變照片數(shù)量還是改變建模范圍都無(wú)法得到成功的結(jié)果；仔細(xì)分析原因后發(fā)現(xiàn)，四個(gè)反應(yīng)釜全是由塑料做成的圓柱形罐，結(jié)合文獻(xiàn)知，ContextCapture 軟件不能識(shí)別水面和玻璃鏡面，猜測(cè)是軟件不能識(shí)別透明的有機(jī)玻璃反應(yīng)釜，導(dǎo)致建模失敗。解決方法：用彩色紙把反應(yīng)釜透明釜體以及周?chē)该鞴苈泛烷y門(mén)進(jìn)行包裝，便于軟件識(shí)別避免誤認(rèn)為玻璃鏡面這個(gè)問(wèn)題的發(fā)生。

3.2 建模過(guò)程的總結(jié)

用 ContextCapture 軟件對(duì)化工實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行實(shí)景建模的過(guò)程并不復(fù)雜，但是對(duì)素材圖片的采集要求較高，無(wú)論是拍攝環(huán)境還是拍攝對(duì)象的要求，這就意味著要用科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度對(duì)待每一次建模，考慮問(wèn)題要盡量做到全面和周到。

用 ContextCapture 軟件對(duì)化工實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行實(shí)景建模的大致的流程如圖16 所示[1]。

圖16 建?；玖鞒虉D

4 實(shí)景建模在化工實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

4.1 激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)

化工實(shí)驗(yàn)由于自身的復(fù)雜性，比如錯(cuò)綜復(fù)雜的管線、眾多的閥門(mén)、體積較大的實(shí)驗(yàn)裝置以及各種各樣的操作注意事項(xiàng)，有時(shí)弄明白流程是一件比較費(fèi)氣力的工作，會(huì)導(dǎo)致對(duì)化工實(shí)驗(yàn)的興趣和熱情并不高，甚至在做實(shí)驗(yàn)的時(shí)候有些畏難情緒。當(dāng)看到實(shí)驗(yàn)室內(nèi)復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)裝置被做成“活靈活現(xiàn)”“色彩鮮艷”的模型，這些可視化的學(xué)習(xí)模型可以使學(xué)習(xí)的過(guò)程變繁為簡(jiǎn)，容易思考、容易弄懂，一定程度上提高了對(duì)實(shí)驗(yàn)的興趣和熱情[8]，提高了獨(dú)立思考能力以及創(chuàng)新機(jī)會(huì)。

在化工類(lèi)專(zhuān)業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，演示實(shí)驗(yàn)是實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的比較關(guān)鍵部分，同樣也是實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程最為有效的方式手段。傳統(tǒng)的演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)，一個(gè)老師帶著好多學(xué)生圍著一個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行實(shí)物講解，老師梳理管路和講解閥門(mén)操作的時(shí)候不能照顧到每一個(gè)同學(xué)，這就導(dǎo)致部分學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性喪失。如果把實(shí)景建模應(yīng)用到教學(xué)中，老師就可以通過(guò)在實(shí)景建模的操作界面錄制講解視頻，對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器旋轉(zhuǎn)、翻轉(zhuǎn)、上下左右移動(dòng)，做到對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器的全方位講解，每個(gè)學(xué)生都可以清晰的看到、聽(tīng)到，學(xué)生也可以在自己的電腦或手機(jī)上自行全方位的查看模型，從而更透徹的了解儀器設(shè)備。

4.2 方便學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行預(yù)習(xí)和復(fù)習(xí)

由于學(xué)校實(shí)驗(yàn)設(shè)備和場(chǎng)地相對(duì)有限，在實(shí)驗(yàn)室練習(xí)時(shí)間也很有限，加上小組合作分工之后，平均到個(gè)人來(lái)說(shuō)對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置和設(shè)備的了解、熟悉、掌握和應(yīng)用水平在一定程度上達(dá)不到理想的效果[9]，課前預(yù)習(xí)和課后復(fù)習(xí)也由于沒(méi)有實(shí)物的裝置而感到束手無(wú)措。雖然可以拍攝照片和錄視頻，但照片和視頻都不方便前后左右及上下查看實(shí)驗(yàn)設(shè)備。

如果有了實(shí)景建模，可以看到和實(shí)驗(yàn)室的裝置一摸一樣的3D 裝置模型。該 3D 模型可以通過(guò)鼠標(biāo)的左鍵和滑輪實(shí)現(xiàn)放大、縮小、旋轉(zhuǎn)、翻轉(zhuǎn)，可以360 度對(duì)模型查看，大到整體輪廓，小到細(xì)小的閥門(mén)管道。由于個(gè)人拍攝設(shè)備以及電腦處理能力的局限性，模型的精細(xì)度達(dá)不到很高的水平，如果聘請(qǐng)專(zhuān)業(yè)人員或者專(zhuān)業(yè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行處理，應(yīng)該能得到基本于實(shí)景設(shè)備一模一樣的模型，能夠?qū)崿F(xiàn)“身臨其境”的真實(shí)感。

有了模型之后學(xué)生在預(yù)習(xí)時(shí)可以細(xì)致地查看實(shí)驗(yàn)裝置，也能找到自己在預(yù)習(xí)過(guò)程中的問(wèn)題和疑惑，上課時(shí)仔細(xì)聽(tīng)老師講解，可提高學(xué)習(xí)效率和學(xué)習(xí)效果；有了模型之后課后復(fù)習(xí)時(shí)也能實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置的“情景再現(xiàn)”，便于回憶實(shí)驗(yàn)流程和實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)，加強(qiáng)了對(duì)知識(shí)的鞏固和理解。

4.3 使化工仿真實(shí)驗(yàn)更加符合實(shí)際情況

實(shí)景建?？梢詾榛し抡孳浖峁┗A(chǔ)操作界面，有利于化工仿真模擬的學(xué)習(xí)。目前化工仿真軟件中的模型有時(shí)與實(shí)際操作的設(shè)備不一致，甚至有明顯的不合理的地方。如果將實(shí)景建模的模型應(yīng)用在化工仿真軟件中，這樣仿真軟件的模型可以與實(shí)體設(shè)備達(dá)到一致，使仿真操作更加接近實(shí)際。

4.4 優(yōu)化實(shí)驗(yàn)成績(jī)?cè)u(píng)定

實(shí)驗(yàn)課程成績(jī)?cè)u(píng)定可以分為有操作考試和沒(méi)有操作考試兩類(lèi)。第一種，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作考試。實(shí)驗(yàn)操作考試組織比較復(fù)雜，而且實(shí)驗(yàn)操作考試監(jiān)考一般不同。學(xué)生分組由不同的教師監(jiān)考并由該老師評(píng)分，雖然各位監(jiān)考老師按照統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)評(píng)分，但實(shí)際情況是個(gè)體差異還是存在的，同一個(gè)學(xué)生在不同的老師處考試分?jǐn)?shù)可能有較大的差別；第二種，沒(méi)有實(shí)驗(yàn)操作考試，由指導(dǎo)教師根據(jù)學(xué)生的在實(shí)驗(yàn)課上的表現(xiàn)和實(shí)驗(yàn)報(bào)告來(lái)評(píng)定成績(jī)，但實(shí)驗(yàn)報(bào)告抄襲現(xiàn)象嚴(yán)重，同時(shí)由于學(xué)生人數(shù)較多，一則學(xué)生不能都有展示操作技能的機(jī)會(huì)，二則教師不可能對(duì)每一位學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中的表現(xiàn)都有較客觀的記錄和評(píng)價(jià)，導(dǎo)致成績(jī)偏高，普遍90 分以上，有的95 分甚至滿分，因此成績(jī)不夠科學(xué)。

可以讓學(xué)生提交結(jié)合模型講解的實(shí)驗(yàn)視頻，優(yōu)化該課程的成績(jī)?cè)u(píng)定。要求講解工藝流程以及設(shè)備的操作，比如，需要開(kāi)關(guān)某一個(gè)閥門(mén)時(shí)讓學(xué)生在模型中翻轉(zhuǎn)到相應(yīng)的位置；梳理管線時(shí)讓學(xué)生結(jié)合模型對(duì)應(yīng)的位置和管線的走向進(jìn)行講解，提高對(duì)實(shí)驗(yàn)的認(rèn)識(shí)和學(xué)生的語(yǔ)言表達(dá)能力[10]。視頻可以由多人打分進(jìn)行評(píng)定，這樣的過(guò)程會(huì)促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)，成績(jī)更能體現(xiàn)學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握情況。

5 總結(jié)與展望

利用 ContextCapture 軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行實(shí)景建模，可以幫助學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行預(yù)習(xí)和復(fù)習(xí)、激發(fā)學(xué)習(xí)興趣、改善化工仿真界面；通過(guò)拖動(dòng)鼠標(biāo)對(duì)模型多角度查看，更加方便了對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)組成和工藝流程的熟悉，更加細(xì)致地了解各個(gè)閥門(mén)的位置和作用，給實(shí)際操作提供了很多幫助。隨著建模軟件和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展以及人們對(duì)實(shí)景建模的熟知，實(shí)景建模將在化工教育方面有更廣的應(yīng)用前景。