VR技术下自然科学实验资源库系统设计

VR技术下自然科学实验资源库系统设计

摘要:学习应该在理论的基础之上不断进行实践,在实践中验证理论,特别是对于物理、化学这样的学科。现实中,考虑到做实验的安全以及缺少仪器设备,导致操作者很多情况下难以大量的做实验。使用VR技术就能够很好的解决这些问题,VR设备可以降低仪器设备成本,对场地的要求也比较低,而且还可以保证实验者在实验中的安全。利用虚拟现实技术,可以彻底打破时间与空间的限制,操作者可以随时随地进行专业实验知识的学习。

关键词:VR;虚拟现实;自然科学实验

1实验简介

本课题主要围绕三个自然科学实验进行虚拟仿真研究,分别是高锰酸钾制氧实验、豌豆杂交实验、太阳观察实验,通过这三个实验实现对真实科学实验的虚拟仿真,并逐步构建能容纳更多实验的自然科学实验虚拟仿真资源库系统。

1.1高锰酸钾制氧实验。可以使用设备制作初中的基础实验,通过高锰酸钾制氧。2KMnO4=△=K2MnO4+MnO2+O2↑实验中包括加热的效果以及氧气的效果都有所体现,真正的做到了把实验复现到VR设备之中。不仅如此,在化学中有所涉及的实验设备我们都有所制作,包括针对于液体温度的检测,VR实验室使用了UI对其进行展示,无论是气体沸腾的效果还是温度变化的曲线都完美的进行了呈现。还包括划火柴、点燃酒精灯等操作,这些简单的操作,所有的细节都完美体现。

1.2豌豆杂交实验。体验者能够亲手种植豌豆,对其基因进行检测,这样能够忽略现实中时间的限制,在现实中此类不太可能让体验者真正实现的实验我们能够在VR实验室体验,这样可以大大的解决时间和空间上的限制。

1.3观察太阳天文实验。太阳的活动影响着地球上的一切以及生活作息。通过了解此次实验中的的道具巴德膜以及ERF镜片观测太阳,让我们知道如何正确使用天文望远镜观测太阳的活动。

2系统设计

2.1项目结构设计(图1)。从实验者的角度出发,利用VR技术模拟1个化学实验和1个生物实验和1个天文实验。项目是基于SteamVR环境运行。注:(1)1个化学实验:高锰酸钾制取氧气。(2)1个生物实验:孟德尔豌豆。(3)1个天文实验:观察太阳。项目分为4个场景:①实验室展厅,②化学实验室,③生物实验室,④天文实验室,用户可以通过①跳转分别跳转到②③④实验室场景中,②③④实验室场景可以返回到①场景中。

2.2高锰酸钾制氧实验设计(图2)。可以使用设备制作初中的基础实验,通过高锰酸钾制氧。2KMnO4=△=K2MnO4+MnO2+O2↑实验中包括加热的效果,以及氧气的效果都有所体现,真正的做到了把实验复现到VR设备之中。不仅如此,在化学中有所涉及的实验设备我们都仿真制作完成,包括针对于液体温度的检测,VR实验室使用了UI对其进行展示,无论是气体沸腾的效果还是温度变化的曲线都完美的进行了呈现。另外划火柴,点燃酒精灯等操作也在实验中高仿真呈现出来。划火柴功能实现代码:privatevoidOnCollisionStay(Collisioncollision){if(m_Rigidbody.velocity.magnitude>1&&collision.collider.tag.Equals("MatchBox")){isFire=true;fire.SetActive(isFire);当速度值达到1米每秒,并且火柴棍碰撞器接触到火柴盒碰撞器的时候将isFire标签设置为真,并且激活火焰特效,通过这样的功能编写能够高度虚拟仿真火柴摩擦点燃的效果。酒精灯点燃和熄灭实现代码:publicvoidOnFire(){if(isFire==false){if(isOne==false){isOne=true;pp.SetActive(true);Lab1Manager.instance.guideBase.NextStep();AudioManager.Instance.PlayAudio("Step4");}fireEffect.Play();isFire=true;}}publicvoidOffFire(){if(isFire==true){fireEffect.Stop();isFire=false;}}当点燃的火柴碰撞器碰撞到打开的酒精灯碰撞器时,酒精灯的火苗特效会被激活,并且播放点火音效,当酒精灯帽盖住后酒精灯就熄灭。

2.3豌豆杂交实验设计。体验者能够亲手种植豌豆,对其的基因进行检测,这样能够忽略现实中时间的限制,在现实中此类不太可能让体验者真正实现的实验我们能够在VR实验室体验。这样可以大大的解决时间和空间上的限制。我们能够用铲子将地表铲开,种植不同基因的种子,放入种子在坑中,盖上泥土,浇水就可以进行灌溉啦.达到一定程度便会长出对应的豌豆苗直至长大,得到的基因型我们可以通过VR设备进行观看,以达到学习的目的。铲土和盖土功能实现代码:privatevoidOnTriggerExit(Colliderother){if(isComplete)return;if(other.tag.Equals("Shovel")&&isOK&&time>0.5f&&downCount<3){downCount++;transform.position-=newVector3(0,0.05f,0);isOK=false;time=0;testMesh1.text="当前状态:拆开"+downCount+"/"+3;if(downCount>=3){testMesh1.text="当前状态:土壤被铲开";}}if(other.tag.Equals("Shovel")&&isOK&&time>0.5f&&downCount>=3&&upCount<3&&isBurywell){upCount++;transform.position+=newVector3(0,0.05f,0);isOK=false;time=0;testMesh1.text="当前状态:盖土"+upCount+"/"+3;if(upCount>=3){testMesh1.text="当前状态:土壤盖上";isComplete=true;}}}当铲子触发器离开土面时三次内每次土壤下降5厘米,并显示铲开的状态,另外盖土的次数三次内时每次土壤上升5厘米,并实现盖土状态,这两个功能真实模拟了铲土和盖土的状态。

2.4观察太阳天文实验设计。太阳的活动影响着地球上的一切以及生活作息。通过了解此次实验中的的道具,巴德膜以及ERF镜片观测太阳,让体验者学习到如何正确使用天文望远镜观测太阳的活动,也能观察月亮的自转,甚至还能进入宇宙近距离观察太阳等行星。

3结论

随着社会的进步,国家需要高素质人才,培养人员实验操作水平是当前物理、化学人才培养的主要任务之一,也是高素质人才培养的重要内容。但大部分普通基础操作者不具有实验操作用具,且实验内容很多,更何况有些化学实验药品,如果没有相关证明是不可以购买的,举例:盐酸属于易制毒化学品,需要到当地公安机关进行备案,然后申请办理易制毒备案证明,由当地公安机关批准,持证明才可以和有资质的厂家进行购买。自然科学实验如果没有专业人员指导,操作者可能不知道自己的操作什么地方存在失误,达不到训练要求,白费力气,这时本项目就可以发挥它的作用。作为一套软件,只需购买软件本体,VR设备本身可以租用或者购买二手,VR设备自身也可以用于其他方面的应用,而不仅限于实验操作的内容。使用虚拟现实进行自然科学实验操作,不仅安全可靠、方便快捷、不用考虑废料处理,还能通过实验软件直接对操作者的实验操作进行打分,指出操作时出现的问题,以真正达到训练目的,相信经过不懈努力,基于Unity3d引擎的虚拟现实自然科学实验项目能拥有更大的市场。

作者:李兵川 王剑峰 宋苗苗 吴文灵 黎江 单位:重庆航天职业技术学院