基于Unity 3D 的化學虛擬實驗系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

熊 巍，何蔚珊

（1. 華南理工大學 設計學院，廣東 廣州 510000；2. 廣州美術學院 廣東省工業(yè)設計創(chuàng)意與應用研究重點實驗室，廣東 廣州 510220）

實驗在化學學習中占有重要地位，學習者通過實驗獲取實際操作經(jīng)驗，并通過實驗驗證已有結論或是對假說進行探索研究[1]。但在實驗室，學習者進行化學實驗時會受到較大的時空和資源限制。由于實驗人數(shù)多、實驗經(jīng)費不足等原因，學生重復進行實驗的機會較少，且不宜進行有一定危險性的化學實驗。此外，某些實驗反應進程緩慢、實驗現(xiàn)象不明顯[2]，上述因素都影響了化學實驗的學習效率。

化學虛擬實驗室通過設定好的實驗場景、實驗內(nèi)容，對現(xiàn)實世界中的化學實驗進行模擬[3]。在化學虛擬實驗室中，實驗者使用交互設備硬件和虛擬實驗系統(tǒng)與虛擬儀器進行交互，完成與真實實驗相似的各種操作，并對實驗現(xiàn)象進行觀察和記錄[4]?；瘜W虛擬實驗室可以彌補因?qū)嶒灲虒W資源不足帶來的問題，并且有效降低實驗者親手開展實物實驗帶來的風險，提高學生學習化學實驗的興趣和效率[5]。本文基于Unity 3D 平臺開發(fā)二維化學虛擬實驗程序，為學生提供一個虛擬的化學實驗操作平臺。

1 化學虛擬實驗系統(tǒng)設計與開發(fā)

1.1 開發(fā)平臺Unity 3D 介紹

根據(jù)開發(fā)平臺的不同可將虛擬實驗分為以下幾種：基于Virtools 技術的虛擬實驗、基于VRML 虛擬現(xiàn)實技術的仿真實驗、基于Cult 3D 技術的化學虛擬實驗[6]、基于交互式Flash 的仿真實驗等。本文研究的虛擬實驗則選擇在Unity 3D 平臺上開發(fā)的仿真實驗。Unity 3D 是一款跨平臺游戲引擎，可用于創(chuàng)建視頻游戲、建筑可視化、實時三維動畫等互動內(nèi)容，而它最常用來進行游戲的開發(fā)以及虛擬社區(qū)設計。Unity 3D與其他虛擬實驗的開發(fā)平臺對比具有以下優(yōu)勢：良好的平臺可移植性和人機交互性，可利用其內(nèi)置物理引擎模擬實際的物理現(xiàn)象[7]。在Unity 3D 開發(fā)環(huán)境中，虛擬實驗系統(tǒng)采用C#語言在Windows 系統(tǒng)中編寫腳本以實現(xiàn)基本功能。

1.2 化學虛擬實驗系統(tǒng)的設計

化學虛擬實驗系統(tǒng)的設計主要包括：系統(tǒng)框架設計、實驗流程設計、交互設計及界面設計。系統(tǒng)框架設計主要涉及用戶如何通過智能設備使用虛擬實驗室；實驗流程設計則是對具體實驗的操作流程進行設計；而虛擬實驗室的交互設計旨在為用戶提供良好的交互體驗；界面設計則是對界面元素進行視覺設計。

1.2.1 化學虛擬實驗室的系統(tǒng)框架設計

常見的化學虛擬實驗系統(tǒng)由設備硬件和軟件構成，硬件包括：智能手機、計算機以及輸入輸出設備（如鼠標、顯示屏等）。由于該實驗系統(tǒng)采用二維的方式呈現(xiàn)，因此對硬件的配置要求并不高，易于在不同的平臺進行推廣，化學虛擬實驗室系統(tǒng)框架如圖1 所示。

圖1 化學虛擬實驗室系統(tǒng)框架

1.2.2 化學虛擬實驗的流程設計

實驗者進入化學虛擬實驗系統(tǒng)后，選擇一個具體的實驗進行操作，通過輸入輸出設備與其中的實驗儀器進行交互。在真實的實驗室中配有多種儀器以及藥品，實驗者可以在其中選用合適的儀器進行組合，開展多種實驗[8]。為了降低實驗者的學習負擔，在所設計的虛擬實驗系統(tǒng)中，實驗者每次只能選擇一個實驗進行預設好的實驗操作，這是因為如果實驗者在化學虛擬實驗室中能夠自主選擇儀器組合進行實驗，就需要將大量的儀器和藥品呈現(xiàn)給實驗者進行挑選，這樣不利于實驗者專注于具體的實驗任務，化學虛擬實驗流程設計如圖2 所示。

圖2 化學虛擬實驗流程設計

1.2.3 化學虛擬實驗的交互設計

虛擬實驗的交互設計需要遵從一致性原則，降低用戶的記憶負擔以及為用戶行為提供提示和反饋。為了降低實驗者的記憶負擔，本設計僅呈現(xiàn)當前實驗所需的藥劑和器材，避免因擺放過多元素而造成實驗者的學習負擔。同時本設計中有一塊用于展示實驗信息的黑板為實驗者提供具體的操作指引，幫助實驗者更好地完成實驗，展示操作提示的黑板如圖3 所示。

圖3 實驗操作提示黑板

圖4 常用的實驗器皿

1.2.4 化學虛擬實驗的場景設計

為了讓虛擬實驗室提供真實實驗室的使用體驗，降低學習者的學習負擔，在界面設計時參考了真實實驗室的場景布置[9]。虛擬實驗室中，黑板上的文字選擇手寫風格的字體，使整體風格更為活潑，也更接近真實場景。仿照傳統(tǒng)的實驗室布置，實驗系統(tǒng)設計了實驗臺，實驗者的所有操作都在實驗臺上完成。針對每個具體實驗，繪制了所需要的實驗器皿以及實驗藥品，包括最為常用的鐵架臺、燒杯、燒瓶、酒精燈、試劑瓶等（見圖4）。在虛擬的實驗環(huán)境中，設置了離開實驗室的按鈕，以便實驗者遇到中途需要離開的情況下能夠退出正在進行的實驗。

2 化學虛擬實驗開發(fā)實例

本節(jié)通過介紹過氧化氫加熱分解以及在裝有蔗糖和水的燒杯中加入硫酸的兩個具體案例來論證化學虛擬實驗系統(tǒng)開發(fā)的可行性。

2.1 過氧化氫加熱分解實驗的案例開發(fā)

在進行過氧化氫加熱分解的實驗中，首先將圓底燒瓶固定在鐵架臺上，然后移走裝有過氧化氫的細口瓶瓶蓋，將過氧化氫倒入圓底燒瓶中，接下來將酒精燈移動到鐵架臺上，使酒精燈對著圓底燒瓶的底部，點燃酒精燈開始加熱圓底燒瓶中的過氧化氫。過氧化氫加熱分解實驗的案例開發(fā)分為三個部分：前期工作、中期工作以及后期工作。

2.1.1 前期工作

前期工作包括設計實驗室場景、實驗儀器以及用戶界面。使用Adobe Illustrator 繪制實驗室背景以及實驗所需要用到的實驗器皿（見圖5）。

圖5 繪制儀器和實驗室背景

2.1.2 中期工作

中期工作主要在Unity 3D 中進行開發(fā)，主要包括實現(xiàn)虛擬實驗室的交互功能以及制作實驗過程中的交互動畫。

（1）實現(xiàn)虛擬實驗室的交互功能。實驗者使用鼠標對實驗儀器進行操作控制。首先將需要實現(xiàn)鼠標拖拽移動的元件導入到Unity 3D 中，使用Unity 3D 插件NGUI 中的圖集功能將交互元素打包制作一個圖集。接下來將圖集中的元件置入場景中，將NGUI 自帶的UI Drag Drop Item 腳本添加到需要實現(xiàn)拖拽移動功能的元件上，就可以實現(xiàn)鼠標拖拽移動效果。

（2）制作交互動畫。在二維的化學虛擬實驗室中，許多實驗效果是通過動畫實現(xiàn)的。在過氧化氫加熱分解這個案例中，點擊裝有過氧化氫的細口瓶后，瓶子傾斜的效果是通過旋轉(zhuǎn)動畫功能制作的；圓底燒瓶中過氧化氫溶液液面上升的效果則是通過逐幀動畫功能制作的。下面以圓底燒瓶中過氧化氫溶液液面上升的動畫制作為例，具體說明交互動畫的制作過程。

首先，在AI 中繪制好一系列圓底燒瓶中過氧化氫上升的圖片，并打包制作成圖集。當實驗者點擊裝有過氧化氫溶液的細口瓶時，細口瓶傾斜，過氧化氫倒出，圓底燒瓶中的液面高度上升。由此可見，控制液面上升動畫是否播放的腳本應該掛載在裝有過氧化氫的細口瓶上。在細口瓶中添加一個控制動畫播放的腳本并命名為controlanim。

在腳本controlanim 中，編寫如下代碼實現(xiàn)在點擊細口瓶時圓底燒瓶中的液面上升這一效果：

public class controlanim: MonoBehaviour {

private bool isPlayAnimation = false;

public UISpriteAnimation waterRise;

public GameObject shaoPing;

public GameObject water;}

接下來就需要接收鼠標的點擊事件，以便觸發(fā)動畫的播放。當鼠標點擊時，如果動畫正在播放，此時點擊鼠標就停止動畫播放。在另一種情況下，若鼠標點擊時，動畫沒有播放，則將UISpriteAnimation 變?yōu)檎?，鼠標點擊后動畫就會從不播放變?yōu)椴シ?，同時將動畫播放的速度設置為每秒5 逐幀，且不進行循環(huán)播放[10]。

void OnClick()

if (isPlayAnimation)

{isPlayAnimation=false;

waterRise.Pause();}

else {isPlayAnimation=true;

if (waterRise){waterRise.Play();}

else{waterRise

=sprite.AddComponent();

waterRise.framesPerSecond=5;

waterRise.loop=false;}}

2.1.3 后期工作

使用Unity 3D 發(fā)布適用于桌面端和安卓智能手機的應用程序。將化學虛擬實驗室發(fā)布到計算機端只需要在File 中點擊Build Setting，選擇發(fā)布到個人計算機，點擊Build 按鈕，Unity 3D 會運行生成一個帶有.exe的程序[11]。發(fā)布完成后直接點開該程序就能運行化學虛擬實驗室。而將化學虛擬實驗室發(fā)布到安卓平臺則需要配置安卓的開發(fā)環(huán)境。首先在Unity 3D 的菜單中點擊Edit，選擇Preferences 打開Unity Preferences 面板，在External Tools 中，會看到安卓編譯環(huán)境需要的三個必須具備的軟件，點擊Download 按鈕下載并安裝，在安裝完成后點擊Browse 填入安裝的路徑。接下來需要對Windows 系統(tǒng)下的Java 環(huán)境變量進行配置。完成以上的設置后，就可以對安卓應用程序進行編譯。

2.2 將濃硫酸加入到蔗糖中的實驗的案例開發(fā)

濃硫酸具有極大的腐蝕性和強氧化性，同時反應生成的二氧化硫?qū)粑赖慕】涤胸撁嬗绊?，考慮到實驗的安全性，在中學的實驗過程中，一般由教師在講臺上演示。將這個實驗制作為化學虛擬實驗后，能夠幫助不能親手操作的實驗者更好地觀察實驗現(xiàn)象，了解該實驗的本質(zhì)。實驗操作流程如圖6 所示。首先移走裝有濃硫酸的細口瓶的瓶蓋，將濃硫酸倒入裝有蔗糖和水的燒杯中，然后反應開始，觀察反應現(xiàn)象。

圖6 實驗操作流程

在Unity 3D 中，對該實驗案例進行開發(fā)，開發(fā)過程與過氧化氫加熱分解的實驗相似，不再累述。實驗的界面如圖7 所示。

圖7 實驗界面

3 結語

虛擬實驗室與傳統(tǒng)實驗室相比具有實驗成本小、不受時空限制、操作風險低等優(yōu)點[12]，虛擬實驗室作為實驗教學的補充提高了學習者的學習興趣與學習效率[13]。本文結合Unity 3D 技術，對虛擬實驗系統(tǒng)框架、實驗流程、交互方式以及操作界面進行設計，開發(fā)實現(xiàn)了兩個具體的化學虛擬實驗項目，驗證了基于Unity 3D 平臺進行化學虛擬實驗開發(fā)的可行性。但是本虛擬實驗系統(tǒng)仍有不足之處，如缺乏實驗報告填寫功能，不能為實驗操作者提供實時反饋等。在后續(xù)的改進中，將進一步完善本化學虛擬實驗系統(tǒng)，為實驗者提供更為優(yōu)良的交互體驗。