VR化学实验室的实现与应用

莫志平 魏菊霞 李晶 邓乃哲 莫江庆

摘 要：虚拟现实（Virtual Reality，VR）技术的普遍发展，让众多领域都能够应用到VR技术，给人们生活生产带来极大便利。将VR技术应用于化学实验，通过虚拟仿真项目给予学生身临其境的感知效果，制造更多化学实验实践和应用的机会，提高学生的动手能力。

关键词：VR;虚拟现实;化学实验室

0 引言

虚拟现实技术（Virtual Reality，VR）是以计算机技术为核心生成的一个三维空间的虚拟世界，借用专用设备为用户提供关于视觉、听觉、触觉的感官模拟，并通过键盘、鼠标、VR设备等操作实现人机交互，使用户有身临其境之感[1]。VR技术主要特征是用户身临其境，置身于由计算机系统生成的交互式的三维虚拟环境中，与之进行交互。通过参与者与仿真环境的相互作用，利用人类本身所对接触事物的感知和认知能力，帮助启发参与者的思维，全方位地获取事物的各种空间信息和逻辑信息。

初中化学是大部分学生第一次接触化学世界，感受化學的魅力。初中化学实验中有许多有趣的实验，例如木炭还原氧化铜、实验室制氧气、铁在氧气中燃烧等等，每一个奇妙的展现背后都是化学物质在偷偷地发生反应，这正是引导同学们去深入探究、摸索的重要原因。化学实验要求学生借助实验仪器和实验药品自己动手，亲自操作，感受实验的乐趣，而教师也需要进行现场指导，让学生的实验操作合乎规范，避免安全事故的发生[2]。

本论文所研究的VR化学实验室以学生为主体，利用头盔、手柄等设备制作化学实验，捉住当代人们对游戏的热爱，对科技的追求，模拟出真实的实验室空间，让玩家置身其中，沉醉于化学实验的操作过程和反应效果，具有真实性、安全性和可玩性。

1 VR化学实验室的可行性分析

1.1 开设虚拟教学实验课程

在传统的教学当中，因为化学实验器材的不完善、试验地点无法满足众多学生，以及教育经费的有限性等诸多方面，阻碍了学生化学实验的操作。VR化学实验室可以更好的解决这些问题难点，让更多学生能够亲身体验到化学实验的奥秘、原理和乐趣。

1.2 提高实验安全性

化学实验中，步骤严谨，化学剂量明确，需要极其精准才能成功完成实验。有一些实验过程，稍不注意，会造成爆炸、腐蚀等严重的后果。传统的危险实验，只会在视频书籍当中演示给学生看，而学生却无法进行真实的演练。VR化学实验室可以让学生仿真模拟，避免实验所带来的风险，学生可以放心的进行化学实验的操作，减少不必要的意外，认真观察化学实验效果，提高动手能力。

1.3 解决废物处理成本高、实验耗材消耗巨大等问题

一个班级的化学实验课，若让每个学生都可以动手操作，则需要大量的化学材料和实验耗材。如果学生实验过程中某一个步骤操作失误，需要重新配置化学材料，过度的浪费会造成一定的化学污染。VR化学实验室不需要具备这些化学材料即可完成大部分的实验，同时能看到模拟的实验效果，减少了材料的铺张浪费。

综上所述，VR化学实验室系统的建立是可行的。

2 VR化学实验室

在真实的化学实验过程中，化学材料的使用存在一定的危险性，不恰当的操作还会引发爆炸事故。另外，实验环境的复杂性、废物处理成本高、实验耗材消耗巨大等问题都严重影响高校的实验教学效果。

VR化学实验室利用三维仿真技术对实验的环境、设备、材料等进行模型构建，并通过人机交互技术实现在虚拟场景中进行各种化学实验操作。在VR实验室中，学生不仅可以自由漫游，还可以360度查看实验设备。

当学生进入实验模式后，系统会通过语音和智能标签引导学生选择实验并完成实验。同时，系统会以动画的形式对实验步骤进行播放，通过具体的画面进行教学。除了观看实验仿真模拟场景外，学生还可以操控VR手柄，实现化学材料的抓取、调配、放置、开始实验等操作。在实验操作的同时，系统会记录学生的操作过程，如果学生操作有误，系统还会以逼真的灾害场景提示，并及时纠正错误的操作步骤。

这里以制取氧气为例，进入实验平台后，桌上已经放置好需要用到的化学药品，黑板上也描述了该化学需要的仪器，以及化学方程式，化学步骤、注意事项等，如图2。

学生可以从这些化学药品中选择部分，通过VR手柄抓取想要使用的化学药品，丢进试管，并通过移动VR手柄，将装有化学药品的试管放置在铁架台上，将酒精灯移至试管尾部，抓取点火器点火，如果位置放置正确，则一段时间后通过集气瓶收集氧气。集满氧气后，关火，实验完成。

3 结束语

结合化学元素和化学反应式，根据不同的化学变化进行模拟仿真，充分发挥虚拟现实技术在化学实验的优势，让化学实验迸发出勃勃生机。VR化学实验室系统模拟真实的实验室，创造了一个逼真的实验环境，让学生和教师能够高效地完成专业的教学内容。虚拟现实技术的逼真仿真模拟和自然的人机交互性大大地提高学校的教学质量，让化学实验不再是纸上谈兵。

参考文献：

[1]闫晓丽，郑延斌，姚飞，苏景霞.基于虚拟现实技术的网络虚拟化学实验室的设计实现[J].科技视界，2013（33）：26-27.

[2]李中强.虚拟现实技术支持下高中化学实验教学的开展[J].教学与管理，2018（31）：61-63.