基于VR技术的自然科学实验资源库系统研究与设计

李兵川 王剑峰 宋苗苗 吴文灵 黎 江

（重庆航天职业技术学院，重庆400021）

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。

2.2 高锰酸钾制氧实验设计（图2）

图1 项目整体结构

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。

图2 高锰酸钾制氧实验效果图

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：

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：

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：

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。