周思洁;杨泽亮;董子和;周明达;曾冬铭
【摘 要】Virtual simulation technology has been widely proposed as a significant technological advance that can offer a novel form for education. Especially in the case of chemistry,virtual reality technology facilitates learning process surpassing major restrictions characterizing tradi-tional educational methods. In this system,some popular softwares including 3Ds Max and Unity 3D are used to develop a fully immersive,interactive and three-dimensional simulation system of gas chromatography( GC). Three modules are included in this system. First module is the introduction of the instrument. Second module is a three-dimensional display of the struc-tures,which are modeled by 3Ds Max and interacted by Unity 3D. The last module focuses on the simulation experiments,and this module is made by Unity 3D. All models created in this system are three-dimensional and the scenes are lifelike,so that all aspects of the instrument are presented to users clearly. Using this system to learn about the principles
and structures of the instrument,users would feel that they were in a real laboratory and could master all related skills more easily. This system is not only a powerful tool to satisfy the need of instrument training and experimental teaching of chemistry,but also an excellent example of virtual simu-lation applied in chemistry.%虚拟仿真技术被广泛认为是一项重大技术进步，可以提供一种新颖的教学方式，能促进化学学习，打破传统教育方法的限制。三维交互式的气相谱仪虚拟仿真实验系统使用当前主流的 Unity 3D 软件作为系统的主要开发工具。构建的系统主要包含仪器的动态原理展示、三维结构展示及仿真实验3部分。系统中的模型全部采用三维设计，场景逼真，能够全方位地向使用者展现真实仪器的外形及内部结构，令使用者如同置身于真实实验室中，获得身临其境的操作体验，从而更容易学习和掌握仪器组成、工作原理及相关的实验技能。系统不仅满足了仪器培训和化学实验教学的基本需求，而且对虚拟仿真技术在化学中的应用起了示范效应和推广作用。 园林设计
【期刊名称】《谱》
【年(卷),期】bac52016(034)006
【总页数】4页(P621-624)
【关键词】气相谱;虚拟仿真;三维;分析仪器
【作 者】周思洁;杨泽亮;董子和;周明达;曾冬铭
tftlcd接口
城市雕塑网【作者单位】中南大学化学化工学院，湖南 长沙 410083;中南大学化学化工学院，湖南 长沙 410083;中南大学化学化工学院，湖南 长沙 410083;中南大学化学化工学院，湖南 长沙 410083;中南大学化学化工学院，湖南 长沙 410083
【正文语种】中 文
【中图分类】契约理论O658
实验教学是化学教学中不可缺少的环节,实验在理论的理解以及诸多技能的获取中起着重要的作用[1]。对仪器的操作能力也是化学专业学生最重要的能力之一。对气相谱仪进行操作是仪器分析教学中的重要内容。熟练操作气相谱仪无论对继续攻读研究生的学生还是选择就业的学生都是很有必要的。然而由于基础设施的不足以及时空的限制,使得学生在学校实验室里可以操作仪器的次数有限[2]。因此需要一种替代性的教学方式来解决上述问题,同时也为化学教育提供经济高效的解决方案,为大学生提供一种有价值的备选方案或远程
学习工具。
虚拟仿真技术已被广泛认为是一项重大技术进步,它可以提供一种新颖的教学方式。国家大力提倡虚拟仿真工作,支持对大型仪器进行虚拟仿真[3]。在化学领域,虚拟仿真技术可促进学习过程,打破传统教育方法的限制。其主要目标是在完全沉浸式、交互式和三维的虚拟环境中提供真实可信的化学过程的模拟。学生在学习过程中可以积极地参与,还可以通过虚拟仿真实验去完成一些很难甚至不可能在现实实验室中进行的实验,比如不允许观察也无法获得可靠测量结果的高速化学反应(爆炸、化学动力学问题等)、极慢的或极复杂的化学过程、涉及学生和教师的健康风险的实验(比如放射性实验)、需要昂贵耗材或在常规实验室不可用的设备等实验[4]。
国内外已经有很多相似的研究工作,旨在利用虚拟仿真技术和网页技术在化学教学中的潜能,以达到高效教学的目的,比如“CSU化学实验室”、“VRLUP”以及“实验室3D”,它们分别处理了卫生、安全以及生物化学方面的问题[5]。近年已开发的许多相关的应用程序使得化学教学更加高效,比如“虚拟化学实验室”[6]、“分析化学实验教学”[7]等应用程序。此外,还有许多采用虚拟技术的程序,比如“MarSTU”[8]、“虚拟校园”[9]、“气相谱-质谱联用仪虚拟项目”[10]
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、“虚拟实验室”[11]等。这类应用与虚拟仿真系统相比的不足有:浸入感缺乏,交互性不足,呈现的不是真实的三维模型等。
本文提出了基于Unity 3D技术构建三维交互式的气相谱仪虚拟仿真实验系统。该系统的基本目标是利用互联网使用户进入到一个交互式的、模拟真实教学过程的虚拟世界。通过使用3Ds Max及Unity 3D软件开发出具有动态原理展示、三维结构展示及仿真实验3部分结构的三维交互式的气相谱仪虚拟仿真实验系统。该虚拟仿真实验系统的成功构建满足了仪器培训和化学实验教学的基本需求,对虚拟仿真技术在化学中的应用起了示范效应和推广作用。
通过学习和了解气相谱仪的原理、结构及当前的操作方法,依据气相谱仪的结构特点、交互动作及技术水平,选用3Ds Max为仪器建模,用Unity 3D为模型添加交互。制定的开发技术路线如图1所示。
气相谱仪工作原理的动画主要包括仪器分离原理的动画以及热导检测器原理的动画。该部分主要以交互动画配合文字的形式,生动形象地展示了气相谱仪的工作原理。
仪器结构展示部分包括仪器的内、外部结构展示(见图2),该部分中使用逼真3D模型及其仿真的互动操作,使用者可以通过完成如表1所示的交互功能,从而对仪器的内、外部结构有一个清晰明了的认识。
仿真实验部分包含两部分内容:学习系统和测试系统。两部分内容都是以“乙醇中少量甲醇含量的测定”实验为基础制作的。使用者首先对气相谱仪的实验操作进行学习,再通过测试系统来巩固之前所学的内容,从而能更充分地掌握实验操作的相关知识。
学习系统使用Unity 3D构建出了分步式的实验操作过程,为使用者详细地展示了气相谱仪的实验步骤及其对应的实验现象。
(1)实验步骤展示功能。气相谱仪实验主要包括以下步骤:打开载气、打开电脑、打开仪器、设置参数、设定环境、进样操作、收集数据、关闭仪器、关闭电脑和关闭载气。学习系统根据这些步骤将不同的操作放到不同的场景中,再将不同的场景链接至同一导航界面的不同按钮,当点击某一个按钮时即可转到相应的操作场景中学习相应的内容。在操作场景中可以操作仪器做出相应的动作,同时包含有对该步骤的文字说明,便于加深使用者对实验操作的理解。图3是“打开载气”步骤的界面,使用者在该步骤场景中可以根据文字说明对气瓶进行
操作。
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