基于Flash3D的中學(xué)化學(xué)虛擬實驗平臺的設(shè)計與實現(xiàn)（2015年34期）
本文關(guān)鍵詞：基于Flash3D的中學(xué)化學(xué)虛擬實驗平臺的設(shè)計與實現(xiàn)，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。
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基于Flash3D的中學(xué)化學(xué)虛擬實驗平臺的設(shè)計與實現(xiàn)（2015年34期）
2016-1-21 15:13:56 點擊：
【作者】 張學(xué)軍； 唐久磊； 魏江明；
【機(jī)構(gòu)】 西北師范大學(xué)教育技術(shù)學(xué)院；【摘要】 用Flash3D技術(shù)開發(fā)三維虛擬實驗平臺具有技術(shù)難度適中、功能易于擴(kuò)展、瀏覽器插件安裝方便且使用普遍等優(yōu)點,但是已有的三維虛擬實驗平臺較少采用Flash3D技術(shù)。文章首先從系統(tǒng)架構(gòu)、數(shù)據(jù)庫設(shè)計、虛擬實驗過程設(shè)計等方面詳細(xì)論述了基于Flash3D技術(shù)的中學(xué)化學(xué)虛擬實驗平臺的設(shè)計方案,然后闡述了該平臺的功能,接著從三維虛擬實驗場景中的交互、化學(xué)實驗現(xiàn)象的模擬、數(shù)據(jù)通信等方面提出了該平臺的實現(xiàn)方法。最后介紹了中學(xué)化學(xué)虛擬實驗平臺的特色。
【關(guān)鍵詞】 中學(xué)化學(xué)虛擬實驗平臺；Flash3D；設(shè)計與實現(xiàn)；Papervision3D；Flint粒子系統(tǒng)；
【基金】 教育部人文社會科學(xué)研究規(guī)劃基金項目“初中化學(xué)網(wǎng)絡(luò)綜合虛擬實驗教學(xué)平臺的開發(fā)與應(yīng)用研究”(項目編號:10YJA880182);西北師范大學(xué)青年教師科研能力提升計劃骨干項目“網(wǎng)絡(luò)三維虛擬實驗設(shè)計與開發(fā)——以中學(xué)理化實驗課為例”(項目編號:SKQNGG11034)
【所屬期刊欄目】 環(huán)境建設(shè)與資源開發(fā) （2015年12期）
一、引言化學(xué)作為一門以實驗為基礎(chǔ)的學(xué)科，它通過實驗教學(xué)可以使學(xué)生獲得生動的感性知識，從而更好地理解、鞏固所學(xué)的化學(xué)知識。同時，實驗更是培養(yǎng)和發(fā)展學(xué)生思維能力和創(chuàng)新能力的重要方法和手段。近幾年來隨著新課程改革的不斷深入，中學(xué)化學(xué)實驗教學(xué)改革取得了一定的進(jìn)展，但是實驗教學(xué)中仍存在實驗設(shè)備不足、實驗室開放時間少、實驗內(nèi)容的深度和廣度不夠、大多數(shù)教學(xué)實驗屬于驗證性實驗等問題。
針對這些問題，許多學(xué)校采取了改善實驗教學(xué)條件，改進(jìn)實驗教學(xué)方法等措施，一些學(xué)校還逐步在實驗教學(xué)環(huán)節(jié)中引入虛擬實驗。充分利用具有開放性、仿真性、經(jīng)濟(jì)性、可重復(fù)使用性、共享性等獨特優(yōu)點的虛擬實驗進(jìn)行教學(xué)，可以有效彌補現(xiàn)實實驗教學(xué)的不足。[1]目前已經(jīng)開發(fā)的三維虛擬實驗平臺大多基于VRML、Virtools、VRP等技術(shù)，[2][3][4][5][6][7]使用Flash3D技術(shù)的則較少。[8]這幾種典型的三維虛擬實驗開發(fā)技術(shù)都有各自的優(yōu)點和不足，其技術(shù)比較見表1。使用VRML開發(fā)虛擬實驗技術(shù)雖然是免費、開源的，但其開發(fā)難度高，周期長；使用Virtools開發(fā)虛擬實驗技術(shù)難度較高，側(cè)重于單機(jī)版，網(wǎng)絡(luò)版功能受限制；使用VRP開發(fā)虛擬實驗技術(shù)難度較低。其中Virtools和VRP用于商業(yè)均需要付費，VRML、Virtools和VRP應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境時其瀏覽器插件都不普及，且功能擴(kuò)展時難度高。使用Flash3D開發(fā)虛擬實驗技術(shù)難度適中，功能易于擴(kuò)展，便于連接后臺數(shù)據(jù)庫形成集實驗教學(xué)、實驗操作、實驗報告和實驗評價于一體的綜合性的實驗平臺。Flash3D技術(shù)是近年迅速發(fā)展起來的一種在線3D技術(shù)，它用ActionScript在Flash二維的世界里表現(xiàn)三維對象。
其主要優(yōu)勢在于：（1）Flash播放器已相當(dāng)?shù)仄占埃鶕?jù)調(diào)查顯示，約98.7%以上的PC上都有安裝；（2）Flash技術(shù)背后有Adobe公司的強(qiáng)力支撐，Adobe提出的RIA技術(shù)架構(gòu)已成為當(dāng)今Web發(fā)展與應(yīng)用的一個熱點。目前Flash3D的主要引擎有Papervision3D、Away3D、Sandy3D、Alternativa3D等。其中Papervision3D（以下簡稱PV3D）由巴西人Carlos開發(fā)出來，目的在于實現(xiàn)更加炫麗美觀、功能強(qiáng)大的Flash3DWeb應(yīng)用程序。PV3D以其開源、支持ActionScript3.0（以下簡稱AS3）、API文檔齊全、性能優(yōu)越受到好評。為開發(fā)方便，本文在平臺設(shè)計開發(fā)中選擇Flash3D引擎中免費、開源的PV3D來使用。表1幾種典型的三維虛擬實驗開發(fā)技術(shù)比較VRMLVirtoolsVRPFlash3D交互功能強(qiáng)強(qiáng)強(qiáng)強(qiáng)界面友好度較好很好很好很好瀏覽器插件不普及不普及不普及普及開發(fā)難度高較高較低適中制作方式VRML語言VSL腳本語言內(nèi)嵌腳本語言AS腳本語言實現(xiàn)效果三維交互三維交互三維交互三維交互可擴(kuò)展性能擴(kuò)展，難度高能擴(kuò)展，難度高能擴(kuò)展，難度高能擴(kuò)展，難度低應(yīng)用環(huán)境網(wǎng)絡(luò)側(cè)重于單機(jī)版網(wǎng)絡(luò)版功能受限單機(jī)、網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)價格免費、開源用于商業(yè)用途需付費，網(wǎng)絡(luò)版功能受限用于商業(yè)用途需付費，共享版功能受限付費、非開源的和免費、開源的均有，可自由選擇二、VCE平臺設(shè)計
（一）系統(tǒng)架構(gòu)中學(xué)化學(xué)虛擬實驗平臺VCE（VirtualChemicalExperiment，以下簡稱VCE平臺）采用Web/Brower模式，客戶端采用瀏覽器來完成實驗操作及實驗報告填寫、批改、查詢等功能。開發(fā)三維虛擬實驗時，使用FlashCS5，腳本語言采用AS3。由于FlashCS5基本上是二維的，所以三維實驗場景在3DSMAX創(chuàng)建完成后需要通過DAE插件導(dǎo)出，導(dǎo)出后的DAE文件還需要在FlashCS5中安裝三維引擎PV3D才能支持。服務(wù)器端采用WebServerIIS6.0+ASP程序�？蛻舳酥邪墓δ茉诜⻊�(wù)器端有對應(yīng)的處理程序，如客戶端中的“實驗操作”功能在服務(wù)器端有“實驗操作Asp程序”來作相應(yīng)的處理。數(shù)據(jù)庫采用Access或MicrosoftSQLServer2000。VCE平臺系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。
（二）數(shù)據(jù)庫設(shè)計VCE平臺數(shù)據(jù)庫由五部分組成：用戶管理及界面、虛擬實驗及實驗報告、作業(yè)布置及批改、在線考試、在線論壇。其中用戶管理及界面包括六個數(shù)據(jù)庫表，其中管理員表、教師表及學(xué)生表分別存儲不同身份人員的信息，班級表存儲學(xué)生班級數(shù)據(jù)，教師菜單表和學(xué)生菜單表分別存儲教師和學(xué)生進(jìn)入系統(tǒng)后的界面顯示控制信息。虛擬實驗及實驗報告包括很多表，每個具體的中學(xué)化學(xué)虛擬實驗由兩個表組成，如“一氧化碳還原氧化銅”虛擬實驗由一氧化碳還原氧化銅虛擬實驗表和一氧化碳還原氧化銅實驗報告表組成，前者主要存儲學(xué)生做虛擬實驗的過程記錄，后者則存儲學(xué)生完成的實驗報告。需要說明的是虛擬實驗表中的部分字段要傳遞數(shù)據(jù)給實驗報告表，以服務(wù)于實驗報告的填寫。作業(yè)布置及批改由作業(yè)布置表和作業(yè)批改表組成，前者完成實驗作業(yè)的具體布置任務(wù)，后者則記錄學(xué)生所完成的實驗作業(yè)及教師對作業(yè)的批改信息。在線考試由單選題表、多選題表、填空題表、問答題表和閱卷表組成，前四個表存儲不同類型的考試試題及參考答案，閱卷表則存儲對學(xué)生在線考試的批閱信息。在線論壇由論壇主題分類表、發(fā)言帖子表、用戶積分表等多個表組成，論壇主題分類表主要存儲虛擬實驗的主題分類信息，一般來說一個虛擬實驗項目作為一個主題分類。發(fā)言帖子表存儲用戶發(fā)帖、回帖的數(shù)據(jù)，用戶積分表則主要存儲用戶因為發(fā)帖、回帖而產(chǎn)生的積分信息。數(shù)據(jù)庫各大部分及每一部分之間的內(nèi)部結(jié)構(gòu)關(guān)系如圖2所示。
（三）虛擬實驗過程設(shè)計VCE平臺共設(shè)計了10多個不同的中學(xué)化學(xué)虛擬實驗，每個虛擬實驗的過程設(shè)計類似。下面以“一氧化碳還原氧化銅”實驗為例來說明�！耙谎趸歼�原氧化銅”實驗在過程上主要是從以下六個方面進(jìn)行設(shè)計的：（1）選擇實驗儀器藥品；（2）取裝藥品；（3）組裝儀器；（4）按正確順序操作實驗；（5）觀察并記錄實驗現(xiàn)象；（6）停止通一氧化碳，熄滅酒精燈并拆卸儀器。為了讓學(xué)生能夠熟練地掌握本實驗用到的儀器藥品，設(shè)計了“選擇實驗儀器藥品”這一環(huán)節(jié)，同時為了降低選擇的難度，使學(xué)生有足夠的信心去做，為學(xué)生提供了三次選擇的機(jī)會，同時給出了相應(yīng)的提示，縮小選擇范圍，如“除了鐵架臺、試管、木塊、酒精燈、導(dǎo)管以外，還需要以下哪三種實驗儀器？你有三次選擇機(jī)會”，學(xué)習(xí)者在操作過程中選對或選擇次數(shù)達(dá)到三次將出現(xiàn)進(jìn)入下一步的按鈕，單擊進(jìn)入下一步。在分值的計算上，采用了依次遞減計分的方法，即第一次全選對計為滿分（此部分分?jǐn)?shù)占操作過程總分的30%），第二次選對則為總分的30%×90%，第三次選對為總分的30%×80%，否則計為0分。這些得分直接記錄在虛擬實驗表中，然后系統(tǒng)從虛擬實驗表中調(diào)取該部分得分到實驗報告中。為了培養(yǎng)學(xué)生的化學(xué)實驗動手能力，在組裝化學(xué)儀器的過程中不但設(shè)置了組裝正確或錯誤的反饋，并且給出了時間限制，若在規(guī)定時間內(nèi)仍未完成儀器組裝，則實驗自動跳轉(zhuǎn)到下一步繼續(xù)運行。為了加深學(xué)生對實驗過程中一些關(guān)鍵知識點的記憶以及加強(qiáng)虛擬實驗的真實性，在實驗操作過程中設(shè)計了對重要知識點的考核，如在通入一氧化碳的環(huán)節(jié)（這個環(huán)節(jié)是實驗的重點環(huán)節(jié)，包含的知識點為考點）中，正確的操作應(yīng)該是先通入一氧化碳，再點燃最右邊的酒精燈，最后點燃鐵架臺上的酒精燈。但在實際操作過程中并不是所有學(xué)習(xí)者都可以一次性按正確的步驟進(jìn)行操作，所以在虛擬實驗操作過程中對錯誤的操作引起的后果給與提示和形象的直觀表現(xiàn)，在加深學(xué)生印象的同時提高了虛擬實驗的真實性。
比如學(xué)習(xí)者在操作過程中，，先點燃了鐵架臺上的酒精燈，后通入一氧化碳，則顯示試管爆炸破裂的現(xiàn)象，并提示重做。因為雙孔試管加熱會導(dǎo)致右邊試管中的澄清石灰水回流，造成試管炸裂。在操作虛擬實驗的過程中，為了培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力和語言表達(dá)能力，設(shè)計了一些文本輸入框，供學(xué)生填寫觀察到的實驗現(xiàn)象、實驗中存在的問題等。如在“觀察并記錄實驗現(xiàn)象”環(huán)節(jié)中，設(shè)計了“你觀察到的實驗現(xiàn)象是：”這一輸入文本框，并且根據(jù)學(xué)生輸入的內(nèi)容，系統(tǒng)會給出相應(yīng)的反饋
三、VCE平臺功能VCE平臺由三大功能模塊組成：管理系統(tǒng)、虛擬實驗系統(tǒng)和實驗評價系統(tǒng)，如圖3所示。圖3VCE平臺功能模塊（一）管理系統(tǒng)管理系統(tǒng)包括用戶管理和實驗資源管理。用戶管理系統(tǒng)主要用于存儲、管理和維護(hù)用戶信息，系統(tǒng)有三類主要用戶：教師、學(xué)生和管理員，不同的用戶有不同的權(quán)限和職責(zé)。實驗資源管理主要是對實驗資源進(jìn)行更新維護(hù)，包括添加刪除實驗、課程實驗管理和實驗儀器的管理。
（二）虛擬實驗系統(tǒng)虛擬實驗系統(tǒng)包括各類具體實驗、實驗教學(xué)資料、實驗儀器和開放性實驗。根據(jù)實驗教學(xué)要求，利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)構(gòu)建各種虛擬儀器和物品，讓用戶在網(wǎng)上進(jìn)行實驗。實驗教學(xué)資料提供實驗相關(guān)的知識，如實驗?zāi)康摹嶒炘�、實驗�?nèi)容、儀器藥品、實驗說明等；開放性實驗是為開發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維和想象能力而設(shè)計的，學(xué)生可以根據(jù)興趣、實驗儀器的功能實現(xiàn)各種設(shè)計性實驗。如“一氧化碳還原氧化銅”虛擬實驗，如圖4所示。在虛擬實驗中主要有基于鼠標(biāo)的操作交互和基于鍵盤的操作交互。圖4中所反映的是基于鍵盤的操作交互中的文本輸入型操作交互，輸入觀察到的實驗現(xiàn)象“試管口有氣泡產(chǎn)生，澄清石灰水變渾濁，黑色的氧化銅粉末變?yōu)榧t色”，通過計算機(jī)存入到“一氧化碳還原氧化銅”對應(yīng)的虛擬實驗表中以便在實驗報告中調(diào)用。每個虛擬實驗項目具體的開發(fā)步驟為：分析實驗并依照實驗指導(dǎo)先作好教學(xué)設(shè)計，然后結(jié)合2D和3D軟件工具進(jìn)行Web頁面的整體布局設(shè)計。場景以及主體對象模型、材質(zhì)及運動設(shè)計在3DSMAX中完成后，利用導(dǎo)出插件導(dǎo)成PV3D可以識別的DAE格式，在FlashCS5中使用AS3腳本語言通過PV3D引擎設(shè)置交互事件。最后將FlashCS5的內(nèi)容集成到同一Web頁面內(nèi)，實現(xiàn)FlashCS5對實驗場景及內(nèi)容的直接控制。虛擬實驗真正實現(xiàn)了建模的真實性、場景的沉浸感與實驗交互性的全面結(jié)合，進(jìn)一步提高了虛擬實驗設(shè)計開發(fā)的科學(xué)性和實用性。
本刊其他文章：刪繁就簡,讓閱讀教學(xué)凸顯語文本位（2015年34期）
本文關(guān)鍵詞：基于Flash3D的中學(xué)化學(xué)虛擬實驗平臺的設(shè)計與實現(xiàn)，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。
本文編號：145213
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