VR技术在化学实验建模中的应用研究

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虚拟现实(VR)技术是一种新兴的科技手段,突破了人们被时间、空间、事物、世界的限制,用虚拟景象替代现实,集视、听、触觉于一体。在营造用户沉浸式体验的同时,还能够使得用户成为虚拟场景的一部分,最终实现人机交互。本文综述了 VR技术和高校化学实验室现状,VR与高校化学实验室结合的意义,国内外研究现状,引入VR影片和动画的制作及设计理念,并提出了本文的研究思路,利用多种手段实现VR模拟高校化学实验。利用VR技术能够显著提高资源配置效率,以及学生学习效率和管理工作效率,降低实验室成本。VR实验训练仿真系统的研究,由于它的交互性、真实感和沉浸式体验,可以很好的解决传统高校化学实验教学中诸多问题,也对学生自主学习方面有着很大的意义。虚拟现实(VR)技术现在广泛应用于信息、娱乐等行业。在高校范围内尚未普及和推广。究其原因,除对新兴技术的了解的不够,还涉及到传统教育的教学理念、教学模式、教学方法的变革,乃至建立虚拟现实实验室所需要的硬件和技术支持等问题,其中,重中之重是需要模拟人类感知模式和行为的软件支持。如何将VR技术引用到教学当中,乃至引入高校化学实验室当中,都是热门而又前沿的课题。第二章探讨了虚拟现实技术在高校实验硬件设备中的应用,提出了利用虚拟现实技术搭建高校化学实验平台的构想,包括增加虚拟现实实验技术的专业。首度独立创作设计的以VR模拟纳米光学材料的合成与荧光衍射实验为例,将VR全景摄影和VR动画制作两种技术进行结合的设计思路,在实验中,首次采用VR全景摄影技术,不仅在沉浸式体验上,进一步实现了真实性,还节约了大量的动画制作时间,同时也兼顾了实验仪器的操作还原。在微观层面,采用了 Cinema 4D软件来制作VR动画部分,由此,即便没有学过编程的化学从业者,也能够很快的上手,从而可以更好的推广VR化学实验模拟制作。而在后续格式转化中,也留出了导入Unity 3D软件中的余地,可供进一步开发、升级、完善。最终完成的VR实验软件,体积上和兼容性都能适应当前的计算机硬件环境。本文以此角度验证了将VR技术运用于高校化学实验室教学的可行性及合理性。液相自组装法在有机高分子合成领域是一类重要的合成策略,简单而有效,利用分子间相互作用、亲水/疏水环境等,能够得到稳定生长,结构复杂的微纳米晶体。基于该工艺的重要性,本文采用鱼眼镜头等设备跟随实验全景拍摄,最终制得VR技术模拟的液相自组装工艺。在此基础上,利用Cinema 4D软件,创建从分子结构到实验设备各种模型,并且结合Unity3D软件,制作成可用于VR设备播放的教学软件。在VR实验播放硬件上,本文利用计算机技术的发展,设计了云端服务器,学生利用个人设备进行下载播放就能进行VR实验。大大降低了实验成本。综上所述,本文选取了在高校化学实验中需要较长反应时间,以及使用到大型分析(观测)仪器的微米晶体制作及波导损失测定实验,在高校化学实验中,该实验可说具有一定意义的代表性。而在信息化高度发展的时代,数字化的VR化学实验室可以有效的将现代化信息技术引入到管理机制中,更好地做到实验室资源的共享。学生可以使用网上预约系统预约实验时间,学校可以通过背景观察学生的实验结果,并进行数据统计、研究。学校的各学院之间还可以共享实验软件,汇总到互联网上,学生可以利用周末,或在其他非实验场地使用,进行自我练习。它大大提高了高校化学实验的效率。
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