1.
项目背景
大型分析仪器实验教学在高校实验教学中的地位较为突出,不仅具有传承知识、能力培养的作用,而且在学生知识运用和综合素质提高中都扮演着不可替代的角色。大型仪器分析测试贯穿本科教学和训练、本科毕业设计、研究生(硕士和博士)课题、学生课外开放实验和教师科研项目等相关实验,对学生科学素养的养成和创新能力的提高意义重大。
但大型仪器价格昂贵,大多台套数只有一两台,因此在测试学习过程中,学生的上机机会极为有限,加之大型分析仪器实验涉及的理论大多抽象难懂,实验技术复杂繁多,教师通过文字和图片讲授实验过程时不能把仪器的操作方法及技术要点直观、生动地展现给学生,同时在教师进行动作示范时,仪器操作过程通常不可逆,一次操作示范难以让学生很好地掌握全部规范操作和动作要领,从而导致学生对所学知识点无法掌握,学习兴趣不强。
因此,为提升大精设备利用率,充分发挥大精设备在人才培养、科学研究中的作用,考虑将虚拟仿真技术应用于大型仪器实验教学,不仅可以最大程度的发挥大型仪器设备的使用效益,同时满足学生们在非工作时间或者仪器空闲时间开展自主实验和创新实验的需求,提高学生的创新实践能力。为此,本项目提出首先开展基于虚拟仿真平台的“热分析仪”和“X射线衍射仪”自主实验教学系统,待该系统开发应用于实验教学项目后经过不断修改和完善以后,再将开发经验应用于“大型仪器群”虚拟仿真自主实验教学体系的研究和开发中去。
2.
项目开发过程
2.1 热分析虚拟仿真实训系统的设计和开发
高校科研和教学中,热分析技术在金属、无机非金属、高分子以及新能源专业都有应用,如水泥水化产物的检测、聚合物的热性能测定或热失重分析、金属和合金相变点的测试等,都要应用到热分析仪器。热分析仪应用范围广,适用性强,操作相对容易且仪器不宜损坏,因此首先选取大型仪器——热分析仪为虚拟实验目标,基于热分析仪分析测试类实验教学课程的特点和教学需求,进行虚拟仿真教学设计,包括:虚拟仿真实训系统设计和开发、实验课教学模式的设计,从而实现对实验的具体内容、重难点以及实验过程与原理的详细剖析。
2.1.1热分析仪虚拟仿真实训系统的设计
虚拟仿真实训系统的设计过程,要体现出教学性演示功能和交互性操作两大功能,以达到在纯粹的虚拟实验环境中学生能独立完成热分析仪两台不同功能仪器的所有实验操作流程,且需满足不同专业学生测试要求的特点。本文涉及的热分析仪虚拟仿真实训系统应包括热分析仪的操作规程、注意事项、视频操作观看和虚拟操作训练等功能,为学生提供一个能够自我操练、人人操练的虚拟实验平台。
图1是依据大型分析仪器实验教学特点和目标对象的需求分析设计的“热分析仪”虚拟仿真实训系统实验教学结构图。其中,“视频教程”可供学生反复观看学习,熟悉仪器操作的主要流程及操作中的注意事项;核心功能的“虚拟操作”则可以满足学生模拟操作,自我操练的满足感。
图1 热分析仪虚拟实验训练系统设计结构图
2.1.2热分析仪虚拟仿真实训系统的开发
构建虚拟仪器的模型是开发整个热分析虚拟仿真实训系统的基石。为了提高虚拟实验室的沉浸感与仿真度,首先要构建逼真的仪器模型。在构建分析仪器初期,要对仪器实物外形尺寸进行测量和实验室背景素材收集,使用Autodesk Maya进行1:1实物建模,包括TGA热重分析仪和DSC差示扫描量热仪,以及实验中需要用到的钢瓶,分析天平,试剂瓶,压片机等。进一步找出仪器各功能部分的主辅关系,对需要进行交互操作的部件则需单独建模,如仪器电源开关、功能按钮、镊子、坩埚等。同时,对部分活动部件制作动画,包括DSC式样压样杆的转动,电子天平玻璃门的开关,气瓶开关的旋钮等,以再现仪器的真实运转状况,操作方式,数据检查,存储与分析功能。构建的虚拟实验室还包括墙壁、装饰、试验台等场景,可以给使用者构造一个真实实验室环境的体验,增强学生对实验室的兴趣和好感,并通过修饰、渲染和烘培手法增强整个实验环境的色彩度和立体感(如图2)。所有制作的模型文件以.fbx格式保存,并和贴图文件打包导入Unity3D软件中使用。
使用Unity3D原生的UGUI工具来设计整套人机交互界面,实现用户对整个实验流程的操作。在实验过程中,通过点击相应的实验仪器,触发UI界面,通过UI界面的选项按钮进行仪器操作(触发相应的仪器动画),同时测量数据的输入输出也是显示在UI界面上进行。使用C#语言编写脚本附加在仪器模型上,通过UI触发事件,就可以实现和真实场景相同的实验操作和数据处理。在热分析仪器对实验样本进行测量之后,点击试验台上的计算机显示器就可以进入实验的计算机数据处理部分(如图3)。同样使用UGUI完整复原了电脑界面windows操作系统上仪器配套软件的操作界面,在输入相关数据后,可以自动进行实验二维图表的绘制。
热分析虚拟实验室分为TGA热重分析仪和DSC差示扫描量热仪,提供了有机物(聚丙烯,乙烯-醋酸乙烯酯共聚物)和无机物(水泥水化物)两类样品测试功能,选取不同的样品,输入不同的测试参数后,可以绘制出不同的数据图表。
图2 热分析仪虚拟仿真实验室场景 图3 计算机端操作界面
2.2 X射线衍射仪虚拟仿真实训系统的设计和开发
X射线衍射仪是利用X射线衍射原理研究物质内部结构的一种大型分析仪器,被广泛应用于材料、化工、冶金、地矿、环境等多学科领域。X射线衍射仪包括循环水冷却装置、计算机控制系统和X射线衍射主机三部分,操作交互步骤较多,因此,基于X射线衍射仪的虚拟仿真操作,不仅可以让学生更熟悉操作流程,并且对于自学或者只学习过理论知识的其他专业学生也能起到辅助指导的作用。
X射线衍射仪的操作包括循环水冷却装置的开启和关闭、计算机控制系统的操作、X射线衍射主机操作等,交互操作步骤较多,因此,使用EVRc引擎,结合资源包素材,编辑一个“X射线衍射仪虚拟仿真实训系统”教学案例并发布到zSPace平台,如图4所示。
图4 X射线衍射仪虚拟场景
2.2.1VR 资源导入到 EVRc 编辑器与模型空间布局
(1)打开 EVRc 引擎,新建一个场景,命名为“虚拟实验室1”,在资源管理器中分别添加资源包提供的模型文件到场景中。
(2)将虚拟实验室中需要用到的模型摆放在场景内合适的位置(项目中所涉及的模型都可以根据项目的美观程度适当修改尺寸,但要保证等比缩放),注意人物在(0,0,0)坐标,模型需对应摆放在人物附近。
(3)制作循环水冷却装置上的启动(红色)、停止(黑色)按钮、蓝色指针及其旋转方位,X射线衍射仪主机上的红色按钮、黑色按钮、按钮闪烁效果,电脑屏幕图片的出现及放大效果,样品飞入、飞出效果,X射线衍射主机门开启、关闭和工作状态下门的颜色变红效果等。
2.2.2对X射线衍射仪操作做动画编辑
(1)使用zSPace触笔触发循环水冷却装置上的红色按钮,蓝色指针旋转指向红色按钮,触发循环水冷却装置启动事件;
(2)使用zSPace触笔触发计算机键盘,计算机屏幕上的图片逐渐放大,触发计算机屏幕开启事件;
(3)使用zSPace触笔触发X射线衍射仪主机上的红色按钮,红色按钮闪烁变白后又变红,主机开启,门打开;
(4)使用zSPace触笔抓取桌面上的样品槽,查看样品槽;
(5)使用zSPace触笔触发样品,样品自动飞入主机内,门关闭;
(6)使用zSPace触笔触发软件,主机门变成红色,主机开始工作,延迟5秒,恢复原色;
(7)使用zSPace触笔触发软件退出系统,主机门打开,样品出来,放回桌面;
(8)使用zSPace触笔触发主机黑色按钮,黑色按钮闪烁变白后有变黑,主机关闭同时门关上;
(9)使用zSPace触笔触发触发循环水冷却装置的黑色按钮,蓝色指针从指向红色按钮处旋转指向黑色按钮,触发循环水冷却装置关闭事件。
图5 EVRc动画编辑界面
2.2.3发布测试及项目打包
将完成的项目发布到zSPace平台,取名为“虚拟实验室1.exe”。发布后使用zSPace设备演示及调试,根据运行结果,调整场景内资源,完成项目要求。
使用打包工具将发布好的项目打包成.rar 或.zip 格式的文件,并命名为“虚拟实验室.zip”。