有機(jī)化學(xué)3D虛擬仿真結(jié)構(gòu)制作及應(yīng)用論文
摘要：采用Web3D技術(shù)制作交互式3D有機(jī)化學(xué)虛擬仿真結(jié)構(gòu)模型，以解決傳統(tǒng)教學(xué)無法表達(dá)動(dòng)態(tài)的、立體的有機(jī)分子結(jié)構(gòu)等問題。通過對(duì)多個(gè)年級(jí)有機(jī)化學(xué)教學(xué)中使用該技術(shù)的問卷調(diào)查，學(xué)生普遍認(rèn)為Web3D有機(jī)化學(xué)模型可以顯著提高他們有機(jī)化學(xué)學(xué)習(xí)效果。
關(guān)鍵詞：Web3D;有機(jī)化學(xué);虛擬仿真;教學(xué)效果
有機(jī)化學(xué)是認(rèn)識(shí)微觀世界和研究生命科學(xué)的基礎(chǔ)。在藥學(xué)本科專業(yè)教育中，有機(jī)化學(xué)是后期生物化學(xué)、分析化學(xué)、藥物化學(xué)和天然藥物化學(xué)等課程的基礎(chǔ)。因此，有機(jī)化學(xué)的教學(xué)一直受到各醫(yī)藥高等院校的重視［1-2］。但是，有機(jī)化學(xué)教學(xué)內(nèi)容中所講授的結(jié)構(gòu)、立體化學(xué)和反應(yīng)歷程等往往都是立體的、抽象的和動(dòng)態(tài)的，傳統(tǒng)教學(xué)中的教學(xué)模型、圖片均無法清晰、明確地表達(dá)有機(jī)化學(xué)中這些動(dòng)態(tài)的和立體的內(nèi)容。有些院校自己開發(fā)了一些模擬小軟件，但這些軟件是以平面的形式展示，盡管在一定程度上解決了動(dòng)態(tài)和立體的問題，但對(duì)于有機(jī)化學(xué)的立體結(jié)構(gòu)和電子的變化仍然無法形象展示。以上這些傳統(tǒng)教學(xué)手段和方法導(dǎo)致有機(jī)化學(xué)在教與學(xué)的過程中都存在講解和理解雙方面的困難，成為教師最難教和學(xué)生最為難學(xué)的課程之一。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和3D技術(shù)的迅猛發(fā)展，基于網(wǎng)絡(luò)的3D虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)(Web3D)越來越多地被應(yīng)用到教學(xué)當(dāng)中，并受到許多院校的重視［3-6］。Web3D是一種互聯(lián)網(wǎng)上的計(jì)算機(jī)可視化技術(shù)，是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的結(jié)合。其中X3D是Web3D一種重要延伸，它采用構(gòu)件化的設(shè)計(jì)思想，具有很強(qiáng)的可擴(kuò)展性，數(shù)據(jù)編碼格式嚴(yán)格的一致性等，是一種開放的、可擴(kuò)展的、可交互的和有統(tǒng)一應(yīng)用程序模型界面的標(biāo)準(zhǔn)［7］。目前，許多院校都開發(fā)了基于Web的網(wǎng)絡(luò)化學(xué)課程［8-9］，但是3D交互的有機(jī)化學(xué)課件仍然處于空白狀態(tài)。Web3D的技術(shù)和性能特點(diǎn)，非常適合用于開發(fā)和制作有機(jī)化學(xué)中的分子結(jié)構(gòu)、反應(yīng)歷程、立體化學(xué)等的3D交互虛擬動(dòng)畫。而且，目前許多專業(yè)編輯軟件可以用來編輯Web3D內(nèi)容，如Java3D、Culture3D和3dMax等�；诖耍P者嘗試開發(fā)了一些基于Web3D的交互式有機(jī)分子結(jié)構(gòu)和有機(jī)化學(xué)反應(yīng)歷程的3D虛擬仿真模型，這些模型可以達(dá)到與真實(shí)分子結(jié)構(gòu)相近的逼真效果。那些在微觀領(lǐng)域或肉眼觀察不到的現(xiàn)象也可以通過Web3D技術(shù)實(shí)現(xiàn)可視化，直觀地呈現(xiàn)給學(xué)生，并給予學(xué)生多重認(rèn)知刺激，使其對(duì)知識(shí)的接受與記憶更加容易。筆者將制作3D虛擬仿真結(jié)構(gòu)應(yīng)用于本科教學(xué)中，獲得了較好的效果。本文就這些模型的制作(以雜化軌道模型為例)及其使用效果作一概述。
1基于Web3D的有機(jī)分子結(jié)構(gòu)虛擬仿真模型制作
筆者以碳原子雜化軌道的3D虛擬仿真模型制作為例，介紹基于Web3D的交互式3D虛擬仿真分子的制作過程。1.1碳原子雜化軌道3D模型的制作碳原子雜化軌道3D模型的制作首先要建模。三維建模是制作復(fù)雜場(chǎng)景動(dòng)畫的第一步，是虛擬現(xiàn)實(shí)開發(fā)的基礎(chǔ)。完整的三維建模一般要經(jīng)過建模、材質(zhì)賦予、動(dòng)畫制作、渲染輸出等過程。利用Web3D的X3D標(biāo)準(zhǔn)制作，在建模過程中省去了動(dòng)畫制作過程筆者采用3DSMAX的建模軟件。3DSMAX中提供了多種建模方法。常用的建模方法有多邊形建模、面片建模、Nurbs建模等。結(jié)合有機(jī)分子結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，可采用多邊形建模方法�？紤]到網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)乃俾�，需限定多邊形的�?shù)量。多邊形的邊數(shù)量越多，占用的內(nèi)存資源也越大，通常不要超過三萬個(gè)面，并設(shè)置了模型表面的不透明度、自發(fā)光等材質(zhì)屬性。以碳的sp2雜化軌道制作為例(圖2)，其模型包含三個(gè)雜化了的sp2軌道，它們的對(duì)稱軸在同一平面上，彼此間的夾角為120°，和一條未參與雜化的p軌道。未參與雜化的p軌道與三個(gè)sp2雜化軌道對(duì)稱軸的平面垂直。首先，建立p軌道模型。由于p軌道是對(duì)稱的而且建模后還要涉及交互部分的操作，故只建立p軌道的半邊模型作為開發(fā)單位。以3DSMAX2011編輯軟件，為3DSMAX定制統(tǒng)一的單位厘米建模。將建好的軌道模型進(jìn)行導(dǎo)出，經(jīng)3DMAX導(dǎo)出后的虛擬場(chǎng)景文件格式為.wrl。再利用X3DEditor3.2開發(fā)工具進(jìn)行二次轉(zhuǎn)換，即把.wrl文件轉(zhuǎn)換成.x3d文件，轉(zhuǎn)換后的文件名為p.x3d。其次，將創(chuàng)建好的.x3d文件在X3DEditor編輯軟件中利用X3D的＜Inline＞內(nèi)聯(lián)節(jié)點(diǎn)和＜Trans-form＞節(jié)點(diǎn)進(jìn)行引用組合，形成最終的'p軌道模型。最后，創(chuàng)建sp2雜化軌道模型。在X3D程序設(shè)計(jì)中，編寫X3D源程序時(shí)，由于創(chuàng)建的節(jié)點(diǎn)造型復(fù)雜，使X3D源程序過長(zhǎng)或過大，給程序編寫和調(diào)試帶來諸多不便，因此，X3D標(biāo)準(zhǔn)中引入了＜Inline＞內(nèi)聯(lián)節(jié)點(diǎn)，將一個(gè)很大的X3D源程序拆成幾個(gè)小程序，整個(gè)程序框架更加結(jié)構(gòu)化、模塊化。使用內(nèi)聯(lián)節(jié)點(diǎn)引入到X3D編輯環(huán)境后，再利用＜Transform＞節(jié)點(diǎn)的位移、縮放等屬性對(duì)原型進(jìn)行修改，可通過編寫代碼實(shí)現(xiàn)。此外，在建模過程中還應(yīng)注意的幾個(gè)問題:①在建立模型之前，要注意相關(guān)資料和素材的收集，包括有關(guān)實(shí)驗(yàn)的文字?jǐn)⑹�、�?shí)驗(yàn)相關(guān)的圖片或視頻、實(shí)物模型等;②在建模過程中，要與專家溝通以保證建立的虛擬仿真結(jié)構(gòu)的科學(xué)性;③建模過程要符合規(guī)范，如建模單位及坐標(biāo)系的設(shè)置，對(duì)象模型的命名要規(guī)范等;④建模需考慮占用系統(tǒng)內(nèi)存的問題，在保證效果的基礎(chǔ)上盡量減少模型的內(nèi)存占用率，以提高建模效率;⑤注重模型資源的二次開發(fā)，借助計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)中“積件”的思想，可以對(duì)已經(jīng)開發(fā)出的虛擬場(chǎng)景、對(duì)象模型進(jìn)行分類整理，為其建立相應(yīng)的模型庫來存放。當(dāng)進(jìn)行新的模型開發(fā)時(shí)如果再用到類似的模型部件，可以對(duì)模型稍加修改后重新利用。這樣就可以大大減少建模中的重復(fù)操作，提高開發(fā)效率。1.2虛擬仿真動(dòng)畫的交互實(shí)現(xiàn)虛擬仿真動(dòng)畫交互的實(shí)現(xiàn)是Web3D中的一項(xiàng)重要功能。筆者主要通過Script腳本節(jié)點(diǎn)編寫程序來實(shí)現(xiàn)交互功能的擴(kuò)展，可以利用JavaScript和Java語言等提供擴(kuò)展交互的支持。筆者仍以sp2雜化軌道模型中電子云仿真的實(shí)現(xiàn)為例，簡(jiǎn)介Web3D的交互實(shí)現(xiàn)。電子云是形象化描述電子在核外出現(xiàn)的概率密度。電子云的形狀與原子軌道類似，也就是說，設(shè)計(jì)電子云的仿真時(shí)既要滿足電子云的密度分布又要滿足電子云的總體形狀。為了達(dá)到此效果，可同時(shí)設(shè)置N個(gè)電子。當(dāng)點(diǎn)擊開始觸發(fā)器時(shí)，這N個(gè)電子同時(shí)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)點(diǎn)擊停按鈕時(shí)，設(shè)置N-1個(gè)電子的透明度為100%，只保留單個(gè)電子的不透明屬性。本場(chǎng)景中設(shè)置了15個(gè)電子，這樣在視覺上即達(dá)到了電子云的效果，在邏輯上又不違背科學(xué)性原則。電子的運(yùn)動(dòng)是不規(guī)則的，簡(jiǎn)單地利用X3D位置插補(bǔ)器來預(yù)先設(shè)定運(yùn)動(dòng)路徑的話需要人工設(shè)置成百上千個(gè)三維坐標(biāo)，這樣不僅會(huì)給開發(fā)進(jìn)度造成時(shí)間上的浪費(fèi)而且也會(huì)造成整個(gè)文件的數(shù)據(jù)量偏大從而影響在網(wǎng)絡(luò)上的傳輸效果。利用X3D的新特性SAI交互機(jī)制，在＜script＞節(jié)點(diǎn)中設(shè)置一段應(yīng)用程序，讓計(jì)算機(jī)根據(jù)時(shí)間觸發(fā)器的運(yùn)行機(jī)制隨機(jī)產(chǎn)生三維坐標(biāo)。在程序中設(shè)置Y軸方向上電子的運(yùn)動(dòng)情況，不僅實(shí)現(xiàn)了上述功能而且保證了電子云的整體形狀跟雜化軌道形狀一致。其他軌道上電子的運(yùn)動(dòng)算法基本類似，只需改變程序中的個(gè)別參數(shù)即可。考慮到電子云效果而又不過多影響內(nèi)存資源的情況，本場(chǎng)景中在每個(gè)p軌道上設(shè)置了15個(gè)電子，1s、2s軌道上各設(shè)置了2個(gè)電子，每個(gè)電子的運(yùn)動(dòng)都是隨機(jī)的。至此，電子云的交互效果制作過程就此完成，每個(gè)電子都能實(shí)現(xiàn)各自軌道上電子云的效果。交互按鈕功能的實(shí)現(xiàn)采用X3D為＜TouchSen-sor＞檢測(cè)器節(jié)點(diǎn)提供的isActive屬性，當(dāng)單擊或移動(dòng)鼠標(biāo)時(shí)發(fā)送事件。按下鼠標(biāo)左鍵并保持該狀態(tài)時(shí)，isActive=true，放開時(shí)，isActive=false。利用這一屬性當(dāng)用戶單擊開始觸發(fā)器后，若觀察電子云狀態(tài)時(shí)，不可能使鼠標(biāo)一直處于選取狀態(tài)，再設(shè)計(jì)一個(gè)開關(guān)程序就很有必要。這樣就可以實(shí)現(xiàn)控制電子的運(yùn)動(dòng)與停止功能。
2Web3D交互式有機(jī)化學(xué)虛擬仿真模型在有機(jī)化學(xué)教學(xué)中的使用
一直以來在有機(jī)化學(xué)教學(xué)過程中，面對(duì)抽象的概念、原理只能用文字、圖片、二維圖形或動(dòng)畫進(jìn)行描述，無法向?qū)W生提供直觀形象的感性認(rèn)識(shí)，致使知識(shí)的表達(dá)和理解困難。采用Web3D技術(shù)制作的虛擬有機(jī)結(jié)構(gòu)和有機(jī)反應(yīng)歷程恰恰可以解決這些問題。這些交互式虛擬仿真模型，既可以在網(wǎng)絡(luò)教學(xué)如慕課中應(yīng)用，還可以單機(jī)版使用。學(xué)生或教師可以在計(jì)算機(jī)上通過鼠標(biāo)拖動(dòng)、旋轉(zhuǎn)來選擇從不同的角度來觀察原子、分子或反應(yīng)過程的立體結(jié)構(gòu)、電子運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)移等。結(jié)合多年的有機(jī)化學(xué)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，筆者制作了基于Web3D技術(shù)sp3、sp2、sp雜化，乙烯、乙烷分子等結(jié)構(gòu)，以及乙烯與Br2的親電加成等反應(yīng)歷程的交互式3D虛擬仿真模型。以碳原子sp2雜化結(jié)構(gòu)和乙烯分子的形成為例，在sp2雜化碳原子虛擬仿真結(jié)構(gòu)中，可以通過點(diǎn)擊觸發(fā)點(diǎn)來激活sp2雜化軌道中的電子運(yùn)動(dòng)，清晰的觀察到電子運(yùn)動(dòng)的范圍。與傳統(tǒng)的教科書中圖片式模型相比，直觀逼真，動(dòng)態(tài)展示。通過觀察電子運(yùn)動(dòng)的范圍，讓學(xué)生更容易理解和記憶sp2雜化碳原子在形成雙鍵時(shí)的成鍵方式和成鍵特點(diǎn)，有助于理解有機(jī)化學(xué)的重要思想:結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)。筆者將這些Web3D虛擬仿真有機(jī)結(jié)構(gòu)應(yīng)用到課堂教學(xué)和網(wǎng)絡(luò)教學(xué)中，取得了較好的教學(xué)效果。筆者對(duì)2011～2015連續(xù)五個(gè)年級(jí)的臨床、藥學(xué)和生物技術(shù)等專業(yè)的1035名學(xué)生進(jìn)行了問卷調(diào)查，回收有效問卷1030份。問卷內(nèi)容包括對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的了解情況、使用Web3D虛擬有機(jī)模型的教學(xué)效果調(diào)查兩大部分，主要調(diào)查結(jié)果如表1所示，其中對(duì)于“是否對(duì)本課題開發(fā)的Web3D虛擬仿真有機(jī)結(jié)構(gòu)模型和有機(jī)反應(yīng)機(jī)理模擬感興趣”的情況調(diào)查中，85%學(xué)生選擇了感興趣，說明絕大多數(shù)學(xué)生對(duì)開發(fā)的仿真模型和反應(yīng)機(jī)理表現(xiàn)出了濃厚的興趣;對(duì)于“Web3D虛擬仿真動(dòng)畫是否有助于對(duì)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的理解和記憶，提高有機(jī)化學(xué)的教學(xué)效果和學(xué)習(xí)效率”調(diào)查中，91%選擇了效果較好;4%選擇了效果一般，說明大多數(shù)學(xué)生對(duì)本課題開發(fā)的Web3D虛擬仿真對(duì)加深知識(shí)點(diǎn)的理解和記憶持肯定態(tài)度;對(duì)于“是否有助于理解有機(jī)化學(xué)反應(yīng)中的核心部分:電子的轉(zhuǎn)移”調(diào)查中，95%的學(xué)生選擇了“是”，3%的學(xué)生選擇了“一般”，說明Web3D虛擬仿真對(duì)于加深對(duì)有機(jī)化學(xué)核心知識(shí)的理解是非常有幫助的。
3結(jié)語
綜上可知，本文所述的交互式3D虛擬仿真有機(jī)原子或分子結(jié)構(gòu)以及有機(jī)反應(yīng)歷程，將抽象的分子式形象化，由平面變?yōu)榱Ⅲw，由靜止變?yōu)檫\(yùn)動(dòng)，使重要的有機(jī)化學(xué)枯燥抽象的知識(shí)點(diǎn)變得具體形象，解決了有機(jī)化學(xué)教學(xué)中存在的講解和理解雙方面的困難，顯著提高了教學(xué)效果和質(zhì)量。這些基于Web3D的交互式3D虛擬仿真結(jié)構(gòu)，可以應(yīng)用于互聯(lián)網(wǎng)，作為網(wǎng)絡(luò)課程、慕課等網(wǎng)絡(luò)教學(xué)形式重要的輔助教學(xué)手段，拓展了其應(yīng)用的潛力。
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