有機化學3D虛擬仿真結(jié)構(gòu)制作及應用論文
摘要：采用Web3D技術(shù)制作交互式3D有機化學虛擬仿真結(jié)構(gòu)模型，以解決傳統(tǒng)教學無法表達動態(tài)的、立體的有機分子結(jié)構(gòu)等問題。通過對多個年級有機化學教學中使用該技術(shù)的問卷調(diào)查，學生普遍認為Web3D有機化學模型可以顯著提高他們有機化學學習效果。
關(guān)鍵詞：Web3D;有機化學;虛擬仿真;教學效果
有機化學是認識微觀世界和研究生命科學的基礎(chǔ)。在藥學本科專業(yè)教育中，有機化學是后期生物化學、分析化學、藥物化學和天然藥物化學等課程的基礎(chǔ)。因此，有機化學的教學一直受到各醫(yī)藥高等院校的重視［1-2］。但是，有機化學教學內(nèi)容中所講授的結(jié)構(gòu)、立體化學和反應歷程等往往都是立體的、抽象的和動態(tài)的，傳統(tǒng)教學中的教學模型、圖片均無法清晰、明確地表達有機化學中這些動態(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態(tài)和立體的問題，但對于有機化學的立體結(jié)構(gòu)和電子的變化仍然無法形象展示。以上這些傳統(tǒng)教學手段和方法導致有機化學在教與學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生最為難學的課程之一。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)實技術(shù)(Web3D)越來越多地被應用到教學當中，并受到許多院校的重視［3-6］。Web3D是一種互聯(lián)網(wǎng)上的計算機可視化技術(shù)，是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和虛擬現(xiàn)實技術(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)計思想，具有很強的可擴展性，數(shù)據(jù)編碼格式嚴格的一致性等，是一種開放的、可擴展的、可交互的和有統(tǒng)一應用程序模型界面的標準［7］。目前，許多院校都開發(fā)了基于Web的網(wǎng)絡(luò)化學課程［8-9］，但是3D交互的有機化學課件仍然處于空白狀態(tài)。Web3D的技術(shù)和性能特點，非常適合用于開發(fā)和制作有機化學中的分子結(jié)構(gòu)、反應歷程、立體化學等的3D交互虛擬動畫。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�，筆者嘗試開發(fā)了一些基于Web3D的交互式有機分子結(jié)構(gòu)和有機化學反應歷程的3D虛擬仿真模型，這些模型可以達到與真實分子結(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)實現(xiàn)可視化，直觀地呈現(xiàn)給學生，并給予學生多重認知刺激，使其對知識的接受與記憶更加容易。筆者將制作3D虛擬仿真結(jié)構(gòu)應用于本科教學中，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。三維建模是制作復雜場景動畫的第一步，是虛擬現(xiàn)實開發(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、動畫制作、渲染輸出等過程。利用Web3D的X3D標準制作，在建模過程中省去了動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)合有機分子結(jié)構(gòu)的特點，可采用多邊形建模方法。考慮到網(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)，其模型包含三個雜化了的sp2軌道，它們的對稱軸在同一平面上，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sp2雜化軌道對稱軸的平面垂直。首先，建立p軌道模型。由于p軌道是對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行導出，經(jīng)3DMAX導出后的虛擬場景文件格式為.wrl。再利用X3DEditor3.2開發(fā)工具進行二次轉(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)點和＜Trans-form＞節(jié)點進行引用組合，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)計中，編寫X3D源程序時，由于創(chuàng)建的節(jié)點造型復雜，使X3D源程序過長或過大，給程序編寫和調(diào)試帶來諸多不便，因此，X3D標準中引入了＜Inline＞內(nèi)聯(lián)節(jié)點，將一個很大的X3D源程序拆成幾個小程序，整個程序框架更加結(jié)構(gòu)化、模塊化。使用內(nèi)聯(lián)節(jié)點引入到X3D編輯環(huán)境后，再利用＜Transform＞節(jié)點的位移、縮放等屬性對原型進行修改，可通過編寫代碼實現(xiàn)。此外，在建模過程中還應注意的幾個問題: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)實驗的文字敘述、實驗相關(guān)的圖片或視頻、實物模型等;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)的科學性;③建模過程要符合規(guī)范，如建模單位及坐標系的設(shè)置，對象模型的命名要規(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)，借助計算機輔助教學中“積件”的思想，可以對已經(jīng)開發(fā)出的虛擬場景、對象模型進行分類整理，為其建立相應的模型庫來存放。當進行新的模型開發(fā)時如果再用到類似的模型部件，可以對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操作，提高開發(fā)效率。1.2虛擬仿真動畫的交互實現(xiàn)虛擬仿真動畫交互的實現(xiàn)是Web3D中的一項重要功能。筆者主要通過Script腳本節(jié)點編寫程序來實現(xiàn)交互功能的擴展，可以利用JavaScript和Java語言等提供擴展交互的支持。筆者仍以sp2雜化軌道模型中電子云仿真的實現(xiàn)為例，簡介Web3D的交互實現(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)計電子云的仿真時既要滿足電子云的密度分布又要滿足電子云的總體形狀。為了達到此效果，可同時設(shè)置N個電子。當點擊開始觸發(fā)器時，這N個電子同時運動，當點擊停按鈕時，設(shè)置N-1個電子的透明度為100%，只保留單個電子的不透明屬性。本場景中設(shè)置了15個電子，這樣在視覺上即達到了電子云的效果，在邏輯上又不違背科學性原則。電子的運動是不規(guī)則的，簡單地利用X3D位置插補器來預先設(shè)定運動路徑的話需要人工設(shè)置成百上千個三維坐標，這樣不僅會給開發(fā)進度造成時間上的浪費而且也會造成整個文件的數(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交互機制，在＜script＞節(jié)點中設(shè)置一段應用程序，讓計算機根據(jù)時間觸發(fā)器的運行機制隨機產(chǎn)生三維坐標。在程序中設(shè)置Y軸方向上電子的運動情況，不僅實現(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動算法基本類似，只需改變程序中的個別參數(shù)即可�？紤]到電子云效果而又不過多影響內(nèi)存資源的情況，本場景中在每個p軌道上設(shè)置了15個電子，1s、2s軌道上各設(shè)置了2個電子，每個電子的運動都是隨機的。至此，電子云的交互效果制作過程就此完成，每個電子都能實現(xiàn)各自軌道上電子云的效果。交互按鈕功能的實現(xiàn)采用X3D為＜TouchSen-sor＞檢測器節(jié)點提供的isActive屬性，當單擊或移動鼠標時發(fā)送事件。按下鼠標左鍵并保持該狀態(tài)時，isActive=true，放開時，isActive=false。利用這一屬性當用戶單擊開始觸發(fā)器后，若觀察電子云狀態(tài)時，不可能使鼠標一直處于選取狀態(tài)，再設(shè)計一個開關(guān)程序就很有必要。這樣就可以實現(xiàn)控制電子的運動與停止功能。
2Web3D交互式有機化學虛擬仿真模型在有機化學教學中的使用
一直以來在有機化學教學過程中，面對抽象的概念、原理只能用文字、圖片、二維圖形或動畫進行描述，無法向?qū)W生提供直觀形象的感性認識，致使知識的表達和理解困難。采用Web3D技術(shù)制作的虛擬有機結(jié)構(gòu)和有機反應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)教學如慕課中應用，還可以單機版使用。學生或教師可以在計算機上通過鼠標拖動、旋轉(zhuǎn)來選擇從不同的角度來觀察原子、分子或反應過程的立體結(jié)構(gòu)、電子運動和轉(zhuǎn)移等。結(jié)合多年的有機化學教學經(jīng)驗，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，可以通過點擊觸發(fā)點來激活sp2雜化軌道中的電子運動，清晰的觀察到電子運動的范圍。與傳統(tǒng)的教科書中圖片式模型相比，直觀逼真，動態(tài)展示。通過觀察電子運動的范圍，讓學生更容易理解和記憶sp2雜化碳原子在形成雙鍵時的成鍵方式和成鍵特點，有助于理解有機化學的重要思想:結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)。筆者將這些Web3D虛擬仿真有機結(jié)構(gòu)應用到課堂教學和網(wǎng)絡(luò)教學中，取得了較好的教學效果。筆者對2011～2015連續(xù)五個年級的臨床、藥學和生物技術(shù)等專業(yè)的1035名學生進行了問卷調(diào)查，回收有效問卷1030份。問卷內(nèi)容包括對虛擬現(xiàn)實技術(shù)的了解情況、使用Web3D虛擬有機模型的教學效果調(diào)查兩大部分，主要調(diào)查結(jié)果如表1所示，其中對于“是否對本課題開發(fā)的Web3D虛擬仿真有機結(jié)構(gòu)模型和有機反應機理模擬感興趣”的情況調(diào)查中，85%學生選擇了感興趣，說明絕大多數(shù)學生對開發(fā)的仿真模型和反應機理表現(xiàn)出了濃厚的興趣;對于“Web3D虛擬仿真動畫是否有助于對相關(guān)知識點的理解和記憶，提高有機化學的教學效果和學習效率”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)學生對本課題開發(fā)的Web3D虛擬仿真對加深知識點的理解和記憶持肯定態(tài)度;對于“是否有助于理解有機化學反應中的核心部分:電子的轉(zhuǎn)移”調(diào)查中，95%的學生選擇了“是”，3%的學生選擇了“一般”，說明Web3D虛擬仿真對于加深對有機化學核心知識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虛擬仿真有機原子或分子結(jié)構(gòu)以及有機反應歷程，將抽象的分子式形象化，由平面變?yōu)榱Ⅲw，由靜止變?yōu)檫\動，使重要的有機化學枯燥抽象的知識點變得具體形象，解決了有機化學教學中存在的講解和理解雙方面的困難，顯著提高了教學效果和質(zhì)量。這些基于Web3D的交互式3D虛擬仿真結(jié)構(gòu)，可以應用于互聯(lián)網(wǎng)，作為網(wǎng)絡(luò)課程、慕課等網(wǎng)絡(luò)教學形式重要的輔助教學手段，拓展了其應用的潛力。
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