CC BY
18
УДК 004.9:378.147.88:54(075.8)
Егоркина А.А., Васецкий А.М., Филиппова Е.Б.
РАЗРАБОТКА ДИНАМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ ВИРТУАЛЬНОГО ЛАБОРАТОРНОГО ПРАКТИКУМА
Егоркина Арина Артуровна, студент 4 курса бакалавриата факультета информационных технологий и управления;
Васецкий Алексей Михайлович, старший преподаватель кафедры информационных компьютерных технологий, e-mail: amvas@muctr.ru;
Филиппова Елена Борисовна, к.т.н., доцент, доцент кафедры информационных компьютерных технологий; Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125480, Москва, ул. Героев Панфиловцев, д. 20
Данная работа является составной частью проекта реализации виртуальной химической лаборатории по общей и неорганической химии. Этот проект реализуется с целью организации виртуальных химических экспериментов, что будет применяться в образовании для повышения интереса студентов к обучению, а также для дистанционного образования. Реализованы типовые динамические элементы виртуального лабораторного практикума, которые могут быть использованы в различных лабораторных работах.
Ключевые слова: виртуальная лаборатория; практикум; химия; динамический элемент; виртуальная реальность.
DEVELOPMENT OF DYNAMIC ELEMENTS OF THE VIRTUAL LABORATORY WORKSHOP
Egorkina А.А., Vasetsky A.M., Filippova E.B.
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
This work is an integral part of the project of the virtual chemical laboratory for General and inorganic chemistry. This project is implemented with the aim of organizing virtual chemical experiments, which will be used in education to increase students' interest in learning, as well as for distance education. We have implemented typical dynamic elements of a virtual laboratory workshop, which can be used in various laboratory tasks.
Keywords: virtual laboratory; workshop; chemistry; dynamic element; virtual reality.
Экспериментальное обучение является неотъемлемой частью большей части преподавания, особенно для естественных и технических наук. Роль практики в освоении студентами теоретических знаний незаменима. Хотя современная образовательная среда предоставляет учащимся большое количество онлайн-курсов, большинство из этих ресурсов ограничиваются теоретическим обучением. Преподаватели и обучающиеся в случае дистанционного обучения разделены во времени и пространстве, и поэтому последние не могут выполнять экспериментальные работы
непосредственно в образовательных учреждениях или центрах дополнительного образования.
С быстрым развитием компьютерных технологий современные информационные технологии постепенно стали важным инструментом освоения различных дисциплин. Поэтому сейчас очень важно для дистанционного образования увеличить его эффективность, оптимизировать методологию, и усовершенствовать практику преподавания за счет увеличения доли практических занятий. В связи с развитием технологий виртуальной (УВ) и дополненной (AR) реальности возможности по реализации практических занятий в дистанционном обучении существенно выросли.
Принимая во внимание ограниченное финансирование образовательных учреждений, высокую стоимость лабораторного оборудования и химических реагентов, можно сделать вывод о
необходимости использования мультимедиа учебно-методических пособий, особенно в проведении практических занятий.
На кафедре информационных компьютерных технологий РХТУ им. Д.И. Менделеева в настоящее время разрабатывается лабораторный практикум по общей и неорганической химии в виртуальной реальности [1]. Данная работа посвящена созданию динамических элементов и внедрению этих элементов в лабораторные работы данного практикума. За основу для разработки сценариев работ взят лабораторный практикум по неорганической химии [2].
Процедура создания динамических элементов лаборатории включает в себя следующие этапы, для каждого из которых требовалось использование специализированного программного обеспечения:
1. Создание SD-модели (Autodesk 3DS Max + AutoCad).
2. Наложение текстур (Substance Designer, Substance Painter).
3. Интеграцию элементов в виртуальную реальность.
4. Обеспечение динамики поведения элементов в соответствии со сценарием проведения лабораторных работ (Unity 3D + Visual Studio 2017).
В среде разработки Unity 3D, с помощью скрипта на языке программирования C# была реализована динамика поведения всех объектов. Для
этого были прописаны уникальные свойства каждого объекта и заданы параметры, такие как текстура, вес, а также модуль, который отвечает за цвет объекта.
Как известно, человек имеет шесть органов чувств: зрение, слух, вкус, обоняние, осязание, чувство равновесия и положения в пространстве. Виртуальная реальность способна передать все чувства, в той или иной степени.
Поэтому, было решено уделить большее внимание качеству трехмерных объектов в виртуальной среде. Сначала для каждого такого элемента создавалась его каркасная трехмерная модель (рис.1).
Рис. 1. Создание объектов в 3DS Max: а - электроплита; б - термометр; в - вата; г - рН-метр
Далее, для придания реалистичности объекту на его каркас налагались соответствующие текстуры. Их создание, это достаточно сложный процесс, который производится в приложении Substance Designer с использованием системы так называемых нодов (узлов). С их помощью текстуре придаются заданные свойства и характеристики. Созданная таким образом текстура импортируется в приложение Substance Painter, где накладывается на трехмерную модель объекта (рис.2).
Рис. 2. Наложение текстур в Substance Painter: а -эксикатор; б - весы; г - электроплита; г - терометр; д-колба круглодонная; е - вата; ж - рН-метр; з - лучина; и -груша
Программный код отражен в виде событийной модели, то есть при наступлении определенного события срабатывает заданный скрипт. Для прописывания изменения уникальных динамических свойств объекта также используются скрипты. Таким образом, программно можно варьировать значение свойств постепенно со временем или по получению сигнала от пользователя. За счет изменения, создания и уничтожения объектов в нужное время может быть реализован любой заданный сценарий поведения объекта. Обработка событий происходит в функциях Update, а фиксированная в FixedUpdate. Функция Start вызывается до обновления первого кадра или физики объекта. Также можно определить события мыши, которые срабатывают с объектом GameObject, находящимся на сцене. Для взаимодействий объектов
т.н. триггеры. Например, для совмещения двух объектов функция-обработчик события которая вызывается,
определения
используются
отслеживания
используется
OnTriggerEnter,
когда Collider other входит в триггер.
Реализация динамики элементов практикума можно проиллюстрировать на примере следующей блок-схемы (рис.3):
Нет:
Потушить пламя
г
Конец
Рис. 3. Блок-схема алгоритма горения лучины
Виртуальный практикум по общей и неорганической химии включает в себя на данный момент 6 лабораторных работ. Они выполняются независимо друг от друга, однако в этих работах может использоваться идентичное оборудование, среды и вещества.
Все объекты, созданные для виртуальной лаборатории универсальны и просты в использовании. Их можно открыть в различных вариациях и видах виртуальных комнат, при этом они не потеряют своего вида.
Таким образом, выбранные нами 12 из 51 объектов химического оборудования, были реализованы и воплощены в трехмерные модели с детализацией максимально близкой к реальной. За счет придания им динамики в виртуальной
реальности они выполняют такие же функции, как и их аналоги в настоящей химической лаборатории и могут быть использованы для дальнейшего наполнения практикума в виртуальной реальности.
Список литературы
1. Виртуальный лабораторный практикум по общей и неорганической химии: Общая химия. Неорганическая химия: химические свойства элементов групп IA, IIA, IIIA, IVA и их соединений, вып. 2: электронное учебное пособие / Сиплатова Е.А. [и др.]. Регистрац. свидетельство № 37677 -ФГУП НТЦ «ИНФОРМРЕГИСТР», номер гос. рег. обязат. экз. эл. изд-ия - 0321403147, 28.10.2014.
2. Практикум по неорганической химии / Воробьев А.Ф. [и др.]. М: ТИД «Альянс», 2004. 249 с.
