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摘要：纤维素分解菌的分离课题是生物教学中的重要考察项目之一，然而因为传统实验教学的经济、时间成本过高等问题在实践教学往往难以展开，利用虚拟仿真实验系统，有利于突破时空障碍，激发学生创新意识和自主能力，本系统以Unity3D为开发引擎，以3ds Max为建模工具，以C#为脚本语言，采用WebGL技术，开发了一款能够在PC机网页上运行的纤维素分解菌分离的虚拟仿真实验系统。

关键词：虚拟仿真实验室；Unity3D；生物；纤维素分解菌分离；

引言

本文所设计的虚拟仿真实验室基于Unity3D引擎开发，结合三维建模技术与WebGL技术，实现了在网页上即可进行实验，目的是让学生可以拥有充裕的实践机会，能在比目前实际课堂中更完善的实验条件中以进行纤维素分解菌的分离课题相关理论知识的学习和实验操作。

1虚拟仿真实验系统的设计

本文的虚拟仿真实验所研究的课题实验设计如下图1所示。

为了满足实验流程设计，本文的虚拟仿真实验设计场景：存放实验器材的器材室、进行土壤取样的虚拟环境（在本实验室中，设定为具有丰富落叶形成腐殖土的树林）以及进行具体实验操作的实验室。

1.1系统设计简介

（1）实验器材。该模块包括所有实验器材的名称、图标、三维模型。

（2）实验步骤。该模块是整个实验的步骤，包括任务提示和实验进度的记录。

（3）用户操作。该模块是用户与虚拟实验室的交互，包括器材的获取、放置、进行实验操作。

1.2系统界面设计

本系统界面简洁美观，布局合理，一目了然，虚拟仪器贴合实际，虚拟实验室包含虚拟实验操作台、虚拟器材室、虚拟植物园；界面以蓝绿色调为主，有科技感，界面右上角是任务进度点，界面下部分存放获取的道具和实验器材。

1.3虚拟实验设计

虚拟实验设计分为3方面

（1）用户实验过程设计。方面通过实验步骤模块对用户所进行的实验流程进度进行管理，在后台进行数据处理，计算实验完成度等数据，另一方面该模块可以根据用户当前进度通过UI给予用户步骤提示，以辅助实验的进行。

（2）场景交互设计。用户可以通过对实验室场景的交互来与其他模块进行交互，并且操作可能会将器材模型置入或移出场景[7]。用户的操作在视觉上反馈为模型的生成、移除或改变，并且结果与实际实验中的现象对应，目的是让实验者能够在自主操作后得到切实合理的实验结果反馈，从而能够将在虚拟实验室中获得的技能向真实的操作能力迁移[8]。

（3）虚拟器材与操作设计。虚拟器材包括试管、土壤、刚果红、培养皿等，器材陈列在器材列表，用户可以用鼠标点击选择使用，器材的模型遵循仪器的标准规范，尽可能与现实一致，同时设置了标签，提示仪器的功能和名称。虚拟器材的操作过程遵循实际实验的操作流程，用户在虚拟实验室中选择试验台，点击对应器材即可开始操作。

2系统实现的主要技术

2.1模型和贴图

素材的制作主要是针对实验仪器的建模，它是开发的基础。本实验室的该部分工作使用三维建模引擎3DMAX与Blender完成。由于制作完成的素材将导入到开发环境Unity3D引擎中使用，因此需要将其导出为引擎所使用的三维模型格式，即.fbx文件。另外为保证导入到开发环境中的模型素材在三维坐标系中的尺寸单位、初始原点相同，使用不同三维建模引擎建模时需要注意各引擎间的区别并进行统一。

2.2实验的实现

该部分包括进度点数据结构体与进度点行为类以及存储全部进度点的全部进度点存储类。

（1）判断用户实验步骤是否正确。进度点数据结构体中有进度点名称、触发条件、完成条件、完成触发事件。

（2）实验进度点。进度点行为类中拥有进度点结构体、进度点激活、进度点完成属性以及完成结算函数。

（3）记录用户实验过程.全部进度点存储类包括存储全部实验中所设定进度点的散列表以及数据载入函数。

2.3用户交互的实现

用户交互的实现指用户对在虚拟仿真实验室中的虚拟角色的操作以及用户的数据管理两部分功能。为实现交互设计了5个管理器，包括用户输入管理器、用户动作管理器、用户器材管理器、用户进度点管理器以及用户界面管理器。

（1）键盘输入和显示。用户输入管理器存储各个操作键位信息、输出信号，以及对输入键位处理为对应输出信号的函数。

（2）展示用户视角。用户动作管理器存储用户动作包括用户视角镜头属性，以及捕获输入管理器输出信号进行相应行为处理的函数。

（3）使用器材。用户器材管理器可以视作对实验器材模块背包类进一步封装，增加了对用户在虚拟仿真实验室场景中放置器材行为对器材数据影响的处理函数。

（4）记录实验完成度。用户进度点管理类拥有存储用户待激活进度点、已激活进度点、已完成进度点的数组以及数组操作函数。

（5）实验室界面的交互。用户界面管理器获取其他管理器数据并进行用户UI界面的绘制，包括任务提示（实验室中将用户当前可完成进度点依据其需求以任务形式发布）与背包拥有器材显示等，在虚拟仿真环境下通过UI让用户可以对自身当前数据进行检视。

3结语

Unity3D引擎开发，结合三维建模与WebGL技术，构建了可在网页端运行的纤维素分解菌的分离虚拟仿真实验室，解决了传统教学中实验资源不足等弊端。本项目基于“虚拟实验与真实实验相结合”的原则。通过土壤取样、选择培养、梯度稀释、样品涂布和挑选菌落5个实验环节，实现纤维素分解菌虚拟仿真实验，可用于高中生物实验教学。本项目打破了传统实验教学的时空限制，有利于用户准确理解和充分掌握相关知识点。本项目让生物实验不再只停留在纸上的认值，有效地提高了实验教学效果。

参考文献（References）

[1] 胡永红，何淑冰，俞苏洋.高校专业教育与创新创业教育融合的教学模式改革探索——以“生物分离工程”课程为例[J].创新创业理论研究与实践，2020，3（13）：110-113.

[2] 张莹，李艳梅."STEM理念下微生物实验室培养的项目式教学 ——以“分解纤维素的微生物的分离”为例." 生物学教学 第44卷.9（2019）：42-44.

基金项目：自治区桂林电子科技大学大学生创新训练计划项目（202010595191）