摘要：采用Web3D技术制作交互式3D有机化学虚拟仿真结构模型，以解决传统教学无法表达动态的、立体的有机分子结构等问题。通过对多个年级有机化学教学中使用该技术的问卷调查，学生普遍认为Web3D有机化学模型可以显著提高他们有机化学学习效果。
关键词：Web3D;有机化学;虚拟仿真;教学效果
有机化学是认识微观世界和研究生命科学的基础。在药学本科专业教育中，有机化学是后期生物化学、分析化学、药物化学和天然药物化学等课程的基础。因此，有机化学的教学一直受到各医药高等院校的重视［1-2］。但是，有机化学教学内容中所讲授的结构、立体化学和反应历程等往往都是立体的、抽象的和动态的，传统教学中的教学模型、图片均无法清晰、明确地表达有机化学中这些动态的和立体的内容。有些院校自己开发了一些模拟小软件，但这些软件是以平面的形式展示，尽管在一定程度上解决了动态和立体的问题，但对于有机化学的立体结构和电子的变化仍然无法形象展示。以上这些传统教学手段和方法导致有机化学在教与学的过程中都存在讲解和理解双方面的困难，成为教师最难教和学生最为难学的课程之一。随着网络技术和3D技术的迅猛发展，基于网络的3D虚拟现实技术(Web3D)越来越多地被应用到教学当中，并受到许多院校的重视［3-6］。Web3D是一种互联网上的计算机可视化技术，是网络技术和虚拟现实技术的结合。其中X3D是Web3D一种重要延伸，它采用构件化的设计思想，具有很强的可扩展性，数据编码格式严格的一致性等，是一种开放的、可扩展的、可交互的和有统一应用程序模型界面的标准［7］。目前，许多院校都开发了基于Web的网络化学课程［8-9］，但是3D交互的有机化学课件仍然处于空白状态。Web3D的技术和性能特点，非常适合用于开发和制作有机化学中的分子结构、反应历程、立体化学等的3D交互虚拟动画。而且，目前许多专业编辑软件可以用来编辑Web3D内容，如Java3D、Culture3D和3dMax等。基于此，笔者尝试开发了一些基于Web3D的交互式有机分子结构和有机化学反应历程的3D虚拟仿真模型，这些模型可以达到与真实分子结构相近的逼真效果。那些在微观领域或肉眼观察不到的现象也可以通过Web3D技术实现可视化，直观地呈现给学生，并给予学生多重认知刺激，使其对知识的接受与记忆更加容易。笔者将制作3D虚拟仿真结构应用于本科教学中，获得了较好的效果。本文就这些模型的制作(以杂化轨道模型为例)及其使用效果作一概述。
1基于Web3D的有机分子结构虚拟仿真模型制作
笔者以碳原子杂化轨道的3D虚拟仿真模型制作为例，介绍基于Web3D的交互式3D虚拟仿真分子的制作过程。1.1碳原子杂化轨道3D模型的制作碳原子杂化轨道3D模型的制作首先要建模。三维建模是制作复杂场景动画的第一步，是虚拟现实开发的基础。完整的三维建模一般要经过建模、材质赋予、动画制作、渲染输出等过程。利用Web3D的X3D标准制作，在建模过程中省去了动画制作过程笔者采用3DSMAX的建模软件。3DSMAX中提供了多种建模方法。常用的建模方法有多边形建模、面片建模、Nurbs建模等。结合有机分子结构的特点，可采用多边形建模方法。考虑到网络传输的速率，需限定多边形的数量。多边形的边数量越多，占用的内存资源也越大，通常不要超过三万个面，并设置了模型表面的不透明度、自发光等材质属性。以碳的sp2杂化轨道制作为例(图2)，其模型包含三个杂化了的sp2轨道，它们的对称轴在同一平面上，彼此间的夹角为120°，和一条未参与杂化的p轨道。未参与杂化的p轨道与三个sp2杂化轨道对称轴的平面垂直。首先，建立p轨道模型。由于p轨道是对称的而且建模后还要涉及交互部分的操作，故只建立p轨道的半边模型作为开发单位。以3DSMAX2011编辑软件，为3DSMAX定制统一的单位厘米建模。将建好的轨道模型进行导出，经3DMAX导出后的虚拟场景文件格式为.wrl。再利用X3DEditor3.2开发工具进行二次转换，即把.wrl文件转换成.x3d文件，转换后的文件名为p.x3d。其次，将创建好的.x3d文件在X3DEditor编辑软件中利用X3D的＜Inline＞内联节点和＜Trans-form＞节点进行引用组合，形成最终的p轨道模型。最后，创建sp2杂化轨道模型。在X3D程序设计中，编写X3D源程序时，由于创建的节点造型复杂，使X3D源程序过长或过大，给程序编写和调试带来诸多不便，因此，X3D标准中引入了＜Inline＞内联节点，将一个很大的X3D源程序拆成几个小程序，整个程序框架更加结构化、模块化。使用内联节点引入到X3D编辑环境后，再利用＜Transform＞节点的位移、缩放等属性对原型进行修改，可通过编写代码实现。此外，在建模过程中还应注意的几个问题:①在建立模型之前，要注意相关资料和素材的收集，包括有关实验的文字叙述、实验相关的图片或视频、实物模型等;②在建模过程中，要与专家沟通以保证建立的虚拟仿真结构的科学性;③建模过程要符合规范，如建模单位及坐标系的设置，对象模型的命名要规范等;④建模需考虑占用系统内存的问题，在保证效果的基础上尽量减少模型的内存占用率，以提高建模效率;⑤注重模型资源的二次开发，借助计算机辅助教学中“积件”的思想，可以对已经开发出的虚拟场景、对象模型进行分类整理，为其建立相应的模型库来存放。当进行新的模型开发时如果再用到类似的模型部件，可以对模型稍加修改后重新利用。这样就可以大大减少建模中的重复操作，提高开发效率。1.2虚拟仿真动画的交互实现虚拟仿真动画交互的实现是Web3D中的一项重要功能。笔者主要通过Script脚本节点编写程序来实现交互功能的扩展，可以利用JavaScript和Java语言等提供扩展交互的支持。笔者仍以sp2杂化轨道模型中电子云仿真的实现为例，简介Web3D的交互实现。电子云是形象化描述电子在核外出现的概率密度。电子云的形状与原子轨道类似，也就是说，设计电子云的仿真时既要满足电子云的密度分布又要满足电子云的总体形状。为了达到此效果，可同时设置N个电子。当点击开始触发器时，这N个电子同时运动，当点击停按钮时，设置N-1个电子的透明度为100%，只保留单个电子的不透明属性。本场景中设置了15个电子，这样在视觉上即达到了电子云的效果，在逻辑上又不违背科学性原则。电子的运动是不规则的，简单地利用X3D位置插补器来预先设定运动路径的话需要人工设置成百上千个三维坐标，这样不仅会给开发进度造成时间上的浪费而且也会造成整个文件的数据量偏大从而影响在网络上的传输效果。利用X3D的新特性SAI交互机制，在＜script＞节点中设置一段应用程序，让计算机根据时间触发器的运行机制随机产生三维坐标。在程序中设置Y轴方向上电子的运动情况，不仅实现了上述功能而且保证了电子云的整体形状跟杂化轨道形状一致。其他轨道上电子的运动算法基本类似，只需改变程序中的个别参数即可。考虑到电子云效果而又不过多影响内存资源的情况，本场景中在每个p轨道上设置了15个电子，1s、2s轨道上各设置了2个电子，每个电子的运动都是随机的。至此，电子云的交互效果制作过程就此完成，每个电子都能实现各自轨道上电子云的效果。交互按钮功能的实现采用X3D为＜TouchSen-sor＞检测器节点提供的isActive属性，当单击或移动鼠标时发送事件。按下鼠标左键并保持该状态时，isActive=true，放开时，isActive=false。利用这一属性当用户单击开始触发器后，若观察电子云状态时，不可能使鼠标一直处于选取状态，再设计一个开关程序就很有必要。这样就可以实现控制电子的运动与停止功能。
2Web3D交互式有机化学虚拟仿真模型在有机化学教学中的使用
一直以来在有机化学教学过程中，面对抽象的概念、原理只能用文字、图片、二维图形或动画进行描述，无法向学生提供直观形象的感性认识，致使知识的表达和理解困难。采用Web3D技术制作的虚拟有机结构和有机反应历程恰恰可以解决这些问题。这些交互式虚拟仿真模型，既可以在网络教学如慕课中应用，还可以单机版使用。学生或教师可以在计算机上通过鼠标拖动、旋转来选择从不同的角度来观察原子、分子或反应过程的立体结构、电子运动和转移等。结合多年的有机化学教学经验，笔者制作了基于Web3D技术sp3、sp2、sp杂化，乙烯、乙烷分子等结构，以及乙烯与Br2的亲电加成等反应历程的交互式3D虚拟仿真模型。以碳原子sp2杂化结构和乙烯分子的形成为例，在sp2杂化碳原子虚拟仿真结构中，可以通过点击触发点来激活sp2杂化轨道中的电子运动，清晰的观察到电子运动的范围。与传统的教科书中图片式模型相比，直观逼真，动态展示。通过观察电子运动的范围，让学生更容易理解和记忆sp2杂化碳原子在形成双键时的成键方式和成键特点，有助于理解有机化学的重要思想:结构决定性质。笔者将这些Web3D虚拟仿真有机结构应用到课堂教学和网络教学中，取得了较好的教学效果。笔者对2011～2015连续五个年级的临床、药学和生物技术等专业的1035名学生进行了问卷调查，回收有效问卷1030份。问卷内容包括对虚拟现实技术的了解情况、使用Web3D虚拟有机模型的教学效果调查两大部分，主要调查结果如表1所示，其中对于“是否对本课题开发的Web3D虚拟仿真有机结构模型和有机反应机理模拟感兴趣”的情况调查中，85%学生选择了感兴趣，说明绝大多数学生对开发的仿真模型和反应机理表现出了浓厚的兴趣;对于“Web3D虚拟仿真动画是否有助于对相关知识点的理解和记忆，提高有机化学的教学效果和学习效率”调查中，91%选择了效果较好;4%选择了效果一般，说明大多数学生对本课题开发的Web3D虚拟仿真对加深知识点的理解和记忆持肯定态度;对于“是否有助于理解有机化学反应中的核心部分:电子的转移”调查中，95%的学生选择了“是”，3%的学生选择了“一般”，说明Web3D虚拟仿真对于加深对有机化学核心知识的理解是非常有帮助的。
3结语
综上可知，本文所述的交互式3D虚拟仿真有机原子或分子结构以及有机反应历程，将抽象的分子式形象化，由平面变为立体，由静止变为运动，使重要的有机化学枯燥抽象的知识点变得具体形象，解决了有机化学教学中存在的讲解和理解双方面的困难，显著提高了教学效果和质量。这些基于Web3D的交互式3D虚拟仿真结构，可以应用于互联网，作为网络课程、慕课等网络教学形式重要的辅助教学手段，拓展了其应用的潜力。
参考文献
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