虚拟化学实验温度传感仿真方法及其应用

Citation ： Hengwei XU ， Siru Li ， Wenpeng SONG ， Jiajun Sun ， Xinli WU ， Xiaoqi WANG ， Wenzhen YANG ，Zhigeng Pan，Abdennour EI RHALIBI.虚拟化学实验的热感知方法。虚拟现实智能硬件，2020，2（4）：305-315DOI：10.1016/j.vrih.2020.07.003虚拟现实智能硬件2020年12月第4·文章·虚拟化学实验的热感知方法恒伟XU1，西鲁LI1，温鹏SONG1，贾俊SUNN1，西仁LIWU1，西澳齐WANG1，温哲彦ANG1*，植根PAN2，阿登努EIRHALIBI31. 浙江理工大学虚拟现实实验室，浙江3100182. 杭州师范大学，浙江3111213. 英国利物浦约翰摩尔斯大学*通讯作者，ywz@zstu.edu.cn投稿时间：2020年3月29日接收时间：2020年5月15日接受时间：2020年6月17日国家重点研发计划项目（2018 YFB 1004901）;浙江省自然科学基金项目（LY 20 F020019、LQ 19 F020012、LQ 20F020001）;浙江省基础公益研究项目（LGF 19E 050005）;浙江省实验室重大科研项目（2019 MC 0AD 01）。摘要背景针对虚拟化学实验中温度难以确定的问题，提出了一种虚拟化学实验的温度传感仿真方法。方法构建虚拟化学实验温度仿真平台，并在此基础上研制可穿戴式温度发生装置。通过浓硫酸稀释和硝酸铵溶解的典型中学虚拟实验验证了该装置的实际效果。结果该平台能够模拟真实的实验环境。该装置的性能不仅满足人体皮肤的温度传感特性，而且能够实时匹配虚拟化学实验的温度变化。结论该感温模拟方法可以模拟放热或吸热化学实验，有利于学生了解化学反应中热能转化的原理，有效避免了传统化学实验教学中的危险性。虽然这种方法对用户来说操作不够方便，但可以增强虚拟化学实验的沉浸感关键词 虚拟现实;化学实验;热模拟;温度反馈1介绍化学实验是彻底教授学生这门学科的关键[1]。通过演示放热和吸热过程，一些化学实验，如浓硫酸稀释实验、硝酸铵溶解实验、液氮汽化潜热实验等，可以使学生更好地理解化学反应2096-5796/©版权所有2020北京中科学报出版有限公司Elsevier B. V.代表KeAi Communization Co. Ltd.提供的出版服务。这是CC BY-NC-ND许可证下的开放获取文章（http：//creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。www.vr-ih.com虚拟现实智能硬件2020年12月第4发生在不同物质之间，涉及热能的转换。然而，在传统的实验教学背景下，此类实验往往伴随着较高的安全风险。如果学生在处理化学品或实验设备时出错，他们很可能会遭受烧伤或皮肤冻结，导致严重伤害。为了确保学生在进行化学实验时的安全，现行法规禁止教师在讲课时演示实验。此外，禁止学生在没有监督的情况下做实验。因此，学生无法培养动手能力来进行此类实验，这意味着他们无法直观地体验此类实验中的吸热现象。这使得学生很难清楚地理解实验中涉及的热能转换的科学原理[2]。因此，许多研究都集中在虚拟化学实验环境和温度传感方法上[3-5]。Hao等人应用HTML5技术在不同的中学开发虚拟物理和化学实验[6]。他们依靠几何建模和物理特性建模，构建实验设备的3D模型，并将其添加到虚拟实验场景中。然后，他们进行了虚拟实验，并评估了实验结果。根据他们的结果，这些虚拟实验可以在具有高度仿真和密切交互的浏览器中进行。Zhang等人使用Flash3D开发了一个中学化学虚拟实验平台[7]。该平台可扩展性强，可连接数据库，实现实验教学、操作、报告、评价等功能。Chen等人利用Kinect体感设备构建了虚拟实验场景，实现了虚拟化学实验中的人机交互功能[8]。Zhang等人利用虚拟现实技术和自然人机交互技术设计了一套基于Untiy3D的沉浸式虚拟化学实验系统[9]。尽管这些方法能够为化学实验构建虚拟环境，但它们不会让实验者在实验期间经历温度变化。Ho等人的研究结果表明，温度信息在人对物体的感知和识别中起着至关重要的作用，这为设计虚拟化学实验的温度传感方法提供了理论基础[10]。Citerin等人开发了一种具有运动和温度反馈的设备，该设备能够同时指示操作员计算的运动学和热感以及3D虚拟环境[11]。然而，在特殊绝缘材料的反应中存在冲击，并且操作员不受心理测试的影响，以评估其感知性能。Wu等人开发了一种适用于温度触觉再现的快速表面温度信号生成设备，并且适用于需要表面温度快速变化的其他场景[12]。Wang等人设计了一种温度触觉呈现装置，包括四个15mm×15mm Peltier，可以指示各种温度变化[13]。Ranasinghe等人开发了一种适合游戏的设备，可以让用户感受到风、气味和温度的变化[14]。他们评估了不同模式对虚拟体验的影响。然而，目前在虚拟化学实验领域还没有这样的实用装置。虚拟化学实验的用户评价研究也没有进行。为了解决传统中学化学实验中存在的诸多问题，特别是化学实验中的温度感知问题，提出了一种基于虚拟现实的虚拟化学实验温度感知方法。让学生在实验过程中实时体验化学反应中的吸热和放热现象，有利于激发学生的学习兴趣。306徐恒伟等：虚拟化学实验2虚拟化学实验2.1仿真平台的总体结构为虚拟化学实验设计的温度仿真平台包括虚拟实验场景、人机交互和温度显示。虚拟实验场景需要虚拟实验设备、实验药剂和工具。允许用户观察虚拟化学实验场景使用VR头戴式显示设备。而且，通过人机交互模块，可以实现倒水、搅拌等化学实验的基本操作。温度呈现模块可以在化学反应进行时实时地指示温度，从而允许化学反应的进行。实验者来了解温度变化平台的总体结构如图1所示。图1虚拟化学实验温度仿真平台。以浓硫酸稀释虚拟实验为例进行了实验研究。首先，实验设备，如玻璃瓶，烧杯，玻璃棒，和测试台架的建设。其次，建立了灯光渲染、玻璃碰撞音效等虚拟实验场景。然后，针对浓硫酸稀释实验设计了人机交互操作.将浓硫酸缓慢倒入装有水的烧杯中，同时用玻璃棒均匀搅拌溶液。最后给出了浓硫酸放热稀释过程中温度的变化。2.2虚拟实验场景首先在3DMAX中建立烧杯、玻璃瓶、玻璃棒、试验台的三维模型，然后保存为FBX文件，输入到Unity3D中，在Unity3D中标注实验仪器，并添加相应的材料。对材料进行渲染后，得到具有真实纹理的实验仪器。图2显示了一些设备模型。图2实验仪器模型。然后，在Unity3D中应用C#语言创建虚拟实验场景，包括灯光布置、主摄像机位置、实验药剂、水模型制作等。图3显示了虚拟化学实验的渲染场景。307虚拟现实智能硬件2020年12月第4图3虚拟化学实验的场景。2.3平台功能模块2.3.1人机交互模块人机交互模块主要包括玻璃棒搅拌和玻璃瓶灌装。在Unity3D动画控制面板中，将动画组件添加到实验设备模型中，引入旋转关键帧，修改动画曲线，控制各个模型的运动，编写脚本程序。最后实现了人机交互。因为这个实验需要用户使用恒定的速度来倒水和搅拌水，所以我们分配了不同的键盘按钮来控制这些实验设备。2.3.2声音模块在编写脚本之前，将音效文件添加到实验设备模型的音频播放组件中。当人机交互操作实验设备时，可以触发并播放音效文件，产生逼真的声音。2.3.3分子舱利用手里剑粒子系统在玻璃瓶中产生随机的类水粒子。使用脚本来规划流转储路径，同时允许粒子效果在路径中移动以模拟水流。2.3.4温度产生模块在实验过程中，使用脚本来控制温度的变化。在视觉上，采用数字显示器来显示温度如何变化，并使用可穿戴温度发生设备来感知温度如何变化。上述各模块协同工作，实现了虚拟化学实验中的温度传感。3可穿戴式温度发生装置3.1装置结构在本研究中，我们开发了一种具有无线通信、数模转换和冷热转换功能的可穿戴温度发生装置，如图4所示。该装置依靠Peltiers（型号TEC 1 -12706）实现温度产生。作为电流转换装置，308徐恒伟等：虚拟化学实验可快速升温或降温，精确调节温度变化。而且温度变化间隔大，使用寿命长。穿戴式温度发生装置由主机和从机组成。主机包含蓝牙模块、电池、处理器等，从机包括继电器电路板、Peltier等，工作时主机通过蓝牙与计算机通信，主控芯片处理器（型号Mega2560）处理从计算机图4可穿戴温度发生装置。然后将其发送到从设备的继电器电路以驱动Peltier。器件的结构如图5所示。图5穿戴式温度产生装置的结构。3.2设备的工作流程申报器械的工作流程图如图6所示。上位机（1）显示虚拟化学实验的场景，而场景的温度命令根据设定的通信协议通过蓝牙通信模块（6）发送到下位机控制平台（3）。下位机控制平台对温度指令进行识别和解码后，将其转换为I/O口的晶体管-晶体管逻辑信号，传送给Peltier驱动模块（4）。结果，珀耳帖模块（5）产生温度变化。温度传感模块（8）测量珀耳帖模块的温度，并将其显示在温度显示模块（7）中。电池模块（2）负责为设备中的所有电子部件供电。例如，当虚拟化学实验中出现用酒精灯加热烧杯的场景时，该场景的脚本程序计算出烧杯中溶液的温度为50℃，在主机的虚拟化学实验场景中显示为50℃。上位机通过蓝牙通信模块向下位机控制平台发出温度指令，珀尔帖模块升温。温度传感模块用于实时监测Peltier模块的指示温度。如果温度低于50℃，Peltier模块继续加热，之后Peltier模块停止加热。该装置的温度产生功能涉及珀耳帖驱动模块和珀耳帖模块。电路连接示意图如图7所示。Peltier驱动模块包含直流电机驱动芯片，通过芯片引脚连接到下位机控制平台。Peltier模块包含两个Peltier芯片。309虚拟现实智能硬件2020年12月第4图6穿戴式温度发生装置的工作过程。图7Peltier驱动模块电路图。3.3器件性能为了确定器件的温度变化，采用表面热电偶温度计（型号hy101k）测量器件在室温（26℃）下的温度变化。温度随时间变化的曲线分别如图8和图9所示。T上升=T-26（1）T下降= 26-T（2）这里，T表示温度计中的测量温度，ΔT上升表示温度上升的绝对值，ΔT下降表示温度上升的绝对值温度下降的原因。如图8和图9所示，在0- 10 s期间，RQT上升和RQT下降的值快速变化，表明器件可以快速升温或降温。它可以实时匹配化学实验中的温度变化。还发现，在0- 10 s之间，ΔCT上升和ΔCT下降都足够大。每秒的温度变化可达±2℃，说明该装置的温度变化可以使加热和冷却对人体皮肤可感知，这与310图8冷却过程的温度曲线。徐恒伟等：虚拟化学实验皮肤对温度变化的感知的分辨率。器械的温度范围在-4℃至53℃之间，表明器械不会对皮肤造成冻结或灼伤，因此认为是安全的。随着工作时间的延长，冷却效果不明显时，冷却温度上升和冷却温度下降的值变化不大，特别是在15- 20 s之间。这意味着我们的设备不适合长时间使用。运行15秒后，必须停止供电。4实验验证图9加热过程的温度曲线。将该平台和设备应用于中学虚拟化学实验。用户的实验流程图如图10所示。图10供用户使用的实验流程图。为了验证该方法是否能有效地让学生感知虚拟化学实验中的吸热和放热过程，对用户体验进行了实验研究。40名理科学生参加了实验研究，其中包括20名男生和20名女生，他们都是我们大学的三年级学生（平均年龄20岁）。他们从未进行过类似的实验。311虚拟现实智能硬件2020年12月第44.1用浓硫酸稀释VR实验基于浓硫酸稀释实验的特点和可穿戴式温度发生装置的工作性能，模拟了浓硫酸稀释VR实验中烧杯中倒入不同量浓硫酸后装置的温度变化。为了安全起见，当温度达到表1浓硫酸稀释物理实验温度值与装置容量/mL时间/s温度/℃器械温度/℃0026265663.535.656867.836.8797338.281076.344.491280.245.3101383.749.8152096.449.8器械达到49.8℃。表1表示浓硫酸稀释实际实验的温度值与装置产生的温度值之间的对应关系。尽管温升趋势相同，但器件温度与实际实验温度并不相同。4.1.1VR实验设计与过程在实验之前，向实验人员简要介绍了使用浓硫酸稀释的VR实验的目的和操作。然后，指导实验人员戴上温度发生装置，并单独完成实验。实验结束后，实验者被要求填写一份问卷，并对问卷数据进行分析。在26℃的室温下，实验人员将15 mL浓度为98%的浓硫酸沿烧杯壁缓慢倒入20 mL水中，同时用玻璃棒持续搅拌。如实验人员所观察到的，当浓硫酸倒入烧杯中时，烧杯中溶液的温度保持升高。如图11所示，实验人员打开虚拟化学实验的温度模拟平台，连接蓝牙，双手佩戴温度发生装置进行实验。实验人员将浓硫酸倒入盛有水的烧杯中，用玻璃棒搅拌溶液，并感知浓硫酸发生的温度变化。图11浓硫酸稀释VR实验。在实验过程中，实验人员可以看到温度值不断上升，如屏幕上显示的温度值所示。同时，平台通过蓝牙连接向可穿戴温度产生设备发出温度命令312徐恒伟等：虚拟化学实验当浓硫酸被稀释时，实验者手背上的皮肤感觉到温度升高。4.1.2用户体验评估在传统的化学实验教学背景下，浓硫酸稀释实验被认为是高度危险的实验，极易引发事故。大多数学校禁止学生在没有监督的情况下做这个实验。在浓硫酸稀释虚拟实验中，虚拟化学实验温度仿真平台能够准确地再现浓硫酸稀释实验场景。此外，可穿戴式温度发生装置可让学生在浓硫酸稀释时通过皮肤感受溶液的温度变化。大多数实验者承认，在稀硫酸的VR实验中，他们可以很容易地感受到温度的上升。与浓硫酸稀释的实际实验相比，实验者认为浓硫酸稀释VR实验更吸引人，浓硫酸稀释的放热现象令人印象深刻。根据问卷调查的统计结果，浓硫酸稀释VR实验证明了安全性、真实性和交互性。表2详细说明了用户体验的统计结果。表2浓硫酸稀释VR实验评价项目加热速率温度感温升明显与传统实验相比评价结果快速慢发热感没有感觉感到寒冷是的没有Better Same更糟人数364382037333 344.2硝酸铵溶解VR化学实验根据硝酸铵溶解实际实验中温度变化的特点和可穿戴式温度发生装置的性能，模拟了硝酸铵溶解VR实验中烧杯中加入不同量的水后装置的温度变化。当器械温度达到9.8℃时，器械停止冷却过程。表3显示了硝酸铵溶解实际实验的温度与装置产生的温度之间的对应关系。这两个表现出相同的冷却趋势，但绝对温度不同。4.2.1VR实验设计与过程在实验之前，实验者被告知硝酸铵溶解VR实验的目的和操作。然后，要求实验者在单独完成实验之前佩戴温度发生装置。实验结束后，实验者被要求填写问卷。随后，对问卷数据进行了分析。表3硝酸铵溶解物理实验温度值与装置容量/mL时间/秒温度/℃器械温度/℃0025255524.818.3101023.712.4121223.611.4141423.49.81616189.9181816.29.8202014.89.8313虚拟现实智能硬件2020年12月第4如图12所示，实验人员打开虚拟化学实验的温度模拟平台，连接蓝牙，双手佩戴温度发生装置进行实验。在26℃下，将16 mL水缓慢倒入含有30 g固体硝酸铵的烧杯中，同时用玻璃棒连续搅拌溶液。实验人员可以感觉到，随着硝酸铵的溶解，烧杯中溶液的温度持续下降。图12硝酸铵溶解VR实验。在实验过程中，实验人员可以看到屏幕上的温度继续下降的趋势。同时，平台通过蓝牙连接向可穿戴温度发生设备发出温度指令。实验者手背上的皮肤可以感觉到温度的降低。因此，硝酸铵在溶解过程中会发生吸热现象。4.2.2用户体验评估在硝酸铵溶解虚拟实验中，虚拟化学实验温度仿真平台能够准确地再现硝酸铵溶解实验场景。此外，可穿戴的温度发生装置允许学生在硝酸铵溶解时轻松地感知溶液温度的变化。问卷调查的统计结果显示，硝酸铵溶解的VR实验也显示出良好的科学性、安全性、真实性和交互性。用户体验的统计结果见表4。表4硝酸铵溶解VR实验评价项目冷却速率温度感降温明显与传统实验相比评价结果快速慢发热感没有感觉感到寒冷是的没有更好相同更糟人数3910 4363733433总的来说，实验人员认为在硝酸铵溶解的VR实验中，他们的皮肤可以轻松地感受到温度的快速下降，这很有趣，并促使他们深入思考硝酸铵溶解吸热现象背后的科学原理。314徐恒伟等：虚拟化学实验5结论提出了一种基于VR的虚拟化学实验热感知方法，并通过浓硫酸稀释VR实验和硝酸铵溶解VR实验进行了用户体验研究，验证了该方法的有效性。实验结果表明，该方法可以通过自然的人机交互辅助进行虚拟化学实验，并让学生通过皮肤感知虚拟化学实验过程中的吸热和放热现象，解决了传统化学实验的种种不足。构建了一个虚拟化学实验温度仿真平台，该平台能够进行多个虚拟化学实验，具有一定的通用性。设计了一种可穿戴式温度发生装置，并通过学生实验验证了该装置的工作性能，即皮肤能够感知化学反应中的温度变化。虽然Peltier对温度的变化有快速的响应，但从我们的实验中观察到它们之间有一个小的延迟。为了提高虚拟化学实验的沉浸感，需要对这种差异进行分析。引用1中学化学实验的教与学--中学化学实验教学研究综述。中国化学教育杂志，2019，40（11）：962王军，魏建梅.基于虚拟实验的化学实验教学设计软件指南，2013，12（7）：174 - 1763吴永东，蔡毅，韩永国.场景虚拟展示系统的研究。系统仿真学报，2003，15（11）：1517 - 15194刘永芳，吴永霞，苏良.生命科学与技术虚拟仿真实验教学体系的构建。实验技术与管理，2015，32（9）：120 -1235蒲东，周忠，任爱杰。多层次综合仿真实验教学中心建设的经验。实验技术与管理，2014（3）：11 - 14+226郝立坤，何晓刚.基于HTML5的虚拟实验建模与实现。现代电子技术，2018，41（24）：66 - 707张晓娟，唐建良，魏建梅.基于Flash 3D的中学化学虚拟实验平台的设计与实现。网络教育研究，2014，35（1）：79 - 848Chen S.体感交互设计及其在三维虚拟实验中的应用研究。北京印刷学院学报，2019，27（6）：102 - 1049张晓荣，杨文春，侯建祥.中学沉浸式虚拟化学实验系统的研究。中国体视学与图像分析杂志，2018，23（2）：166 - 17310作者：J. 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