初中物理凸透镜成像原理虚拟实验平台的设计与开发
2016-08-04师亚媛
师亚媛
摘 要：随着虚拟现实技术的发展，实验教学逐步走向虚拟化，网络上涌现出许多种类多媒体资源，但大部分是平面化的，其真实感和交互性往往不及三维场景。本文选择3DMax、VR-Platform作为虚拟实验平台的开发工具，主要说明该平台的开发步骤及其操作过程，希望能够克服传统教学的一些限制，更好地培养学生的自主实验创新能力。
关键词：虚拟实验；虚拟现实技术；3DMax；VR-Platform
中图分类号：TP311.56 文献标志码：B 文章编号：1673-8454（2016）11-0088-05
一、前言
在现代“以学习者为中心”的教学和学习模式下，实验教学对培养学习者的研究能力、创新能力等综合能力都有帮助[1]。在物理学科的教材中，有许多需要进行实验操作的内容，这也就决定了实验教学在教学活动中是不可或缺的。通过实验教学不仅能提高学生对相关物理知识的掌握程度，还能习得新的知识，不断提高学生的自学能力。有些物理实验由于各方面条件限制的问题，使得无法实现让学生亲自操作实验，只能通过课本教材来学习，并对实验结果或现象进行想象。
现如今，随着计算机技术的不断发展，在人们生活的圈子里信息技术的身影已然随处可见。目前我国开始重视信息技术在教育领域的应用，将其引入到物理实验教学中也是势在必行的，而虚拟现实技术的发展就为此提供了契机。利用虚拟现实技术来建设物理虚拟实验平台，不仅能够为学习者创建一个学习、探究甚至创新的平台，还能提高学习者的学习效率。
本文通过对虚拟实验平台现状及相关理论进行分析研究，以初中物理凸透镜成像的实验为例，选择3Dmax2010、VR-Platform为开发工具，开发出具有交互式的凸透镜成像虚拟实验平台。该平台以提高学生物理实验操作能力及加深对相关物理知识的理解为目标，进一步增强初中物理教学的信息化。
二、研究现状
1.国外研究现状
在国外随着虚拟现实技术的发展，虚拟实验的应用范围也涉及到了许多行业，特别是在教育领域。以下列举一些具有代表性的虚拟实验室：
（1）LAAPhysics（Learn Anytime Anywhere Physics）物理实验室[2]
该系统除了一般的模拟仿真实验器材外，还可以通过其交流功能使学生可以与教师和同学交流讨论。学生在该系统中的操作也可以被记录下来，便于教师能根据学生的不同学习特征来制订符合其本身的学习计划。
（2）Model Science的Model Chemlab实验室[3]
Model Chemlab是可以模拟仿真化学实验的虚拟实验室，在该实验室中提供逼真的实验仪器及常见实验操作功能，我们可以利用该实验室做像酸碱滴定等常规化学实验。
（3）Electric Teaching Assistant实验室[4]
基本电路教学课程，该课程主要是进行电路实验，如果我们改变了电路连接方式或者电压等参数，可以马上再次得到与之对应的实验结果。
2.国内研究现状
计算机技术与网络技术的发展为实验平台和系统的搭建提供了技术支持，虚拟实验的实践研究引起了广泛关注[5]。如，大连理工大学最早采用技术研发的物理化学仿真实验室，属于单机版模式，后来采用技术实现了网络版的仿真实验室，具有较强的交互能力，便于在网络中进行传播[6]；北京师范大学的Evlab系统[7]，能够让学生进行电路实验，更好地掌握电路原理等知识。
综上所述，我们可以看出虚拟实验已慢慢显现出它的优势但同时也存在着许多不足，可以概括为：界面设计不够美观简洁；实验过程中反馈滞后；软件操作较难不易上手操作等。为了更好的发挥虚拟实验的作用，解决这些问题是刻不容缓的，我们也相信这将有利于物理教学质量的提高。
三、虚拟现实与虚拟实验
1.虚拟现实技术
虚拟现实技术（Virtual Reality，VR），它是数字图像处理、多媒体技术、计算机图形学、人工智能技术等多项技术相互整合关联和彼此作用而来的，是包含多学科的综合性技术[8]。它利用计算机模拟仿真了一个立体世界，如同现实世界一般使人感到真实。
虚拟现实最开始的内涵是比较局限的，是指通过利用一些可穿戴的，能够传递人的感应的设备，如立体眼镜、传感手套等来实现的一种三维现实。现在，虚拟现实的含义已经有所拓展，包括其他一些能够模拟现实，产生真实体验的相关技术和方法。虚拟现实技术逐步成熟，使得虚拟现实在教育中起到了举足轻重的作用。
2.虚拟实验
虚拟实验是指在多媒体技术、虚拟现实技术的支持下创建出类似于在现实中进行实验操作过程的环境，使用者可以像在实际生活中一样进行实验操作并得到相应的实验结果[9]。
在这个计算机技术的不断发展的时代，关于虚拟实验的各种研究也不断的涌现出来。虚拟实验的主要特点有：省钱省资源；以学生为主，教师为辅；方法灵活开放。虚拟实验在教学中的应用主要在虚拟实验课程和作为传统实验的辅助两方面，例如北京邮电大学关于Linux操作系统的虚拟实验课程，使得布置虚拟实验作业与传统教学相互补 。
四、初中物理凸透镜成像原理三维虚拟实验的设计
1.需求分析
从目前的情况看，初中物理实验的教学主要还是在传统实验室，某些实验不易于在现实情境中操作，原因是由于时间，场地，器材短缺等情况的制约，而且传统的实验室也无法满足对学生综合素质培养的要求。因此，我们要尽可能避免这些弊端做到全面。
本虚拟实验平台需求分析如下：
（1）实验内容分析：在虚拟实验中我们要明确在实验过程中的重难点，紧扣教材内容明确教学要达到的目的。
（2）学生情况分析：通过学生者特征分析，明确使用该软件对象的认知能力和操作水平。
（3）系统功能分析：需要实现哪些功能，学生能进行哪些交互来习得知识。
（4）技术支持分析：开发软件必备技术和技能。
此外，目前市场上关于初中物理虚拟实验教学的相关资源较少，大部分都是针对大学物理的，而且在这些数量有限的相关资源中，也有着界面不清晰美观，模拟真实性不高，实现较难等问题，无法达到使学生进行自主学习等要求。因此该凸透镜成像原理虚拟实验应该具备的功能有：能使学生进行自主探究；操作自然互动良好；各方面模拟准确。
2.凸透镜成像原理虚拟实验功能模块和工作流程设计
（1）凸透镜成像原理虚拟实验功能模块设计
本虚拟实验平台的功能主要有以下4个功能：
1）实验帮助，如何进行软件操作，例如如何选择、移动物体等；
2）实验开始，学习者根据自己的学习需求来进行实验；
3）实验演示，播放该实验完整动画，包括过程和现象；
4）退出实验，关闭软件。
（2）凸透镜成像原理虚拟实验工作流程设计
如图1所示，是该虚拟实验平台工作流程的设计图，进入主界面后选择相应按钮部分来进行操作。
五、初中物理凸透镜成像原理三维虚拟实验的实现
1.凸透镜成像原理虚拟实验开发流程
建立三维场景及实验动画制作使用的是3DMax软件，是集造型、渲染和制作动画于一身的三维制作软件[10]。而其他步骤使用的是Virtual Reality Platform（简称VR-Platform或VRP）即虚拟现实平台，主要是用来进行交互设计，需要将三维模型导入该软件，利用软件提供的相机、脚本等完成相关功能的实现[11]。VRP 脚本的中文化，使用户在编写脚本语言时比较方便也易于理解[12]。
（1）建立三维场景
第一步：创建三维模型并赋予材质
实验中相关实验仪器建模图如图2所示。不同的模型其表面材质不同，我们需要给其赋予不同的材质，使其与实际相符。笔者们以实验器材中的木板和蜡烛为例，叙述其赋予材质的过程。
给蜡烛赋予材质，点击蜡烛模型，打开材质编辑器，在其中选一个展示球，单击展示窗下方第3个按钮将其赋予蜡烛造型。在“材质/贴图浏览器”中选择“光线跟踪”，在光线跟踪基本参数卷展栏中，相关参数为设置“漫反射”的颜色为白色，将“高光级别”设置为75，将“光泽度”设置为25，然后展开扩展卷展栏，将“特殊效果”选项区域中的“附加光”、“半透明”、“荧光”选项的颜色全设置为RGB（170、0、0）。
给木板赋予材质，同样需要打开材质编辑器，在展示球属性的“主要材质参数”下，选择“颜色”，在出现的“材质/贴图浏览器”中选择位图，再选择要赋予的材质图片，单击“确定”。此时已经将木纹的材质图片赋于木板模型，但是木纹图片在模型表面的铺设是不自然的，因此需要在上方菜单栏中单击“修改器”，选择“UV贴图”下的“UVW贴图”，调整相关参数，使材质贴图衔接没有接缝口而使模型比较真实。
其余三维模型的材质赋予过程也类似以上步骤。
第二步：组合三维实验场景
实验仪器模型建好后需要进行整合，使其形成一个完整的实验场景，以便导入VRP中。这里就来组合成凸透镜成像实验场景。
1）选择其中一个文件为主文件。然后单击菜单开头图标选中“导入”选项
2）在“合并文件”窗口中，选择需合并的文件。此时，在下一个窗口中，单击【全部】按钮，合并所有内容，单击【确定】完成合并。
3）将所有需要合并的文件合并到一个场景中后，通过使用“旋转、“缩放”等工具，来调整合并来的模型的大小位置，使他们的大小位置看起来合理恰当。
4）重复上两步，整合所有需要的模型为一个整体，最终凸透镜成像实验的三维模型场景，如图3所示。
（2）制作实验动画
本小节中我们主要来说明的是演示实验动画的制作过程。凸透镜成像实验演示动画是通过创建关键帧动画来实现的。重点制作步骤为：
1）单击右下方【时间配置】按钮，将结束时间改为800即可。
2）选中蜡烛物体，单击下方的【设置关键点】按钮，再单击一下钥匙样式的按钮，把时间轴光标移动到100帧处，选中蜡烛的Y轴平行移动到指定位置，再次单击钥匙样式按钮。
3）选中纸屏参照步骤2）来进行，此时是从100帧开始设置关键点。
4）后续继续分别制作蜡烛和纸屏移动的效果即可完成动画。
动画需要做出的实验现象为如图4所示：当u>2f，f
（3）实验场景导入VRP编辑器
以上步骤完成后，需要把场景模型导入到 VRP 编辑器中。在3DMax2010中，单击右侧属性栏锤子样式选项卡中的*VRPlatform*按钮，然后向下拖动面板，勾选“全部”，单击【调入VRP编辑器】按钮，在弹出的窗口中单击【保存场景】按钮将其导入VRP编辑器中。注意如果此时贴图出现问题可以按照提示来修改设置重新烘焙后再导出。
（4）实验界面的制作及实验交互功能的实现
把所需的场景模型导入VRP后，开始制作整个平台的实验界面。
首先，处理图片。在Photoshop软件中进行图片处理，将界面右侧的菜单栏图片、左上角的标题图片、按钮图片设计保存。
其次，在VRP中创建图片。在VRP编辑器中选择“编辑界面”，单击【创建新面板】，在其下拉列表中选择图片，然后将鼠标放在需要创建图片的地方按住鼠标左键拖动，依次将做好图片放置到相应位置。
最后，创建按钮。选择VRP中“编辑界面”，单击【创建新面板】，在下拉列表中选择按钮，在菜单栏按钮所在位置处创建相应按钮，并将多个按钮进行对其整理。在右侧属性面板“透明”下，选择“整体透明”，透明度设为1。
根据以上步骤将实验界面的整体布局做好，如图5所示。
（5）脚本设计
界面做好后，我们需要通过脚本语言来实现一些交互功能，完善平台功能，主要按钮的脚本如下：
实验演示按钮脚本如下：
创建悬浮窗口，演示，0/0/640/480，0
设置悬浮窗口内容，演示，F：＼3dmaxsucai＼tutoujing.swf
设置悬浮窗口边框，演示，1
显示悬浮窗口，演示，1
实验开始按钮脚本为：
重新开始
退出实验按钮脚本为：
关闭程序，1，是否确定退出
环视实验器材脚本为：
切换物体的状态值，环视相机动画
#比较物体的状态值，环视相机动画，1
时间轴播放，Timer0
#否则
时间轴播放，Timer0
#结束
u>2f，f 切换物体的状态值， 移动一 #比较物体的状态值， 移动一， 1 时间轴播放，Timer1 时间轴播放，Timer2 #否则 时间轴播放，Timer1 时间轴播放，Timer2 显示隐藏物体， 6， shape01， 1 显示隐藏物体，5，火#，1 显示隐藏物体，5，火##，1 显示隐藏物体，5，火###，0 显示隐藏物体，5，火####，0 #结束 f （6）发布实验文件 VRP 的发布输出非常方便、灵活。单击“文件”，选择“编译独立执行Exe文件”，在弹出的窗口中选择存储路径、图表以及填写版权公司等信息后单击【开始编译】按钮，即可完成Exe文件的编译。如果想要发布在互联网上在线浏览交互，则选择“输出为可网络发布的Vipie文件”。 2.凸透镜成像原理虚拟实验操作流程 学习者首先进入平台的主界面，可以由自己的学习掌握程度，选择相应的按钮模块进行操作如图6。如果在平台使用中有操作疑问可以查看实验帮助。做完实验后，可退出实验室。 六、总结 本文希望借由该虚拟实验平台的设计和开发，能够发现有利于物理实验教学的较好方法。然而，由于本人的技术能力，该平台还有一些遗憾之处，平台实现的功能比较有限，无法实现实验报告生成功能，拖动实验器材等，有待后续继续完善，今后也会不断提高自身能力。在未来的物理实验教学中，相信虚拟现实会更好的发挥它的作用，更好的促进教学活动的开展。 参考文献： [1]朱柱.基于Unity3D的虚拟实验系统设计与应用研究[D].湖北：华中师范大学，2012. [2]Crinela Dumitrescu，Radu Lucian Olteanu，Laura Monica Gorghiu，Gabriel Gorghiu，Gabriel State.Using viuual experiments in the teaching process[C]， Procedia Social and Behavioral Sciences 1，2009. [3]杨松耀. Model ChemLab——化学实验的好帮手[J].浙江现代教育技术，2007（6）：37-38. [4]R.C.Drof，J.A.Svoboda.ElectricTeachingAssistant[EB/OL].http：//www.clarkson_edu/svoboda/eta/inde x.html， 1998-08-15. [5]宋正国，刁秀丽.虚拟实验教学环境研究现状及趋势探悉[J].现代教育技术，2009（12）：115-118. [6]张林誉.初中物理虚拟实验系统的设计与实现[D].湖北：华中师范大学，2013. [7]车皓阳，余胜泉，何克抗.构建基于WEB的虚拟实验室[EB/OL].http：//www.etc.edu.cn/academist/ysq/desi gn-web.htm. [8]颜颖.基于3dmax和VRP的虚拟现实研究[J].石家庄铁路职业技术学院学报，2012，11（4）：57-59. [9]Harold Goldberg.What is Virtual Instrument？.IEEE Instrumentation and Measurement Magazine，2000：40-42. [10]炕留一.基于3DMax和VRP的探究性虚拟实验的设计与开发[D].甘肃：西北师范大学，2014. [11]颜颖.基于3dmax和VRP的虚拟现实研究[J].石家庄铁路职业技术学院学报，2012（4）：57-59. [12]冀巧玲.基于VR-Platform的中学物理虚拟实验的设计与开发[D].山东：山东师范大学，2011. [13]胡国涛.初中物理虚拟实验平台的设计与开发[D].湖北：华中师范大学，2011. （编辑：杨馥红）
