物理虛擬仿真實驗室的設計與開發(fā)

張　建

摘 要:為了解決物理實驗教學中存在的種種弊端,我校構建了物理虛擬仿真實驗室。文章論述了物理虛擬仿真實驗室的功能與設計思路,并對虛擬仿真實驗室的系統(tǒng)結構、開發(fā)技術的選擇和開發(fā)流程等做了詳細說明,最后結合實例論述了物理虛擬仿真實驗室的開發(fā)。

關鍵詞:實驗教學 虛擬仿真實驗室 Cult3dFlash

中圖分類號:G434 文獻標識碼:B 文章編號:1673-8454(2009)13-0022-03

目前物理實驗教學主要還是采用傳統(tǒng)實驗的教學模式。學習者按照教師的安排來完成實驗,實驗以小組的形式進行,一組內的學生數(shù)量往往比較多,在有限的一節(jié)課內不可能使每一位學習者都能從頭到尾地完成實驗;學生只有在規(guī)定時間范圍內才允許到實驗室實驗,學習者對實驗的預習和復習往往是通過閱讀相關文字資料來完成。傳統(tǒng)的物理實驗教學面臨著巨大的挑戰(zhàn),隨著計算機技術、網(wǎng)絡技術和虛擬現(xiàn)實技術的發(fā)展,虛擬實驗室應運而生,它的出現(xiàn)主要是針對傳統(tǒng)實驗教學中存在的弊端而設計和開發(fā)的,目的在于盡可能地降低客觀條件對學習者的限制,合理有效地解決傳統(tǒng)實驗教學中存在的問題,為進一步加強實驗教學環(huán)節(jié)提供強有力的手段。

我們認為一個有效的物理虛擬仿真實驗室的建立,必須集教學、操作演示、虛擬實驗、練習測試等為一體。除了應具備網(wǎng)絡特征的基本要求外,還應該達到以下幾方面的要求:

(1)能夠為學習者提供逼真的虛擬實驗場景;

(2)能夠讓學習者任意操作虛擬實驗場景中的儀器設備;

(3)能夠對實驗過程、實驗現(xiàn)象進行實時模擬和再現(xiàn);

(4)具有與實驗教學要求相適應的輔助功能。如明確實驗目的的功能、掌握實驗原理的功能、實驗指導和演示的功能、練習測試的功能以及填寫實驗報告的功能等。

一、物理虛擬仿真實驗室的設計

1.虛擬仿真實驗室的結構模型

該虛擬仿真實驗室采用的是基于Web的B/S模式。在服務器端:Web Server是服務器端的基礎模塊,它能夠接收客戶端的請求并響應,返回虛擬的實驗場景。虛擬實驗是服務器端最主要的部分,包括虛擬實驗儀器、實驗步驟等單元模塊;在瀏覽器端:瀏覽器是學習者進行虛擬實驗的窗口,虛擬實驗所有的操作都是在瀏覽器中進行的。學習者可以通過鼠標、鍵盤等輸入輸出設備在虛擬實驗場景中漫游,任意操作虛擬的實驗儀器,獲得更加真實、直觀的體驗。同時,在瀏覽器端還需要一些插件,如Cult3d、Flash Player插件等等,它們是嵌入到瀏覽器中的插件,是完成虛擬實驗的基礎,所有的虛擬場景都通過插件進行解釋并渲染在瀏覽器之中。

2.虛擬仿真實驗室的內容結構

該虛擬仿真實驗室覆蓋了物理實驗教學大綱所規(guī)定的所有內容,在內容設置上采用了教學大綱中的實驗模式,即主要內容分為:實驗目的、實驗原理、實驗步驟、數(shù)據(jù)處理、練習測試和實驗報告等幾個主要部分。在結構上將虛擬仿真實驗室劃分為基本模塊和附加模塊兩部分以及它們的子單元模塊,如圖1所示。

(1)基本模塊

在基本模塊中,包含了以下幾個子單元模塊:實驗目的、實驗原理、實驗儀器、實驗步驟以及數(shù)據(jù)處理等。以“實驗儀器”、“實驗步驟”和“數(shù)據(jù)處理”子模塊為例,說明各子單元模塊的功能。

1)實驗儀器模塊:為了讓學習者在做實驗前掌握各種實驗儀器的性能和使用方法,本模塊給出了整個實驗中用到的所有儀器設備,并且呈現(xiàn)的方式可以使學習者360度全方位的觀察;為了方便學習者的學習,可以對三維立體的實驗儀器進行任意的縮放、移動和旋轉甚至是進入到實驗儀器的內部。

2)實驗步驟模塊:由于實驗步驟模塊關系到學習者是否能將在虛擬實驗室中獲得的技能向真實的操作能力遷移,所以對實驗步驟模塊設計的要求是盡可能提供一個與真實實驗相近的虛擬實驗環(huán)境,學習者可以自由操作和調試實驗儀器,同時系統(tǒng)根據(jù)學習者的操作情況給出豐富的視覺反饋信息。在虛擬實驗室中,學習者可以反復進行實驗。另外,學習者的學習不僅僅是在用眼睛觀察,而是一個集仔細觀察、自主操作和認真思考為一體的過程。

3)數(shù)據(jù)處理模塊:實驗數(shù)據(jù)是對實驗定量分析的依據(jù),是探索、驗證物理規(guī)律的第一手資料。在系統(tǒng)誤差一定的情況下,實驗數(shù)據(jù)處理得恰當與否,會直接影響偶然誤差的大小,所以對實驗數(shù)據(jù)的處理是實驗過程的重要內容之一。因此,在該虛擬實驗室中,需要考慮設置數(shù)據(jù)處理模塊。當學習者完成實驗操作并記錄下實驗數(shù)據(jù)后,能通過該模塊對實驗數(shù)據(jù)進行處理和分析。由于學習者初始能力、接受能力以及各自特點不同,系統(tǒng)提供了兩種呈現(xiàn)方式供學習者選擇:一種方式是動畫演示模式。在演示過程中,詳細地向學習者展示對實驗數(shù)據(jù)處理的來龍去脈;另一種方式是自主探索模式。學習者在使用過程中,可以自主輸入?yún)?shù),在系統(tǒng)輔助條件下,獨立地推算出實驗結果、總結出實驗規(guī)律。

(2)附加模塊

虛擬實驗室中的一些附加模塊,如課程簡介單元模塊可以向學習者提供諸如教學大綱、學習要點、教學實施方案等有關開展實驗教學活動的基本信息;練習測試模塊可以向學習者提供診斷性練習、測試評價等內容,通過練習和測試,讓學習者及時強化所學的知識,并且增強學習者與虛擬實驗室之間的交互,增強學習者的參與感;仿真實驗室模塊:可以向學習者提供一個虛擬實驗環(huán)境,這樣不僅保持了實驗的完整性,而且注意了真實實驗場景中的實驗情況。在加入場景因素的基礎上,保持了學習者自由度與高交互的特性,大大增強了學習者的沉浸感。該單元模塊完全模擬了實驗的操作、過程、現(xiàn)象,能夠反映出實驗的本質。

二、物理虛擬仿真實驗室的開發(fā)

1.虛擬仿真實驗室的技術選擇

(1)各種開發(fā)技術的比較(如表1所示)

(2)選用Cult3d和Flash作為主要開發(fā)工具

本虛擬實驗室選用的主要是Cult3d和Flash這兩種開發(fā)工具,這是由它們各自的特點以及系統(tǒng)本身的要求所決定的。從目前網(wǎng)絡條件來看,在二維表現(xiàn)層面系統(tǒng)選用Flash作為開發(fā)工具,在三維表現(xiàn)層面系統(tǒng)選用Cult3d作為開發(fā)工具。在有些地方為了更加方便學習者的使用,本實驗室還通過JavaScript在Cult3d和Flash之間建立通信。

2.虛擬仿真實驗室的開發(fā)流程

虛擬仿真實驗室的整個開發(fā)流程可以分為以下三個過程:

(1)制作素材

素材的制作主要是針對實驗儀器的建模,它是開發(fā)的基礎。它可通過3DMAX工具來完成。由于制作出來的素材分別要導入Cult3d和Flash環(huán)境中,因此需要將其導出為兩種格式:*.c3d和*.png。由于在其后的Flash添加交互過程中,想要改變實驗儀器的視角很難,因此在導出*.png靜止的圖像時,需要注意在3DMAX中將實驗中涉及的所有物件都最好放在同一個攝像機下,以保證其統(tǒng)一的視角。

(2)添加交互

交互的添加是開發(fā)過程中的重點和難點,根據(jù)實現(xiàn)效果的不同,可以將其分為兩種方式:一種是添加三維交互,可通過Cult3d工具來實現(xiàn);另一種是添加二維交互,可通過Flash工具來實現(xiàn)。

(3)集成發(fā)布

將Cult3d和Flash制作出的文件插入到網(wǎng)頁中,可以通過Dreamweaver工具來完成,在其中還可以添加一些JavaScript特效。所有工作都完成后,最后發(fā)布試運行。

3.虛擬仿真實驗室各單元模塊的實現(xiàn)

選取“實驗儀器”單元模塊為例,描述其開發(fā)過程:

“實驗儀器”單元模塊重點在于實驗儀器的三維演示,它采用Flash、Cult3d與JavaScript三種技術進行聯(lián)合開發(fā)。為了讓學習者更好地感受到虛擬實驗界面的整體性,決定采用如圖2所示的界面結構,即將整個界面分為兩部分,左部分用Cult3d技術實現(xiàn)儀器模型的三維展示,右部分用Flash技術給出其二維文字介紹,并且可以通過JavaScript為中介對Cult3d中的模型進行相關操作,以方便學習者的觀察和學習。Cult3d動畫與Flash動畫均采用相同的背景顏色,以保持界面風格的一致性。

下面以“滑線變阻器”為例介紹實驗儀器模塊的實現(xiàn)過程。界面如圖2所示。

主要的制作過程如下:

(1)3Dmax建模

三維模型的制作十分重要,直接關系到虛擬實驗室中三維模型的逼真程度和最后成品數(shù)據(jù)量的大小,所以在導出前,應該盡量對其進行優(yōu)化處理。另外,制作3D模型的時候應該特別注意儀器哪些部件是可以運動的(如旋轉、平移),哪些部件是固定的。如果可以運動,就需要將其單獨做成一個零部件,這是為了以后可以為它單獨設置運動動作。最好將具有相同運動規(guī)律(靜止或者能夠同時移動、旋轉)的部件歸為一組,這樣便于管理,也可以相應降低在后續(xù)開發(fā)步驟中的工作量。

(2)導入Cult3d

將3Dmax文件導出為*.c3d格式,3Dmax默認并不能導出為*.c3d文件,因此需要安裝Cult3d Exporter插件,安裝此插件后可以把3D建模軟件制作的模型導出為*.c3d格式。

(3)添加交互

在Cult3d中,Scene Graph窗口內可以看到該模型中的各個組成部分,在3Dmax里面有的節(jié)點都會出現(xiàn),其下方是Action窗口,包含了Cult3d所有可以執(zhí)行的動作,其中最常用的有移動、旋轉、放大、縮小等。除此之外,還可以播放在建模軟件中制作好的動畫、添加聲音、改變攝像機視角、設置鼠標形狀、隱藏或顯示某個組件、改變場景背景等。充分、合理地運用這些動作,可以設計出具有相當水準的三維交互動畫。另外一個重要的窗口是Event Map,它提供了觸發(fā)事件,以觸發(fā)Action窗口中所列出的動作,例如可以單擊一個物體以移動它。Cult3d提供的事件類型相當豐富,有左鍵單擊、右鍵單擊、中鍵單擊、敲擊鍵盤按鍵等。一個典型的交互動畫的實驗步驟為:事件→動作→三維模型的某個部件,也就是用事件去觸發(fā)某些部件的某個動作。

三、物理虛擬仿真實驗室的運行情況

選取“數(shù)據(jù)處理”和“虛擬實驗室”單元模塊為例,說明物理虛擬實驗室的運行情況。

1.數(shù)據(jù)處理單元模塊

在該模塊中,可以允許學習者輸入?yún)?shù),自主決定坐標系的原點和單位距離;將在“實驗步驟”過程中讀取的數(shù)據(jù)輸入到該模塊中,將對應的記錄點一個一個地依次標注在作圖紙上,然后還可以根據(jù)標注的點,用鼠標做出一條直線;最后任意選取直線上距離較遠的兩點并讀出其坐標值。

2.仿真實驗室模塊(如圖3所示)

該模塊是對真實實驗環(huán)境的一個模擬。包括對周圍環(huán)境的模擬:實驗室門的打開、實驗臺櫥門的打開、櫥門玻璃的拖動、窗簾打開等效果;實驗過程的模擬:儀器擺放、儀器電路連接、開關閉合、滑線變阻器滑片滑動、更換濾色鏡等;實驗現(xiàn)象的模擬:光線的傳播、電子的逸出、電壓表電流表指針的偏轉等。

四、結論

本虛擬仿真實驗室的構建,目的在于解決傳統(tǒng)實驗教學中存在的種種弊端。該系統(tǒng)的開發(fā)經(jīng)歷了需求分析、教學分析、結構分析、內容分析以及各模塊的開發(fā)等過程。經(jīng)過試運行,學習者普遍反映良好,認為該虛擬仿真實驗室的界面友好,操作方便,極大地提高了他們實驗興趣。本虛擬實驗室適合于對理工科教學中儀器操作類實驗的模擬,是現(xiàn)階段虛擬仿真實驗技術中系統(tǒng)要求低、軟硬件投入少、具有較好實驗教學效果的一種解決方案。?筅

參考文獻:

[1]蔡朝暉.Flash MX PROFESSIONAL 2004多媒體課件制作教程[M].北京:中國鐵道出版社, 2005.

[2]蘇威洲.實現(xiàn)網(wǎng)絡三維互動——Cult3D應用指南[M].北京:清華大學出版社,2001.