初中物理凸透鏡成像原理虛擬實(shí)驗(yàn)平臺的設(shè)計與開發(fā)

師亞媛

摘 要：隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展，實(shí)驗(yàn)教學(xué)逐步走向虛擬化，網(wǎng)絡(luò)上涌現(xiàn)出許多種類多媒體資源，但大部分是平面化的，其真實(shí)感和交互性往往不及三維場景。本文選擇3DMax、VR-Platform作為虛擬實(shí)驗(yàn)平臺的開發(fā)工具，主要說明該平臺的開發(fā)步驟及其操作過程，希望能夠克服傳統(tǒng)教學(xué)的一些限制，更好地培養(yǎng)學(xué)生的自主實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新能力。

關(guān)鍵詞：虛擬實(shí)驗(yàn)；虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)；3DMax；VR-Platform

中圖分類號：TP311.56 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號：1673-8454（2016）11-0088-05

一、前言

在現(xiàn)代“以學(xué)習(xí)者為中心”的教學(xué)和學(xué)習(xí)模式下，實(shí)驗(yàn)教學(xué)對培養(yǎng)學(xué)習(xí)者的研究能力、創(chuàng)新能力等綜合能力都有幫助[1]。在物理學(xué)科的教材中，有許多需要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作的內(nèi)容，這也就決定了實(shí)驗(yàn)教學(xué)在教學(xué)活動中是不可或缺的。通過實(shí)驗(yàn)教學(xué)不僅能提高學(xué)生對相關(guān)物理知識的掌握程度，還能習(xí)得新的知識，不斷提高學(xué)生的自學(xué)能力。有些物理實(shí)驗(yàn)由于各方面條件限制的問題，使得無法實(shí)現(xiàn)讓學(xué)生親自操作實(shí)驗(yàn)，只能通過課本教材來學(xué)習(xí)，并對實(shí)驗(yàn)結(jié)果或現(xiàn)象進(jìn)行想象。

現(xiàn)如今，隨著計算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，在人們生活的圈子里信息技術(shù)的身影已然隨處可見。目前我國開始重視信息技術(shù)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用，將其引入到物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中也是勢在必行的，而虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展就為此提供了契機(jī)。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)來建設(shè)物理虛擬實(shí)驗(yàn)平臺，不僅能夠?yàn)閷W(xué)習(xí)者創(chuàng)建一個學(xué)習(xí)、探究甚至創(chuàng)新的平臺，還能提高學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)效率。

本文通過對虛擬實(shí)驗(yàn)平臺現(xiàn)狀及相關(guān)理論進(jìn)行分析研究，以初中物理凸透鏡成像的實(shí)驗(yàn)為例，選擇3Dmax2010、VR-Platform為開發(fā)工具，開發(fā)出具有交互式的凸透鏡成像虛擬實(shí)驗(yàn)平臺。該平臺以提高學(xué)生物理實(shí)驗(yàn)操作能力及加深對相關(guān)物理知識的理解為目標(biāo)，進(jìn)一步增強(qiáng)初中物理教學(xué)的信息化。

二、研究現(xiàn)狀

1.國外研究現(xiàn)狀

在國外隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展，虛擬實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用范圍也涉及到了許多行業(yè)，特別是在教育領(lǐng)域。以下列舉一些具有代表性的虛擬實(shí)驗(yàn)室：

（1）LAAPhysics（Learn Anytime Anywhere Physics）物理實(shí)驗(yàn)室[2]

該系統(tǒng)除了一般的模擬仿真實(shí)驗(yàn)器材外，還可以通過其交流功能使學(xué)生可以與教師和同學(xué)交流討論。學(xué)生在該系統(tǒng)中的操作也可以被記錄下來，便于教師能根據(jù)學(xué)生的不同學(xué)習(xí)特征來制訂符合其本身的學(xué)習(xí)計劃。

（2）Model Science的Model Chemlab實(shí)驗(yàn)室[3]

Model Chemlab是可以模擬仿真化學(xué)實(shí)驗(yàn)的虛擬實(shí)驗(yàn)室，在該實(shí)驗(yàn)室中提供逼真的實(shí)驗(yàn)儀器及常見實(shí)驗(yàn)操作功能，我們可以利用該實(shí)驗(yàn)室做像酸堿滴定等常規(guī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)。

（3）Electric Teaching Assistant實(shí)驗(yàn)室[4]

基本電路教學(xué)課程，該課程主要是進(jìn)行電路實(shí)驗(yàn)，如果我們改變了電路連接方式或者電壓等參數(shù)，可以馬上再次得到與之對應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

2.國內(nèi)研究現(xiàn)狀

計算機(jī)技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展為實(shí)驗(yàn)平臺和系統(tǒng)的搭建提供了技術(shù)支持，虛擬實(shí)驗(yàn)的實(shí)踐研究引起了廣泛關(guān)注[5]。如，大連理工大學(xué)最早采用技術(shù)研發(fā)的物理化學(xué)仿真實(shí)驗(yàn)室，屬于單機(jī)版模式，后來采用技術(shù)實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)版的仿真實(shí)驗(yàn)室，具有較強(qiáng)的交互能力，便于在網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行傳播[6]；北京師范大學(xué)的Evlab系統(tǒng)[7]，能夠讓學(xué)生進(jìn)行電路實(shí)驗(yàn)，更好地掌握電路原理等知識。

綜上所述，我們可以看出虛擬實(shí)驗(yàn)已慢慢顯現(xiàn)出它的優(yōu)勢但同時也存在著許多不足，可以概括為：界面設(shè)計不夠美觀簡潔；實(shí)驗(yàn)過程中反饋滯后；軟件操作較難不易上手操作等。為了更好的發(fā)揮虛擬實(shí)驗(yàn)的作用，解決這些問題是刻不容緩的，我們也相信這將有利于物理教學(xué)質(zhì)量的提高。

三、虛擬現(xiàn)實(shí)與虛擬實(shí)驗(yàn)

1.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Virtual Reality，VR），它是數(shù)字圖像處理、多媒體技術(shù)、計算機(jī)圖形學(xué)、人工智能技術(shù)等多項技術(shù)相互整合關(guān)聯(lián)和彼此作用而來的，是包含多學(xué)科的綜合性技術(shù)[8]。它利用計算機(jī)模擬仿真了一個立體世界，如同現(xiàn)實(shí)世界一般使人感到真實(shí)。

虛擬現(xiàn)實(shí)最開始的內(nèi)涵是比較局限的，是指通過利用一些可穿戴的，能夠傳遞人的感應(yīng)的設(shè)備，如立體眼鏡、傳感手套等來實(shí)現(xiàn)的一種三維現(xiàn)實(shí)?，F(xiàn)在，虛擬現(xiàn)實(shí)的含義已經(jīng)有所拓展，包括其他一些能夠模擬現(xiàn)實(shí)，產(chǎn)生真實(shí)體驗(yàn)的相關(guān)技術(shù)和方法。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)逐步成熟，使得虛擬現(xiàn)實(shí)在教育中起到了舉足輕重的作用。

2.虛擬實(shí)驗(yàn)

虛擬實(shí)驗(yàn)是指在多媒體技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的支持下創(chuàng)建出類似于在現(xiàn)實(shí)中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作過程的環(huán)境，使用者可以像在實(shí)際生活中一樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作并得到相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果[9]。

在這個計算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展的時代，關(guān)于虛擬實(shí)驗(yàn)的各種研究也不斷的涌現(xiàn)出來。虛擬實(shí)驗(yàn)的主要特點(diǎn)有：省錢省資源；以學(xué)生為主，教師為輔；方法靈活開放。虛擬實(shí)驗(yàn)在教學(xué)中的應(yīng)用主要在虛擬實(shí)驗(yàn)課程和作為傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的輔助兩方面，例如北京郵電大學(xué)關(guān)于Linux操作系統(tǒng)的虛擬實(shí)驗(yàn)課程，使得布置虛擬實(shí)驗(yàn)作業(yè)與傳統(tǒng)教學(xué)相互補(bǔ) 。

四、初中物理凸透鏡成像原理三維虛擬實(shí)驗(yàn)的設(shè)計

1.需求分析

從目前的情況看，初中物理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)主要還是在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室，某些實(shí)驗(yàn)不易于在現(xiàn)實(shí)情境中操作，原因是由于時間，場地，器材短缺等情況的制約，而且傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室也無法滿足對學(xué)生綜合素質(zhì)培養(yǎng)的要求。因此，我們要盡可能避免這些弊端做到全面。

本虛擬實(shí)驗(yàn)平臺需求分析如下：

（1）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容分析：在虛擬實(shí)驗(yàn)中我們要明確在實(shí)驗(yàn)過程中的重難點(diǎn)，緊扣教材內(nèi)容明確教學(xué)要達(dá)到的目的。

（2）學(xué)生情況分析：通過學(xué)生者特征分析，明確使用該軟件對象的認(rèn)知能力和操作水平。

（3）系統(tǒng)功能分析：需要實(shí)現(xiàn)哪些功能，學(xué)生能進(jìn)行哪些交互來習(xí)得知識。

（4）技術(shù)支持分析：開發(fā)軟件必備技術(shù)和技能。

此外，目前市場上關(guān)于初中物理虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)的相關(guān)資源較少，大部分都是針對大學(xué)物理的，而且在這些數(shù)量有限的相關(guān)資源中，也有著界面不清晰美觀，模擬真實(shí)性不高，實(shí)現(xiàn)較難等問題，無法達(dá)到使學(xué)生進(jìn)行自主學(xué)習(xí)等要求。因此該凸透鏡成像原理虛擬實(shí)驗(yàn)應(yīng)該具備的功能有：能使學(xué)生進(jìn)行自主探究；操作自然互動良好；各方面模擬準(zhǔn)確。

2.凸透鏡成像原理虛擬實(shí)驗(yàn)功能模塊和工作流程設(shè)計

（1）凸透鏡成像原理虛擬實(shí)驗(yàn)功能模塊設(shè)計

本虛擬實(shí)驗(yàn)平臺的功能主要有以下4個功能：

1）實(shí)驗(yàn)幫助，如何進(jìn)行軟件操作，例如如何選擇、移動物體等；

2）實(shí)驗(yàn)開始，學(xué)習(xí)者根據(jù)自己的學(xué)習(xí)需求來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)；

3）實(shí)驗(yàn)演示，播放該實(shí)驗(yàn)完整動畫，包括過程和現(xiàn)象；

4）退出實(shí)驗(yàn)，關(guān)閉軟件。

（2）凸透鏡成像原理虛擬實(shí)驗(yàn)工作流程設(shè)計

如圖1所示，是該虛擬實(shí)驗(yàn)平臺工作流程的設(shè)計圖，進(jìn)入主界面后選擇相應(yīng)按鈕部分來進(jìn)行操作。

五、初中物理凸透鏡成像原理三維虛擬實(shí)驗(yàn)的實(shí)現(xiàn)

1.凸透鏡成像原理虛擬實(shí)驗(yàn)開發(fā)流程

建立三維場景及實(shí)驗(yàn)動畫制作使用的是3DMax軟件，是集造型、渲染和制作動畫于一身的三維制作軟件[10]。而其他步驟使用的是Virtual Reality Platform（簡稱VR-Platform或VRP）即虛擬現(xiàn)實(shí)平臺，主要是用來進(jìn)行交互設(shè)計，需要將三維模型導(dǎo)入該軟件，利用軟件提供的相機(jī)、腳本等完成相關(guān)功能的實(shí)現(xiàn)[11]。VRP 腳本的中文化，使用戶在編寫腳本語言時比較方便也易于理解[12]。

（1）建立三維場景

第一步：創(chuàng)建三維模型并賦予材質(zhì)

實(shí)驗(yàn)中相關(guān)實(shí)驗(yàn)儀器建模圖如圖2所示。不同的模型其表面材質(zhì)不同，我們需要給其賦予不同的材質(zhì)，使其與實(shí)際相符。筆者們以實(shí)驗(yàn)器材中的木板和蠟燭為例，敘述其賦予材質(zhì)的過程。

給蠟燭賦予材質(zhì)，點(diǎn)擊蠟燭模型，打開材質(zhì)編輯器，在其中選一個展示球，單擊展示窗下方第3個按鈕將其賦予蠟燭造型。在“材質(zhì)/貼圖瀏覽器”中選擇“光線跟蹤”，在光線跟蹤基本參數(shù)卷展欄中，相關(guān)參數(shù)為設(shè)置“漫反射”的顏色為白色，將“高光級別”設(shè)置為75，將“光澤度”設(shè)置為25，然后展開擴(kuò)展卷展欄，將“特殊效果”選項區(qū)域中的“附加光”、“半透明”、“熒光”選項的顏色全設(shè)置為RGB（170、0、0）。

給木板賦予材質(zhì)，同樣需要打開材質(zhì)編輯器，在展示球?qū)傩缘摹爸饕馁|(zhì)參數(shù)”下，選擇“顏色”，在出現(xiàn)的“材質(zhì)/貼圖瀏覽器”中選擇位圖，再選擇要賦予的材質(zhì)圖片，單擊“確定”。此時已經(jīng)將木紋的材質(zhì)圖片賦于木板模型，但是木紋圖片在模型表面的鋪設(shè)是不自然的，因此需要在上方菜單欄中單擊“修改器”，選擇“UV貼圖”下的“UVW貼圖”，調(diào)整相關(guān)參數(shù)，使材質(zhì)貼圖銜接沒有接縫口而使模型比較真實(shí)。

其余三維模型的材質(zhì)賦予過程也類似以上步驟。

第二步：組合三維實(shí)驗(yàn)場景

實(shí)驗(yàn)儀器模型建好后需要進(jìn)行整合，使其形成一個完整的實(shí)驗(yàn)場景，以便導(dǎo)入VRP中。這里就來組合成凸透鏡成像實(shí)驗(yàn)場景。

1）選擇其中一個文件為主文件。然后單擊菜單開頭圖標(biāo)選中“導(dǎo)入”選項

2）在“合并文件”窗口中，選擇需合并的文件。此時，在下一個窗口中，單擊【全部】按鈕，合并所有內(nèi)容，單擊【確定】完成合并。

3）將所有需要合并的文件合并到一個場景中后，通過使用“旋轉(zhuǎn)、“縮放”等工具，來調(diào)整合并來的模型的大小位置，使他們的大小位置看起來合理恰當(dāng)。

4）重復(fù)上兩步，整合所有需要的模型為一個整體，最終凸透鏡成像實(shí)驗(yàn)的三維模型場景，如圖3所示。

（2）制作實(shí)驗(yàn)動畫

本小節(jié)中我們主要來說明的是演示實(shí)驗(yàn)動畫的制作過程。凸透鏡成像實(shí)驗(yàn)演示動畫是通過創(chuàng)建關(guān)鍵幀動畫來實(shí)現(xiàn)的。重點(diǎn)制作步驟為：

1）單擊右下方【時間配置】按鈕，將結(jié)束時間改為800即可。

2）選中蠟燭物體，單擊下方的【設(shè)置關(guān)鍵點(diǎn)】按鈕，再單擊一下鑰匙樣式的按鈕，把時間軸光標(biāo)移動到100幀處，選中蠟燭的Y軸平行移動到指定位置，再次單擊鑰匙樣式按鈕。

3）選中紙屏參照步驟2）來進(jìn)行，此時是從100幀開始設(shè)置關(guān)鍵點(diǎn)。

4）后續(xù)繼續(xù)分別制作蠟燭和紙屏移動的效果即可完成動畫。

動畫需要做出的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象為如圖4所示：當(dāng)u>2f，f2f時，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象為所成像為倒立的放大的實(shí)像；當(dāng)uf時，實(shí)驗(yàn)想象為所成像為正立的放大的虛像，物像同側(cè)。

（3）實(shí)驗(yàn)場景導(dǎo)入VRP編輯器

以上步驟完成后，需要把場景模型導(dǎo)入到 VRP 編輯器中。在3DMax2010中，單擊右側(cè)屬性欄錘子樣式選項卡中的*VRPlatform*按鈕，然后向下拖動面板，勾選“全部”，單擊【調(diào)入VRP編輯器】按鈕，在彈出的窗口中單擊【保存場景】按鈕將其導(dǎo)入VRP編輯器中。注意如果此時貼圖出現(xiàn)問題可以按照提示來修改設(shè)置重新烘焙后再導(dǎo)出。

（4）實(shí)驗(yàn)界面的制作及實(shí)驗(yàn)交互功能的實(shí)現(xiàn)

把所需的場景模型導(dǎo)入VRP后，開始制作整個平臺的實(shí)驗(yàn)界面。

首先，處理圖片。在Photoshop軟件中進(jìn)行圖片處理，將界面右側(cè)的菜單欄圖片、左上角的標(biāo)題圖片、按鈕圖片設(shè)計保存。

其次，在VRP中創(chuàng)建圖片。在VRP編輯器中選擇“編輯界面”，單擊【創(chuàng)建新面板】，在其下拉列表中選擇圖片，然后將鼠標(biāo)放在需要創(chuàng)建圖片的地方按住鼠標(biāo)左鍵拖動，依次將做好圖片放置到相應(yīng)位置。

最后，創(chuàng)建按鈕。選擇VRP中“編輯界面”，單擊【創(chuàng)建新面板】，在下拉列表中選擇按鈕，在菜單欄按鈕所在位置處創(chuàng)建相應(yīng)按鈕，并將多個按鈕進(jìn)行對其整理。在右側(cè)屬性面板“透明”下，選擇“整體透明”，透明度設(shè)為1。

根據(jù)以上步驟將實(shí)驗(yàn)界面的整體布局做好，如圖5所示。

（5）腳本設(shè)計

界面做好后，我們需要通過腳本語言來實(shí)現(xiàn)一些交互功能，完善平臺功能，主要按鈕的腳本如下：

實(shí)驗(yàn)演示按鈕腳本如下：

創(chuàng)建懸浮窗口，演示，0/0/640/480，0

設(shè)置懸浮窗口內(nèi)容，演示，F(xiàn)：＼3dmaxsucai＼tutoujing.swf

設(shè)置懸浮窗口邊框，演示，1

顯示懸浮窗口，演示，1

實(shí)驗(yàn)開始按鈕腳本為：

重新開始

退出實(shí)驗(yàn)按鈕腳本為：

關(guān)閉程序，1，是否確定退出

環(huán)視實(shí)驗(yàn)器材腳本為：

切換物體的狀態(tài)值，環(huán)視相機(jī)動畫

#比較物體的狀態(tài)值，環(huán)視相機(jī)動畫，1

時間軸播放，Timer0

#否則

時間軸播放，Timer0

#結(jié)束

u>2f，f

切換物體的狀態(tài)值， 移動一

#比較物體的狀態(tài)值， 移動一， 1

時間軸播放，Timer1

時間軸播放，Timer2

#否則

時間軸播放，Timer1

時間軸播放，Timer2

顯示隱藏物體， 6， shape01， 1

顯示隱藏物體，5，火#，1

顯示隱藏物體，5，火##，1

顯示隱藏物體，5，火###，0

顯示隱藏物體，5，火####，0

#結(jié)束

f2f按鈕及uf按鈕的腳本同u>2f，f

（6）發(fā)布實(shí)驗(yàn)文件

VRP 的發(fā)布輸出非常方便、靈活。單擊“文件”，選擇“編譯獨(dú)立執(zhí)行Exe文件”，在彈出的窗口中選擇存儲路徑、圖表以及填寫版權(quán)公司等信息后單擊【開始編譯】按鈕，即可完成Exe文件的編譯。如果想要發(fā)布在互聯(lián)網(wǎng)上在線瀏覽交互，則選擇“輸出為可網(wǎng)絡(luò)發(fā)布的Vipie文件”。

2.凸透鏡成像原理虛擬實(shí)驗(yàn)操作流程

學(xué)習(xí)者首先進(jìn)入平臺的主界面，可以由自己的學(xué)習(xí)掌握程度，選擇相應(yīng)的按鈕模塊進(jìn)行操作如圖6。如果在平臺使用中有操作疑問可以查看實(shí)驗(yàn)幫助。做完實(shí)驗(yàn)后，可退出實(shí)驗(yàn)室。

六、總結(jié)

本文希望借由該虛擬實(shí)驗(yàn)平臺的設(shè)計和開發(fā)，能夠發(fā)現(xiàn)有利于物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的較好方法。然而，由于本人的技術(shù)能力，該平臺還有一些遺憾之處，平臺實(shí)現(xiàn)的功能比較有限，無法實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)報告生成功能，拖動實(shí)驗(yàn)器材等，有待后續(xù)繼續(xù)完善，今后也會不斷提高自身能力。在未來的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，相信虛擬現(xiàn)實(shí)會更好的發(fā)揮它的作用，更好的促進(jìn)教學(xué)活動的開展。

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（編輯：楊馥紅）