基于Box2D引擎的物理仿真課件設計與實現(xiàn)
——以“測量平均速度”為例

胡 海 王 芳

(黃石市第九中學 湖北 黃石 435000)

1 引言

模擬仿真課件是指利用計算機建模和仿真技術來表現(xiàn)某些系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和動態(tài)，為學生提供一種可供他們體驗和觀測的環(huán)境，產(chǎn)生各種與現(xiàn)實世界相類似的現(xiàn)象，供學生觀察，幫助學生認識和理解這些規(guī)律與現(xiàn)象的本質(zhì)．具有形象直觀、經(jīng)濟安全、不受條件限制、控制事物的變化速度等特征，能夠激發(fā)學生的學習動機，控制學習情境的復雜度和逼真度，有一定的時效性．而物理是一門以觀察、實驗為基礎的學科，由于客觀條件的限制，理想實驗環(huán)境的搭建存在一定的局限性，使實驗效果與預期存在較大的誤差或難以實現(xiàn)，實驗數(shù)據(jù)的獲取和處理也會影響結(jié)果的分析．利用計算機仿真技術來模擬虛擬儀器和實驗平臺等實驗環(huán)境，演示實驗過程，并給學生用自然的交互手段進行實驗操作，按照真實實驗的邏輯，得出實驗結(jié)果，克服實際操作中同步同時帶來的困難和數(shù)據(jù)獲取的即時性、有效性，利用計算機強大的建模和數(shù)據(jù)分析能力，將事物進行模型化分析，揭示一定數(shù)量關系或變化規(guī)律，有助于學生對規(guī)律的深刻認識，提高物理核心素養(yǎng)，有效解決學習的難點，可以代替或補充傳統(tǒng)的實驗手段．

下面以八年級物理“測量平均速度”為例，結(jié)合Box2D引擎，闡述此類仿真課件的設計思想和實現(xiàn)方法．

2 Box2D引擎概述

在物理教學或?qū)W生學習活動過程中，絕大部分內(nèi)容都是以2D平面模型為基礎向?qū)W生傳達知識的，旨在引導和培養(yǎng)學生從抽象中建立精準物理模型的思維習慣．Box2D是一個開源、輕量級、高性能的二維物理仿真引擎，可用來模擬2D剛體(類似于物體)的運動和碰撞，結(jié)合語言工具，非常適合用來開發(fā)中學物理仿真課件，提高制作效率．該引擎集成了大量的物理力學和運動學的計算，將物理模擬過程封裝到類對象中，將對物體的操作以簡單友好的接口提供給開發(fā)者，物體具有質(zhì)量、體積、密度、摩擦因子等物理屬性，開發(fā)時只需要調(diào)用引擎中相應的對象或方法就可以模擬現(xiàn)實生活中的加速、減速、拋物線運動、萬有引力、碰撞反彈等等各種真實的物理運動．廣泛應用于PC，Web(HTML5)，iOS，Android等平臺的物理游戲開發(fā)中(例如游戲《憤怒的小鳥》)，并被廣大的開發(fā)者們轉(zhuǎn)譯成C#，Java，JavaScript，ActionScript3.0(以下簡稱AS3)等多個語言版本．開發(fā)工具使用AnimateCC(原名Flash)，是一種集動畫創(chuàng)作與應用程序開發(fā)于一身的創(chuàng)作軟件，擁有較多的使用人群，使用面向?qū)ο蟮木幊陶Z言AS3，為創(chuàng)建富媒體數(shù)字動畫、高級交互式Web站點、桌面應用程序以及手機應用程序開發(fā)提供了功能全面的創(chuàng)作和編輯環(huán)境．將課件編譯成獨立運行的微件，碎片化處理，使用靈活，便于在網(wǎng)絡、電子白板等其他教學工具上進行傳播學習，還可以發(fā)布為Android應用程序在手機或平板上學習．

3 仿真模擬課件設計概述

3.1 設計思想和功能要求

課件設計思想是把解決學習問題放在第一位，突出重點，解決教學或?qū)W習中的難點問題、關鍵問題，提高學生學習的主動性和探究能力，能滿足教師教學演示和學生自主學習的需求．在課件結(jié)構(gòu)上，采用模塊化思想，變“線性結(jié)構(gòu)”為“非線性結(jié)構(gòu)”，增強課件的交互性和操作的人性化，使課件能夠根據(jù)教與學的需要隨意調(diào)度．學習策略上注重“歸納”和“演繹”的思維方法．界面設計盡量簡潔，突出主體．以“測平均速度”為例，課件能夠?qū)崿F(xiàn)實驗器材的使用、實驗平臺的搭建、實驗數(shù)據(jù)的采集與分析、課后練習與鞏固等．因此具備以下5個功能：

(1)交互模擬各類物理儀器的使用和實驗平臺的搭建；

(2)模擬呈現(xiàn)真實的物理運動和碰撞；

(3)自然的人機交互能力，真實模擬實驗操作過程；

(4)實時獲取相關數(shù)據(jù)和較強的可視化分析能力，便于歸納得出實驗結(jié)論；

(5)通過教師引導，創(chuàng)造性安排課后拓展實驗練習，鞏固所學知識．

3.2 課件框架

課件分為基礎知識準備部分、情景導入生活中的物理模型、實驗平臺搭建和調(diào)試、實時模擬仿真探究、數(shù)據(jù)記錄與分析、運動可視化分析和課后練習鞏固等7部分,結(jié)構(gòu)圖如圖1所示．課件內(nèi)的部分物件采用Animate矢量繪圖功能進行建模，物理運動和碰撞等環(huán)境則采用引擎仿真技術進行建模，其他部分利用AS3的面向?qū)ο缶幊趟枷?，制作成類，便于后續(xù)調(diào)度使用，整個課件為非線性結(jié)構(gòu)，菜單設計簡潔，按需調(diào)用或隱藏，教學靈活，適合不同的教學演示和自主探究，展現(xiàn)其獨有的教學風格和思想，具有一定的開放性．

圖1 “測量平均速度課件”仿真課件功能結(jié)構(gòu)圖

4 仿真課件的實現(xiàn)

仿真課件的開發(fā)遵循軟件開發(fā)的一般步驟，依次是需求分析、設計、開發(fā)、測試、修改反復直至最后正式發(fā)布，仿真課件的制作目標是構(gòu)建一個虛擬逼真的物理環(huán)境，其主要開發(fā)流程分為物件類的創(chuàng)建、二維平面的建模和場景交互三大部分．其中物件類的建模由AnimateCC結(jié)合AS3語言創(chuàng)建，二維平面物理模型由Box2D AS3版物理引擎創(chuàng)建，并導入先前創(chuàng)建的其他類以備調(diào)用，場景交互利用鼠標、鍵盤、幀頻和時間類事件進行代碼編寫完成，最后進行貼圖和反復調(diào)試等．

4.1 物件類創(chuàng)建

根據(jù)課件需求，需要用到的物件有刻度尺、停表、數(shù)據(jù)表格和坐標系等，分別命名為Ruler.as，StopWatch.as，vTable.as和Axis.as類，此類物件不需要物理引擎，直接在AnimateCC中編寫代碼進行數(shù)學建模．類文件應該具有良好的類方法和屬性，便于在導入類時對其進行操作和設置．

Ruler類用于創(chuàng)建刻度尺．能初始化其分度值和量程屬性，通過添加鼠標事件，可實現(xiàn)刻度尺隨意拖動和旋轉(zhuǎn)的功能．

StopWatch類用于創(chuàng)建停表．具有獲取分鐘、秒鐘、啟動或暫停、復位時間的方法，目的是后期開發(fā)時，能夠通過調(diào)用相應的方法協(xié)同物體運動工作．給按鈕添加鼠標事件實現(xiàn)交互，實現(xiàn)獨立使用．為增加可玩性，還給分針和秒針添加鼠標拖動旋轉(zhuǎn)事件，手動調(diào)時和隨機時間等．

創(chuàng)建Ruler和StopWatch實例，結(jié)合xml，xmlList類隨機讀取外部圖片的物體信息，模擬測量物體的長度填入文本框，用鼠標將停表調(diào)到隨機指定的時間，完成課前基礎知識準備模塊的制作，系統(tǒng)自動判斷結(jié)果，類似于許多網(wǎng)站中的驗證碼功能，正確便可進入主課程界面的學習．

vTable類用于制作實驗數(shù)據(jù)記錄表格．將測量數(shù)據(jù)填入相應的文本框，利用鍵盤輸入事件對數(shù)據(jù)進行校驗，限制只能輸入精確到兩位小數(shù)的數(shù)字(刻度尺要進行估讀的學習要求)，速度根據(jù)需要自動計算結(jié)果．

Axis類用于創(chuàng)建坐標系．屬性有橫軸長度、縱軸長度、橫軸刻度、縱軸刻度、橫縱軸標注等，方法有繪制坐標點、依點連線、點線顏色、是否網(wǎng)格等，用于可視化圖像分析路程與時間變化．

4.2 場景模型搭建

(1)引擎使用的尺度單位是米，需定義像素轉(zhuǎn)換常量；

(2)定義重力向量和剛體的睡眠狀態(tài)；

(3)創(chuàng)建b2World物理世界對象；

(4)添加幀頻或計數(shù)器事件，刷新世界讓引擎運動起來；

(5)調(diào)試視圖渲染剛體．

主要代碼如下：

import Box2D.*；//導入Box2D相關類

const pixTometer: Number = 30;//定義像素-米轉(zhuǎn)換常量

var world: b2World = new b2World(new b2Vec2(0, 10), true);//定義重力并創(chuàng)建世界

羅扎諾夫在《陀思妥耶夫斯基的一個卓越想法》(Одна из замичательных идей Достоевского)一文中評論了《地下室手記》中提出的思想，提出了“瘙癢”的觀念或想法：

stage.addEventListener(Event.ENTER_FRAME, updateWorld); //幀頻事件更新世界

var debugSprite = new Sprite();

addChild(debugSprite);//添加渲染精靈

var debug: b2DebugDraw = new b2DebugDraw();

debug.SetSprite(debugSprite);//顯示繪制剛體

world.SetDebugDraw(debug);

世界創(chuàng)建好后，便可以向世界添加創(chuàng)建剛體，構(gòu)建模擬實驗平臺．根據(jù)實驗需求，需要創(chuàng)建的靜態(tài)剛體有方形地面、三角形斜面、方形靜態(tài)擋板和Box墻面．其中斜面通過鼠標事件可調(diào)整高度和傾角，斜面上的擋板可自動調(diào)整位置和角度；墻面的作用是防止誤操作時使動態(tài)物體逃逸實驗平臺；單擊靜態(tài)擋板可使動態(tài)物體初速度為零，在重力作用下自由運動和碰撞．

需要創(chuàng)建的動態(tài)剛體有圓形小球、小車、動態(tài)擋板，這是實驗研究的主要對象．其中小車的創(chuàng)建使用到b2RevoluteJoint旋轉(zhuǎn)關節(jié)，將兩個圓形動態(tài)剛體約束到方形動態(tài)剛體上，構(gòu)建模擬真實的小車；動態(tài)擋板剛體添加鼠標事件可進行拖動設置，作用是使物體運動結(jié)束，結(jié)合Sound類導入外部音頻資源，可模擬物理碰撞的聲音，聲臨其境．

同時設置各種剛體的初始位置、動/靜態(tài)屬性、夾具形狀、密度、摩擦因子、碰撞彈性恢復系數(shù)和約束關節(jié)屬性、運動阻尼、是否睡眠等，提高引擎運行效能．后期利用自定義屬性對這些物體進行貼圖美化，達到良好的視覺效果．未貼圖效果如圖2所示.

圖2 “測量平均速度”仿真課件主界面

4.3 交互功能實現(xiàn)

交互性是衡量仿真課件的一個重要指標．上述每個物件有其自身交互功能之外，在整個課件系統(tǒng)中，為完成特定的教學目標和功能，還具有其他可操作功能，接近自然的人機交互能力，還能夠協(xié)同工作，這得益于AnimateCC強大的事件處理能力．例如，小球、小車、擋板可隨鼠標拖動，物理模擬仿真關節(jié)，刻度尺和停表自帶的交互功能進行長度和時間的測量練習等．單擊鼠標撤去擋板，物體即可運動，同時停表即可開始記錄，協(xié)同操作，解決實際操作過程中不能同時操作的現(xiàn)象，影響實驗效果．另外，可視化數(shù)據(jù)分析能力可實時將時間和路程數(shù)據(jù)顯示在坐標系中，頻閃攝影通過繪圖函數(shù)在幀頻事件中按固定時間顯示繪制物體所在的位置，展現(xiàn)其軌跡，可視化分析物體的運動特征．

界面交互是非仿真部分，設計則較為簡潔易用，只需單擊復選框達到顯示或隱藏的功能，平行化設計．

5 結(jié)束語

Box2D 是一個非常優(yōu)秀的 2D 開源物理引擎，大大降低了仿真課件的制作難度和復雜程度，結(jié)合AnimateCC高效的生產(chǎn)力工具，可以制作出優(yōu)異的物理仿真課件，盡管Flash插件被許多平臺所限制，但在教育群體中被許多教師所使用，也很容易轉(zhuǎn)移到其他平臺繼續(xù)開發(fā)．在教學中，利用課件進行建模和數(shù)據(jù)可視化分析,培養(yǎng)學生的科學思維，自然的人機交互操作進行科學探究，使學生形成正確的物理觀念和科學態(tài)度,提高物理核心素養(yǎng)．如果將課件通過網(wǎng)絡發(fā)放給學生，安排一定的實驗練習(例如測量小球從斜面下滑的平均速度、小球自由落體的平均速度、指定斜面的傾角測出小車下滑的平均速度等)，將課堂進行擴展延伸，打破時間和空間的限制，促進課堂教學的深層次改革，更有利于培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力．通過實踐教學發(fā)現(xiàn)，學生也非常喜歡．仿真技術提供生動、逼真的物理模擬平臺，解決了學習過程中的實驗操作難點，實現(xiàn)了“以教促學”的教學方式向“以學生為主體”“學生自主探究學習”方式轉(zhuǎn)變，在提高課程核心素養(yǎng)中發(fā)揮著越來越重要的作用．