基于Unity3D的恒定電流場模擬靜電場虛擬仿真實驗平臺設(shè)計與開發(fā)
2025-08-18 00:00:00邵鑫雨陳孝然郭靖瑋楊智
科技創(chuàng)新與應(yīng)用 2025年21期
中圖分類號：TP391.9 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2025）21-0035-05
Abstract：Takingtheconstantcurentfieldsimulationelectrostaticfeldphysical experimentastheobject，avirtual simulationexperimentalplatformisdevelopedbycomprehensivelyusingUnity3D，CATIA，3DStudioMaxandothertechnologies. Thisvirtualsimulationexperimentbreaksthelimitationsoftraditionalexperimentalteachingcontentandcanrealizethenterelectrodevoltage.Measurementofanyvoltagevaluewithintherange，thatis，thecontinuityofthemeasuredvoltage，andwhile providingreal-timedataandresults，talsoincreasestheprocessngofexperimentaldatahelpingstudentsbeterunderstandthe experimentalprinciplesandefects.Theuseofvirtualtechnologynotonlyfectivelyshortensstudents’leaming timeand improves learming eficiency，but alsoachieveshigher experimental successratesandbetterexperimental results.
Keywords：Unity 3D;CATIA;3D Studio Max;virtual simulation;teachingplatform
《加快推進教育現(xiàn)代化實施方案（2018一2022年）》提出，深度結(jié)合信息技術(shù)與教育教學，快速發(fā)展智慧教育創(chuàng)新，加快推動“互聯(lián)網(wǎng) + 教育\"的發(fā)展，信息化技術(shù)手段服務(wù)于教育教學全過程，深人推進虛擬仿真實驗教學項目的建設(shè)。國家教育部等部門發(fā)布的相關(guān)教育教學文件能夠看出，虛擬仿真實驗教學備受關(guān)注。
國內(nèi)，虛擬仿真實驗應(yīng)用于各種領(lǐng)域，如虛擬仿真在生物化學實驗教學中的應(yīng)用與探討和數(shù)控加工虛擬仿真實驗教學方法的改革與實踐等，然而這些虛擬仿真實驗雖然可以模擬真實的實驗環(huán)境和操作過程，但仍然不能完全代替實驗的真實性和感性認識并且需要學生掌握一定的計算機操作和虛擬仿真技術(shù)，學習成本較高。
基于Unity3D技術(shù)的虛擬仿真實驗平臺的開發(fā)在不斷的發(fā)展與進步，華南理工大學建設(shè)了源于中國散裂中子源的示范性虛擬仿真實驗教學項目，南京郵電大學研發(fā)了基于Unity3D的電流表改裝虛擬實驗系統(tǒng)。
恒定電流場模擬靜電場是指通過在電路中施加恒定的電流來模擬產(chǎn)生靜電場的情況。在這種模擬中，電流會通過導體或電阻器流動，而導體或電阻器之間的電壓差會產(chǎn)生靜電場。
南華大學分析了用傳統(tǒng)的“靜電場模擬測定儀”模擬法測量靜電場的缺點，并用改進的“單層靜電場模擬測定儀”對該實驗進行了嘗試，獲得了良好的實驗效果。
本文使用虛擬仿真開發(fā)引擎Unity3D完成基于恒定電流場模擬靜電場的開發(fā)，構(gòu)建高度還原的虛擬仿真教學環(huán)境，借助可視化學習分析實現(xiàn)實驗數(shù)據(jù)分布規(guī)律，深度融合虛擬與現(xiàn)實，有助于提高物理實驗教學的效果和質(zhì)量，推動物理學科的教學和研究發(fā)展。
1虛擬仿真教學平臺架構(gòu)設(shè)計
1.1 平臺架構(gòu)
恒定電流場模擬靜電場虛擬仿真教學平臺系統(tǒng)是采用Unity3D軟件技術(shù)將靜電場測繪實驗通過瀏覽器或者服務(wù)器為展示平臺將整個實驗過程以一種虛擬仿真的方式呈現(xiàn)出來。虛擬仿真教學平臺架構(gòu)根據(jù)使用功能的不同可分為4個結(jié)構(gòu)層-8（如圖1所示），一層銜接一層，層層遞進的方式來完成整個虛擬仿真教學平臺系統(tǒng)的建設(shè)。
支撐層。支撐層是整個實驗系統(tǒng)的核心組成，通過編寫相關(guān)計算機程序，來滿足實驗從開始到結(jié)束整個過程每一個節(jié)點的運行、維護和管理，是保證整個實驗系統(tǒng)安全、科學、完整的有力支撐。
數(shù)據(jù)層。數(shù)據(jù)層是通過數(shù)據(jù)表的方式將實驗整個過程發(fā)生的所有實驗數(shù)據(jù)進行管理和存儲，用戶可以隨時調(diào)用、查看該實驗過程中以及實驗結(jié)束后的各項仿真數(shù)據(jù)。
仿真層。仿真層是通過使用Unity3D軟件技術(shù)，根據(jù)用戶的實驗要求，將實驗場景在計算機上進行高度還原，以達到實驗現(xiàn)實和虛擬的交互印證，保證實驗數(shù)據(jù)的真實、可靠性。
應(yīng)用層。實驗者通過應(yīng)用層與建立的實驗系統(tǒng)進行連接，通過瀏覽器、服務(wù)器等方式訪問實驗系統(tǒng)的服務(wù)端，用戶可根據(jù)個人的實驗需求來調(diào)整相關(guān)實驗數(shù)據(jù)，以虛擬仿真的方式完成科學實驗，得到科學嚴謹?shù)膶嶒灲Y(jié)論。
圖1平臺架構(gòu)圖
1.2 平臺設(shè)計
虛擬仿真教學平臺測繪靜電場從物理實驗實踐需求出發(fā)，通過構(gòu)建深度仿真的虛擬實驗環(huán)境和實驗對象，讓用戶在虛擬的環(huán)境中開展實驗，保證用戶在不同條件、不同環(huán)境下都能完成測繪靜電場實驗，滿足用戶需求。該虛擬仿真實驗教學平臺系統(tǒng)利用CATIA建模軟件，對實驗儀器按1：1比例進行高精度建模，獲得初步的物理模型，然后通過調(diào)整燈光、材質(zhì)、渲染、紋理處理等技術(shù)，構(gòu)建一個高度逼真的物理實驗?zāi)Ｐ停▓D2）。再利用3DStudioMax軟件對構(gòu)建的物理模型進行轉(zhuǎn)化，最終轉(zhuǎn)化中性格式FBX導出，然后將轉(zhuǎn)化后的FBX文件導入至Unity3D軟件中，再進行實時的調(diào)整場景的照明和貼紙效果（如圖3所示），場景構(gòu)建完成后，再通過C#語言編寫腳本，去控制相應(yīng)物理實驗?zāi)Ｐ蛯崿F(xiàn)用模擬法測繪靜電場實驗過程中的各種動態(tài)響應(yīng)，然后再進行實時的運動仿真程序設(shè)計，最后完成整個構(gòu)架的建設(shè)[9-12]
圖2模型圖
1.3 人機交互式設(shè)計
用模擬法測繪靜電場虛擬仿真教學平臺主要利用Unity3D開發(fā)引擎來進行人機交互設(shè)計，用到了內(nèi)置的鼠標事件和鍵盤事件等，具體體現(xiàn)在以下3個方面。首先，用戶可以利用鼠標和鍵盤等，對虛擬仿真教學平臺場景中的實驗儀器和實驗現(xiàn)象進行觀察，輔以縮放、轉(zhuǎn)換視角等功能實現(xiàn)對實驗現(xiàn)象的觀察。其次，用戶可以通過鼠標點擊對虛擬物體進行控制，對實驗參數(shù)進行調(diào)節(jié)，實現(xiàn)對實驗過程的控制。最后，用戶可通過鼠標點擊和鍵盤輸人完成相應(yīng)的課后測試題，實現(xiàn)對實驗效果的測評。同時虛擬仿真實驗的開發(fā)也應(yīng)該考慮到人與人之間交互的優(yōu)勢，盡量為用戶提供便利，提升溝通效率。
圖33DStudioMax導入時步驟圖
2虛擬仿真教學平臺開發(fā)
2.1虛擬實驗的界面介紹
實驗平臺設(shè)備建模集成了液晶電源、導線和平行圓柱等設(shè)備，液晶電源可以顯示電源電壓和電壓差，平行圓柱用于實驗操作，導線用于傳遞信息。圖4一圖9展示了虛擬仿真實驗平臺運行過程的所有界面、操作步驟以及呈現(xiàn)效果。思考題界面通過習題檢驗學生對于恒定電流場模擬靜電場這個實驗的了解情況，同時可以加深學生對于實驗的理解，也可以進一步提升學生的自主學習能力。
學生登錄Unity3D開發(fā)軟件，打開對應(yīng)的實驗文件，便可以開始實驗，學生需要輸入預(yù)設(shè)好的用戶個人賬號和密碼，才可以進入實驗室，如圖4所示。
圖4登錄界面
進入實驗室后，學生點擊實驗背景模塊，便可以閱讀相應(yīng)的實驗背景，了解與實驗相關(guān)的知識，如圖5所示。
點擊實驗?zāi)康哪K，學生可以閱讀實驗?zāi)康?，明確實驗?zāi)康?，為更好地進行實驗奠定基礎(chǔ)，如圖6所示。
圖5實驗背景
圖6實驗?zāi)康?/div>
一種新型的輸電線路穩(wěn)壓控制方案設(shè)計 共享儲能電站接地網(wǎng)優(yōu)化分析 只因是物理 小議初中化學演示實驗教學 電容器的實驗教學 對初中化學實驗教學的認識和體會 處處留心皆物理 三腳插頭上的物理知識 幾何體在高中數(shù)學實驗教學中的應(yīng)用 我不是教物理的
此部分為本平臺核心的部分，點擊實驗內(nèi)容模塊，呈現(xiàn)的是一個空白的同心圓柱體，電源電壓置零，探筆電壓（電勢差）置零及以一個空白表格。在鍵盤上按A和B鍵分別增大和減小電壓值，本實驗設(shè)置電壓值為 10V 。在空白表格表頭上，我們可以自由選擇將測量的電勢差。點擊上色和填寫的表格，將探筆放在同心圓柱體上測量電勢差數(shù)值，待其為對應(yīng)的電勢差值時，點擊鼠標左鍵，在空白的同軸圓柱體上便會標記一個對應(yīng)顏色的X，在表格上便會自動顯示坐標值（一般相同的電勢差值選擇8個均勻分布的點），如圖7所示。
圖7實驗操作
接下來對于實驗得出的同一電勢差的點進行處理，點擊畫圓按鈕，自動將同一電勢差的點連接成圓，以此類推。當最后一個圓完成后，顯示不同方向的電力線，如圖8所示。
圖8實驗處理
此部分為本平臺創(chuàng)新的部分，首先根據(jù)理論公式將等勢圓的半徑計算得出，然后填寫在對應(yīng)的表格上。其次使用虛擬尺子測量實際等勢圓的半徑，兩者加以比較，得出相對誤差，如圖9所示。其不僅可以表示理論值與測量值之間的誤差，也可以體現(xiàn)出虛擬實驗的精確性。
圖9實驗數(shù)據(jù)測量
此外，該平臺還具有注意事項以及課后題，可以起到檢驗實驗效果的目的。
2.2測量多組不同電壓的情況下對應(yīng)的坐標以及半徑的數(shù)值
在實驗操作中默認電壓的數(shù)值為 10V ，測量電壓的數(shù)值在 0～10V ，設(shè)置旋鈕可以調(diào)節(jié)電源的電壓值，在第一個顯示屏內(nèi)顯示，利用筆點擊同軸圓柱體可以測量電壓數(shù)值，并且顯示在第二個顯示屏內(nèi)，同時可以彈出界面記錄所點擊的點的坐標值并且可以利用直尺測量同軸圓柱體的半徑數(shù)值填寫在對應(yīng)的界面內(nèi)。本平臺最大的特點是可以實現(xiàn)極間電壓范圍內(nèi)任意電壓值的測量即測量的電壓的連續(xù)性。操作者可以自行設(shè)計測量的電壓值，靈活性高。如圖8、圖9所示。
2.3 數(shù)據(jù)處理
在虛擬仿真實驗中，仿真軟件的精度和穩(wěn)定性、模型的準確性以及環(huán)境因素等都會對虛擬仿真實驗的實驗結(jié)果產(chǎn)生影響。特別是對于恒定電流模擬靜電場這類高度依賴于虛擬仿真的實驗，對實驗數(shù)據(jù)處理的精度要求更高。
然而恒定電流模擬靜電場側(cè)重于虛擬仿真，對于實驗數(shù)據(jù)處理的要求大。為了更有效地處理這些實驗數(shù)據(jù)，我們可以采用坐標紙，并在平行圓柱上繪制同心圓的方法，將實驗數(shù)據(jù)進行可視化處理。這種方法不僅可以幫助我們更直觀地理解數(shù)據(jù)，還可以簡化數(shù)據(jù)處理的過程。
3 平臺應(yīng)用
本平臺展示的實驗為虛擬仿真實驗，高度還原了用恒定電流場模擬靜電場這一物理實驗過程，與現(xiàn)實實驗相比更大程度地逼真。本平臺適應(yīng)于多種場景，在不同場景下起到不同作用。
在教育方面，本實驗可以起到預(yù)習與輔助實驗數(shù)據(jù)處理的功能。在空間方面，本虛擬平臺不受空間的限制。只要學生在自己電腦上登錄本實驗平臺便可以進行實驗。在時間方面，平臺在任何時間內(nèi)都開放，不必受到實驗時間問題困擾，相對靈活性更大。
總之，虛擬仿真實驗平臺在應(yīng)用方面具有很大的價值。不僅具有輔助線下實驗的功能，還在時間和空間上比線下實驗更具便捷性。
4結(jié)束語
本文基于Unity3D虛擬仿真引擎和CATIA空間搭建引擎開發(fā)恒定電流模擬靜電場實驗平臺，借助可視化學習分析實現(xiàn)實驗數(shù)據(jù)分布規(guī)律表征，呈現(xiàn)清晰直觀的物理量關(guān)聯(lián)關(guān)系，搭建高度還原的虛擬現(xiàn)實平臺，降低使用成本的同時顯著提高了用戶的學習效果，實現(xiàn)理論與實踐、現(xiàn)實與虛擬深度融合，有助于提高物理實驗教學的效果和質(zhì)量，推動物理學科的教學和研究發(fā)展。
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