基于３ｄｓ Ｍａｘ和Ｖｉｒｔｏｏｌｓ的大學物理虛擬實驗的設計與開發

【摘要】3ds Max與Virtools技術在教學中的引入使真正意義上的網絡三維虛擬實驗室的構建成為可能，從網絡三維虛擬實驗設計與開發的限度分析入手，以大學物理陀螺儀虛擬實驗為例，系統地描述了虛擬實驗中“以學習者為本”的策劃設計理念、實驗功能的簡易設計實現方式與虛擬實驗的后期包裝設計等一系列完整的設計思路與開發流程。

【關鍵詞】Virtools技術；3DsMax；限度分析；陀螺儀；虛擬實驗

【中圖分類號】G434 【文獻標識碼】B 【論文編號】1009—8097（2008）06—0088—05

在網絡教育教學中，為了培養學生的實際動手能力和觀察能力，許多學科都需要利用現有的資源與技術條件設計開發大量的虛擬實驗。從虛擬現實技術引入教育教學領域至今，網絡虛擬實驗的設計與開發實踐中已涌現出多種多樣的設計方案，如何選擇一種適用于特定的學習者和具體學科、感官效果與教學效果均佳的技術開發方案的研究具有十分重要的意義。

一 網絡三維虛擬實驗的限度分析

虛擬現實技術引入教育教學領域無疑為網絡三維虛擬實驗的研究與應用開拓了廣闊的空間，而虛擬現實技術繁多，開發方式各異，要實現其合理選擇，需要對虛擬實驗中網絡三維技術的應用限度做具體深入的分析。

1 以提高學習者技能、滿足學習者認知、情感等需要為限度

目前國內大多虛擬實驗的設計是奉行一種“以技術為本”的設計價值觀，即以機器邏輯為主要或唯一的思維方式，以功能和結構為中心設計，而很少考慮使技術適應學習者的生理與行為特征、心理與情感等需要，運用此思想設計的虛擬實驗大大制約了學習者的創造力和創新思維的培養，不利于學習者知識技能的遷移、保持與增長。因此“以學習者為本”的設計思想為虛擬實驗的設計與開發提出了新的思路和要求，即以滿足學習者的認知、情感等需要為設計的起點與目的，設計者須在虛擬實驗設計與開發過程中自始至終遵循并盡力踐行這一設計理念，才能使學習者成為實驗中真正的主人。

2 以實現教學目標、滿足教學需求為限度

目前一些虛擬實驗的研究出現“象牙塔”傾向，即研究中跟隨技術潮流，開發的虛擬實驗系統過度地關注于技術的前沿與研究縱深度，而非教學實際應用的效果，因此這些系統只能代表當前科技及理論研究水平而非教學一線的實際應用水平。鑒于這一研究與應用的脫節現象，虛擬實驗研究與開發人員應進行科學細致地實地考察，依據明確的實驗教學目標，結合具體的實際教學狀況進行開發，從而使研究更具實際應用價值并能更大程度地推進實驗教學研究的進步。

3 以設計與開發組的實際人力、物力、財力為限度

由于網絡三維技術的復雜性，加之開發軟硬件的巨大投入，使虛擬實驗的設計與開發成本飆升，如國內不少大型虛擬實驗系統的開發及運行所需費用昂貴，很難在全國范圍內普遍推廣，因此其實用價值甚微。網絡三維虛擬實驗若要在基礎實驗教學中普遍應用，就應科學合理地分配網絡三維虛擬實驗設計與開發的人力、物力、財力等方面的資源，力求在能保證虛擬實驗教學目標的前提下，選擇合適的虛擬現實技術，以低成本的資源投入來體現網絡三維虛擬實驗的實用價值。

4 以易于開發及系統更新維護為限度

國內不少高校都開發了不同學科的虛擬實驗系統，但開發的周期一般較長，虛擬實驗系統的更新維護困難，這一普遍的研究精力與資源的過度投入不利于虛擬實驗研究與應用的進一步發展。因此須以其技術的易用性與實用性等為前提，設計出易于開發并且周期短、系統容易更新維護的技術開發方案，才能推動網絡三維虛擬實驗研究與應用的可持續發展。

5 以保證系統運行與網絡傳輸順暢為限度

在網絡三維虛擬實驗設計時就應充分考慮軟、硬件的運行條件，在保證系統運行與網絡傳輸順暢的基礎上，最大限度地提高仿真度與精確度，否則如在設計時片面追求感官效果，虛擬實驗產品的運行過度占用計算機資源，超過軟硬件運行負荷而影響網絡的正常傳輸，虛擬實驗的效果往往會適得其反。因此為了達到較好的預期實驗效果，設計與開發過程中應準確把握這一限度，如不適宜應盡快做出調整。

二 大學物理虛擬實驗設計分析

依據以上對網絡三維虛擬實驗限度的分析，提出 “以學習者為本”的可用性設計思想，并分析選用3ds Max與Virtools技術組合進行大學物理網絡三維虛擬實驗設計開發的優勢條件。

1 “以學習者為本”的設計理念

“以學習者為本”設計理念即結合實驗的目的與預期實驗效果對學習者認知與情感特征進行分析，設計出符合學習者心理、認知、操作、行為方式等多方面需求的虛擬實驗。

（1） 虛擬實驗應符合學習者的認知、情感、思維特性。依據特定學習者的認知經驗、情感特點和思維方式設定具體的實驗任務，其預定的行為方式應該與學習者期望的交流與合作方式一致，即設計應從始至終遵循“以學習者為中心”的原則，盡量做到實驗服務于學習者的認知、情感、思維等需要，而不是相反。

（2） 虛擬實驗應彌補學習者行動或心理的缺失。人的知覺、認知、動作中存在許多缺陷，或稱為非理性因素[1]。例如人對距離、角度等物理量不敏感，容易遺忘、思維速度慢、動作容易出錯，經常感到孤獨、無助等，在虛擬實驗中應該能夠彌補這些缺失，成為學習者真正的學習伙伴和得力助手。

2 3ds Max與Virtools技術組合的選用

從滿足大學物理網絡三維虛擬實驗的各項限度出發，遵循以“學習者為本”的設計理念，選用3ds Max與Virtools技術組合開發網絡三維虛擬實驗環境，這一組合可以極大地提高虛擬實驗的交互性和沉浸度，具有其它VR技術所無法比擬的獨特優勢，適合在普通高校實驗教學中推廣與應用。

（1） 3ds Max強大的建模功能與Virtools超過500組互動模塊的配合運用能夠做到無縫結合，利用Multiuser Server、AI Library等相應模塊可以簡易地實現人與場景間交互或多人連線的交互設計，方便地進行人工智能效果的模擬，便于設定豐富的教學活動和社會交流活動，滿足虛擬實驗中學習者的認知、情感等需求。

（2） 在大學物理虛擬實驗開發中，利用3ds Max與Virtools技術組合的真實感與交互性強等突出特點，可以充分展示較為復雜的實驗裝置構造、較為抽象的實驗原理、不易觀察的實驗現象，靈活多樣的實驗效果，并可以通過學習者自主操作進行實驗設計等，特別是Virtools中Physics Library模塊能逼真模擬重力、質量、力場、物理行為設定等各種物理屬性，能夠滿足大學物理學科不同的實驗目標與效果的需求。

（3） 3ds Max與Virtools技術組合的開發過程簡易，兼容多種媒體文件格式，與其它相關技術的通用性強，開發作品的移植性好等突出優點，便于團隊合作開發進而提高開發效率，更有利于系統的及時更新與維護，有利于節省實驗開發組人力、物力、財力等資源的投入，加之其開發的產品運行環境要求不高，所生成的文件占用空間小，可分段下載等優點更便于網絡傳輸，有利于實際教學的普遍應用與推廣，從而有效地聯結了學術研究與實際教學應用的鴻溝。

三 網絡三維虛擬實驗開發流程

通過以上對大學物理虛擬實驗的設計分析，以陀螺儀虛擬實驗為例具體闡述運用3DsMax和Virtools技術開發虛擬實驗的流程。依據“以學習者為本”的設計思想，需要全面細致地分析大學物理陀螺儀虛擬實驗的目的、原理、學習者特征、技術選用等內容，并對虛擬實驗的表現形式、技術應用等功能的實現進行策劃與設計。

1 陀螺儀實驗分析

三維陀螺（回轉儀）的定軸性實驗是關于角動量守恒原理的應用。迅速轉動的陀螺若受到外力矩（如重力力矩）的作用時，并不是立即傾倒，而是其轉動軸繞著某一固定軸轉動。此實驗的目的是演示陀螺儀在外力矩作用下的進動和不受外力矩時角動量方向保持不變的特性。學習者是大學物理專業本科學生，已學習過角動量在外力矩作用下進動的知識，通過操作并觀察陀螺儀啟動和靜止時的不同狀態可以掌握角動量守恒的原理及其應用，實現知識技能的遷移。

2 實驗開發流程規劃

對實驗詳細分析之后，對3DsMax和Virtools技術組合開發虛擬實驗的一般流程進行策劃與設計，實驗功能的開發過程主要分為五個階段，其流程如圖1所示：

四 虛擬實驗的功能簡易實現

在網絡三維虛擬實驗情景中，學習者化身為虛擬實驗角色，進行模擬陀螺儀操作練習，并得到相應的操作反饋，從而不斷積累經驗最終達到掌握實驗相關知識的實驗目標。下面詳細介紹應用3DsMax 和Virtools技術進行《大學物理陀螺儀網絡三維虛擬實驗》開發的實現過程。

1 利用3DsMax創建3D實驗場景、裝置等模型

虛擬實驗環境的構建首先是模型的構建，包括實驗場景、人物、實驗裝置和其他輔助工具等模型。場景設計如圖2所示，在設計實驗場景時需考察真實實驗室設計格局、物品擺放、光線材質等各個方面，將真實實驗場景的合理設計元素吸納到虛擬場景設計之中，使學習者進入實驗室有種身臨其境之感，有利于保持學習者注意力并增強其對實驗探索的興趣。

實驗裝置陀螺儀模型的設計必不可少，如圖3所示，將實驗所需設備制作得逼真而富有質感，對學習者樂于學習心理的產生具有一定促進作用。

2 在3DsMax中制作實驗角色及相應動畫

網絡三維技術不僅可以構建資源共享的虛擬世界，而且應該構建學習者體驗共享的情感世界，其中學習者可根據喜好自由選擇參與實驗的角色十分重要，因此實驗設計者應設計多元化人物模型。圖4所示的人物模型是參與實驗的其中一個學習者角色，在設計角色過程中應充分體現其角色特征，使他們符合參與實驗的學習者的不同喜好和性格特質，由此提供給學習者更具有彈性與自主性的虛擬實驗空間，能夠降低學習者緊張和枯燥等情緒的困擾，增強參與實驗活動的興趣。在實驗設計中動作的制作主要是人物行走及實驗動作的設定，基本的人物動作可以借助于3ds Max的Character Studio來完成。

3 從3DsMax中輸出可用的模型與動作

Virtools Dev 4.0版本提供了3ds Max、Maya、LightWave、XSI四種文件輸出格式轉換插件。導出時，首先把建立在3ds Max中的模型和動畫以NMO格式輸出：輸出場景選擇Export as Objects，其中包括燈光、背景、攝像機、虛擬體等的輸出；Export as a Character可輸出一個帶有動畫的角色模型，在右側的Character Name和Animation Name框中輸入相應的名稱，以使導入Virtools制作交互動作時便于識別；單獨動畫的導出選擇Export Animation Only，只輸出角色的動畫腳本，可以為同一個角色在Virtools中添加不同的動作腳本做準備。

4 將模型導入Virtools進行交互模塊設計

在Virtools軟件中新建一個資源庫，將制作的NMO文件存入資源庫內，將人物模型和場景文件拖放至3D Layout窗口中的相應位置并設置好IC初始值，如圖5所示。

為角色添加動作控制腳本、與實驗室物件碰撞及攝影機跟隨動作的行為模塊。通過拖拽Building Blocks視窗中的Character Controller腳本來載入人物動畫，繼續拖拽鍵盤控制腳本Keyboard Controller、偵測地板屬性腳本Enhanced Character Keep On Floor等行為模組，腳本連接流程如圖6所示。

為虛擬實驗室制作導航圖并設計實驗室自動導引系統，避免學習者在實驗場景中探索時迷航。首先制作整個實驗室布局的二維導航地圖，接著為導航圖添加行為模組，將三維場景的三維坐標轉換為二維坐標（如圖7所示），轉換計算后在二維導航地圖中可隨時準確顯示人物行走的坐標點，然后為整個場景進行角色行走路徑柵格的繪制，最后再通過鼠標檢測模塊的設定來判斷點擊到導航圖的位置，以便將導航圖的二維坐標轉換為三維場景坐標（如圖8所示），從而實現導航圖自動導引系統的功能。

為使實驗者清晰地觀察到陀螺儀定軸性的實驗現象，為陀螺儀的三層圓環分別設定相應的動作及控制參數，學習者通過在三維虛擬實驗場景中對陀螺儀操作，了解到陀螺儀裝置與其定軸性原理，從而產生預期的實驗效果。行為模組程序設定如圖9—圖11所示。

5 虛擬實驗的發布

實驗制作完畢后，點擊右下角的Play/Pause鍵進行測試，測試無誤后使用Create Web Page命令，選擇保存位置，并對顯示窗口大小及網頁標題等進行設置，然后點擊ok將其發布為網頁格式，即可上傳至網絡服務器為虛擬實驗教學系統所用。注意將實驗制作源文件分類保存，供日后充實實驗內容和修改交互腳本之用。

6 虛擬實驗的后期包裝設計與功能擴展

根據需要還可進一步對虛擬實驗進行包裝和美化，如制作學習者登陸界面，包括虛擬學習角色選擇、實驗室操作說明、背景音樂切換、設定視窗大小、幫助等功能按鈕和界面背景的設計，以逐步完善系統功能和增強藝術效果。

根據具體教學需要還可以對虛擬實驗系統功能進行適度擴展，如配合使用SDK、VSL程序語言、Multiuser Server多人在線模塊、SQL數據庫通信、與“沉浸式”虛擬現實硬件的結合等方式擴展虛擬實驗系統的功能與規模。

五 結語

基于3DsMax和Virtools技術的大學物理虛擬實驗教學系統的設計與開發具有真實性、交互性、簡易性等特點，由此開發的大學物理陀螺儀實驗更形象地模擬出陀螺儀裝置的結構與原理，學習者通過在全三維的虛擬實驗場景中自由探索，反復進行實驗操作，從而加強對實驗知識的理解和掌握，增強學習興趣，使實驗教學的效率和效果大大提升。

參考文獻

[1] 李 樂 山. 人 機 界 面 設 計 [M]. 北 京: 科 學 出 版 社，2004:338-339.

[2] 劉明昆.三維游戲設計師寶典Virtools開發工具篇[M].重慶:四川出版集團，四川電子音像出版中心，2005.