初中物理凸透鏡成像原理虛擬實驗平臺的設計與開發

師亞媛

（陜西師范大學教育學院，陜西西安710062）

初中物理凸透鏡成像原理虛擬實驗平臺的設計與開發

師亞媛

（陜西師范大學教育學院，陜西西安710062）

隨著虛擬現實技術的發展，實驗教學逐步走向虛擬化，網絡上涌現出許多種類多媒體資源，但大部分是平面化的，其真實感和交互性往往不及三維場景。本文選擇3DMax、VR-Platform作為虛擬實驗平臺的開發工具，主要說明該平臺的開發步驟及其操作過程，希望能夠克服傳統教學的一些限制，更好地培養學生的自主實驗創新能力。

虛擬實驗；虛擬現實技術；3DMax；VR-Platform

一、前言

在現代“以學習者為中心”的教學和學習模式下，實驗教學對培養學習者的研究能力、創新能力等綜合能力都有幫助［1］。在物理學科的教材中，有許多需要進行實驗操作的內容，這也就決定了實驗教學在教學活動中是不可或缺的。通過實驗教學不僅能提高學生對相關物理知識的掌握程度，還能習得新的知識，不斷提高學生的自學能力。有些物理實驗由于各方面條件限制的問題，使得無法實現讓學生親自操作實驗，只能通過課本教材來學習，并對實驗結果或現象進行想象。

現如今，隨著計算機技術的不斷發展，在人們生活的圈子里信息技術的身影已然隨處可見。目前我國開始重視信息技術在教育領域的應用，將其引入到物理實驗教學中也是勢在必行的，而虛擬現實技術的發展就為此提供了契機。利用虛擬現實技術來建設物理虛擬實驗平臺，不僅能夠為學習者創建一個學習、探究甚至創新的平臺，還能提高學習者的學習效率。

本文通過對虛擬實驗平臺現狀及相關理論進行分析研究，以初中物理凸透鏡成像的實驗為例，選擇3Dmax2010、VR-Platform為開發工具，開發出具有交互式的凸透鏡成像虛擬實驗平臺。該平臺以提高學生物理實驗操作能力及加深對相關物理知識的理解為目標，進一步增強初中物理教學的信息化。

二、研究現狀

1．國外研究現狀

在國外隨著虛擬現實技術的發展，虛擬實驗的應用范圍也涉及到了許多行業，特別是在教育領域。以下列舉一些具有代表性的虛擬實驗室：

（1）LAAPhysics（LearnAnytimeAnywherePhysics）物理實驗室［2］

該系統除了一般的模擬仿真實驗器材外，還可以通過其交流功能使學生可以與教師和同學交流討論。學生在該系統中的操作也可以被記錄下來，便于教師能根據學生的不同學習特征來制訂符合其本身的學習計劃。

（2）ModelScience的ModelChemlab實驗室［3］

ModelChemlab是可以模擬仿真化學實驗的虛擬實驗室，在該實驗室中提供逼真的實驗儀器及常見實驗操作功能，我們可以利用該實驗室做像酸堿滴定等常規化學實驗。

（3）ElectricTeachingAssistant實驗室［4］

基本電路教學課程，該課程主要是進行電路實驗，如果我們改變了電路連接方式或者電壓等參數，可以馬上再次得到與之對應的實驗結果。

2.國內研究現狀

計算機技術與網絡技術的發展為實驗平臺和系統的搭建提供了技術支持，虛擬實驗的實踐研究引起了廣泛關注［5］。如，大連理工大學最早采用技術研發的物理化學仿真實驗室，屬于單機版模式，后來采用技術實現了網絡版的仿真實驗室，具有較強的交互能力，便于在網絡中進行傳播［6］；北京師范大學的Evlab系統［7］，能夠讓學生進行電路實驗，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驗已慢慢顯現出它的優勢但同時也存在著許多不足，可以概括為：界面設計不夠美觀簡潔；實驗過程中反饋滯后；軟件操作較難不易上手操作等。為了更好的發揮虛擬實驗的作用，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質量的提高。

三、虛擬現實與虛擬實驗

1．虛擬現實技術

虛擬現實技術（VirtualReality，VR），它是數字圖像處理、多媒體技術、計算機圖形學、人工智能技術等多項技術相互整合關聯和彼此作用而來的，是包含多學科的綜合性技術［8］。它利用計算機模擬仿真了一個立體世界，如同現實世界一般使人感到真實。

虛擬現實最開始的內涵是比較局限的，是指通過利用一些可穿戴的，能夠傳遞人的感應的設備，如立體眼鏡、傳感手套等來實現的一種三維現實。現在，虛擬現實的含義已經有所拓展，包括其他一些能夠模擬現實，產生真實體驗的相關技術和方法。虛擬現實技術逐步成熟，使得虛擬現實在教育中起到了舉足輕重的作用。

2.虛擬實驗

虛擬實驗是指在多媒體技術、虛擬現實技術的支持下創建出類似于在現實中進行實驗操作過程的環境，使用者可以像在實際生活中一樣進行實驗操作并得到相應的實驗結果［9］。

在這個計算機技術的不斷發展的時代，關于虛擬實驗的各種研究也不斷的涌現出來。虛擬實驗的主要特點有：省錢省資源；以學生為主，教師為輔；方法靈活開放。虛擬實驗在教學中的應用主要在虛擬實驗課程和作為傳統實驗的輔助兩方面，例如北京郵電大學關于Linux操作系統的虛擬實驗課程，使得布置虛擬實驗作業與傳統教學相互補。

四、初中物理凸透鏡成像原理三維虛擬實驗的設計

1.需求分析

從目前的情況看，初中物理實驗的教學主要還是在傳統實驗室，某些實驗不易于在現實情境中操作，原因是由于時間，場地，器材短缺等情況的制約，而且傳統的實驗室也無法滿足對學生綜合素質培養的要求。因此，我們要盡可能避免這些弊端做到全面。

本虛擬實驗平臺需求分析如下：

（1）實驗內容分析：在虛擬實驗中我們要明確在實驗過程中的重難點，緊扣教材內容明確教學要達到的目的。

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

（3）系統功能分析：需要實現哪些功能，學生能進行哪些交互來習得知識。

（4）技術支持分析：開發軟件必備技術和技能。

此外，目前市場上關于初中物理虛擬實驗教學的相關資源較少，大部分都是針對大學物理的，而且在這些數量有限的相關資源中，也有著界面不清晰美觀，模擬真實性不高，實現較難等問題，無法達到使學生進行自主學習等要求。因此該凸透鏡成像原理虛擬實驗應該具備的功能有：能使學生進行自主探究；操作自然互動良好；各方面模擬準確。

2.凸透鏡成像原理虛擬實驗功能模塊和工作流程設計

（1）凸透鏡成像原理虛擬實驗功能模塊設計

本虛擬實驗平臺的功能主要有以下4個功能：

1）實驗幫助，如何進行軟件操作，例如如何選擇、移動物體等；

2）實驗開始，學習者根據自己的學習需求來進行實驗；

3）實驗演示，播放該實驗完整動畫，包括過程和現象；

4）退出實驗，關閉軟件。

（2）凸透鏡成像原理虛擬實驗工作流程設計

圖1　工作流程設計

如圖1所示，是該虛擬實驗平臺工作流程的設計圖，進入主界面后選擇相應按鈕部分來進行操作。

五、初中物理凸透鏡成像原理三維虛擬實驗的實現

1.凸透鏡成像原理虛擬實驗開發流程

建立三維場景及實驗動畫制作使用的是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VirtualRealityPlatform（簡稱VRPlatform或VRP）即虛擬現實平臺，主要是用來進行交互設計，需要將三維模型導入該軟件，利用軟件提供的相機、腳本等完成相關功能的實現［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：創建三維模型并賦予材質

圖2　整體實驗建模圖

實驗中相關實驗儀器建模圖如圖2所示。不同的模型其表面材質不同，我們需要給其賦予不同的材質，使其與實際相符。筆者們以實驗器材中的木板和蠟燭為例，敘述其賦予材質的過程。

給蠟燭賦予材質，點擊蠟燭模型，打開材質編輯器，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/貼圖瀏覽器”中選擇“光線跟蹤”，在光線跟蹤基本參數卷展欄中，相關參數為設置“漫反射”的顏色為白色，將“高光級別”設置為75，將“光澤度”設置為25，然后展開擴展卷展欄，將“特殊效果”選項區域中的“附加光”、“半透明”、“熒光”選項的顏色全設置為RGB（170、0、0）。

給木板賦予材質，同樣需要打開材質編輯器，在展示球屬性的“主要材質參數”下，選擇“顏色”，在出現的“材質/貼圖瀏覽器”中選擇位圖，再選擇要賦予的材質圖片，單擊“確定”。此時已經將木紋的材質圖片賦于木板模型，但是木紋圖片在模型表面的鋪設是不自然的，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”，調整相關參數，使材質貼圖銜接沒有接縫口而使模型比較真實。

其余三維模型的材質賦予過程也類似以上步驟。

第二步：組合三維實驗場景

實驗儀器模型建好后需要進行整合，使其形成一個完整的實驗場景，以便導入VRP中。這里就來組合成凸透鏡成像實驗場景。

1）選擇其中一個文件為主文件。然后單擊菜單開頭圖標選中“導入”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、“縮放”等工具，來調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。

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

圖3　形成的三維場景模型

（2）制作實驗動畫

本小節中我們主要來說明的是演示實驗動畫的制作過程。凸透鏡成像實驗演示動畫是通過創建關鍵幀動畫來實現的。重點制作步驟為：

1）單擊右下方【時間配置】按鈕，將結束時間改為800即可。

2）選中蠟燭物體，單擊下方的【設置關鍵點】按鈕，再單擊一下鑰匙樣式的按鈕，把時間軸光標移動到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）來進行，此時是從100幀開始設置關鍵點。

4）后續繼續分別制作蠟燭和紙屏移動的效果即可完成動畫。

動畫需要做出的實驗現象為如圖4所示：當u＞2f，f＜v＜2f時，實驗現象為所成像為倒立的縮小的實像；當f＜u＜2f，v＞2f時，實驗現象為所成像為倒立的放大的實像；當u＜f，v＞f時，實驗想象為所成像為正立的放大的虛像，物像同側。

圖4　實驗現象

（3）實驗場景導入VRP編輯器

以上步驟完成后，需要把場景模型導入到VRP編輯器中。在3DMax2010中，單擊右側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】按鈕將其導入VRP編輯器中。注意如果此時貼圖出現問題可以按照提示來修改設置重新烘焙后再導出。

（4）實驗界面的制作及實驗交互功能的實現

把所需的場景模型導入VRP后，開始制作整個平臺的實驗界面。

首先，處理圖片。在Photoshop軟件中進行圖片處理，將界面右側的菜單欄圖片、左上角的標題圖片、按鈕圖片設計保存。

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

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

根據以上步驟將實驗界面的整體布局做好，如圖5所示。

圖5　實驗界面

（5）腳本設計

界面做好后，我們需要通過腳本語言來實現一些交互功能，完善平臺功能，主要按鈕的腳本如下：

實驗演示按鈕腳本如下：

創建懸浮窗口，演示，0/0/640/480，0

設置懸浮窗口內容，演示，F:3dmaxsucai utoujing.swf

設置懸浮窗口邊框，演示，1

顯示懸浮窗口，演示，1

實驗開始按鈕腳本為：

重新開始

退出實驗按鈕腳本為：

關閉程序，1，是否確定退出

環視實驗器材腳本為：

切換物體的狀態值，環視相機動畫

#比較物體的狀態值，環視相機動畫，1

時間軸播放，Timer0

#否則

時間軸播放，Timer0

#結束

u＞2f，f＜v＜2f按鈕腳本為：

切換物體的狀態值，移動一

#比較物體的狀態值，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

#結束

f＜u＜2f，v＞2f按鈕及u＜f，v＞f按鈕的腳本同u＞2f，f＜v＜2f按鈕腳本的編寫基本相同。其他的一些交互功能還可以根據VRP本身自帶的快捷鍵來進行交互。

（6）發布實驗文件

VRP的發布輸出非常方便、靈活。單擊“文件”，選擇“編譯獨立執行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。如果想要發布在互聯網上在線瀏覽交互，則選擇“輸出為可網絡發布的Vipie文件”。

2．凸透鏡成像原理虛擬實驗操作流程

學習者首先進入平臺的主界面，可以由自己的學習掌握程度，選擇相應的按鈕模塊進行操作如圖6。如果在平臺使用中有操作疑問可以查看實驗幫助。做完實驗后，可退出實驗室。

圖6　操作流程

六、總結

本文希望借由該虛擬實驗平臺的設計和開發，能夠發現有利于物理實驗教學的較好方法。然而，由于本人的技術能力，該平臺還有一些遺憾之處，平臺實現的功能比較有限，無法實現實驗報告生成功能，拖動實驗器材等，有待后續繼續完善，今后也會不斷提高自身能力。在未來的物理實驗教學中，相信虛擬現實會更好的發揮它的作用，更好的促進教學活動的開展。

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（編輯：楊馥紅）

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1673-8454（2016）11-0088-05