基于unity3D的虛擬現實電子積木設計與實現

楊昊冉 申婧 程圖峰 賴豪東 陳杰

摘要：電子積木是以積木形式實現電路組裝的科教型玩具，其較難的電學項目具有相對復雜的空間結構。將虛擬現實技術應用于兒童科學教育過程中，開發兒童電子積木虛擬仿真系統，利用虛擬環境中靈活的觀察視角和動畫演示，能夠解釋復雜電學項目拼裝過程，以生動有趣、易于理解的方式實現以兒童為主要受眾的電路拼裝教學。在該系統中可以使用各類虛擬電子積木組件進行多次拼裝嘗試，能夠培養兒童探索學習的能力，提升學習電路知識的興趣。

關鍵詞：虛擬現實;兒童教育;電子積木

1 背景

電子積木是將導線、燈泡等電子元器件固定在塑料片上，用子母扣做成獨立可拼裝的配件，在安裝底板上像拼積木一樣拼裝電路組合的一種科教型玩具。其說明書中只有一張拼裝完成后的平面圖，對于空間結構較復雜的電路組合，無法給予孩子足夠的指導。利用虛擬現實技術開發虛擬電子積木軟件，能夠在虛擬空間中提供易于兒童理解的，更詳細、準確、直觀的觀察視角，實現有效的拼裝指導，減少體驗過程中的挫敗感，使兒童能更好地獲得動手完成項目的樂趣。本項目以科教玩具產品電子積木為原型，沿用其富有童趣的電學積木單元，在虛擬環境中模擬真實環境中拼裝不同電路實現的物理現象，提供和元件自由拼裝功能和逐過程的拼裝教學動畫。兒童使用此軟件能夠直觀地了解到從簡單到復雜電路的拼裝過程，觀察到電學項目的實現效果，在探究、體驗、發現中學習科學[1]。

2 需求分析

虛擬現實又叫虛擬仿真，放眼世界，虛擬現實教育的概念在2004年被正式提出[2]，因其具有沉浸感、交互性、想象性三大特征，能夠克服傳統教學環境限制，在教育上有著極大潛力[3]。從目前各個虛擬仿真教育平臺和軟件的數量來看，虛擬現實技術多用于高等教育和深層次教育[4-5]，其次是初高中課堂、課外教育，如中學物理電路虛擬實驗室等有關教育教學實驗的仿真軟件，針對兒童的虛擬現實教育平臺和軟件較少，幼教應用主要依托于實體產品，集中在益智玩具市場。

電子積木產品將電路組裝與富有童趣的積木拼接游戲結合，是一種廣受歡迎的寓教于樂玩具，而其受限于實體產品的生產方式，存在難以清晰解釋玩法和原理、單款產品提供的電學元件種類有限等問題，虛擬現實技術能夠在體現真實物理現象的前提下，為這些問題提供相應的解決方案。

3 軟件功能設計

本項目旨在開發出一款能夠給兒童足夠指導并能進行實驗性操作的虛擬仿真教育教學軟件，在能給兒童以足夠清晰的演示步驟的同時也擁有能夠在便攜設備上實現模擬現實操作的功能，主要功能模塊為電學知識科普、自由模式、教程模式。

電學知識科普模式下能夠通過圖片、文字、語音三種方式對兒童進行電學知識普及，包括電子元件介紹、關于電的基礎小知識、安全用電教育和與元件相關的電子知識科普，可以在電子積木游戲之前進行嚴肅的科學教育。兒童可以在自由模式中，自主選擇想要的電子元件，選擇方向和位置進行放置，在此模式下可以自由變換視角，多角度的觀察電子元件的擺放，如果元件放置正確電路正確，關閉開關，會有對應的電學現象產生。教程模式下可以選擇想要學習的電路，然后通過自動播放和分步驟播放兩種形式觀看教程。

4 用戶界面設計

根據兒童身心發展特點[6]，為了使得此軟件能夠適合2-15歲全年齡的兒童使用，用戶界面和虛擬場景的設計中相應地考慮到趣味性、易操作性和容錯性的平衡。整體場景以明亮的色彩營造充滿活力的環境氛圍，以簡單的小玩具作為裝飾性元素，活潑可愛的界面風格充滿童趣，能夠引起兒童使用軟件的興趣。

采用觸摸拖拽完成的直接操作作為主要交互方式，使得缺乏軟件操作經驗的兒童能夠像生活中使用手中物品一樣直接操作所觸碰到的元件，降低軟件使用初期的學習成本，激發兒童的探索欲。對于具備軟件操作經驗的父母來說，在指導孩子時可使用常規的點擊交互模式，此模式下積木擺放操作簡單，搭建過程得到簡化，可以將更多的注意力放在跟孩子的溝通交流上。考慮到容錯性，軟件中除了搭建操作中的撤銷功能外，還在教程等動畫解釋模塊中提供了便捷的分解和回看功能。

5 軟件開發與實現

5.1模型和場景制作

使用maya和blender兩個三維建模軟件完成整體模型制作。首先，對元件進行測量，記錄每種元件的長寬高數據，并拍照記錄其三視圖和配色，然后通過maya和blender軟件完成元件的模型制作，并且根據實際模型賦予模型貼圖，使用燈光渲染進行深度烘焙將深度信息烘焙到模型貼圖，最后通過UV展開技術，將模型和貼圖導出成單一文件，最后導入到Uinty3d中使用。

5.2元件搭建邏輯結構和搭建操作邏輯設計

本項目使用unity2019.2以及visual2019中的.net4.0以上編程環境操作。

1）底盤實現

底盤索引值通過利用一個三維數組來對零件位置信息進行存儲，其中x，y分別存儲零件坐標信息，z存儲零件高度信息，當零件放置時，會基于零件當前高度，零件自身長度、旋轉度，調整底盤格子信息，同時，存儲一個零件放置時，被零件覆蓋的底盤格子信息，方便在零件拿起時還原放置前格子位置。

同時零件自身會儲存相應的索引值，當進行拿起或者放置的操作時，底盤的索引數組將會基于零件高度添加零件自身的索引，例如放置一個3*1的導線時，底盤數組的三個相應格子會增加一個高度，而且放置一個3*3的電池組時候，由于電池部分不再可操作，那么電池部分就為最大高度，而電池組接口處增加一個高度。

2）零件操作

當鼠標選擇工具欄生成需要的零件后，該零件就為選中零件，在pc端，零件處于可移動狀態時，會通過獲取當前鼠標在的屏幕中的坐標，轉化為世界坐標，具體為從mainCamera中發出一根射線，打倒世界中可與此射線碰撞的物體（軟件中的零件底盤），獲取到當前的世界坐標后，將零件位置信息中的x，y變化為此坐標，便可以實現零件移動。在Android端時，當零件處于可移動狀態時，會獲取用戶在屏幕中滑動的滑動向量，同時計算當前攝像機與底盤中心點的夾角值，對零件的位置進行變化。