基于３ｄｓ Ｍａｘ和Ｖｉｒｔｏｏｌｓ的大學(xué)物理虛擬實驗的設(shè)計與開發(fā)

【摘要】3ds Max與Virtools技術(shù)在教學(xué)中的引入使真正意義上的網(wǎng)絡(luò)三維虛擬實驗室的構(gòu)建成為可能，從網(wǎng)絡(luò)三維虛擬實驗設(shè)計與開發(fā)的限度分析入手，以大學(xué)物理陀螺儀虛擬實驗為例，系統(tǒng)地描述了虛擬實驗中“以學(xué)習(xí)者為本”的策劃設(shè)計理念、實驗功能的簡易設(shè)計實現(xiàn)方式與虛擬實驗的后期包裝設(shè)計等一系列完整的設(shè)計思路與開發(fā)流程。

【關(guān)鍵詞】Virtools技術(shù)；3DsMax；限度分析；陀螺儀；虛擬實驗

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

在網(wǎng)絡(luò)教育教學(xué)中，為了培養(yǎng)學(xué)生的實際動手能力和觀察能力，許多學(xué)科都需要利用現(xiàn)有的資源與技術(shù)條件設(shè)計開發(fā)大量的虛擬實驗。從虛擬現(xiàn)實技術(shù)引入教育教學(xué)領(lǐng)域至今，網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗的設(shè)計與開發(fā)實踐中已涌現(xiàn)出多種多樣的設(shè)計方案，如何選擇一種適用于特定的學(xué)習(xí)者和具體學(xué)科、感官效果與教學(xué)效果均佳的技術(shù)開發(fā)方案的研究具有十分重要的意義。

一 網(wǎng)絡(luò)三維虛擬實驗的限度分析

虛擬現(xiàn)實技術(shù)引入教育教學(xué)領(lǐng)域無疑為網(wǎng)絡(luò)三維虛擬實驗的研究與應(yīng)用開拓了廣闊的空間，而虛擬現(xiàn)實技術(shù)繁多，開發(fā)方式各異，要實現(xiàn)其合理選擇，需要對虛擬實驗中網(wǎng)絡(luò)三維技術(shù)的應(yīng)用限度做具體深入的分析。

1 以提高學(xué)習(xí)者技能、滿足學(xué)習(xí)者認(rèn)知、情感等需要為限度

目前國內(nèi)大多虛擬實驗的設(shè)計是奉行一種“以技術(shù)為本”的設(shè)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(jié)構(gòu)為中心設(shè)計，而很少考慮使技術(shù)適應(yīng)學(xué)習(xí)者的生理與行為特征、心理與情感等需要，運用此思想設(shè)計的虛擬實驗大大制約了學(xué)習(xí)者的創(chuàng)造力和創(chuàng)新思維的培養(yǎng)，不利于學(xué)習(xí)者知識技能的遷移、保持與增長。因此“以學(xué)習(xí)者為本”的設(shè)計思想為虛擬實驗的設(shè)計與開發(fā)提出了新的思路和要求，即以滿足學(xué)習(xí)者的認(rèn)知、情感等需要為設(shè)計的起點與目的，設(shè)計者須在虛擬實驗設(shè)計與開發(fā)過程中自始至終遵循并盡力踐行這一設(shè)計理念，才能使學(xué)習(xí)者成為實驗中真正的主人。

2 以實現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)、滿足教學(xué)需求為限度

目前一些虛擬實驗的研究出現(xiàn)“象牙塔”傾向，即研究中跟隨技術(shù)潮流，開發(fā)的虛擬實驗系統(tǒng)過度地關(guān)注于技術(shù)的前沿與研究縱深度，而非教學(xué)實際應(yīng)用的效果，因此這些系統(tǒng)只能代表當(dāng)前科技及理論研究水平而非教學(xué)一線的實際應(yīng)用水平。鑒于這一研究與應(yīng)用的脫節(jié)現(xiàn)象，虛擬實驗研究與開發(fā)人員應(yīng)進行科學(xué)細(xì)致地實地考察，依據(jù)明確的實驗教學(xué)目標(biāo)，結(jié)合具體的實際教學(xué)狀況進行開發(fā)，從而使研究更具實際應(yīng)用價值并能更大程度地推進實驗教學(xué)研究的進步。

3 以設(shè)計與開發(fā)組的實際人力、物力、財力為限度

由于網(wǎng)絡(luò)三維技術(shù)的復(fù)雜性，加之開發(fā)軟硬件的巨大投入，使虛擬實驗的設(shè)計與開發(fā)成本飆升，如國內(nèi)不少大型虛擬實驗系統(tǒng)的開發(fā)及運行所需費用昂貴，很難在全國范圍內(nèi)普遍推廣，因此其實用價值甚微。網(wǎng)絡(luò)三維虛擬實驗若要在基礎(chǔ)實驗教學(xué)中普遍應(yīng)用，就應(yīng)科學(xué)合理地分配網(wǎng)絡(luò)三維虛擬實驗設(shè)計與開發(fā)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(xué)目標(biāo)的前提下，選擇合適的虛擬現(xiàn)實技術(shù)，以低成本的資源投入來體現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)三維虛擬實驗的實用價值。

4 以易于開發(fā)及系統(tǒng)更新維護為限度

國內(nèi)不少高校都開發(fā)了不同學(xué)科的虛擬實驗系統(tǒng)，但開發(fā)的周期一般較長，虛擬實驗系統(tǒng)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(yīng)用的進一步發(fā)展。因此須以其技術(shù)的易用性與實用性等為前提，設(shè)計出易于開發(fā)并且周期短、系統(tǒng)容易更新維護的技術(shù)開發(fā)方案，才能推動網(wǎng)絡(luò)三維虛擬實驗研究與應(yīng)用的可持續(xù)發(fā)展。

5 以保證系統(tǒng)運行與網(wǎng)絡(luò)傳輸順暢為限度

在網(wǎng)絡(luò)三維虛擬實驗設(shè)計時就應(yīng)充分考慮軟、硬件的運行條件，在保證系統(tǒng)運行與網(wǎng)絡(luò)傳輸順暢的基礎(chǔ)上，最大限度地提高仿真度與精確度，否則如在設(shè)計時片面追求感官效果，虛擬實驗產(chǎn)品的運行過度占用計算機資源，超過軟硬件運行負(fù)荷而影響網(wǎng)絡(luò)的正常傳輸，虛擬實驗的效果往往會適得其反。因此為了達(dá)到較好的預(yù)期實驗效果，設(shè)計與開發(fā)過程中應(yīng)準(zhǔn)確把握這一限度，如不適宜應(yīng)盡快做出調(diào)整。

二 大學(xué)物理虛擬實驗設(shè)計分析

依據(jù)以上對網(wǎng)絡(luò)三維虛擬實驗限度的分析，提出 “以學(xué)習(xí)者為本”的可用性設(shè)計思想，并分析選用3ds Max與Virtools技術(shù)組合進行大學(xué)物理網(wǎng)絡(luò)三維虛擬實驗設(shè)計開發(fā)的優(yōu)勢條件。

1 “以學(xué)習(xí)者為本”的設(shè)計理念

“以學(xué)習(xí)者為本”設(shè)計理念即結(jié)合實驗的目的與預(yù)期實驗效果對學(xué)習(xí)者認(rèn)知與情感特征進行分析，設(shè)計出符合學(xué)習(xí)者心理、認(rèn)知、操作、行為方式等多方面需求的虛擬實驗。

（1） 虛擬實驗應(yīng)符合學(xué)習(xí)者的認(rèn)知、情感、思維特性。依據(jù)特定學(xué)習(xí)者的認(rèn)知經(jīng)驗、情感特點和思維方式設(shè)定具體的實驗任務(wù)，其預(yù)定的行為方式應(yīng)該與學(xué)習(xí)者期望的交流與合作方式一致，即設(shè)計應(yīng)從始至終遵循“以學(xué)習(xí)者為中心”的原則，盡量做到實驗服務(wù)于學(xué)習(xí)者的認(rèn)知、情感、思維等需要，而不是相反。

（2） 虛擬實驗應(yīng)彌補學(xué)習(xí)者行動或心理的缺失。人的知覺、認(rèn)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(jīng)常感到孤獨、無助等，在虛擬實驗中應(yīng)該能夠彌補這些缺失，成為學(xué)習(xí)者真正的學(xué)習(xí)伙伴和得力助手。

2 3ds Max與Virtools技術(shù)組合的選用

從滿足大學(xué)物理網(wǎng)絡(luò)三維虛擬實驗的各項限度出發(fā)，遵循以“學(xué)習(xí)者為本”的設(shè)計理念，選用3ds Max與Virtools技術(shù)組合開發(fā)網(wǎng)絡(luò)三維虛擬實驗環(huán)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(shù)所無法比擬的獨特優(yōu)勢，適合在普通高校實驗教學(xué)中推廣與應(yīng)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(jié)合，利用Multiuser Server、AI Library等相應(yīng)模塊可以簡易地實現(xiàn)人與場景間交互或多人連線的交互設(shè)計，方便地進行人工智能效果的模擬，便于設(shè)定豐富的教學(xué)活動和社會交流活動，滿足虛擬實驗中學(xué)習(xí)者的認(rèn)知、情感等需求。

（2） 在大學(xué)物理虛擬實驗開發(fā)中，利用3ds Max與Virtools技術(shù)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(fù)雜的實驗裝置構(gòu)造、較為抽象的實驗原理、不易觀察的實驗現(xiàn)象，靈活多樣的實驗效果，并可以通過學(xué)習(xí)者自主操作進行實驗設(shè)計等，特別是Virtools中Physics Library模塊能逼真模擬重力、質(zhì)量、力場、物理行為設(shè)定等各種物理屬性，能夠滿足大學(xué)物理學(xué)科不同的實驗?zāi)繕?biāo)與效果的需求。

（3） 3ds Max與Virtools技術(shù)組合的開發(fā)過程簡易，兼容多種媒體文件格式，與其它相關(guān)技術(shù)的通用性強，開發(fā)作品的移植性好等突出優(yōu)點，便于團隊合作開發(fā)進而提高開發(fā)效率，更有利于系統(tǒng)的及時更新與維護，有利于節(jié)省實驗開發(fā)組人力、物力、財力等資源的投入，加之其開發(fā)的產(chǎn)品運行環(huán)境要求不高，所生成的文件占用空間小，可分段下載等優(yōu)點更便于網(wǎng)絡(luò)傳輸，有利于實際教學(xué)的普遍應(yīng)用與推廣，從而有效地聯(lián)結(jié)了學(xué)術(shù)研究與實際教學(xué)應(yīng)用的鴻溝。

三 網(wǎng)絡(luò)三維虛擬實驗開發(fā)流程

通過以上對大學(xué)物理虛擬實驗的設(shè)計分析，以陀螺儀虛擬實驗為例具體闡述運用3DsMax和Virtools技術(shù)開發(fā)虛擬實驗的流程。依據(jù)“以學(xué)習(xí)者為本”的設(shè)計思想，需要全面細(xì)致地分析大學(xué)物理陀螺儀虛擬實驗的目的、原理、學(xué)習(xí)者特征、技術(shù)選用等內(nèi)容，并對虛擬實驗的表現(xiàn)形式、技術(shù)應(yīng)用等功能的實現(xiàn)進行策劃與設(shè)計。

1 陀螺儀實驗分析

三維陀螺（回轉(zhuǎn)儀）的定軸性實驗是關(guān)于角動量守恒原理的應(yīng)用。迅速轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動軸繞著某一固定軸轉(zhuǎn)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(xué)習(xí)者是大學(xué)物理專業(yè)本科學(xué)生，已學(xué)習(xí)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(tài)可以掌握角動量守恒的原理及其應(yīng)用，實現(xiàn)知識技能的遷移。

2 實驗開發(fā)流程規(guī)劃

對實驗詳細(xì)分析之后，對3DsMax和Virtools技術(shù)組合開發(fā)虛擬實驗的一般流程進行策劃與設(shè)計，實驗功能的開發(fā)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(xiàn)

在網(wǎng)絡(luò)三維虛擬實驗情景中，學(xué)習(xí)者化身為虛擬實驗角色，進行模擬陀螺儀操作練習(xí)，并得到相應(yīng)的操作反饋，從而不斷積累經(jīng)驗最終達(dá)到掌握實驗相關(guān)知識的實驗?zāi)繕?biāo)。下面詳細(xì)介紹應(yīng)用3DsMax 和Virtools技術(shù)進行《大學(xué)物理陀螺儀網(wǎng)絡(luò)三維虛擬實驗》開發(fā)的實現(xiàn)過程。

1 利用3DsMax創(chuàng)建3D實驗場景、裝置等模型

虛擬實驗環(huán)境的構(gòu)建首先是模型的構(gòu)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(shè)計如圖2所示，在設(shè)計實驗場景時需考察真實實驗室設(shè)計格局、物品擺放、光線材質(zhì)等各個方面，將真實實驗場景的合理設(shè)計元素吸納到虛擬場景設(shè)計之中，使學(xué)習(xí)者進入實驗室有種身臨其境之感，有利于保持學(xué)習(xí)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(shè)計必不可少，如圖3所示，將實驗所需設(shè)備制作得逼真而富有質(zhì)感，對學(xué)習(xí)者樂于學(xué)習(xí)心理的產(chǎn)生具有一定促進作用。

2 在3DsMax中制作實驗角色及相應(yīng)動畫

網(wǎng)絡(luò)三維技術(shù)不僅可以構(gòu)建資源共享的虛擬世界，而且應(yīng)該構(gòu)建學(xué)習(xí)者體驗共享的情感世界，其中學(xué)習(xí)者可根據(jù)喜好自由選擇參與實驗的角色十分重要，因此實驗設(shè)計者應(yīng)設(shè)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(xué)習(xí)者角色，在設(shè)計角色過程中應(yīng)充分體現(xiàn)其角色特征，使他們符合參與實驗的學(xué)習(xí)者的不同喜好和性格特質(zhì)，由此提供給學(xué)習(xí)者更具有彈性與自主性的虛擬實驗空間，能夠降低學(xué)習(xí)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(shè)計中動作的制作主要是人物行走及實驗動作的設(shè)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(zhuǎn)換插件。導(dǎo)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(cè)的Character Name和Animation Name框中輸入相應(yīng)的名稱，以使導(dǎo)入Virtools制作交互動作時便于識別；單獨動畫的導(dǎo)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(zhǔn)備。

4 將模型導(dǎo)入Virtools進行交互模塊設(shè)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(nèi)，將人物模型和場景文件拖放至3D Layout窗口中的相應(yīng)位置并設(shè)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(xù)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(dǎo)航圖并設(shè)計實驗室自動導(dǎo)引系統(tǒng)，避免學(xué)習(xí)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(dǎo)航地圖，接著為導(dǎo)航圖添加行為模組，將三維場景的三維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為二維坐標(biāo)（如圖7所示），轉(zhuǎn)換計算后在二維導(dǎo)航地圖中可隨時準(zhǔn)確顯示人物行走的坐標(biāo)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(biāo)檢測模塊的設(shè)定來判斷點擊到導(dǎo)航圖的位置，以便將導(dǎo)航圖的二維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為三維場景坐標(biāo)（如圖8所示），從而實現(xiàn)導(dǎo)航圖自動導(dǎo)引系統(tǒng)的功能。

為使實驗者清晰地觀察到陀螺儀定軸性的實驗現(xiàn)象，為陀螺儀的三層圓環(huán)分別設(shè)定相應(yīng)的動作及控制參數(shù)，學(xué)習(xí)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(chǎn)生預(yù)期的實驗效果。行為模組程序設(shè)定如圖9—圖11所示。

5 虛擬實驗的發(fā)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(wǎng)頁標(biāo)題等進行設(shè)置，然后點擊ok將其發(fā)布為網(wǎng)頁格式，即可上傳至網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器為虛擬實驗教學(xué)系統(tǒng)所用。注意將實驗制作源文件分類保存，供日后充實實驗內(nèi)容和修改交互腳本之用。

6 虛擬實驗的后期包裝設(shè)計與功能擴展

根據(jù)需要還可進一步對虛擬實驗進行包裝和美化，如制作學(xué)習(xí)者登陸界面，包括虛擬學(xué)習(xí)角色選擇、實驗室操作說明、背景音樂切換、設(shè)定視窗大小、幫助等功能按鈕和界面背景的設(shè)計，以逐步完善系統(tǒng)功能和增強藝術(shù)效果。

根據(jù)具體教學(xué)需要還可以對虛擬實驗系統(tǒng)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(shù)據(jù)庫通信、與“沉浸式”虛擬現(xiàn)實硬件的結(jié)合等方式擴展虛擬實驗系統(tǒng)的功能與規(guī)模。

五 結(jié)語

基于3DsMax和Virtools技術(shù)的大學(xué)物理虛擬實驗教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)具有真實性、交互性、簡易性等特點，由此開發(fā)的大學(xué)物理陀螺儀實驗更形象地模擬出陀螺儀裝置的結(jié)構(gòu)與原理，學(xué)習(xí)者通過在全三維的虛擬實驗場景中自由探索，反復(fù)進行實驗操作，從而加強對實驗知識的理解和掌握，增強學(xué)習(xí)興趣，使實驗教學(xué)的效率和效果大大提升。

參考文獻(xiàn)

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