基于3D的大學物理實驗演播系統的設計

錢相呈

摘 要 隨著科學技術的不斷發展，虛擬現實技術在越來越多的領域得到廣泛的認可和應用。本文以大學物理實驗演播廳展示為例，使用3D MAX創作基本的模型、動畫及相應材質貼圖的使用，利用VRP實現模型和動畫的導出及相關交互實驗操作的設計方法。虛擬物理實驗演播系統的設計能有利于學生更加直觀地理解物理現象，加強學生的動手能力和實踐能力，也是物理教學中必不可少的重要環節。

關鍵詞 三維模型 物理實驗 演播演示

0引言

大學物理實驗是物理學教學內容的一個重要的組成部分，其目標是讓學生通過實際操作來驗證學過的物理知識，更重要的是培養學生動手能力，分析問題，觀察問題，發現問題的能力，對學生的創新思維和創新能力都有所提升。但目前多數學校普遍存在物理儀器不足，設備老化，還有一些危險性試驗無法給學生感性的認識。本文設計的虛擬大學物理實驗演播系統是以3dMax和VRP為基礎設計開發，能夠構建具有強交互性、沉浸性和多感知性的虛擬實驗教學平臺，從根本上解決學校物理實驗中現存的問題，讓學生在計算機上操作實驗，從中驗證物理理論，獲取知識，提高學生的創新能力。進而幫助學生熟悉實驗器材，掌握實驗步驟，形成正確概念，真正提高學生的動手研究能力、實踐能力、創新意識等綜合科學素質，這種體驗式學習更加受到社會各界的喜歡。

1模型的搭建和動畫制作

3D模型可以說是利用三維軟件建造的三維立體空間效果的模型，具有直觀、立體感和透視感，包括各種建筑、人物、植被、機械等等。其搭建需要用到一層層的拖拽、調整、變形，本文以電磁驅動演示實驗場景模型的制作為例，首先需要搭建一個桌子模型，這便用到了擴展基本體中的切角長方體命令，通過設置圓角分段與圓角度來使邊緣圓滑，這樣便通過5個不同尺寸的切角長方體來搭建桌子模型。學生電源模型因包含大量小型按鈕與刻度，且模型較不規則，因此需要用到布爾、放樣、貼圖等技術。在使用切角長方體建出規則模型之后，再使用布爾差集做出需要的形狀。在導線的制作時，由于圓柱體彎曲較為不靈活，因此選擇了放樣操作。首先將導線要連接的兩端用樣條線連接起來。為了使導線彎曲自然，我在連接樣條線的時候選擇初始類型為角點，拖動類型為平滑，這樣新建出的樣條線就比較平滑自然，然后通過移動點來使導線更加自然柔軟，再新建一個半徑較小的圓，通過放樣做出導線模型。在模型及貼圖全部都完成之后，便是動畫的制作，3D MAX中動畫分為剛體動畫和柔體動畫。最基本的動畫操作是對對象進行移動、旋轉和縮放，可以用動畫控制器來控制，即剛體動畫；物體自身的造型也可以設置成動畫，用為對象添加的各種變形修改器來控制，即柔體動畫。

2模型動畫的導出及交互的實現

模型與動畫全部制作完成之后便是將其導入VRP，在導入之前，首先要將包含剛體動畫的模型成集并命名為vrp_rigid，這樣，才能將剛體動畫導入VRP。因為把 3ds max 中的模型導入到 VR-Platform 平臺中時，不能將光景信息直接帶入，需要把 3ds max 中物體的光影以貼圖的方式帶到 VRP 中，才能產生真實感。所以在材質部分需首先將貼圖烘焙，這樣才能保證貼圖順利導入VRP且顯示準確。如圖1所示。

在導入VRP之后，首先進入首頁面，點擊演示實驗后通過顯示隱藏控件進入全部演示實驗界面。點擊其中某一個實驗即可進入該實驗高級界面，以電磁驅動為例，在這一部分用到的腳本主要為顯示隱藏控件、顯示隱藏對話框。如圖2所示。

在簡介按鈕通過鼠標移入與鼠標移出腳本來控制靜態圖片控件的顯示與隱藏，實現當鼠標滑過簡介按鈕時，自動彈出關于電磁驅動實驗的介紹，使得學生學習更加方便。點擊開始演示按鈕后通過轉換相機與顯示隱藏控件、對話框正式進入實驗界面。在此界面點擊電磁驅動綠色開關便可觀看此演示實驗。

3結語

虛擬物理實驗演播系統的使用，在一定程度上可以彌補傳統物理實驗教學的缺陷，可以方便學生打破時間和空間的限制，可以自主地進行實驗設計，培養學生的動手能力和創新意識。在實驗設備的保護方面，也可以起到讓學生熟悉儀器和練手的作用，防止學生因不熟悉實驗儀器及實驗流程而造成的設備損壞，由于物理實驗儀器大多比較精密且昂貴，因此本項目也大大減少了不必要的損失，能夠更好地保護實驗儀器。

（通迅作者：李冰）

參考文獻

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