基于Box2D引擎的物理仿真課件設計與實現
——以“測量平均速度”為例

胡 海 王 芳

(黃石市第九中學 湖北 黃石 435000)

1 引言

模擬仿真課件是指利用計算機建模和仿真技術來表現某些系統的結構和動態，為學生提供一種可供他們體驗和觀測的環境，產生各種與現實世界相類似的現象，供學生觀察，幫助學生認識和理解這些規律與現象的本質．具有形象直觀、經濟安全、不受條件限制、控制事物的變化速度等特征，能夠激發學生的學習動機，控制學習情境的復雜度和逼真度，有一定的時效性．而物理是一門以觀察、實驗為基礎的學科，由于客觀條件的限制，理想實驗環境的搭建存在一定的局限性，使實驗效果與預期存在較大的誤差或難以實現，實驗數據的獲取和處理也會影響結果的分析．利用計算機仿真技術來模擬虛擬儀器和實驗平臺等實驗環境，演示實驗過程，并給學生用自然的交互手段進行實驗操作，按照真實實驗的邏輯，得出實驗結果，克服實際操作中同步同時帶來的困難和數據獲取的即時性、有效性，利用計算機強大的建模和數據分析能力，將事物進行模型化分析，揭示一定數量關系或變化規律，有助于學生對規律的深刻認識，提高物理核心素養，有效解決學習的難點，可以代替或補充傳統的實驗手段．

下面以八年級物理“測量平均速度”為例，結合Box2D引擎，闡述此類仿真課件的設計思想和實現方法．

2 Box2D引擎概述

在物理教學或學生學習活動過程中，絕大部分內容都是以2D平面模型為基礎向學生傳達知識的，旨在引導和培養學生從抽象中建立精準物理模型的思維習慣．Box2D是一個開源、輕量級、高性能的二維物理仿真引擎，可用來模擬2D剛體(類似于物體)的運動和碰撞，結合語言工具，非常適合用來開發中學物理仿真課件，提高制作效率．該引擎集成了大量的物理力學和運動學的計算，將物理模擬過程封裝到類對象中，將對物體的操作以簡單友好的接口提供給開發者，物體具有質量、體積、密度、摩擦因子等物理屬性，開發時只需要調用引擎中相應的對象或方法就可以模擬現實生活中的加速、減速、拋物線運動、萬有引力、碰撞反彈等等各種真實的物理運動．廣泛應用于PC，Web(HTML5)，iOS，Android等平臺的物理游戲開發中(例如游戲《憤怒的小鳥》)，并被廣大的開發者們轉譯成C#，Java，JavaScript，ActionScript3.0(以下簡稱AS3)等多個語言版本．開發工具使用AnimateCC(原名Flash)，是一種集動畫創作與應用程序開發于一身的創作軟件，擁有較多的使用人群，使用面向對象的編程語言AS3，為創建富媒體數字動畫、高級交互式Web站點、桌面應用程序以及手機應用程序開發提供了功能全面的創作和編輯環境．將課件編譯成獨立運行的微件，碎片化處理，使用靈活，便于在網絡、電子白板等其他教學工具上進行傳播學習，還可以發布為Android應用程序在手機或平板上學習．

3 仿真模擬課件設計概述

3.1 設計思想和功能要求

課件設計思想是把解決學習問題放在第一位，突出重點，解決教學或學習中的難點問題、關鍵問題，提高學生學習的主動性和探究能力，能滿足教師教學演示和學生自主學習的需求．在課件結構上，采用模塊化思想，變“線性結構”為“非線性結構”，增強課件的交互性和操作的人性化，使課件能夠根據教與學的需要隨意調度．學習策略上注重“歸納”和“演繹”的思維方法．界面設計盡量簡潔，突出主體．以“測平均速度”為例，課件能夠實現實驗器材的使用、實驗平臺的搭建、實驗數據的采集與分析、課后練習與鞏固等．因此具備以下5個功能：

(1)交互模擬各類物理儀器的使用和實驗平臺的搭建；

(2)模擬呈現真實的物理運動和碰撞；

(3)自然的人機交互能力，真實模擬實驗操作過程；

(4)實時獲取相關數據和較強的可視化分析能力，便于歸納得出實驗結論；

(5)通過教師引導，創造性安排課后拓展實驗練習，鞏固所學知識．

3.2 課件框架

課件分為基礎知識準備部分、情景導入生活中的物理模型、實驗平臺搭建和調試、實時模擬仿真探究、數據記錄與分析、運動可視化分析和課后練習鞏固等7部分,結構圖如圖1所示．課件內的部分物件采用Animate矢量繪圖功能進行建模，物理運動和碰撞等環境則采用引擎仿真技術進行建模，其他部分利用AS3的面向對象編程思想，制作成類，便于后續調度使用，整個課件為非線性結構，菜單設計簡潔，按需調用或隱藏，教學靈活，適合不同的教學演示和自主探究，展現其獨有的教學風格和思想，具有一定的開放性．

圖1 “測量平均速度課件”仿真課件功能結構圖

4 仿真課件的實現

仿真課件的開發遵循軟件開發的一般步驟，依次是需求分析、設計、開發、測試、修改反復直至最后正式發布，仿真課件的制作目標是構建一個虛擬逼真的物理環境，其主要開發流程分為物件類的創建、二維平面的建模和場景交互三大部分．其中物件類的建模由AnimateCC結合AS3語言創建，二維平面物理模型由Box2D AS3版物理引擎創建，并導入先前創建的其他類以備調用，場景交互利用鼠標、鍵盤、幀頻和時間類事件進行代碼編寫完成，最后進行貼圖和反復調試等．

4.1 物件類創建

根據課件需求，需要用到的物件有刻度尺、停表、數據表格和坐標系等，分別命名為Ruler.as，StopWatch.as，vTable.as和Axis.as類，此類物件不需要物理引擎，直接在AnimateCC中編寫代碼進行數學建模．類文件應該具有良好的類方法和屬性，便于在導入類時對其進行操作和設置．

Ruler類用于創建刻度尺．能初始化其分度值和量程屬性，通過添加鼠標事件，可實現刻度尺隨意拖動和旋轉的功能．

StopWatch類用于創建停表．具有獲取分鐘、秒鐘、啟動或暫停、復位時間的方法，目的是后期開發時，能夠通過調用相應的方法協同物體運動工作．給按鈕添加鼠標事件實現交互，實現獨立使用．為增加可玩性，還給分針和秒針添加鼠標拖動旋轉事件，手動調時和隨機時間等．

創建Ruler和StopWatch實例，結合xml，xmlList類隨機讀取外部圖片的物體信息，模擬測量物體的長度填入文本框，用鼠標將停表調到隨機指定的時間，完成課前基礎知識準備模塊的制作，系統自動判斷結果，類似于許多網站中的驗證碼功能，正確便可進入主課程界面的學習．

vTable類用于制作實驗數據記錄表格．將測量數據填入相應的文本框，利用鍵盤輸入事件對數據進行校驗，限制只能輸入精確到兩位小數的數字(刻度尺要進行估讀的學習要求)，速度根據需要自動計算結果．

Axis類用于創建坐標系．屬性有橫軸長度、縱軸長度、橫軸刻度、縱軸刻度、橫縱軸標注等，方法有繪制坐標點、依點連線、點線顏色、是否網格等，用于可視化圖像分析路程與時間變化．

4.2 場景模型搭建

(1)引擎使用的尺度單位是米，需定義像素轉換常量；

(2)定義重力向量和剛體的睡眠狀態；

(3)創建b2World物理世界對象；

(4)添加幀頻或計數器事件，刷新世界讓引擎運動起來；

(5)調試視圖渲染剛體．

主要代碼如下：

import Box2D.*；//導入Box2D相關類

const pixTometer: Number = 30;//定義像素-米轉換常量

var world: b2World = new b2World(new b2Vec2(0, 10), true);//定義重力并創建世界

羅扎諾夫在《陀思妥耶夫斯基的一個卓越想法》(Одна из замичательных идей Достоевского)一文中評論了《地下室手記》中提出的思想，提出了“瘙癢”的觀念或想法：

stage.addEventListener(Event.ENTER_FRAME, updateWorld); //幀頻事件更新世界

var debugSprite = new Sprite();

addChild(debugSprite);//添加渲染精靈

var debug: b2DebugDraw = new b2DebugDraw();

debug.SetSprite(debugSprite);//顯示繪制剛體

world.SetDebugDraw(debug);

世界創建好后，便可以向世界添加創建剛體，構建模擬實驗平臺．根據實驗需求，需要創建的靜態剛體有方形地面、三角形斜面、方形靜態擋板和Box墻面．其中斜面通過鼠標事件可調整高度和傾角，斜面上的擋板可自動調整位置和角度；墻面的作用是防止誤操作時使動態物體逃逸實驗平臺；單擊靜態擋板可使動態物體初速度為零，在重力作用下自由運動和碰撞．

需要創建的動態剛體有圓形小球、小車、動態擋板，這是實驗研究的主要對象．其中小車的創建使用到b2RevoluteJoint旋轉關節，將兩個圓形動態剛體約束到方形動態剛體上，構建模擬真實的小車；動態擋板剛體添加鼠標事件可進行拖動設置，作用是使物體運動結束，結合Sound類導入外部音頻資源，可模擬物理碰撞的聲音，聲臨其境．

同時設置各種剛體的初始位置、動/靜態屬性、夾具形狀、密度、摩擦因子、碰撞彈性恢復系數和約束關節屬性、運動阻尼、是否睡眠等，提高引擎運行效能．后期利用自定義屬性對這些物體進行貼圖美化，達到良好的視覺效果．未貼圖效果如圖2所示.

圖2 “測量平均速度”仿真課件主界面

4.3 交互功能實現

交互性是衡量仿真課件的一個重要指標．上述每個物件有其自身交互功能之外，在整個課件系統中，為完成特定的教學目標和功能，還具有其他可操作功能，接近自然的人機交互能力，還能夠協同工作，這得益于AnimateCC強大的事件處理能力．例如，小球、小車、擋板可隨鼠標拖動，物理模擬仿真關節，刻度尺和停表自帶的交互功能進行長度和時間的測量練習等．單擊鼠標撤去擋板，物體即可運動，同時停表即可開始記錄，協同操作，解決實際操作過程中不能同時操作的現象，影響實驗效果．另外，可視化數據分析能力可實時將時間和路程數據顯示在坐標系中，頻閃攝影通過繪圖函數在幀頻事件中按固定時間顯示繪制物體所在的位置，展現其軌跡，可視化分析物體的運動特征．

界面交互是非仿真部分，設計則較為簡潔易用，只需單擊復選框達到顯示或隱藏的功能，平行化設計．

5 結束語

Box2D 是一個非常優秀的 2D 開源物理引擎，大大降低了仿真課件的制作難度和復雜程度，結合AnimateCC高效的生產力工具，可以制作出優異的物理仿真課件，盡管Flash插件被許多平臺所限制，但在教育群體中被許多教師所使用，也很容易轉移到其他平臺繼續開發．在教學中，利用課件進行建模和數據可視化分析,培養學生的科學思維，自然的人機交互操作進行科學探究，使學生形成正確的物理觀念和科學態度,提高物理核心素養．如果將課件通過網絡發放給學生，安排一定的實驗練習(例如測量小球從斜面下滑的平均速度、小球自由落體的平均速度、指定斜面的傾角測出小車下滑的平均速度等)，將課堂進行擴展延伸，打破時間和空間的限制，促進課堂教學的深層次改革，更有利于培養學生的創新能力．通過實踐教學發現，學生也非常喜歡．仿真技術提供生動、逼真的物理模擬平臺，解決了學習過程中的實驗操作難點，實現了“以教促學”的教學方式向“以學生為主體”“學生自主探究學習”方式轉變，在提高課程核心素養中發揮著越來越重要的作用．