基于AR技术的虚拟物理实验研究与开发

来源:用户上传      作者:成超悦 刘佳 郑靖轩 赵旭 李克凡

　　摘要：传统中学实验教学中，由于实验现象过于抽象、实验仪器昂贵、操作复杂等原因，学生们很难直观的掌握其物理现象与原理。对此，基于Solidworks、3DS max、Unity3D等软件，建立中学各个实验的立体模型，并制作实验过程中的动画效果。将AR技术与传统实验教学相结合，解决传统实验教学存在的实验设备不全、实验环境受限、实验过程缺乏创造性等问题，对培养学生自主探究、创新思维，提高学生综合素质具有重要意义。
　　关键词：中学实验;AR虚拟;三维模型;Solidworks
　　中图分类号：TP391 文献标识码：A
　　文章编号：1009-3044（2020）05-0211-02
　　开放科学（资源服务）标识码（OSID）：
　　1 概述
　　在我国传统物理实验教学中，由于实验现象过于抽象、实验仪器昂贵、操作复杂、实验变量控制不易、實验周期较长等原因，学生们很难清晰明了的理解实验现象与原理。尤其在我国偏远山区和部分经济发展较低的乡村地区，教学设施落后，学生在学习物理实验时只能自己想象整个实验过程。
　　为了学生的全面发展，同时能够更好地达到实验教程的目的。对此，基于Solidworks、3DS max、Unity3D等软件，建立中学各个实验的立体模型，并制作出实验过程中的动画效果，设计开发一款手机端AR物理仿真实验室APP，应用手机端APP扫一扫中学课本上物理实验图片实现虚拟物理实验过程。
　　将AR技术与传统实验教学相结合，它能有效地改善传统教学中实验“老师难教、学生难理解”的现状，解决传统实验教学中存在的诸多问题：实验设备不齐全、实验环境受限、等问题，对培养学生自主探究、创新思维，提高学生综合素质具有重要意义[1]。
　　2 传统实验与虚拟实验的对比
　　传统中学实验一般是教师在课堂上通过操作演示让学生看的实验，通过演示指导学生对演示的实验现象观察和分析。学生通过观察实验现象和老师引导分析问题，学生能更深刻地理解物理概念和规律。但演示实验最重要的一点，是必须具有一定的可见度，要求保证所有学生均能清晰明了的观察实验现象。传统演示实验中绝大多数实验由于有些仪器尺寸不够大，演示现象的变化量很微弱等原因，往往后面的学生看不清实验现象。
　　传统实验的优点在于：
　　1）真实试验能给学生“真实感”，大量的数据结果也只能通过真实实验才能得到。实验可以增强学生的直观感，便于理解实验中抽象的概念，使学生增加对实验的兴趣。
　　2）在学生动手操作的过程中，会遇到现实生活中可能遇到的问题，通过采取相应措施并解决，在以后实际中遇到这类问题时，便于解决。
　　3）实验前教师准备好实验器材、调试好仪器设备，一般还要对实验步骤进行详细讲解，甚至操作示范。实验教材也将实验原理、步骤甚至某些实验现象等写得一清二楚，使学生清楚明白实验的全过程及其中注意事项[2]。
　　传统实验的缺点在于：
　　1）有一些实验教师不便演示，如：汽车拐弯时摩擦力的方向、火车拐弯时所需的向心力、电流的形成、电子的跃迁等等。
　　2）有些实验耗时长，教学实验时间不够，演示实验得不到理想中的效果，如：布朗运动的模拟实验。
　　3）有些实验效果不易观察，如：波动相位仪演示模拟波的传播f时间太短，演示过程无法观察波的周期、相位变化）、打点计时器测量加速度（演示过程太快无法观察某一特定的运动状态）[3]。
　　3 虚拟实验
　　虚拟实验是一个建立在虚拟的实验环境（平台仿真）之上，注重的是实验操作的交互性和实验结果的仿真性。虚拟实验的效果就在于能与现实结合，通过实验来完成我们生活中不方便完成的实验现象。
　　虚拟实验的优势在于：
　　1）提升教学效果。三维立体的表现形式让抽象的实验过程逼真的演示出来，教师可以结合实际的教学需求，最大限度地发挥出虚拟元器件资源的优势，提升教学效果。
　　2）完成不可能的实验。帮助教师进行课堂实验演示。如受客观条件影响较大的实验、实验周期较长的实验、实验结果不易观察的实验，可以安全、直观的展示出来。
　　3）增强课堂趣味性：借助对多媒体（音频、视频、图像）技术、虚拟仿真技术、传感技术、输入输出技术构建了一种虚拟的实验教学环境，使学习者有置身其中的感觉，能够实现互动实验教学。
　　4）方便高效的教学辅助工具：各种大小实验应有尽有，且无器材损耗，和实验室零距离，随时随地都可进行实验。
　　虚拟实验的不足在于：
　　1）实验真实感不强，键盘和鼠标无法带给学生真实的感觉。
　　2）虚拟实验是人们根据真实实验利用计算机语言编写出来的，人的认知范围决定实验的仿真程度，模拟不了现实中随机遇到的问题。
　　3）虚拟实验系统自身的局限性限制了学生的活动空间，学生不能很好地根据已有的经验进行综合应用。
　　4 基于手机端的AR虚拟实验室开发
　　传统实验与虚拟实验都有其的优越性与不足之处，基于这两种教学模式的改进，提出一种新的教学方案：在教学上，仍运用传统教学方案，教师在课前对实验步骤和注意事项进行详细的讲解;在演示实验环节，学生通过手机端扫一扫教材图片进入该实验的视频，全面观察到实验的详细过程。
　　4.1 所应用的软件
　　本项目中的3D初始建模使用了SolidWorks中的3D实体建模功能。使用Solidworks建模，可以加快设计开发和出详图的速度，改进直观显示和交流，消除设计干涉问题，检查设计功能和性能（减少样机的生产）[4]。
　　项目中的模型渲染及格式转换使用了3DSmax。3DSmax是基于PC系统的三维动画渲染和制作软件，广泛应用于广告、影视、工业设计、建筑设计、三维动画、多媒体制作、游戏、辅助教学以及工程可视化等领域[5]。安装插件（plugins）可提供3DS Max所没有的功能以及增强原本的功能，强大的角色（Character）动画制作能力，可堆叠的建模步骤，使制作模型有非常大的弹性。 　　项目开发手机APP使用了Unity3D。Unity3D是可创建诸多类型互动内容的多平台的综合型游戏开发工具，同时整合了AR开发插件-Vuforia，支持Java Script、C#、Boo脚本语言[6]。
　　4.2 项目中的实验
　　1）物理实验：从初中和高中的教材出发为中学课程中所必学的实验，现阶段选出如下实验：测量物体运动速度、测量水平运动物体所受的滑动摩擦力、测量固体和液体的密度、探究浮力大小与哪些因素有关、探究杠杆平衡条件、探究水沸腾与时间的关系、探究光的反射规律、探究平面镜成像与物的关系、探究凹凸镜成像的规律、连接简单的串并联电路、探究电流与电压电阻的关系、探究通电螺线管的外部磁场、探究物体在磁场中运动时产生的感应电流、测量小灯泡的电功率。
　　2）化学实验：从初中和高中的教材出发为中学课程中所必学的实验。（现阶段以物理实验为主，后期补充化学实验。）
　　3）大学工程制图：从大学简明工程制图人手，进而深入研究。（现阶段以物理实验为主，后期补充化学实验。）
　　4.3 项目制作流程
　　1）根据教材中的已有的实验进行挑选，选出较为经典、不易理解的实验，根据教材中实验的图片，想象出实验仪器的立体模型并进行分解。在Solidworks的界面中首先画出一个实验仪器的草图，进行尺寸标注，将其拉缩成为一个立体，再进行旋转切割等操作，最终做成一个实验仪器的立体模型。以此类推，做出每一个实验仪器的模型。在这一阶段，主要是挑选出图片并进行模型的建立。
　　2）根据（1）中建立的模型，将其导入3DS max，进行模型颜色的选择、渲染以及简单的旋转等动作使得整个模型更加鲜活;学生可以手动来旋转实验的部位，以此更加了解实验的过程。在这一阶段，主要使得模型更加形象具体。
　　3）将建立好的模型导入Unity3D中，让其固定一个轴，做出整个实验的动画效果并将重难点标出;并且可以通过人手来旋转实验各个方位，学生可以更为方便的了解实验的全部过程，知道易错点，在这一阶段，主要制作实验的整个动画效果。
　　4）制作一个数据库，将所做的全部实验保存;研发一款手机端APP，用于“扫”出课本中的图片。扫一扫课本中实验的图片，手机上即可显示出该实验的动画（模型可以进行任意旋转、放大等操作）。易于操作且简单明了。单独建立一个反馈区，用户可以在此提出意见，APP将不断改进。
　　4.4 AR实验案例
　　在“观察磁场对通电线圈的作用”一实验中，建立各个实验的器材，组合，导入3DS max，进行渲染。对其顏色、材质、简单旋转动作进行命令;接着导人Unity3D，将其制作成动画，导人数据库保存。图1为截取动画的一张静态图。
　　三维较于二维，有其优越性，在传统教材下，学生只能通过老师的讲解来理解实验，这是非常困难的。将其制作成动画，可以非常方便、直观地看出实验过程。如在本实验中，可以清楚地看到通电线圈平面与磁感线的位置变化，方便学生理解重点及难点;可以手动对实验的局部进行放大或缩小，以及旋转的动作，使学生更加方便理解实验。
　　5 结论
　　这种半虚拟的教学模式，有效地解决了传统实验中学生由于实验现象过于抽象，操作复杂、实验变量控制不易、实验周期较长、实验仪器昂贵而不能全面参与的困境;将中学教材中的实验通过3D导入动画，制作动画效果，学生在使用时，只需运用手机扫一扫教材图片即可;操作简单易懂，实验过程清晰明了，所需材料一部手机即可——既可以解决传统教学实验中的问题，又不需要投入过大，建立虚拟实验室。设计的手机端AR物理仿真实验室APP，有效的将AR技术与传统实验教学相结合，改善了传统教学中实验“老师难教、学生难理解”的现状。
　　参考文献：
　　[1]余建平，付佳.虚拟仿真与传统实验教学的结合[J].新教育时代电子杂志，2016（32）：18-19.
　　[2]鸟大琨，耿完祯，赵海发，等.虚拟实验与传统实验在教学中的优势互补[Al.2008年全国高等学校物理基础课程教育学术研讨会论文集[C].北京：中国物理学会教学委员会高校分委员会，2008：94-97.
　　[3]努娜，莫日根，传统有机化学实验教学模式的弊端及其改革[J]-内蒙古民族大学学报，2009，15（4）：45-46.
　　[4]姜海军.SolidWorks项目教程[M].西安：长安大学出版社，2010：7-9.
　　[5]伊新梅.3DS Max三维建模与动画设计实践教程[Ml.北京：清华大学出版社，2011：3-5.
　　[6]周海洋.基于Unity的高中化学AR教辅软件的开发[J].中国新技术新产，2019，399（17）：19-20.
　　【通联编辑：朱宝贵】
　　收稿日期：2019-12-15
　　基金项目：大学生创新创业训练计划项目（201910704041）
　　作者简介：成超悦（1998-），女，陕西西安人，本科在读，主要研究方向为AR。
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