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基于3ds Max和Virtools的大学物理虚拟实验的设计与开发

Asen

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发表于 2011-9-7 08:11:39 |只看该作者 |倒序浏览

【摘要】3ds max与V'mools技术在教学中的引入使真正意义上的网络三维虚拟实验室的构建成为可能，从网络三维虚拟实验设计与开发的限度分析入手，以大学物理陀螺仪虚拟实验为例，系统地描述了虚拟实验中“以学习者为本”的策划设计理念、实验功能的简易设计实现方式与虚拟实验的后期包装设计等一系列完整的设计思路与开发流程。

【关键词】V'mools技术；3dsmax：限度分析；陀螺仪；虚拟实验
   在网络教育教学中，为了培养学生的实际动手能力和观察能力，许多学科都需要利用现有的资源与技术条件设计开发大量的虚拟实验。从虚拟现实技术引入教育教学领域至今，网络虚拟实验的设计与开发实践中已涌现出多种多样的设计方案，如何选择一种适用于特定的学习者和具体学科、感官效果与教学效果均佳的技术开发方案的研究具有十分重要的意义。
一网络三维虚拟实验的限度分析

   虚拟现实技术引入教育教学领域无疑为网络三维虚拟实验的研究与应用开拓了广阔的空间，而虚拟现实技术繁多，开发方式各异，要实现其合理选择，需要对虚拟实验中网络三维技术的应用限度做具体深入的分析。

   1以提高学习者技能、满足学习者认知、情感等需要为限度

   目前国内大多虚拟实验的设计是奉行一种“以技术为本”的设计价值观，即以机器逻辑为主要或唯一的思维方式，以功能和结构为中心设计，而很少考虑使技术适应学习者的生理与行为特征、心理与情感等需要，运用此思想设计的虚拟实验大大制约了学习者的创造力和创新思维的培养，不利于学习者知识技能的迁移、保持与增长。因此“以学习者为本”的设计思想为虚拟实验的设计与开发提出了新的思路和要求，即以满足学习者的认知、情感等需要为设计的起点与目的，设计者须在虚拟实验设计与开发过程中自始至终遵循并尽力践行这一设计理念，才能使学习者成为实验中真正的主人。

   2以实现教学目标、满足教学需求为限度

   目前一些虚拟实验的研究出现“象牙塔”倾向，即研究中跟随技术潮流，开发的虚拟实验系统过度地关注于技术的前沿与研究纵深度，而非教学实际应用的效果，因此这些系统只能代表当前科技及理论研究水平而非教学一线的实际应用水平。鉴于这一研究与应用的脱节现象，虚拟实验研究与开发人员应进行科学细致地实地考察，依据明确的实验教学目标，结合具体的实际教学状况进行开发，从而使研究更具实际应用价值并能更大程度地推进实验教学研究的进步。

   3以设计与开发组的实际人力、物力、财力为限度

   由于网络三维技术的复杂性，加之开发软硬件的巨大投入，使虚拟实验的设计与开发成本飙升，如国内不少大型虚拟实验系统的开发及运行所需费用昂贵，很难在全国范围内普遍推广，因此其实用价值甚微。网络三维虚拟实验若要在基础实验教学中普遍应用，就应科学合理地分配网络三维虚拟实验设计与开发的人力、物力、财力等方面的资源，力求在能保证虚拟实验教学目标的前提下，选择合适的虚拟现实技术，以低成本的资源投入来体现网络三维虚拟实验的实用价值。

   4以易于开发及系统更新维护为限度

   国内不少高校都开发了不同学科的虚拟实验系统，但开发的周期一般较长，虚拟实验系统的更新维护困难，这一普遍的研究精力与资源的过度投入不利于虚拟实验研究与应用的进一步发展。因此须以其技术的易用性与实用性等为前提，设计出易于开发并且周期短、系统容易更新维护的技术开发方案，才能推动网络三维虚拟实验研究与应用的可持续发展。

   5以保证系统运行与网络传输顺畅为限度

   在网络三维虚拟实验设计时就应充分考虑软、硬件的运行条件，在保证系统运行与网络传输顺畅的基础上，最大限度地提高仿真度与精确度，否则如在设计时片面追求感官效果，虚拟实验产品的运行过度占用计算机资源，超过软硬件运行负荷而影响网络的正常传输，虚拟实验的效果往往会适得其反。因此为了达到较好的预期实验效果，设计与开发过程中应准确把握这一限度，如不适宜应尽快做出调整。
二大学物理虚拟实验设计分析

   依据以上对网络三维虚拟实验限度的分析，提出“以学习者为本”的可用性设计思想，并分析选用3ds Max与V'trtools技术组合进行大学物理网络三维虚拟实验设计开发的优势条件。

   1 “以学习者为本”的设计理念

“以学习者为本”设计理念即结合实验的目的与预期实验效果对学习者认知与情感特征进行分析，设计出符合学习者心理、认知、操作、行为方式等多方面需求的虚拟实验。

   (1) 虚拟实验应符合学习者的认知、情感、思维特性。依据特定学习者的认知经验、情感特点和思维方式设定具体的实验任务，其预定的行为方式应该与学习者期望的交流与合作方式一致，即设计应从始至终遵循“以学习者为中心”的原则，尽量做到实验服务于学习者的认知、情感、思维等需要，而不是相反。

   (2) 虚拟实验应弥补学习者行动或心理的缺失。人的知觉、认知、动作中存在许多缺陷，或称为非理性因素[1I。例如人对距离、角度等物理量不敏感，容易遗忘、思维速度慢、动作容易出错，经常感到孤独、无助等，在虚拟实验中应该能够弥补这些缺失，成为学习者真正的学习伙伴和得力助手。

   2 3ds Max与V'trtools技术组合的选用

   从满足大学物理网络三维虚拟实验的各项限度出发，遵循以“学习者为本”的设计理念，选用3ds Max与V'ftools技术组合开发网络三维虚拟实验环境，这一组合可以极大地提高虚拟实验的交互性和沉浸度，具有其它VR 技术所无法比拟的独特优势，适合在普通高校实验教学中推广与应用。

   (1) 3ds Max强大的建模功能与V'trtools超过500组互动模块的配合运用能够做到无缝结合，利用Multiuser Server、AI Library等相应模块可以简易地实现人与场景间交互或多人连线的交互设计，方便地进行人工智能效果的模拟，便于设定丰富的教学活动和社会交流活动，满足虚拟实验中学习者的认知、情感等需求。

   (2) 在大学物理虚拟实验开发中，利用3ds Max与Virtools技术组合的真实感与交互性强等突出特点，可以充分展示较为复杂的实验装置构造、较为抽象的实验原理、不易观察的实验现象，灵活多样的实验效果，并可以通过学习者自主操作进行实验设计等，特别是Virtools中Physics Library模块能逼真模拟重力、质量、力场、物理行为设定等各种物理属性，能够满足大学物理学科不同的实验目标与效果的需求。

   (3) 3ds Max与Virtools技术组合的开发过程简易，兼容多种媒体文件格式，与其它相关技术的通用性强，开发作品的移植性好等突出优点，便于团队合作开发进而提高开发效率，更有利于系统的及时更新与维护，有利于节省实验开发组人力、物力、财力等资源的投入，加之其开发的产品运行环境要求不高，所生成的文件占用空间小，可分段下载等优点更便于网络传输，有利于实际教学的普遍应用与推广，从而有效地联结了学术研究与实际教学应用的鸿沟。
三网络三维虚拟实验开发漉程

   通过以上对大学物理虚拟实验的设计分析，以陀螺仪虚拟实验为例具体阐述运用3DsMax和V'trtools技术开发虚拟实验的流程。依据“以学习者为本”的设计思想，需要全面细致地分析大学物理陀螺仪虚拟实验的目的、原理、学习者特征、技术选用等内容，并对虚拟实验的表现形式、技术应用等功能的实现进行策划与设计。

   1陀螺仪实验分析

   三维陀螺(回转仪)的定轴性实验是关于角动量守恒原理的应用。迅速转动的陀螺若受到外力矩(如重力力矩)的作用时，并不是立即倾倒，而是其转动轴绕着某一固定轴转动。此实验的目的是演示陀螺仪在外力矩作用下的进动和不受外力矩时角动量方向保持不变的特性。学习者是大学物理专业本科学生，已学习过角动量在外力矩作用下进动的知识，通过操作并观察陀螺仪启动和静止时的不同状态可以掌握角动量守恒的原理及其应用，实现知识技能的迁移。

   2实验开发流程规划

   对实验详细分析之后，对3DsMax和Virtools技术组合开发虚拟实验的一般流程进行策划与设计，实验功能的开发过程主要分为五个阶段。
四虚拟实验的功能简易实现

   在网络三维虚拟实验情景中，学习者化身为虚拟实验角色，进行模拟陀螺仪操作练习，并得到相应的操作反馈，从而不断积累经验最终达到掌握实验相关知识的实验目标。下面详细介绍应用3DsMax和V'trtools技术进行《大学物理陀螺仪网络三维虚拟实验》开发的实现过程。

   1利用3DsMax创建3D实验场景、装置等模型

   虚拟实验环境的构建首先是模型的构建，包括实验场景、人物、实验装置和其他辅助工具等模型。场景设计在设计实验场景时需考察真实实验室设计格局、物品摆放、光线材质等各个方面，将真实实验场景的合理设计元素吸纳到虚拟场景设计之中，使学习者进入实验室有种身临其境之感，有利于保持学习者注意力并增强其对实验探索的兴趣。实验装置陀螺仪模型的设计必不可少，将实验所需设备制作得逼真而富有质感，对学习者乐于学习心理的产生具有一定促进作用。
   2在3DsMax中制作实验角色及相应动画
   网络三维技术不仅可以构建资源共享的虚拟世界，且切应该构建学习者体验共享的情感世界，其中学习者可根据喜好自由选择参与实验的角色十分重要，因此实验设计者应设计多元化人物模型。人物模型是参与实验的其中一个学习者角色，在设计角色过程中应充分体现其角色特征，使他们符合参与实验的学习者的不同喜好和性格特质，由此提供给学习者更具有弹性与自主性的虚拟实验空间，能够降低学习者紧张和枯燥等情绪的困扰，增强参与实验活动的兴趣。在实验设计中动作的制作主要是人物行走及实验动作的设定，基本的人物动作可以借助于3ds Max的Character Studio来完成。
   3从3DsMax中输出可用的模型与动作
   V'L"tools Dev 4．0版本提供了3ds Max、maya、LightWave、XSI四种文件输出格式转换插件。导出时，首先把建立在3ds Max 中的模型和动画以NMO格式输出：输出场景选择Export as Objects，其中包括灯光、背景、摄像机、虚拟体等的输出；Export as a Character可输出一个带有动画的角色模型，在右侧的Character Name和Animation Name框中输入相应的名称，以使导入V'L"tools制作交互动作时便于识别；单独动画的导出选择ExportAnimation Only，只输出角色的动画脚本，可以为同一个角色在Virtools中添加不同的动作脚本做准备。

   4将模型导入Virtools进行交互模块设计
      在V'L,'tools软件中新建一个资源库，将制作的NMO文件存入资源库内，将人物模型和场景文件拖放至3D Layout窗口中的相应位置并设置好Ic初始值，如图5所示。维普资讯 http://www.cqvip.com为角色添加动作控制脚本、与实验室物件碰撞及摄影机跟随动作的行为模块。通过拖拽Building Blocks视窗中的Character Controller脚本来载入人物动画，继续拖拽键盘控制脚本Keyboard Con~oller、侦测地板属性脚本Enhanced Character Keep On Floor等行为模组。

   为虚拟实验室制作导航图并设计实验室自动导引系统，避免学习者在实验场景中探索时迷航。首先制作整个实验室布局的二维导航地图，接着为导航图添加行为模组，将三维场景的三维坐标转换为二维坐标，转换计算后在二维导航地图中可随时准确显示人物行走的坐标点，然后为整个场景进行角色行走路径栅格的绘制，最后再通过鼠标检测模块的设定来判断点击到导航图的位置，以便将导航图的二维坐标转换为三维场景坐标，从而实现导航图自动导引系统的功能。

   为使实验者清晰地观察到陀螺仪定轴性的实验现象，为陀螺仪的三层圆环分别设定相应的动作及控制参数，学习者通过在三维虚拟实验场景中对陀螺仪操作，了解到陀螺仪装置与其定轴性原理，从而产生预期的实验效果。
      5虚拟实验的发布
      实验制作完毕后，点击右下角的Play／Pause键进行测试，测试无误后使用Create Web Page命令，选择保存位置，并对显示窗口大小及网页标题等进行设置，然后点击ok将其发布为网页格式，即可上传至网络服务器为虚拟实验教学系统所用。注意将实验制作源文件分类保存，供日后充实实验内容和修改交互脚本之用。
      6虚拟实验的后期包装设计与功能扩展

      根据需要还可进一步对虚拟实验进行包装和美化，如制作学习者登陆界面，包括虚拟学习角色选择、实验室操作说明、背景音乐切换、设定视窗大小、帮助等功能按钮和界面背景的设计，以逐步完善系统功能和增强艺术效果。根据具体教学需要还可以对虚拟实验系统功能进行适度扩展，如配合使用SDK、VSL程序语言、Multiuser Server多人在线模块、SQL数据库通信、与“沉浸式”虚拟现实硬件的结合等方式扩展虚拟实验系统的功能与规模。
五结语

   基于3DsMax和Vkrtools技术的大学物理虚拟实验教学系统的设计与开发具有真实性、交互性、简易性等特点，由此开发的大学物理陀螺仪实验更形象地模拟出陀螺仪装置的结构与原理，学习者通过在全三维的虚拟实验场景中自由探索，反复进行实验操作，从而加强对实验知识的理解和掌握，增强学习兴趣，使实验教学的效率和效果大大提升。

{一|考文献

【1】李乐山．人机界面设计【M】．北京：科学出版社，2004：

338．339．

【2】刘明昆．三维游戏设计师宝典Vkrtools开发工具篇【M】．重庆

四川出版集团，四川电子音像出版中心，2005．
Design and Development of University Physical Virtual Experiment Based on 3ds M ax and Virtools

LIU Yin-jie       YANG Xue       KAN Bao-peng
(Institute ofHigher Education,Jilin University,Changchun,Jilin,130012,China)

Abstract：It is possible to cons***ct a real web—based 3D virtual laboratory with the introduction of 3DsMax and Virtools in the teaching．Starting from analyzing the limitation of the design and development of web—based 3D virtual experiment，this thesis describes a full range of design ideas and development process that contains the plan and the design idea of”learner—oriented”，the simple way of design and implementation，and the later—period packing of the virtual experiment，etc，taking the gyroscope virtual experiment as an example．

Keywords：Virtools technology；3DsMax；Limitation Analysis；Gyroscopes；Virtual Experiment