【《基于Unity3D的物理教学场景设计与实现》7500字（论文）】

绪论1.1研究背景实验教学是基本的科学研究方法之一，尤其对以实验为基础的物理学科REF_Ref14465\r\h[1]。根据教育部颁布的《义务教育物理课程标准》中强调：“此阶段的物理课程不仅应注重科学知识的传授和技能的训练，而且应注重对学生学习兴趣、探究能力、创新意识以及科学态度、科学精神等方面的培养。义务教育物理课程是一门注重实验的自然科学基础课程。此阶段的物理课程应注意让学生经历实验探究过程，学习科学知识和科学探究方法，提高分析问题及解决问题的能力”REF_Ref14553\r\h[2]。所以说实验是中学物理课程中必不可少的重要环节。物理中的许多定律、规律都是通过实验总结得到的。但是，在现有的技术水平下，许多中学物理实验所需的条件在课堂中无法实现，如真空、完全光滑的平面等。同时，面对实验课程，许多学校存在着由教师在课堂上进行对实验过程以及结果口述的现象。在这种情况下，学生们只能盲目的记笔记写结论，无法直观地看到实验现象从而进行理解。虽然有些学校试图用各种方法改变这一现象，但效果并不明显，学生只能在学习中被动地接受学习结果。在这种情况下，严重影响学生学习的效率和结果。1.2国内外现状虚拟现实技术作为一项新技术在教育教学领域的应用，为广大教师提供了一种新的教学思路REF_Ref14664\r\h[3]。美国是虚拟现实技术的诞生地。最初的虚拟现实研究可以追溯到20世纪40年代REF_Ref14703\r\h[4]。最初美国军方使用虚拟现实技术进行宇航员和飞行员的模拟训练REF_Ref15224\r\h[5]。但随着科学技术和社会的飞速发展，虚拟现实技术已经渗透到社会发展的各个领域。现在，美国已在全国范围内建立起了可用的虚拟现实教育系统。1989年，威廉·沃尔夫教授提出了虚拟实验室（虚拟实验室），也被称为“合作实验室”，用于描述计算机网络虚拟实验室环境REF_Ref14742\r\h[6]。在这之后，各国相继展开研究，并取得了一定的成果。国外许多著名的大学己建立并投入使用了虚拟实验室,如西班牙大学电子系开发了电子仪器虚拟工作平台,新加坡国立大学开发了远程示波器实验和压力容器实验REF_Ref14808\r\h[7]。目前，虽然我国的虚拟现实技术与世界上一些发达国家还有一定的距离，但是随着计算机系统工程和计算机图形技术的飞速发展，我国社会各界对虚拟现实技术的发展越来越重视，积极地建立起虚拟环境和分布式系统开发的虚拟场景模型REF_Ref14847\r\h[8]。当前，我国许多著名大学、科学研究单位都认识到和发现了虚拟现实技术的潜力与价值，纷纷开始了虚拟现实的研究工作，许多高校企业都计划参与到虚拟现实技术与教育的研究中REF_Ref14873\r\hREF_Ref14873\r\h[9]。如：天津理工大学体育系基于体育教学与训练的本质,通过协作学习、在线教学等手段,构建了一款可以将体育教学与训练相互结合的虚拟显示技术模型与软件REF_Ref14906\r\h[10]。虽然我国在虚拟现实方面的研究和开发起步较晚，但其研究发展受到国家的重视与支持，发展十分迅速。1.3研究意义随着计算机技术和现代教育技术的快速发展，虚拟现实技术在教育中的应用越来越广泛。虚拟现实技术可以将一些抽象的知识更直观地呈现给学生。基于unity3D技术，并设计出与之相应场景模拟,帮助教师引导学生正确理解并掌握所学的知识点,促进物理课堂教学,激发学生对于物理学习的积极性和兴趣。

2相关理论和技术2.1虚拟实验技术虚拟实验室的概念最早由美国弗吉尼亚大学的威廉·沃尔夫教授提出于1989年PAGEREF_Ref4557\hREF_Ref4557\n\h[11]。虚拟实验室是一种基于网络技术和虚拟现实的开放式虚拟教学系统，是对现有的教育实验室进行数字化和虚拟化。同时，虚拟实验室为实验课提供了新的教学环境，也为许多在现实中难以操作以及完成的实验提供了新思路。在虚拟实验平台中，学生可以根据课程要求，自己进行实验设备的设置、调整以及使用，而教师可以利用虚拟实验库中的仪器，根据课程要求为学生设计出合理的实验案例。在虚拟实验室，学生不仅可以在虚拟实验平台上完成实验任务，还可以独立设计实验，从而达到提升学生技能掌握、诊断能力、和创新意识的目的。随着虚拟现实技术的成熟，虚拟实验室在教育领域的应用价值逐渐被人们所认可。它不仅有利于大学的科学研究，还具有利用率高、便于维持实验教学等优点。近年来，中国许多大学根据自己的研究和教学要求建立了虚拟研究室REF_Ref4557\n\h[12]。虚拟实验技术具有以下特点：打破时间和空间的限制；具有真实的体验感；具有终止实验和复现的能力；能够避免实验危险；极大节约教学成本充分利用教学资源；刺激学生的学习兴趣，提高教学成果REF_Ref15180\n\h[13]。2.2Unity3D技术Unity3D是由丹麦Unity技术公司开发的多平台集成游戏开发工具，是一款跨平台的3D引擎，用于制作3D游戏、实时三维动画等互动内容REF_Ref15235\n\h[14]。同时，Unity注重教育产业发展，致力于先进工业技术与高校课程建设相结合，开展各种形式的校企合作。Unity3D编辑页面主要由五个视图组成，包括Scene（场景视图）、Game(游戏视图)、Hierarchy(层级视图）、Project(工程视图）和Inspector（检测视图）。Scene（场景视图）用于编辑整个游戏世界，以编辑和创建特效。Game(游戏视图)是游戏发布后在屏幕上的最后一次显示。屏幕显示器的内容完全取决于由相机照亮的部分。可以通过移动摄像机的位置和旋转Scene（场景视图）中的角度来调整Game(游戏视图)中显示的内容。Hierarchy(层级视图）包含当前场景中的所有游戏对象，包括直接实例或默认实例。还可以将对象拖动到层次结构视图中的另一个对象，以形成父子关系。Project(工程视图）存储所有项目资源文件，并显示资源、材料、模型、脚本等。Inspector（检测视图）显示当前对象附带的所有组件，如三维坐标、旋转量、比例值和添加的脚本，以便可以使用每个组件编辑场景中的对象。3教学场景的设计——以万有引力定律虚拟实验为例3.1需求分析一、许多物理知识过于抽象，很难通过物理实验直白的展示出来，增加了物理学习的难度，导致许多物理学习能力薄弱的同学无法理解。二、实验器材缺失。目前大多数学校都存在实验器材紧缺，实验课少或实验课时间短的问题。因时间和器材问题导致许多学生没有办法亲自动手操作，学到的理论知识没有办法得到验证，不能透彻的理解自己所学的知识，导致许多学生对物理的学习失去兴趣。三、条件限制导致许多物理实验或现象无法进行或展示。例如：牛顿第三定律，因为在现实环境中没有办法制造出完全光滑的平面，导致在实验过程出现偏差的情况，以至于许多学生在面对实验结果和定论不同时，无法正确的理解，只能被动的接受老师知识的灌输，而不是主动的理解，许多理解力差或是空间想象力差的学生会很难坚持下来，继而选择放弃物理的学习。四、激起学生学习的兴趣。现代社会，科技高速发展，许多学生陷入电子产品无法自拔，激发学生学习的兴趣会愈加困难。在这种情况下，我们可以借助于电子产品，为学生带来不同于传统教学的学习体验，令学生对物理学习产生兴趣。3.2万有引力定律万有引力是指由任意两个物体之间的质量引起的相互引力，重力沿着两个物体之间的方向，重力的大小与两个物体质量的乘积成正比，与它们距离的平方成反比。以m1、m2表示两物体的质量，r表示两者之间的距离，则相互吸引的力F为：

，式中G称为\t"/item/%E4%B8%87%E6%9C%89%E5%BC%95%E5%8A%9B%E5%AE%9A%E5%BE%8B/_blank"万有引力常数。在中学物理中，我们通常认为，一个天体以另一个天体为中心天体做匀速圆周运动，其向心力是由万有引力赋予的。即，而，因此应用万有引力定律解决天体的有关问题，主要有以下几个度量关系：(r为轨道半径）=mg=ma=。3.3模块设计在万有引力实验模块中的场景搭建中，用到了星系3D模型，包含了地球模型、太阳模型、月球模型和火星模型。所有模型中都通过贴图展现更为现实的虚拟效果。在平面中，加入相应的3D模型，并将其置放在合适的位置。在屏幕下方，加入可视化的交互展示，加用户可操作的滑动条，用文本框展示相应的公式和文字介绍。最后加入退出和重置按钮，用脚本控制和用户体验。太阳：代表万有引力公式中的M，其本身进行自传，因其质量远大于地球、月亮、火星等天体，作为中心天体，吸引其他天体围绕其进行公转。地球：本身进行自传，并围绕中心天体（太阳）进行公转。月亮：本身进行自传，围绕地球进行公转，并随地球一起围绕太阳公转。火星：代表万有引力公式中的m，本身进行自传，并围绕中心天体（太阳）进行公转。提示框：显示改变太阳质量后，各行星与中心天体间的距离。滑杆：将M（太阳）的质量设置为一个滑动条，可以拖动它来改变M的质量，此时m的圆周运动的速度和半径会改变。学生可以直接的看到改变不同参数带来的改变。改变M的质量，r会随着M的质量改变而改变，那么m做圆周运动的速度也会发生改变。例如：通过滑动条去改变M的质量，若M的质量增加，m的质量不变，则万有引力增大，球心距减小，周围的行星围绕太阳的速度加快。若M的质量减小，m的质量不变，则万有引力减小，球心距增大，周围的行星围绕太阳的速度减慢。重置建：通过点击重置建，各参数回到初始值。退出键：退出程序。3.4流程图万有引力虚拟实验设计步骤：使用者通过实验入口进入实验场景。在实验场景中，太阳在自转，其作用是作为中心天体吸引其他天体围绕其进行公转。在太阳周围，其他天体围绕其进行公转。上下滚动鼠标滚轮可以对实验场景进行放大或缩小，点击鼠标右键同时拖动鼠标可以转换视角。添加一个滑杆，设定滑竿的的上限与下限，改变中心天体（太阳）的质量，可以改变围绕太阳做公转的各天体的运行速度及公转半径。添加一个实时距离标签，可以显示各天体与中心天体(太阳）间的距离。点击重置，太阳质量，各天体公转速度恢复初始值。点击退出，推出实验。基于以上实验步骤分析，万有引力虚拟实验主程序流程图如下图3-1所示：图3-1万有引力虚拟实验主程序流程图场景放大与缩小：图3-2场景放大与缩小图中心天体质量改变流程图：图3-3中心天体质量改变流程图

4教学场景的实现——以万有引力定律虚拟实验为例4.1场景搭建Unity3D引擎可以为我们提供各种功能，方便设置不同的场景。4.1.1创建对象在Unity3D引擎中，游戏对象包括空对象、基本几何、相机、从外部读取的模型、图形界面、参数、灯光、树等元素。也就是说，在Hierarchy面板中显示的元素全部被称为对象。基本上，所有的对象都是空的，但是安装有各种各样的函数的各种组件类。因此，组件的作用是实现游戏对象的特定功能。根据组件有不同的功能。例如，对于同样的空对象，添加相机组件就会变成相机，添加灯光组件就会变成灯光。在这个虚拟实验中，需要创建太阳、地球、月亮、火星和其他游戏对象。以创建太阳为例，在Unity3D中创建一个sphere（球体），在inspector面板中修改各组件的参数，如图4-1、图4-2所示。组件可以被认为是一个小功能。对于游戏对象，如果添加了组件，它具有一定的属性或功能。图4-1创建游戏对象界面图图4-2修改组件参数界面图为了使模型更加逼真，给模型外形、材质等外观特性，在网上搜索下载一张太阳表面图片，将图片导入Unity3D软件中，将做好的材质添加至球体上，如图4.3所示，一个基础的太阳模型便完成了。图4-3为游戏对象贴图4.1.2创建摄像机就像电影的摄影机用于向观众展示故事一样，Unity的摄影机也用于向玩家展示世界。一个场景总是至少有一个摄像机，也可以有多个摄像机。当你使用多个相机时，你可以在两个相机之间分割画面，或者创建高级的自定义效果。摄像机是为了播放器捕捉世界给人看的装置。Unity的相机可以是纯色的，也可以是正统的。前者以完全透视的方式显示对象，后者以均匀的方式显示对象。本文通过第一视角实现场景漫游，通过调用Unity3D中用户控制对象firstpersoncontroller对第一视角进行控制，用户可以跟随摄像机进行视角变化。帧漫游控制使用到的组件simpleviewer（script），其附在第一人称对象中，采用脚本的方式提供键盘，鼠标等方式进行场景变换、视角移动、选中等功能。图4.4创建摄像机界面图4.1.3U3D物理引擎U3D是通过计算机计算来模拟物体在现实世界的力下的行为的物理引擎。U3D物理引擎中最重要的三个组件分别为Rigidbody（刚体）、Coliders（碰撞体）组件和力场。1、Rigidbody（刚体）当物体被添加到刚体组件时，它可以在物理系统的控制下移动。也就是说，可以和现实世界一样，受到外力和力矩力而移动。另外，只有具有重力体组件的对象才会受到重力的影响。你只需要在物体上添加一个基体组件，就可以使用脚本对卫星施加更多的重力，并使用NVIDIA物理引擎围绕地球做均匀的圆周运动。在Unity中，向对象添加刚体组件的确切方法是：启动Unity应用程序，创建对象、选择对象，然后打开Component单栏，选择“AddComponent”按钮，然后单击“Physics

”选项中的Rigidbody选项。这将向对象添加一个Rigidbody组件。 图4-5刚体组件界面图Colliders（碰撞体）Colliders（碰撞体）也是一种物理元素。不过，rigidbody组件和冲突型加速器组件的两侧增加了其他的物体和冲突，rigidbody组件和冲突型加速器部件的两物体从追加到冲突型加速器部件只追加了情况。除此之外，对象是相互传送的。在Unity中，向对象添加刚体组件的确切方法是：从对象开始，然后打开Component菜单栏，选择“AddComponent”按钮，然后单击“Physics”选项中的“Colliders”以选择对撞机的类型。就成功地将碰撞体组件添加到对象中。图4-6碰撞体界面示意图3、力场力场是一种向刚体快速增加恒定力的方法，可以用来发射类似火箭的物体。这些物体一开始的速度很低，但它们会继续加速。添加力场组件的方法是：启动Unity应用程序，然后打开Component菜单栏，选择AddComponent按钮，选择Physics选项，点击ConstantForce选项，从而为所选择的对象成功添加力场组件。力场组件的重要属性参数是Force，即为力。该项可设定世界坐标系中所使用的力，是用向量表示的。图4-7力场界面图4.1.4Particlesystem（粒子系统）粒子系统是一种在三维空间中呈现的二维图像，主要用于烟雾、火灾、水滴、树叶等效果。粒子系统由三个独立的部分组成：粒子发射器、粒子动画器和粒子渲染器。图4-8粒子系统界面图4.1.5UI交互界面系统设计中一个非常重要的步骤就是设计软件的UI交互界面。一个合理的软件结构应该具备良好的交互界面，界面中不同的版块有单独命名且可访问，实现相应的功能，所有的这些版块块组合成一个完整的UI交互界面REF_Ref20686\n\h[15]。在万有引力定律虚拟实验的设计中，UI交互界面共分为八个版块：“太阳”模型、“地球”模型、“月亮”模型、“火星”模型、文本框、滑动条、重置键以及退出键。4.2系统导出打开制作好的工程文件，选择菜单栏总的[File],然后点击[BuildSettings...]。如图4-11所示。图4-9打开工程文件界面图2.在弹出的【BuildSettings】窗口中选择【Addopenscene】，添加当前自己的工程场景，如图4-10所示。图4-10BuildSettings界面图3.选择需要发布的平台Windows，选择第一个自己的PC，以及选择发布平台的参数（x86或x86_64），在弹窗中设置路径、名称后，点击【Build】保存。如图4-11所示。图4-11BuildSettings界面图4.3效果展示将M（太阳）的质量设置为一个滑动条，可以拖动它来改变M的质量，此时m的圆周运动的速度和半径会改变。可以直接的在文本框中看到参数的改变。改变M的质量，r会随着M的质量改变而改变，那么m做圆周运动的速度也会发生改变。例如：通过滑动条去改变M的质量，若M的质量增加，m的质量不变，则万有引力增大，球心距减小，周围的行星围绕太阳的速度加快。若M的质量减小，m的质量不变，则万有引力减小，球心距增大，周围的行星围绕太阳的速度减慢。点击重置按钮，各参数会回复到初始值，点击退出按钮退出程序。图4-12UI交互界面图图4-13文本提示图图4-14退出重置图5总结与展望5.1总结虚拟实验平台学习是一种符合科学技术发展和历史趋势的新学习方式。在中学的物理学习中引入虚拟实验平台，不仅可以解决学校实验器材等资源不足的问题，还可以解决仪器损坏以及老化等问题。从长远来看，它将解决当前教育资源分配不平衡的问题。虚拟现实是世界上最热门的技术之一，其在教育中的应用也非常广泛。本文基于Unity3D开发平台以及中学物理实验课程的特点，以万有引力定律为例，设计出相应的场景模拟,以求帮助教师引导学生正确理解并掌握所学的知识点,促进物理课堂教学,激发学生对于物理学习的积极性和兴趣。采用虚拟物理实验教学不仅可以缓解当前高中物理实验教学压力，还可以更好地培养学生的动手操作和积极思维能力。5.2展望虽然虚拟实验平台对于中学实验有一定的帮助，但虚拟实验学习并不能完全取代真正的实验操作。第一，具体实验中的突发状况很难用计算机模拟计算出来，学生面对于实验中出现的突发事件的应对能力无法得到培养锻炼。第二，同学们在虚拟实验室的实验过程中，依赖于计算机基本假设的数据，数据缺乏相应的实验过程中的物质自然变异的随机性，因此学生对不良或不典型的数据会不熟悉，不了解，也不会学习如何处理从这些类型的数据中产生的问题。第三，虚拟实验室对于一些基本变量的限制导致学生容易忽略变量的重要性，单一死板，实验过程过于简化等问题REF_Re