魏 利 戴佳佳 王小雅 黃慧敏

(南京師范大學 教育科學學院，江蘇 南京 210097)

太陽系虛擬仿真教學系統的設計與開發(fā)

魏 利 戴佳佳 王小雅 黃慧敏

(南京師范大學 教育科學學院，江蘇 南京 210097)

在傳統的中小學科學課程教學中，教師常用文字圖片、視頻或實物來表示太陽系模型，而這些教學資源又往往在直觀性、趣味性、交互性及靈活性等方面表現欠佳。為了改善上述教學資源的不足，本文研究開發(fā)了一個動態(tài)的太陽系虛擬仿真教學系統。該系統基于Windows開發(fā)平臺，以Visual C++6.0為開發(fā)環(huán)境，以OpenGL為圖形設備接口,實現了星體仿真、三維漫游、運動控制等功能，其較為明顯的特點是簡單、直觀、可靈活使用及交互性良好。

太陽系；模型仿真；OpenGL

一、引言

《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010—2020年）》中指出“加快教育信息化進程”的任務之一就是要“加強優(yōu)質教育資源的開發(fā)與應用”[1]。因此在我國教育信息化發(fā)展進程中，數字教育資源不僅作為其發(fā)展產物，同時也作為其發(fā)展階段的重要體現[2]。目前在教育資源建設中，具有漫游、演示及互動等功能的三維仿真現已成為第三代熱點技術[3]。其教學效果較為樂觀，楊程等人設計了基于虛擬現實的數據結構三維動態(tài)教學系統，實驗數據表明三維仿真系統有趣直觀，大大提高了學生對課程學習的積極性[4]。

太陽系相關知識是小學六年級科學課中的重要教學內容，但由于太陽系遠離生活實際，想要采用直接觀察的學習方式了解太陽系則有很大的困難。太陽系模型主流教學方式為二維多媒體(如圖片、視頻、動畫、模型等)[5]，其存在交互性差、趣味性低，以及難以直觀形象展示等諸多不足。因此，本文中將三維仿真引入太陽系教學中，旨在構建仿真度更高的太陽系模型輔助學生學習。目前，三維仿真應用于教學中已成為常態(tài)，其中有值得借鑒和改進的地方。如耿維忠[6]等人提出的基于OpenGL的虛擬現實技術在教學場景中的開發(fā)框架為本文提供了參考，而孫明[7]提出基于3DS MAX和虛擬現實建模語言構建虛擬太陽系模型，但因3DS MAX上的材質無法通過wrl文件（虛擬現實文本格式文件）顯示，材質出現問題，因此天體仿真度不高。張三川[8]提出基于OpenGL的三維動畫課件的設計與制作，其注重技術實現，未滿足教學知識完備性的需求。

趨于這種需求之下，本文設計并實現了一種在Windows平臺下，基于OpenGL圖形設備接口和Visual C++6.0開發(fā)環(huán)境，集虛擬現實與可視化輔助教學于一體的太陽系虛擬仿真教學系統，在內容上不只有仿真度高的太陽系模型，并且配以相應知識介紹，旨在促進學生學習，提高學習積極性，激發(fā)學生對科學和宇宙空間的向往及對學習科技知識的熱情和學習興趣。

二、太陽系相關知識介紹及系統數據計算

太陽系即我們現在所處的恒星系統，是太陽和周圍所有受到太陽引力約束的天體的集合體，這個集合體具體是由太陽、行星及其衛(wèi)星與環(huán)系、小行星、彗星及其行星之間的介質組成。以中小學教學目標為基礎，筆者團隊在本系統中重點介紹太陽系模型中的主要成員：太陽和圍繞太陽運轉的八顆行星及冥王星。在實現模型之前，了解天體的相關規(guī)律，為獲得更高質量的模型打下基礎，進而幫助學生形成正確的模型概念。因此，本系統將行星按照質量、大小和結構特征分類為類地行星和類木行星。類地行星主要由鐵元素組成，具有體積小、自轉慢、密度大、衛(wèi)星少等特點，類地行星即靠近太陽較近的四顆行星，它們是水星、金星、地球、火星。類木行星主要由氫、氦、氨等元素組成，與類地行星具有相反的特點：體積大、密度低、自轉快、衛(wèi)星多等。屬于類木行星的有木星、土星、天王星、海王星。

冥王星屬于矮行星，是一顆較為特殊的行星，比月球的體積小，與其他行星不同的是其軌道是高度傾斜的橢圓形軌道。冥王星在2006年被劃分為矮行星類別時，已經在行星中被除名。但本文為幫助學生了解人類認識太陽系的歷史過程，掌握天體規(guī)律，在本系統中將其與其他八大行星一同進行展示。

（一）太陽的性質與特點

太陽系是一個很龐大的系統，處于中心位置的太陽是太陽系中唯一的恒星和會發(fā)光的氣體星體。科學研究表明，我們肉眼觀察到的太陽為橙黃色。與我們所熟悉的地球相比，太陽的半徑是地球的109倍，體積為其130萬倍，它的質量占據整個太陽系天體質量的99.85%。以上關于太陽的性質與特點為繪制太陽模型提供了依據。

（二）天體基本數據

為保證仿真系統中模型的準確性，天體的基礎數據須準確且可靠。如表1所示，通過查閱相關資料列出實現各大天體模型過程中需要的相關重要數據:天體半徑、自轉、公轉及距太陽的距離[9]。表中半徑數值即決定天體大小的關鍵數據；自轉、公轉決定天體轉動速度；距太陽的距離決定了天體在模型中的位置。從表中數據可知離太陽最近的天體為水星，其余的金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星及冥王星距離太陽越來越遠。根據萬有引力定律，隨著距離的增加，天體所受引力逐漸減小，從表中的數據可以看出，從水星到冥王星公轉周期不斷增加，轉速漸慢。除此之外，此表中數據表明冥王星為最小天體，木星為最大的行星，其余各大行星大小均不一致。了解以上太陽系中各大天體的重要規(guī)律，為實現系統模型奠定了基礎。

表1 天體基本數據

由于表1中的真實數據較大，根據太陽系模型系統的實際需要，筆者團隊在進行數據計算和系統設計的過程中，將實際數據根據一定比例縮小為模型數據。

（三）運轉規(guī)律

宇宙探測中發(fā)現太陽系中除了冥王星，其他八大行星均帶傾角在同一平面上繞太陽朝同一方向公轉，并且除了金星和天王星，其余行星自轉方向和公轉方向一致。金星自轉方向與公轉方向相反，而天王星在軌道上橫滾。太陽位于太陽系中心，自身也在進行著轉動，恒星自轉周期25.38天。行星和太陽的運轉規(guī)律在太陽系模型仿真系統中均須加以體現。

（四）運轉軌道計算

在太陽系中，環(huán)繞著太陽運動的天體均遵循開普勒定律，且軌道是以太陽為焦點的一個橢圓，因此在仿真系統中，根據橢圓的參數方程，，其中，a、b分別為長、短半軸的長度。在系統中計算行星軌道時，a、b均取為行星距焦點太陽的距離。

三、仿真系統的功能與結構

“太陽系”是教科版六年級下冊科學中第三單元第五課的內容，其主要包括以下三個方面的重要教學內容：認識太陽系的主要天體；學習各大天體到太陽的距離及各個天體的大??；幫助學生建立太陽系模型，認識天體運動規(guī)律。通常來講，學生學習完本課——“太陽系”需要達到的三維教學目標包括：通過課程的學習，掌握太陽系的組成及運動規(guī)律，初步培養(yǎng)學生的空間想象力（知識與技能方面）；通過課程的學習和對太陽系模型的觀察，學生可畫出太陽系模型圖紙（過程與方法方面）；通過學生主動探究與觀察，培養(yǎng)學生三維空間概念，激發(fā)學生探索宇宙奧秘的興趣，讓學生了解到人類及我國在航天事業(yè)中取得的成就(情感、態(tài)度和價值觀方面)[10]。

（一）系統主要功能

以“太陽系”這一課的教學目標為依據，且結合教學實際，本文設計并進行了太陽系虛擬仿真教學系統的開發(fā)。在仿真系統中，將太陽系的構成、天體大小及其在太陽系中的位置等重點知識通過三維顯示功能形象、具體地展示在系統中。系統內增加了場景切換功能以展示各個天體的性質與特點，確保知識明確、完善。同時為使學生對天體運動規(guī)律有直觀的認識，系統實現了場景真實感及天體運動真實感。此外，在系統中設計并實現了漫游功能，學生通過人機交互“行走”在太陽系模型中近距離觀察、認識天體，在學生積極動手、動腦自主探究的同時加深了對知識的理解。

（二）系統結構設計

1.結構分析

圖1是太陽系虛擬仿真教學系統結構圖，系統工作原理主要是通過程序內部控制機制響應用戶界面需求，文中則主要通過人機交互、運動控制、圖形繪制及場景切換對系統結構進行說明。

（1）人機交互

人機交互作為本系統的重要結構之一，從圖1中可以看到借助人機交互與圖形繪制共同實現了漫游場景。人機交互在內部模塊中主要通過控制視點變換結合天體運動共同實現。

（2）運動控制

運動控制作為系統基礎功能，通過模型變換控制天體位置、天體自轉及公轉速度以實現天體運動的效果。為增加系統的生動性及真實感，在每個場景中均表現出天體運動場景。

（3）圖形繪制

圖形繪制作為系統必不可少的功能之一，除了簡單繪制天體模型，同時包括真實感處理,如紋理貼圖、材質設置及光照模型等，提高了模型仿真質量。

（4）場景切換

場景切換主要指對知識場景、特寫場景、全局場景、漫游場景等幾大場景的切換及管理。場景效果均須借助人機交互、運動控制、圖形繪制共同實現。知識場景由知識庫做支撐，對單個轉動的天體配以知識點介紹。特寫場景主要幫助學生觀察天體細節(jié)，理解、記憶天體特征。全局場景即對太陽系模型的概覽，目的是讓學生通過對全景的觀察幫助其形成太陽系空間概念。

圖1 太陽系虛擬仿真教學系統結構

2.應用程序接口（API）

應用程序接口是一組定義、程序及協議集合，通過API接口實現計算機軟件之間的相互通信。目前主流API接口的有SGI開發(fā)的OpenGL和微軟開發(fā)的DirectX。兩者分別有各自的優(yōu)勢，OpenGL可跨平臺使用,具有高度移植性并且是最為廣泛使用的2D/3D圖形 API。DirectX僅局限于Windows平臺，常應用于游戲領域，除了具有圖形API，另還有聲音、輸入、網絡等API接口。本系統中僅用到圖形API接口，同時需要考慮仿真系統跨平臺后的適用性，因此本系統最終選擇OpenGL圖形庫接口。

3.開發(fā)框架

以OpenGL為圖形庫API的太陽系教學仿真系統開發(fā)可在微軟基礎類庫（MFC）或Win32SDK(Win32位平臺下的軟件開發(fā)包)上構建開發(fā)框架，但其開發(fā)細節(jié)較為煩瑣復雜，無疑大大地增加了開發(fā)工作量，在本系統中，筆者團隊采用GLUT(GLUT為OpenGL的應用工具包，是一個與窗口系統無關的軟件包)構建仿真系統的開發(fā)框架。太陽系虛擬仿真教學系統開發(fā)框架如圖2所示。具體為：首先初始化設置窗口顯示模式、大小及位置，接下來根據OpenGL的狀態(tài)機工作機制設置OpenGL的初始狀態(tài)，然后根據需要注冊回調函數，最后進入GLUT事件循環(huán)處理。

圖2 太陽系虛擬仿真教學系統開發(fā)框架

四、關鍵技術實現

（一）運動控制

太陽系中每個天體均進行自轉，由于太陽引力，同時這些天體都沿同一方向以太陽為中心也在公轉。因此天體運動形式多而復雜，且形象地展示天體運動狀態(tài)對學生深刻掌握太陽系天體運動規(guī)律、加深空間概念有著重要意義。若是單個天體分別實現自轉與公轉運動，程序將非常冗余。為此，先將天體基本數據存入數組中，代碼實現時在循環(huán)中利用相應函數調用數組中的數據即可。實現步驟如圖3所示。

圖3 運動控制實現步驟

將天體的半徑、自轉和公轉周期、距離太陽的距離存入數組中，按以上運動控制實現步驟在gluSphere( )、glRotatef( )、glTranslatef( )函數中調用數組中的數據即可實現天體繪制及控制運動。

（二）真實感處理

真實感主要指場景中的對象有真實的視覺外觀，其主要由對象紋理、場景光照和表面材質共同決定。因此，本系統中各天體的真實感處理將通過紋理映射與光照材質兩方面實現。

紋理映射指將紋理貼圖映射至對象表面，映射方式有多種，在本系統中采用材質紋理映射實現，其實現步驟如圖4所示。

圖4 紋理映射步驟

將載入的紋理通過glGenTextures( )、glBind-Texture( )函數分別命名紋理圖像及創(chuàng)建紋理對象。通過glTexParameteri( )函數指定濾波方式設置紋理參數，本系統中該函數的參數相關設置采用GL_TEXTURE_MAG_FILTER放大濾鏡，以及GL_LINEAR、GL_NEAREST這兩種過濾方式。通過glTex-Image2D( )函數指定紋理圖像的大小、類型、位置及其他屬性設置紋理狀態(tài)。最后調用glEnable(GL_TEXTURE_2D)和gluQuadricTexture( )函數開啟紋理效果及紋理映射開關。

為使模型更逼真，還須設置光照材質。太陽是一個自發(fā)光的天體，而其他天體均不發(fā)光，為使模型更加真實，進行公轉的天體必然有面光和背光之分，即對模型須進行光照處理。在技術實現中通過glMaterialfv( )函數設置材質屬性實現太陽自發(fā)光，并通過函數glLightfv( )設置0號光源的環(huán)境光、漫反射光及光源位置。模型材質通過函數glLightModelfv( )設置。光照材質的設置步驟如圖5所示。圖6為經紋理映射及光照材質處理后的部分天體。

圖5 光照材質設置步驟

圖6 經紋理映射及光照材質處理后的天體

（三）三維漫游

三維漫游作為系統中的重要功能之一，它的實現須要對整個太陽系中的多個模型進行場景觀察，在這個過程中同時須要利用鍵盤或鼠標對視角前后、左右進行控制。因此,系統中的太陽系模型漫游功能借助鍵盤交互，響應按鍵改變gluLookAt函數中參數，改變視點及視線方向產生三維效果。函數gluLookAt(s_eye_x，s_eye_y，s_eye_z，s_at_x，s_at_y，s_at_z，up_x，up_y，up_z)共9個參數生成視點位置E(s_eye_x，s_eye_y，s_eye_z)、視點參考點A(s_at_x，s_at_y，s_at_z)及向上方向U(up_x，up_y，up_z)的視覺坐標系。借助鍵盤響應函數，利用上、下、左、右鍵改變函數中的E、A坐標值，最后通過事件循環(huán)檢測，不斷更新視點，從而重新繪制場景,實現漫游效果。

（四）繪制加速

為滿足學習者的視覺效果等多重體驗感，三維漫游功能在人機交互場景生成時必須保證系統運行有足夠的速度，對此筆者團隊通過繪制加速技術對系統進行了優(yōu)化。系統中主要三維圖形為球體，繪制時重復率高，且繪制次數較多。因此，系統采用顯示列表繪制天體及其運行軌道，將繪制代碼寫入glNewList與glEndlist中，需要繪制時通過glCallList調用。經繪制加速處理后，提高了系統運行時人機交互速度，滿足場景繪制時的視覺效果。

五、系統運行結果

根據教學目標及需求，本文設計并實現了太陽系模型教學仿真系統，經過測試運行效果良好，滿足實際太陽系模型教學需要。

如圖7所示即為系統運行首界面，左、右兩邊按鍵功能是為太陽系模型中各個天體提供詳解，學習者學習時將仿真模型與文字解釋性知識相結合，幫助其理解及記憶。以木星按鍵功能為例，其效果如圖8所示。另外在文中也展示了系統漫游時的效果，如圖9所示。

圖7 太陽系運行圖

圖8 木星知識介紹

圖9 漫游效果圖

六、結論

本文設計開發(fā)的太陽系虛擬仿真教學系統中的各個行星特征、運動規(guī)律的仿真效果真實，而且因為增加了人機交互漫游功能，學習者可動態(tài)、直觀形象地觀察天體運動及特征，學生空間想象力得到培養(yǎng)和鍛煉，在動手、動腦自主探究的同時加深了對知識的理解。除此之外，本系統在教學中簡單實用，可重復使用，系統功能也可擴展。

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Design and Development of Virtual Simulation Teaching System for Solar System

WEI Li,DAI Jiajia,WANG Xiaoya,HUANG Huimin
(School of Education Science,Nanjing Normal University,Nanjing,Jiangsu,China 210097)

In the teaching of Science in traditional primary and secondary schools,the solar system model is usually demonstrated with using words,pictures,videos or real objects by teachers.However,these resources are not very well in teaching in terms of intuition,fun,interactivity and flexibility.In order to improve the shortcomings of the above teaching resources,this paper has developed a dynamic solar system simulation teaching system,which is based on Windows development platform.Besides,it takes Visual C++ 6.0 as the development environment,and OpenGL as the development of graphical device interface.The system achieved the functions of the star simulation,three-dimensional roaming,and motion control etc.Its prominent features are very good in terms of simplicity,intuition,and flexibility and interaction.

solar system;model simulation;OpenGL

G4

A

2096-0069（2017）05-0075-06

2017-08-15

江蘇省社會科學基金項目“歷史文化古跡高保真全自動數字化平臺建設研究”（15TQB005）

魏利（1994— ），女，四川綿陽人，碩士研究生，研究方向為教育技術、計算機圖形學；戴佳佳（1993— ），女，安徽蕪湖人，碩士研究生，研究方向為教育技術、計算機圖形學；王小雅（1993— ），女，安徽銅陵人，碩士研究生，研究方向為教育技術、人臉建模；黃慧敏（1993— ），女，廣東珠海人，碩士研究生，研究方向為教育技術、三維重建。

（責任編輯 孫志莉）