胡 海 王 芳

(黃石市第九中學(xué) 湖北 黃石 435000)

1 引言

模擬仿真課件是指利用計(jì)算機(jī)建模和仿真技術(shù)來(lái)表現(xiàn)某些系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)，為學(xué)生提供一種可供他們體驗(yàn)和觀測(cè)的環(huán)境，產(chǎn)生各種與現(xiàn)實(shí)世界相類似的現(xiàn)象，供學(xué)生觀察，幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)和理解這些規(guī)律與現(xiàn)象的本質(zhì)．具有形象直觀、經(jīng)濟(jì)安全、不受條件限制、控制事物的變化速度等特征，能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，控制學(xué)習(xí)情境的復(fù)雜度和逼真度，有一定的時(shí)效性．而物理是一門(mén)以觀察、實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科，由于客觀條件的限制，理想實(shí)驗(yàn)環(huán)境的搭建存在一定的局限性，使實(shí)驗(yàn)效果與預(yù)期存在較大的誤差或難以實(shí)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的獲取和處理也會(huì)影響結(jié)果的分析．利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)來(lái)模擬虛擬儀器和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)等實(shí)驗(yàn)環(huán)境，演示實(shí)驗(yàn)過(guò)程，并給學(xué)生用自然的交互手段進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，按照真實(shí)實(shí)驗(yàn)的邏輯，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果，克服實(shí)際操作中同步同時(shí)帶來(lái)的困難和數(shù)據(jù)獲取的即時(shí)性、有效性，利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的建模和數(shù)據(jù)分析能力，將事物進(jìn)行模型化分析，揭示一定數(shù)量關(guān)系或變化規(guī)律，有助于學(xué)生對(duì)規(guī)律的深刻認(rèn)識(shí)，提高物理核心素養(yǎng)，有效解決學(xué)習(xí)的難點(diǎn)，可以代替或補(bǔ)充傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)手段．

下面以八年級(jí)物理“測(cè)量平均速度”為例，結(jié)合Box2D引擎，闡述此類仿真課件的設(shè)計(jì)思想和實(shí)現(xiàn)方法．

2 Box2D引擎概述

在物理教學(xué)或?qū)W生學(xué)習(xí)活動(dòng)過(guò)程中，絕大部分內(nèi)容都是以2D平面模型為基礎(chǔ)向?qū)W生傳達(dá)知識(shí)的，旨在引導(dǎo)和培養(yǎng)學(xué)生從抽象中建立精準(zhǔn)物理模型的思維習(xí)慣．Box2D是一個(gè)開(kāi)源、輕量級(jí)、高性能的二維物理仿真引擎，可用來(lái)模擬2D剛體(類似于物體)的運(yùn)動(dòng)和碰撞，結(jié)合語(yǔ)言工具，非常適合用來(lái)開(kāi)發(fā)中學(xué)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(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)的計(jì)算，將物理模擬過(guò)程封裝到類對(duì)象中，將對(duì)物體的操作以簡(jiǎn)單友好的接口提供給開(kāi)發(fā)者，物體具有質(zhì)量、體積、密度、摩擦因子等物理屬性，開(kāi)發(fā)時(shí)只需要調(diào)用引擎中相應(yīng)的對(duì)象或方法就可以模擬現(xiàn)實(shí)生活中的加速、減速、拋物線運(yùn)動(dòng)、萬(wàn)有引力、碰撞反彈等等各種真實(shí)的物理運(yùn)動(dòng)．廣泛應(yīng)用于PC，Web(HTML5)，iOS，Android等平臺(tái)的物理游戲開(kāi)發(fā)中(例如游戲《憤怒的小鳥(niǎo)》)，并被廣大的開(kāi)發(fā)者們轉(zhuǎn)譯成C#，Java，JavaScript，ActionScript3.0(以下簡(jiǎn)稱AS3)等多個(gè)語(yǔ)言版本．開(kāi)發(fā)工具使用AnimateCC(原名Flash)，是一種集動(dòng)畫(huà)創(chuàng)作與應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)于一身的創(chuàng)作軟件，擁有較多的使用人群，使用面向?qū)ο蟮木幊陶Z(yǔ)言AS3，為創(chuàng)建富媒體數(shù)字動(dòng)畫(huà)、高級(jí)交互式Web站點(diǎn)、桌面應(yīng)用程序以及手機(jī)應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)提供了功能全面的創(chuàng)作和編輯環(huán)境．將課件編譯成獨(dú)立運(yùn)行的微件，碎片化處理，使用靈活，便于在網(wǎng)絡(luò)、電子白板等其他教學(xué)工具上進(jìn)行傳播學(xué)習(xí)，還可以發(fā)布為Android應(yīng)用程序在手機(jī)或平板上學(xué)習(xí)．

3 仿真模擬課件設(shè)計(jì)概述

3.1 設(shè)計(jì)思想和功能要求

課件設(shè)計(jì)思想是把解決學(xué)習(xí)問(wèn)題放在第一位，突出重點(diǎn)，解決教學(xué)或?qū)W習(xí)中的難點(diǎn)問(wèn)題、關(guān)鍵問(wèn)題，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和探究能力，能滿足教師教學(xué)演示和學(xué)生自主學(xué)習(xí)的需求．在課件結(jié)構(gòu)上，采用模塊化思想，變“線性結(jié)構(gòu)”為“非線性結(jié)構(gòu)”，增強(qiáng)課件的交互性和操作的人性化，使課件能夠根據(jù)教與學(xué)的需要隨意調(diào)度．學(xué)習(xí)策略上注重“歸納”和“演繹”的思維方法．界面設(shè)計(jì)盡量簡(jiǎn)潔，突出主體．以“測(cè)平均速度”為例，課件能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)驗(yàn)器材的使用、實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集與分析、課后練習(xí)與鞏固等．因此具備以下5個(gè)功能：

(1)交互模擬各類物理儀器的使用和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建；

(2)模擬呈現(xiàn)真實(shí)的物理運(yùn)動(dòng)和碰撞；

(3)自然的人機(jī)交互能力，真實(shí)模擬實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程；

(4)實(shí)時(shí)獲取相關(guān)數(shù)據(jù)和較強(qiáng)的可視化分析能力，便于歸納得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論；

(5)通過(guò)教師引導(dǎo)，創(chuàng)造性安排課后拓展實(shí)驗(yàn)練習(xí)，鞏固所學(xué)知識(shí)．

3.2 課件框架

課件分為基礎(chǔ)知識(shí)準(zhǔn)備部分、情景導(dǎo)入生活中的物理模型、實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建和調(diào)試、實(shí)時(shí)模擬仿真探究、數(shù)據(jù)記錄與分析、運(yùn)動(dòng)可視化分析和課后練習(xí)鞏固等7部分,結(jié)構(gòu)圖如圖1所示．課件內(nèi)的部分物件采用Animate矢量繪圖功能進(jìn)行建模，物理運(yùn)動(dòng)和碰撞等環(huán)境則采用引擎仿真技術(shù)進(jìn)行建模，其他部分利用AS3的面向?qū)ο缶幊趟枷?，制作成類，便于后續(xù)調(diào)度使用，整個(gè)課件為非線性結(jié)構(gòu)，菜單設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔，按需調(diào)用或隱藏，教學(xué)靈活，適合不同的教學(xué)演示和自主探究，展現(xiàn)其獨(dú)有的教學(xué)風(fēng)格和思想，具有一定的開(kāi)放性．

圖1 “測(cè)量平均速度課件”仿真課件功能結(jié)構(gòu)圖

4 仿真課件的實(shí)現(xiàn)

仿真課件的開(kāi)發(fā)遵循軟件開(kāi)發(fā)的一般步驟，依次是需求分析、設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)、測(cè)試、修改反復(fù)直至最后正式發(fā)布，仿真課件的制作目標(biāo)是構(gòu)建一個(gè)虛擬逼真的物理環(huán)境，其主要開(kāi)發(fā)流程分為物件類的創(chuàng)建、二維平面的建模和場(chǎng)景交互三大部分．其中物件類的建模由AnimateCC結(jié)合AS3語(yǔ)言創(chuàng)建，二維平面物理模型由Box2D AS3版物理引擎創(chuàng)建，并導(dǎo)入先前創(chuàng)建的其他類以備調(diào)用，場(chǎng)景交互利用鼠標(biāo)、鍵盤(pán)、幀頻和時(shí)間類事件進(jìn)行代碼編寫(xiě)完成，最后進(jìn)行貼圖和反復(fù)調(diào)試等．

4.1 物件類創(chuàng)建

根據(jù)課件需求，需要用到的物件有刻度尺、停表、數(shù)據(jù)表格和坐標(biāo)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(xiě)代碼進(jìn)行數(shù)學(xué)建模．類文件應(yīng)該具有良好的類方法和屬性，便于在導(dǎo)入類時(shí)對(duì)其進(jìn)行操作和設(shè)置．

Ruler類用于創(chuàng)建刻度尺．能初始化其分度值和量程屬性，通過(guò)添加鼠標(biāo)事件，可實(shí)現(xiàn)刻度尺隨意拖動(dòng)和旋轉(zhuǎn)的功能．

StopWatch類用于創(chuàng)建停表．具有獲取分鐘、秒鐘、啟動(dòng)或暫停、復(fù)位時(shí)間的方法，目的是后期開(kāi)發(fā)時(shí)，能夠通過(guò)調(diào)用相應(yīng)的方法協(xié)同物體運(yùn)動(dòng)工作．給按鈕添加鼠標(biāo)事件實(shí)現(xiàn)交互，實(shí)現(xiàn)獨(dú)立使用．為增加可玩性，還給分針和秒針添加鼠標(biāo)拖動(dòng)旋轉(zhuǎn)事件，手動(dòng)調(diào)時(shí)和隨機(jī)時(shí)間等．

創(chuàng)建Ruler和StopWatch實(shí)例，結(jié)合x(chóng)ml，xmlList類隨機(jī)讀取外部圖片的物體信息，模擬測(cè)量物體的長(zhǎng)度填入文本框，用鼠標(biāo)將停表調(diào)到隨機(jī)指定的時(shí)間，完成課前基礎(chǔ)知識(shí)準(zhǔn)備模塊的制作，系統(tǒng)自動(dòng)判斷結(jié)果，類似于許多網(wǎng)站中的驗(yàn)證碼功能，正確便可進(jìn)入主課程界面的學(xué)習(xí)．

vTable類用于制作實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表格．將測(cè)量數(shù)據(jù)填入相應(yīng)的文本框，利用鍵盤(pán)輸入事件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，限制只能輸入精確到兩位小數(shù)的數(shù)字(刻度尺要進(jìn)行估讀的學(xué)習(xí)要求)，速度根據(jù)需要自動(dòng)計(jì)算結(jié)果．

Axis類用于創(chuàng)建坐標(biāo)系．屬性有橫軸長(zhǎng)度、縱軸長(zhǎng)度、橫軸刻度、縱軸刻度、橫縱軸標(biāo)注等，方法有繪制坐標(biāo)點(diǎn)、依點(diǎn)連線、點(diǎn)線顏色、是否網(wǎng)格等，用于可視化圖像分析路程與時(shí)間變化．

4.2 場(chǎng)景模型搭建

(1)引擎使用的尺度單位是米，需定義像素轉(zhuǎn)換常量；

(2)定義重力向量和剛體的睡眠狀態(tài)；

(3)創(chuàng)建b2World物理世界對(duì)象；

(4)添加幀頻或計(jì)數(shù)器事件，刷新世界讓引擎運(yùn)動(dòng)起來(lái)；

(5)調(diào)試視圖渲染剛體．

主要代碼如下：

import Box2D.*；//導(dǎo)入Box2D相關(guān)類

const pixTometer: Number = 30;//定義像素-米轉(zhuǎn)換常量

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

羅扎諾夫在《陀思妥耶夫斯基的一個(gè)卓越想法》(Одна из замичательных идей Достоевского)一文中評(píng)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(chuàng)建好后，便可以向世界添加創(chuàng)建剛體，構(gòu)建模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)．根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求，需要?jiǎng)?chuàng)建的靜態(tài)剛體有方形地面、三角形斜面、方形靜態(tài)擋板和Box墻面．其中斜面通過(guò)鼠標(biāo)事件可調(diào)整高度和傾角，斜面上的擋板可自動(dòng)調(diào)整位置和角度；墻面的作用是防止誤操作時(shí)使動(dòng)態(tài)物體逃逸實(shí)驗(yàn)平臺(tái)；單擊靜態(tài)擋板可使動(dòng)態(tài)物體初速度為零，在重力作用下自由運(yùn)動(dòng)和碰撞．

需要?jiǎng)?chuàng)建的動(dòng)態(tài)剛體有圓形小球、小車、動(dòng)態(tài)擋板，這是實(shí)驗(yàn)研究的主要對(duì)象．其中小車的創(chuàng)建使用到b2RevoluteJoint旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，將兩個(gè)圓形動(dòng)態(tài)剛體約束到方形動(dòng)態(tài)剛體上，構(gòu)建模擬真實(shí)的小車；動(dòng)態(tài)擋板剛體添加鼠標(biāo)事件可進(jìn)行拖動(dòng)設(shè)置，作用是使物體運(yùn)動(dòng)結(jié)束，結(jié)合Sound類導(dǎo)入外部音頻資源，可模擬物理碰撞的聲音，聲臨其境．

同時(shí)設(shè)置各種剛體的初始位置、動(dòng)/靜態(tài)屬性、夾具形狀、密度、摩擦因子、碰撞彈性恢復(fù)系數(shù)和約束關(guān)節(jié)屬性、運(yùn)動(dòng)阻尼、是否睡眠等，提高引擎運(yùn)行效能．后期利用自定義屬性對(duì)這些物體進(jìn)行貼圖美化，達(dá)到良好的視覺(jué)效果．未貼圖效果如圖2所示.

圖2 “測(cè)量平均速度”仿真課件主界面

4.3 交互功能實(shí)現(xiàn)

交互性是衡量仿真課件的一個(gè)重要指標(biāo)．上述每個(gè)物件有其自身交互功能之外，在整個(gè)課件系統(tǒng)中，為完成特定的教學(xué)目標(biāo)和功能，還具有其他可操作功能，接近自然的人機(jī)交互能力，還能夠協(xié)同工作，這得益于AnimateCC強(qiáng)大的事件處理能力．例如，小球、小車、擋板可隨鼠標(biāo)拖動(dòng)，物理模擬仿真關(guān)節(jié)，刻度尺和停表自帶的交互功能進(jìn)行長(zhǎng)度和時(shí)間的測(cè)量練習(xí)等．單擊鼠標(biāo)撤去擋板，物體即可運(yùn)動(dòng)，同時(shí)停表即可開(kāi)始記錄，協(xié)同操作，解決實(shí)際操作過(guò)程中不能同時(shí)操作的現(xiàn)象，影響實(shí)驗(yàn)效果．另外，可視化數(shù)據(jù)分析能力可實(shí)時(shí)將時(shí)間和路程數(shù)據(jù)顯示在坐標(biāo)系中，頻閃攝影通過(guò)繪圖函數(shù)在幀頻事件中按固定時(shí)間顯示繪制物體所在的位置，展現(xiàn)其軌跡，可視化分析物體的運(yùn)動(dòng)特征．

界面交互是非仿真部分，設(shè)計(jì)則較為簡(jiǎn)潔易用，只需單擊復(fù)選框達(dá)到顯示或隱藏的功能，平行化設(shè)計(jì)．

5 結(jié)束語(yǔ)

Box2D 是一個(gè)非常優(yōu)秀的 2D 開(kāi)源物理引擎，大大降低了仿真課件的制作難度和復(fù)雜程度，結(jié)合AnimateCC高效的生產(chǎn)力工具，可以制作出優(yōu)異的物理仿真課件，盡管Flash插件被許多平臺(tái)所限制，但在教育群體中被許多教師所使用，也很容易轉(zhuǎn)移到其他平臺(tái)繼續(xù)開(kāi)發(fā)．在教學(xué)中，利用課件進(jìn)行建模和數(shù)據(jù)可視化分析,培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維，自然的人機(jī)交互操作進(jìn)行科學(xué)探究，使學(xué)生形成正確的物理觀念和科學(xué)態(tài)度,提高物理核心素養(yǎng)．如果將課件通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)放給學(xué)生，安排一定的實(shí)驗(yàn)練習(xí)(例如測(cè)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(cè)出小車下滑的平均速度等)，將課堂進(jìn)行擴(kuò)展延伸，打破時(shí)間和空間的限制，促進(jìn)課堂教學(xué)的深層次改革，更有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力．通過(guò)實(shí)踐教學(xué)發(fā)現(xiàn)，學(xué)生也非常喜歡．仿真技術(shù)提供生動(dòng)、逼真的物理模擬平臺(tái)，解決了學(xué)習(xí)過(guò)程中的實(shí)驗(yàn)操作難點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了“以教促學(xué)”的教學(xué)方式向“以學(xué)生為主體”“學(xué)生自主探究學(xué)習(xí)”方式轉(zhuǎn)變，在提高課程核心素養(yǎng)中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用．