楊昊冉 申婧 程圖峰 賴豪東 陳杰

摘要：電子積木是以積木形式實現(xiàn)電路組裝的科教型玩具，其較難的電學(xué)項目具有相對復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)。將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于兒童科學(xué)教育過程中，開發(fā)兒童電子積木虛擬仿真系統(tǒng)，利用虛擬環(huán)境中靈活的觀察視角和動畫演示，能夠解釋復(fù)雜電學(xué)項目拼裝過程，以生動有趣、易于理解的方式實現(xiàn)以兒童為主要受眾的電路拼裝教學(xué)。在該系統(tǒng)中可以使用各類虛擬電子積木組件進行多次拼裝嘗試，能夠培養(yǎng)兒童探索學(xué)習(xí)的能力，提升學(xué)習(xí)電路知識的興趣。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實;兒童教育;電子積木

1 背景

電子積木是將導(dǎo)線、燈泡等電子元器件固定在塑料片上，用子母扣做成獨立可拼裝的配件，在安裝底板上像拼積木一樣拼裝電路組合的一種科教型玩具。其說明書中只有一張拼裝完成后的平面圖，對于空間結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的電路組合，無法給予孩子足夠的指導(dǎo)。利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)開發(fā)虛擬電子積木軟件，能夠在虛擬空間中提供易于兒童理解的，更詳細、準確、直觀的觀察視角，實現(xiàn)有效的拼裝指導(dǎo)，減少體驗過程中的挫敗感，使兒童能更好地獲得動手完成項目的樂趣。本項目以科教玩具產(chǎn)品電子積木為原型，沿用其富有童趣的電學(xué)積木單元，在虛擬環(huán)境中模擬真實環(huán)境中拼裝不同電路實現(xiàn)的物理現(xiàn)象，提供和元件自由拼裝功能和逐過程的拼裝教學(xué)動畫。兒童使用此軟件能夠直觀地了解到從簡單到復(fù)雜電路的拼裝過程，觀察到電學(xué)項目的實現(xiàn)效果，在探究、體驗、發(fā)現(xiàn)中學(xué)習(xí)科學(xué)[1]。

2 需求分析

虛擬現(xiàn)實又叫虛擬仿真，放眼世界，虛擬現(xiàn)實教育的概念在2004年被正式提出[2]，因其具有沉浸感、交互性、想象性三大特征，能夠克服傳統(tǒng)教學(xué)環(huán)境限制，在教育上有著極大潛力[3]。從目前各個虛擬仿真教育平臺和軟件的數(shù)量來看，虛擬現(xiàn)實技術(shù)多用于高等教育和深層次教育[4-5]，其次是初高中課堂、課外教育，如中學(xué)物理電路虛擬實驗室等有關(guān)教育教學(xué)實驗的仿真軟件，針對兒童的虛擬現(xiàn)實教育平臺和軟件較少，幼教應(yīng)用主要依托于實體產(chǎn)品，集中在益智玩具市場。

電子積木產(chǎn)品將電路組裝與富有童趣的積木拼接游戲結(jié)合，是一種廣受歡迎的寓教于樂玩具，而其受限于實體產(chǎn)品的生產(chǎn)方式，存在難以清晰解釋玩法和原理、單款產(chǎn)品提供的電學(xué)元件種類有限等問題，虛擬現(xiàn)實技術(shù)能夠在體現(xiàn)真實物理現(xiàn)象的前提下，為這些問題提供相應(yīng)的解決方案。

3 軟件功能設(shè)計

本項目旨在開發(fā)出一款能夠給兒童足夠指導(dǎo)并能進行實驗性操作的虛擬仿真教育教學(xué)軟件，在能給兒童以足夠清晰的演示步驟的同時也擁有能夠在便攜設(shè)備上實現(xiàn)模擬現(xiàn)實操作的功能，主要功能模塊為電學(xué)知識科普、自由模式、教程模式。

電學(xué)知識科普模式下能夠通過圖片、文字、語音三種方式對兒童進行電學(xué)知識普及，包括電子元件介紹、關(guān)于電的基礎(chǔ)小知識、安全用電教育和與元件相關(guān)的電子知識科普，可以在電子積木游戲之前進行嚴肅的科學(xué)教育。兒童可以在自由模式中，自主選擇想要的電子元件，選擇方向和位置進行放置，在此模式下可以自由變換視角，多角度的觀察電子元件的擺放，如果元件放置正確電路正確，關(guān)閉開關(guān)，會有對應(yīng)的電學(xué)現(xiàn)象產(chǎn)生。教程模式下可以選擇想要學(xué)習(xí)的電路，然后通過自動播放和分步驟播放兩種形式觀看教程。

4 用戶界面設(shè)計

根據(jù)兒童身心發(fā)展特點[6]，為了使得此軟件能夠適合2-15歲全年齡的兒童使用，用戶界面和虛擬場景的設(shè)計中相應(yīng)地考慮到趣味性、易操作性和容錯性的平衡。整體場景以明亮的色彩營造充滿活力的環(huán)境氛圍，以簡單的小玩具作為裝飾性元素，活潑可愛的界面風(fēng)格充滿童趣，能夠引起兒童使用軟件的興趣。

采用觸摸拖拽完成的直接操作作為主要交互方式，使得缺乏軟件操作經(jīng)驗的兒童能夠像生活中使用手中物品一樣直接操作所觸碰到的元件，降低軟件使用初期的學(xué)習(xí)成本，激發(fā)兒童的探索欲。對于具備軟件操作經(jīng)驗的父母來說，在指導(dǎo)孩子時可使用常規(guī)的點擊交互模式，此模式下積木擺放操作簡單，搭建過程得到簡化，可以將更多的注意力放在跟孩子的溝通交流上?？紤]到容錯性，軟件中除了搭建操作中的撤銷功能外，還在教程等動畫解釋模塊中提供了便捷的分解和回看功能。

5 軟件開發(fā)與實現(xiàn)

5.1模型和場景制作

使用maya和blender兩個三維建模軟件完成整體模型制作。首先，對元件進行測量，記錄每種元件的長寬高數(shù)據(jù)，并拍照記錄其三視圖和配色，然后通過maya和blender軟件完成元件的模型制作，并且根據(jù)實際模型賦予模型貼圖，使用燈光渲染進行深度烘焙將深度信息烘焙到模型貼圖，最后通過UV展開技術(shù)，將模型和貼圖導(dǎo)出成單一文件，最后導(dǎo)入到Uinty3d中使用。

5.2元件搭建邏輯結(jié)構(gòu)和搭建操作邏輯設(shè)計

本項目使用unity2019.2以及visual2019中的.net4.0以上編程環(huán)境操作。

1）底盤實現(xiàn)

底盤索引值通過利用一個三維數(shù)組來對零件位置信息進行存儲，其中x，y分別存儲零件坐標(biāo)信息，z存儲零件高度信息，當(dāng)零件放置時，會基于零件當(dāng)前高度，零件自身長度、旋轉(zhuǎn)度，調(diào)整底盤格子信息，同時，存儲一個零件放置時，被零件覆蓋的底盤格子信息，方便在零件拿起時還原放置前格子位置。

同時零件自身會儲存相應(yīng)的索引值，當(dāng)進行拿起或者放置的操作時，底盤的索引數(shù)組將會基于零件高度添加零件自身的索引，例如放置一個3*1的導(dǎo)線時，底盤數(shù)組的三個相應(yīng)格子會增加一個高度，而且放置一個3*3的電池組時候，由于電池部分不再可操作，那么電池部分就為最大高度，而電池組接口處增加一個高度。

2）零件操作

當(dāng)鼠標(biāo)選擇工具欄生成需要的零件后，該零件就為選中零件，在pc端，零件處于可移動狀態(tài)時，會通過獲取當(dāng)前鼠標(biāo)在的屏幕中的坐標(biāo)，轉(zhuǎn)化為世界坐標(biāo)，具體為從mainCamera中發(fā)出一根射線，打倒世界中可與此射線碰撞的物體（軟件中的零件底盤），獲取到當(dāng)前的世界坐標(biāo)后，將零件位置信息中的x，y變化為此坐標(biāo)，便可以實現(xiàn)零件移動。在Android端時，當(dāng)零件處于可移動狀態(tài)時，會獲取用戶在屏幕中滑動的滑動向量，同時計算當(dāng)前攝像機與底盤中心點的夾角值，對零件的位置進行變化。