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Journal of Physics: Conference Series

PAPER bull; OPEN ACCESS

Unity平台上的2D和3D虚拟物理交互实验室To cite this article: J D Gonzaacute;lez et al 2017 J. Phys.: Conf. Ser. 935 012069

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Unity平台上的2D和3D虚拟物理交互实验室J D Gonzacute;alez1, J H Escobar1, H Sacute;anchez1, J De la Hoz1 and J R Beltracute;an1

1 Universidad del Magdalena, Santa Marta, Colombia E-mail: jgonzaleza@unimagdalena.edu.co

概述：使用跨平台游戏引擎Unity，我们开发用于PC，控制台，移动设备和网站的虚拟实验室，作为研究物理学的创新工具。 ICT在科学教学及其对学习的影响方面有着广泛的应用，并且考虑到物理教学实验室的有限可用性以及学校学生学习的困难，我们设计了虚拟实验室来提高学生对物理学中的概念。为了实现这个目标，我们使用Unity，因为它提供了支持凹凸贴图，反射贴图，视差贴图，使用阴影贴图的动态阴影，全屏幕后处理效果和渲染到纹理。 Unity可以使用当前视频硬件的最佳变体，如果不兼容，则可以使用替代着色器来牺牲性能。对移动设备，Web浏览器，控制台和台式机的交付控制是Unity同类交叉平台中最佳选择的主要原因。支持的平台包括Android，Apple TV，Linux，iOS，任天堂3DS系列，macOS，PlayStation 4，Windows Phone 8，Wii以及资产服务器和Nvidia的PhysX物理引擎，这是PhysLab Unity上最相关的工具。

介绍

本文着重于创新工具的开发，在该工具中，学习者可以与基于Unity平台的Movil虚拟实验室进行交互，其中包括虚拟设备和材料，并在Movil设备和计算机上进行实验。正如Larreamendy-Joerns和Leinhardt（2006）[1]所建议的那样，新的信息和通信技术（ICT）的知识正在将传统的学习环境，特别是在理论实践课程中，引向新的学习环境， ]。这些虚拟实验室成为一种流行的替代品，因为它们比物理实验更灵活，更安全，更易于管理，更简洁，更具成本效益和更快[2,3]。这些新颖的创新互动学习场景不仅可以让我们在围绕信息和软件工具（如计算机，平板电脑和智能手机）的社会中形成更具竞争力的公民，这些工具可促进沟通过程，而且还可以按照自己的步调前进[4-8]。一些研究表明，虚拟环境的惊人学习效果支持学生测试假设，探索和分析数据的专家做[9-11]。美国教育部（2009年）进行的研究表明，一般而言，在线教学可能比传统教学更有益，并展示了虚拟实验室在概念学习中的优势[2,3,12]。鉴于这种新的学习环境的影响以及实验室在中等教育机构中教授物理的可用性有限，作者开发了一系列虚拟实验室，目的是支持教师的工作和改善学生对基础知识的压缩。物理现象的概念[13-16]。因此，越来越多的研究人员提出用虚拟实验室替代物理实验室。我们的虚拟实验室包括每个实验的指导，这有助于减少认知负荷，因此，促进有意义的学习，因为它被研究[17]。本指南还可用于防止随机与模拟交互，并关注重要参数和概念。因此，虚拟实验室可以有效改善学生的学习理念。为了在Unity平台上开发虚拟实验室，我们决定使用视频游戏驱动单元，因为它是一个可用于Windows，Linux，Android，Apple和视频游戏控制台开发的平台，例如Xbox-1， Play Station等移动设备。图形驱动引擎使用OpenGl库，用于Microsoft Windows，Mac和Linux; Direct3D，适用于Windows和OpenGl ES，适用于Android和IOS。除此之外，它还支持浮雕，反射和平行映射，动态阴影和纹理渲染，有助于设计和创建2D和3D虚拟场景。其集成的物理引擎提供了一组对物理现象模拟非常有用的组件[18]。通过教育网站，视频会议和不同教育平台进行的研究与常规课堂学习的有效性没有显着差异。鉴于今天的学习应用程序，它可以利用广泛的资源优势，不仅包括基于Web和多媒体，还包括使用Unity的工具，这为开发应用程序提供了机

会，可以改进注意力的方式新一代年轻人在技术世界中成长。我们开发的应用程序旨在更好地了解模拟电子游戏的环境中的物理学研究，并可以提供虚拟实验室中考虑的物理现象的现实视图。根据Gordon和Pea（1995）的观点，通过虚拟实验室使用科学可视化（SciVis）可以提高学习效率，因为它支持研究人员的思维过程和方法[19]。在（2002）中，Fisher和Unwin认为视觉界面最大化了感知技能，并有助于理解地理生态系统的特征[20]。此外，对物理现象的模拟为学生提供了测试他们关于他们的假设的机会，在现实世界中这是不可能的，并且考虑多种情​​况以获得考虑到这些假设的可能结果的想法，例如在2002年，巴拉克和纳特开发了一个虚拟的矿物和分子虚拟博物馆：分子，在虚拟动手博物馆中进行可视化[21]。

1

Unity 3D和物理实验室模拟设计

2.Unity 3D和物理实验室模拟设计

Unity 3D由丹麦的Unity Technologies开发，是一个游戏开发生态系统，功能强大的渲染引擎与全套直观工具和快速工作流程完全集成，以创建交互式3D和2D。 Unity 3D的主要功能之一是支持建模物理属性。例如，可以使用各种关节组装对象。此外，各种物体可以具有质量，顺应性，碰撞检测等。与realXtend平台的主要区别之一是Unity 3D来自FPS（First Person Shooting）游戏领域，而realXtend则是多用户社交协作环境。 Unity的平台允许通过其检查模块创建新的材料，在该模块中显示该模块的对话框（参见图1）。它的渲染能力使所创建的物体具有高保真度，可以将其集成到虚拟世界或实验室中，并且其集成的物理引擎提供了一组对于模拟物理现象非常有用的组件。例如，Rigidbody组件允许您通过“Is Kinematic”属性重新创建对象动态，从脚本更改其值可以激活或取消激活对象的物理属性，如图2和表1中所示，我们列出了Rigidbody组件的属性。这个平台的另一个组件是碰撞体，它用于确定碰撞时物体的形状，也就是说，它们模拟物体的物理属性。例如，橡胶球掉落时应该弹起。如果要将RigidBody附加到另一个或固定点，请使用“连接”工具，“铰接连接”命令会使对象围绕特定点或轴旋转。 Constant Force是一个非常有用的组件，当向RigidBody添加恒定力时，在图3中显示了该组件的对话框。图4显示了这个平台创建的虚拟场景，不仅显示了它的渲染能力，还显示了灯光效果，阴影等等。

图1. Inspector模块框

图2. Rigidbody模块

图3.恒定强度组件框

图4.使用Unity创建的场景

表1. 刚体的属性和功能

属性 功能

Mass 物体的质量

Drag 空气阻力

Angular Dgag 旋转时空气阻力

Use gravity 是否启用重力

Is Kinematic 是否启用物理引擎

Interpolate 是否启用差值

Collision Detection 是否启用碰撞

Constraints 是否限制位移

2.虚拟实验室

在本文中，我们介绍了在一个环境中开发的22个虚拟实验室中的3个，其中可以选择不同的设备来检查不同的物理定律（参见http://simulacionfisica.unimagdalena.edu.co/），其中数据输入的区域是修改以获得输出区域的结果（另见表2）。我们可以看到，用于进行自由落体，摩擦系数和抛物线运动的机器（分别见图5,6,7）显示了一个能够轻松吸引学生注意的环境。虚拟实验室创建了一个强大的多功能工具，它与实验室指南相关联，这有助于学习每种物理现象。在本指南中可以找到问题，记录数据的表格以获得物理现象的代表性图形，分析方程和结论区域。

我们提出一套实验室，让学生认识模拟现象的相关变量，以及它们与解释现象的物理规律之间的关系。每个实验室都附带一个结构化的指南，内容如下：实验室名称，标准，待开发能力，问题问题，课程面积，开发成果，性能指标，理论基础，模拟，现象观察，计算，结果和分析。这些指南的组织结构证明学习机制可以实现学生对知识的使用：基于观察的学习，基于能力的学习，基于学习的科学可视化（SciVis）和基于抽象的学习。

图5.抛物线运动：两个运动的组合（均匀直线和自由落体）

图6.自由落体：确定重力加速度及其与天体运动的关系

图7.摩擦系数：摩擦，测定静摩擦系数和动摩擦系数。

表2.虚拟实验室。

虚拟实验室 描述

Velocity and acceleration 变量距离，时间之间的关系

Simple harmonic movement 谐波运动的周期和频率

Simple pendulum 摆的周期和长度的分析

Torsion pendulum 研究周期，惯性和扭转系数

Waves 波浪运动的运动学

Collisions 线性动量及其守恒原理

Newtonrsquo;s second law 惯性质量的概念。 力量和加速度

Energy 能源的概念。 动能和潜能

Archimedersquo;s principle 推力。 与重量和密度的关系

Circuit design 串联和并联的电阻器和电容器

Kirchhoff Laws 电路中的电荷和能量原理

Charging and discharge of a capacitor 通过电阻器加载和卸载电容器

Lenses 1 and Lenses 2 可见光。 图像的形成

Snellrsquo;s Law 入射角和折射角的概念

Conducting wire 电阻率研究。 关系区域和长度

Average and instantaneous acceleration 分析速度与时间的比例

Capacitance 组合电容器。

总结

本文的目的是介绍一种基于跨平台游戏Unity的新颖二维和三维虚拟实验室，以便在物理现象的研究中打开访问范围，因为用户可以正确地使用每个网页或通过下载我们的Google Play，App Store和Windows商店中的应用。未来，我们的愿景是通过使用虚拟物理体验来克服阻碍广泛实施远程学习的障碍。作者知道，虚拟实验室系统和模拟器通常仅用作学生工程教育和培训的第一步，随后通过真实可靠的设备获得更深入的实践经验。然而，基于当前的艺术状况，需要认识到虚拟现实，计算机图形学和世界技术的进步可以提供迅速增加基于虚拟实验室的系统应用的使用的机会，并且最终减少对真实世界实验室。最后，由于教育学领域与有效学习的设计之间的重要关系，本研究所开发的

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