一个基于3D游戏引擎的物理实验平台的建设

一个基于3D游戏引擎的物理实验平台的建设杜红艳计算机科学技术学院长沙大学长沙中国贾政王嘉田兴艳软件技术学院湖南大学长沙中国摘要这一个新概念教育课程提议是旨在加强学生自我探究和自我解决问题的能力以及提高科学研究的素养，询问教学作为一种教学方法已经被广大教育者普遍关注，本文选择物理实验为突破口，使一个物理实验探究学习平台的基于游戏引擎上，以帮助学生积极参与探索处理好学习科学知识的方法，提高自我学习自我探究的能力。关键字：探究性学习，物理实验，3D游戏引擎，物理引擎I.引言一，3D游戏引擎的开发随着社会的进步和发展，游戏作为一个重要的娱乐和教育手段已普遍被人广发接受，最近几年游戏行业成长与国家的强大支持力量，其中，三维游戏是这个行业的最核心的技术，它代表最新计算机的硬件和软件技术的发展，它的关键是质量的游戏。三维游戏引擎技术已经开发和广泛使用，不仅在3D游戏中，而且在虚拟现实，比如虚拟建筑，城市规划，教育和其他领域也有一些广泛的实际的应用。二，特色的物理教学物理学是自然科学的基础学科，做一个实验需要建立在大量物理事实和现象的研究之上。人们总结实验现象，并提出抽象的概念，并验证它，同时，对目的目标的教育和培训，高品质的质量科学人才的培养，实验物理教学应以学生为中心，积极探索教学方法，教科学知识，提高科学素质，培养科研能力。三，三维物理引擎技术教学使用3D引擎，虚拟环境和运作物理教学有一定的优势。首先，模拟在物理计算基础的技术，提高，使系统模拟显示现实。其次，让学生在虚拟环境中操纵虚拟物体和投入的设备，获得了在虚拟物体的反馈环境，将为学生的真实感受，以帮助他们积极学习和探索。II.设计的物理实验平台探究性学习一，学习探究（过程和建构）建构主义，也称为结构主义，其中源于对儿童的认知发展理论认为，儿童对外部世界的认识是建立在围绕基础环境互动的过程与步骤中，建构主义认为，学习知识不只是通过教师得教学。在某些学习者与其他人（包括教师和帮助情况下，其他学习伙伴）的帮助下和获得必要的材料和工具，来够建自己的认知方式，帮助学生在学习过程中理解自然规律和法则的内容。这个概念在新一轮的积极意义在基础教育课程改革。新概念基础教育的主张是：学生积极参与，享受参与探究的乐趣，学生的能力的建设。处理信息的收集，获取新知识，分析，解决问题和互相彼此合作。针对这一目标，教学应着眼于发展对学生思维的培养和自我探索、自我学习的学生能力探究性学习。探究性学习模式是一种体现建构主义的概念：学生由教师提供实验的环境，提供并发现问题，进行初步猜测，然后设计解决问题的办法，进行实验，收集证据，分析问题并作出结论。通过下面的过程促进了学生的学习问题解决能力和创新精神，如图一的学习过程：二，物理实验科学作为突破口物理科学的系统由物理概念和物理法则组成，在这些概念和规律的基础上构建物理实验平台。有许多变数会影响物质的运动和变化，开始我们应该在简化实验的情况下通过控制变量研究这一现象，使人们对客观规律认识逐步加深和加强。从本质上讲，实验是要创造一个环境来控制物质运动过程并且排除人为地干扰运动，并强调在理想的环境中的主要因素。因此，实验的本质是“控制”。对探究性学习在物理模型的应用实验是体现了这一点。在实验中，学生探索学习中学生之间的关系协调，对知识和实验方法的探究能力，训练科学方法和科学思想，并建立了实验动手意识，以及实验基本实验技能和科学素养，发展自身的综合能力。基于3D游戏引擎的环境物理学模拟实验是利用物理虚拟技术，并在此基础上，物理实验探究学习建立一个为学生提供方便的，可控性的和虚拟现实环境，并为学生的自我学习和自我探究机会在平台上取得良好的学习效果。三，物理实验平台的框架设计探究学习的物理实验平台，在三维场景模拟实验的基础上，创建物理环境，促进探究学生的学习。学生们选择知识点，首先进入这个平台，再分析这一问题，给出相关的科学命题，在这之后，进入知识点的实验三维虚拟现场，选择和编辑与实验道具相应的物理性质，进入实验过程。在同一时间，该平台收集有关实验数据，然后提供给学生。学生获得的证据，可以帮助他们理解和评估科学问题，然后解释，回答科学对事实证据的基础问题。该框架平台物理实验探究性学习，所示图2：3D游戏引擎：三维游戏引擎包含一个场景结构，对象处理，现场绘制，在事件处理，碰撞检测等。建设在3D游戏框架物理实验场景可以提供学生一个现实的和可控性虚拟环境，节省成本，对学生的探究学习作用。本文选择的游戏引擎（猪传染性胃肠炎）的GarageGame公司。一面向对象的，相对的功能齐全的游戏引擎，它已许多功能，如基于底着色技术OpenGL和DirectX的渲染引擎，牵引的GUI创造，内置的世界编辑器，C语言风格脚本语言等。物理引擎：虚拟现实环境下的基于物理模拟的方法，大大提高了真实性和互动性，使我们能够模拟复杂的物理现象。本文选择了常微分方程物理引擎，常微分方程是一刚体动力学模拟图书馆，使用广泛的机械模拟项目和3D游戏。它提供了6个联合设计的限制，集成了开源的碰撞检测库的操作码，碰撞检测支持，提供了一个接口调用，便于集成的应用和二次开发。物理知识模块，物理集合知识，每个知识点包含了相关的物理法则和实验内容。学生可以选择他们想学的知识点，给予有关科学的命题，在进入该平台。实验场景模块前：一收集在猪传染性胃肠炎的实验方案，包含这些物理知识点的实验方案。后选择知识点，学生分析问题，并提出了一个解决方案，然后输入相应的准备实验方案，准备探讨的命题提出。实验道具编辑模块：虚拟工具之一，对猪传染性胃肠炎和ODE的实验道具。学生们可以编辑所需要道具的物理性质。这是方便学生控制实验进度。实验控制器模块：控制方法猪传染性胃肠炎的实验方案实验道具。学生可以控制实验的实验道具[7]。实验数据模块：负责收集相关实验数据。它提供的实验数据学生，帮助学生整理资料，确定问题和解释问题，最后达到的效果探究性学习。III.自由落体实验平台（例证）在这个实验中，我们试图模拟自由落体对两个不同数量和质量的物体。在世界编辑器使用特派团督察创建两个物理对象，在这个例子中的身份证号码是2769和2880.After是打开属性编辑器，选择他们的身份证号码，并给他们如图3.In的物理性质关闭无用的面板。单击开始按钮在屏幕的上方，开始与定量模拟过程,现在输入正确的值。正是在同一时间定时器开始工作。在对象的信息应该显示面板物理瞬时状态和价值的一些信息，例如速度势头位置等。在整个模拟过程中，单击暂停仿真按钮来暂停，以便观察对象在虚拟在现场直接一刻。一，编辑实验道具在自由落体实验中，我们需要把一些在虚拟环境中对象属性确定。但总体条件，先进的游戏引擎必须定义一个与TorqueScriptItemObject之前运行的虚拟环境，以考虑到这种情况，我们预先定义一类ODEItem源代码的TGEA。这个类是项目并进类（原班）和支持ODE方法，继承拖动和StaticShape类下降方。二，实验过程控制在自由落体实验，过程中整个过程通常需要一些时间观察对象点。但常微分方程模拟不能支持这种方法。在这种情况的审议[9]，我们就提出一个计时器机制在虚拟环境中，定时器开始模拟。何时用户暂停模拟过程中，平台的数据保存到模拟一个静态文件，打破模拟过程。直到用户去的模拟，从静态文件作为数据的初始装载平台对当前对象和计时器的值开始工作继续进行。由这种方式获得实验者的目的为在暂停和观察任何需要时间。IV结论本文探究的物理实验平学习基于三维游戏引擎和物理引擎技术建议。它提供了学生方便的虚拟视觉，可操作性实验环境，方便地控制实验过程，探讨刺激学生的学习兴趣。这是一个尝试运用探究学习模式，三维游戏引擎在物理教学和物理引擎技术。为进一步改善该平台，更多的实验需要实例化，平台的一些其他功能，可调查，如方便的实验控制器，虚拟实验场景和细节对实验道具的类别。参考书目[1]DesignexperimentsineducationalresearchPCobb,JConfrey,AdiSessa,RLehrer,LSchauble-Educationalresearcher,2003-edr.sagepub.com[2]Nationa1ResearchCouncil.(1996).TheNationalscienceEducationstandards.washingtonDC:Nationa1AcadePress.P.23[3]AlanAmory,KevinNaicker,JackieVincentandClaudiaAdams.ComputerGamesasaLearningResource.[4]Minstrell,EmilyH.VanZee.InquiringintoinquirylearningandteachinginsciencebyJames,AmericanAssociationfortheAdvancementofScience.P.42[5]DavidM.Bourg.PhysicsforGameDevelopers.O’ReillyPress,2002[6]ChrisDode,TheEvolutionofConstructivistLearningEnvironments:ImmersioninDistributedVirtualworlds，EducationalTechnology，Sept-Oct,1995.[7]TomasAkenine-Moller,EricHaines.Real-timeRendering.AKPeters,LTD,2002[8]WendyStahler.BeginningMathandPhysicsforGameProgrammers.NewRidersPublisher,2004[9]AndreLaMothe.Tricksofthe3DGameProgrammingGurus:Advanced3DGraphicsandRasterization.SAMS,2002