用 unity3D 探究飞机投弹问题

一、飞机投弹问题的教学背景。
飞机投弹问题是高中物理里面关于平抛运动的典型问题。常见的问题诸如：某高度水平匀速飞行的飞机，每隔1秒释放一颗炸弹，地面上的观察者将观察到炸弹在空中会怎样排列？飞机上的观察者观察到炸弹会如何运动？炸弹相互之间的距离会怎样变化？炸弹在地面上的落点将怎么分布? 如果要击中目标该多远就投弹？… 由平抛运动规律可以做如下推测：炸弹在飞机中释放后由于惯性，具有和飞机一样的速度，因此在地面上的观察者将看到炸弹做平抛运动。炸弹有着和飞机相同的速度，飞机上的观察者将看到始终炸弹在飞机下方，相对飞机做自由落体运动。作为物理教师，笔者在平抛运动教学时发现很多学生缺乏在头脑中建立飞机投弹情景的想象力，学生对于炸弹在空中如何排列都是根据老师的描述建立起粗浅映像，完全没有感性的认识（一般条件下不可能在现实环境中用模型飞机来模拟投弹问题），因此对于飞机投弹问题难以形成较深刻的认识，对于平抛运动的规律理解也不透彻。为帮助学生在头脑中形成飞机投弹的物理情景、深刻认识平抛运动规律、加深对飞机投弹问题的理解、同时提高学生学习物理的兴趣，笔者尝试用计算机模拟的方式来研究飞机投弹问题。既然是模拟，应尽量反映真实的物理情景和物理规律，最好能展现现实条件下不能观察的现象，能自由改变初始条件创建不同的情景。为了用计算机模拟实现上述目标，在疫情防控期间笔者尝试用Unity 3D 制作了一款探究飞机投弹问题的三维游戏软件。本软件可用于教师平抛运动教学或学生游戏化体验式学习。
二、unity 3D软件的优点与功能。
Unity 3D是由Unity Technologies开发的一个让玩家轻松创建诸如三维视频游戏、建筑可视化、实时三维动画等类型互动内容的多平台的综合型游戏开发工具，是一个全面整合的专业游戏引擎。虽然是一款三维游戏制作软件，看上去与物理教学关系不大，但笔者在学习该软件的过程中发现在制作计算机辅助教学软件时，UNIty3D有很多其他软件不可比拟的优点：1.Unity 3D 内置 Physics Engine （物理）引擎，可制作出逼真的物理互动效果，在Unity 3D 软件的搭建的游戏场景里有着和现实世界一样的重力加速度，游戏物体同样满足牛顿运动定律，在设置质量、速度、摩擦力和空气阻力等变量后，游戏物体将呈现和现实环境中一样的运动形态。2.Unity 3D 的摄像机相当于人眼，当把摄像机绑定在物体上时，软件使用者将观察到以该物体为参考系看到的现象，切换不同物体就让观察者看到不同参考系观察到的现象，这在现实情境下几乎是可不能完成的任务。3.Unity 3D 是一款三维游戏制作软件，制作的场景是三维立体的，可逼真体现现实环境，还可加入声音等元素，在游戏中让人有身临其境的体验。4.Unity 3D 同时是一款轻量级游戏制作软件，编程语言并不复杂。它支持C#，javascript语言编程，可短时间制作出高度自由的互动方式。5.支持导出手机版游戏。
三、开发过程概述。
在应用unity3d开发探究飞机投弹问题的游戏化教学软件时，笔者先制定了开发目标：1.能够反映平抛运动的规律，显示不同高度、初速度条件下的物理情景。2.能够反映不同参考系看到的现象。3.能够显示运动轨迹，游戏场景尽量逼真。4.能激发学生学习兴趣和帮助学生掌握平抛运动的规律。因此，本软件提供了四种模式：探究模式，游戏模式，闯关模式和答题模式。

1.探究模式。在该模式下首先设置飞机高度、速度、释放炸弹间隔时间等初始条件，按开始按钮开始演示炸弹运动情景，可暂停游戏或改变游戏运行速度方便于观察。可以观察到炸弹在空中的排列情况，能显示自由落体运动相同时间间隔的位移比例。可以以地面、飞机、炸弹为参考系去观察不同的物理现象，帮助学生理解参考系不同观察到的现象也不同。调节飞机高度和速度可探究影响平抛运动的时间和水平射程的决定因素。
2.游戏模式。游戏模式下由玩家根据目标的远近自己控制炸弹释放的时机，击中目标可获得积分。有地面和飞机上两个观察位置和6种观察方向，便于判断飞机与目标的水平距离。飞机高度也越高，速度越大，越难判断合适的释放时机，因此游戏难度也越大，积分也越大。对于平抛运动规律掌握较好的学生可心算时间，估算出距离从而较大概率击中目标，可激发学生判断能力和学习热情。

3.闯关模式。闯关模式完全模拟轰炸机飞行员的视角，可自由调节飞行高度和飞行速度。玩家要根据目标位置、飞机高度，飞机速度判断释放炸弹的时机。炸弹落地后产生被炸物四面八方飞出的爆炸效果，击中地面和击中目标产生的声音效果也不一样，力求逼真反映炸弹在现实环境中的爆炸场景。闯关模式炸弹数量用完后可通过答题换取炸弹，以实现寓教于乐的目的。

4.答题模式。在答题模式根据常见平抛运动的考题特点设置了不同难度的四种类型的题目。目的是让学生通过练习熟练掌握平抛运动的解题技巧，明白平抛运动的题目本质核心就是就是在知道两个已知量的条件下去求解其它量。题目的已知量数据和答案选项都是随机产生，每次答题都不一样。学生在答题过程中可以和飞机投弹的情景形成对应关系，从而帮助学生在头脑中形成物理情景。

四、软件应用后的反馈意见
本软件在疫情复课后用于平抛运动的教学，笔者在应用本软件教学时发现学生普遍对该软件表现出浓厚的兴趣，对于软件展示的平抛运动规律理解起来较为容易。学生对于飞机投弹问题中炸弹的排列情况有了更清晰深刻的印象，多数学生能推理出飞机高度、速度变化后的情景并进行软件模拟验证。答题模式学生多数选择第一和第二种类型，对于角度相关的题目感到困惑。部分学生尤其是男生对游戏模式和闯关模式兴趣更为浓厚，纷纷表示回家后要光明正大地玩一玩这个物理游戏。
五、发现的问题与后期改进设想
在应用教学后和结合学生的反馈意见，暴露出本软件的一些问题：1.探究模式下观察者的视角操作不太方便，缺乏自由度和灵活度。学生建议学习FPS游戏的控制方式。2.软件的控制按钮太多，学生感到界面复杂，功能强大但不明就里。3.答题模式下的数据不是特殊值，学生口算算不出来，打击自信心，影响做题积极性。4.游戏里飞机模型、炸弹模型、目标模型比较粗糙，缺乏真实感。5.飞机轰炸炸移动目标没有涉及。
目前，笔者对于游戏化教学软件的开发处于初步探索和基础研究阶段，unity3D软件使用方法和编程技术都比较业余，因此这个探究飞机投弹问题问题的游戏化教学软件难免是漏洞百出和BUG遍地了。如何将游戏化教学过程过程与取得良好教学效果有机结合起来，如何将游戏中具体形象化与理论规律的抽象化取得合适平衡等问题都没有来得及研究。不过，笔者认为，在提倡体验式教学的当前教学改革中，游戏化情景式教学模式会有一席之地，毕竟寓教于乐是多少老师和学生的梦寐以求的梦想啊。电子游戏是继绘画、雕刻、建筑、音乐、诗歌（文学）、舞蹈、戏剧、电影等八大艺术形式之后被人们公认的“第九艺术”。教育艺术与“第九艺术”的相遇又会擦出怎样的火花呢？

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