研究背景

在传统物理教学中，教师常面临三大难题：其一，复杂物理现象可视化困难，如碰撞时的能量转换、天体运动轨迹等抽象概念难以用静态教具展现；其二，理想实验环境难以构建，例如无法完全消除空气阻力验证自由落体定律；其三，时空尺度限制，无法在有限空间内展示微观粒子运动或宏观天体系统。

现有解决方案呈现两极分化：专业级软件（如Algodoo）功能强大但操作复杂，普通教师难以快速掌握；简易型APP（如Phyphox）功能单一，无法满足教学多样性需求。我校教师调研显示，大多数老师认为现有工具与实际教学需求脱节，调试耗时且缺乏实时数据反馈。

基于此，本项目提出开发一款专为物理教学设计的数字实验平台，通过高精度物理引擎与直观交互设计，突破传统教学工具的限制，帮助师生高效验证理论、探索物理规律。

研究目的

本项目旨在构建一个支持多场景模拟的物理实验平台，实现三大目标：

  1. 直观呈现物理现象：通过动态模拟展示碰撞、天体运动等复杂过程，降低抽象概念的理解门槛；
  2. 创造理想实验环境：支持重力、碰撞系数、空气阻力等参数自由调节，配置真空、火星重力等特殊理想场景；
  3. 提升教学效率：内置中学物理实验模板与AI助手，简化实验搭建流程，支持实时数据可视化。

通过将理论验证与趣味探索结合，激发学生对物理学科的兴趣，助力教师打造高效课堂。

主要创新点

1. 自研高精度物理引擎

  • 像素级碰撞检测算法：采用自制矢量运算类与位置修正技术，解决低速穿模问题（如通过微小位移修正物体位置），确保碰撞响应符合真实物理规律。
  • 双模式动态切换：地表模式支持经典力学实验，天体模式引入引力计算与融合效果（碰撞后质量、大小叠加），实现太阳系级比例模型的精准模拟。
  • 时间压缩算法：在任意倍速运行下保持能量守恒计算精度。

2. AI智能助手集成

  • 自然语言交互：接入DeepSeek大模型，用户可通过文字指令对话AI实现操作实验（如“设置重力为0.5、在原点上方200个单位生成一个粉色的半径为30的小球”），降低操作门槛。
  • 接入多个模型：目前支持DeepSeek V3 、DeepSeek R1两个模型（在命令前加“~”表示使用R1模型）
  • 复杂情景实现：AI可处理比较复杂的要求，（如：在原点附近生成一个由四个不同颜色的墙体围成的空间，并在里面放一个小球(需在R1模型下实现)）

3. 模块化交互设计

  • 参数调节体系：通过直观操作可以实现各种参数调整（如右键菜单编辑属性、中键复制物体），兼顾专业性与易用性。
  • 多层级数据可视化：实时显示速度、加速度等动态数据，支持视角跟随与属性信息叠加，增强实验分析的深度。

作品实现过程

1. 核心算法开发（第2-3周）

  • 物理引擎构建：基于牛顿运动定律编写基础运动模块，初期因计算机性能不足导致天体轨迹偏移（如模拟地月系统时轨道误差达15%）。通过引入加速度修正算法（每帧计算位置时叠加 速度与加速度的平方根）和帧率补偿机制（动态调整时间步长），将误差降至2%以内。
  • 碰撞系统迭代：早期版本中，低速运动的球体频繁穿透墙体。尝试增加碰撞检测频率（从每秒60次提升至120次）仍无法解决，最终采用“速度方向微小位移修正”方案：在碰撞发生后，沿物体速度方向反向移动至碰撞表面外，再适当减小速度以抵消这段人为的位移，既避免穿模，又保持视觉连贯性。

2. 交互界面设计（第4-9周）

  • UI框架搭建：选用Pygame作为图形库，但发现其没有原生输入框。尝试集成Tkinter，发现效果不佳后，我们自主开发输入框模块：通过监听键盘事件实时渲染字符。
  • 预设模板开发：根据教师测试反馈，针对“斜抛运动”“动量守恒”等实验，设计一键加载模板，并整合至左侧快捷栏。原需很多步操作的“搭建太阳系”简化为一键完成，效率提升100%。

3. AI接入与测试（第10-11周）

  • 模型训练：封装基础功能（如set ball、clear wall等）供DeepSeek调用。初期AI无法理解比较复杂的指令，通过添加关键词映射表（如“生成小球”→create ball函数）和上下文记忆模块，识别准确率从60%提升至92%。
  • 教学场景适配：与物理教师合作开发“自由落体对比实验”模板。AI可自动设置两组实验（一组空气阻力为1，另一组为0），并生成数据对比图表，节省教师备课时间40%。

4. 系统整合与优化（第12周）

  • 性能调优：模拟50个天体时帧率骤降至20FPS。通过优化计算量，帧率恢复至45 FPS以上（具体取决于计算机性能）。
  • 用户体验提升：添加“自动环绕”功能：按住Ctrl放置物体时，自动计算其与最近天体的引力平衡点，生成稳定椭圆轨道。测试中发现离心率过大问题，通过限制初始速度方向（沿切向）和大小（v=√(GM/r)）解决。
  • 稳定性测试：连续运行8小时后出现内存泄漏，经检查为未释放的临时变量导致。采用内存池管理技术，将内存占用稳定在300MB以内。

作品成果

1. 核心功能展示

  • 多场景模拟：一键切换地表模式（支持自由落体、碰撞实验等）与天体模式（模拟行星运动、引力融合等）。
  • 参数自由调节：实时调整重力、空气阻力（0-1）、碰撞系数（0-1），支持自定义实验环境。
  • 教学辅助工具：内置大量中学实验模板（如自由落体运动）、实时数据面板、倍速播放与视角跟随功能。

2. 技术参数

  • 开发环境：Python 3.12.9 + Pygame，支持Windows 10/11 64位系统。
  • 性能指标：可同时模拟40 + 物体运动，毫秒级响应延迟，帧率稳定在100 FPS以上（具体取决于计算机性能）。

3. 应用案例

  • 课堂实践：在本校物理课堂中用于讲解牛顿第三定律，学生通过调节碰撞系数观察反作用力变化，教学效率提升40%。
  • 科普拓展：天体模式下模拟星系运动，直观展示星体碰撞与融合现象。

作品测试情况

1. 物理引擎测试

  • 碰撞检测：100次球体碰撞测试中，穿模率从初期的15%降至0.3%，轨迹误差小于1%。
  • 天体模式：模拟地月系统时，轨道周期误差控制在±2%以内，符合教学演示要求。

2. 交互功能测试

  • UI响应：菜单操作平均延迟＜50ms，输入框支持中英文混合输入，错误率＜0.5%。
  • AI指令识别：DeepSeek模型对常见指令（如“生成小球”“调整重力”）识别准确率达92%。

3. 稳定性测试

  • 高负载场景：同时模拟40个天体引力交互时，帧率维持在45 FPS以上，未出现崩溃现象。
  • 长期运行：连续运行8小时内存占用稳定在300MB以内，无显著性能衰减。

总结与展望

1. 成果总结

本项目成功开发了一款兼具教学实用性与技术创新的物理模拟系统，其自研引擎与AI助手功能已通过课堂验证，显著提升教学效率。

2. 不足与改进方向

  • 跨平台支持不足：当前仅限Windows系统，未来计划移植至Web端。
  • AI功能局限：复杂指令（如“构建双星系统”）仍需手动调试，拟引入多模态交互提升智能性。

3. 未来展望

  • 教育生态扩展：开发在线实验社区，支持用户共享自定义模板与数据。
  • 技术深化：引入流体力学与电磁场模拟模块，拓展至大学物理教学场景。

团队成员分工

1. 成员介绍

  • 李键宏：鹤山市第一中学学生，主导UI设计与交互逻辑。
  • 彭俊杰：鹤山市第一中学学生，负责物理引擎开发、碰撞系统优化、开发AI模块集成与核心算法实现。

2. 分工详情

  • 彭俊杰：
    • 构建矢量运算库与运动模拟模块；
    • 解决穿模、天体轨迹修正等技术难题；
    • 对接DeepSeek API并优化AI指令识别。
  • 李键宏：
    • 设计GUI界面与快捷键交互逻辑；
    • 开发预设模板管理与存档功能；
    • 编写系统使用指南与测试案例。

3. 协作机制

采用Github进行版本控制，每天同步开发进度，通过功能测试持续迭代优化，总耗时3个月完成项目。