基于虛擬現(xiàn)實(shí)的數(shù)字化學(xué)習(xí)資源設(shè)計(jì)研究

蘭廳++李欣++李歡歡++溫亞莉

摘要：隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)也得到了快速的應(yīng)用，它不僅應(yīng)用于影視、游戲、娛樂行業(yè)，在教育領(lǐng)域也得到了普及。本文詳細(xì)介紹了虛擬環(huán)境下學(xué)習(xí)資源的特點(diǎn)以及如何搭建虛擬現(xiàn)實(shí)的數(shù)字化學(xué)習(xí)資源，旨在運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)來提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，并為學(xué)生創(chuàng)造良好的學(xué)習(xí)環(huán)境。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)；數(shù)字化學(xué)習(xí)資源；3d Max

中圖分類號：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）17-0199-03

1 引言

近些年來，數(shù)字化教學(xué)資源在教育中得到了普遍的應(yīng)用，這些資源大多以課件以及視頻為主，久而久之并不能調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性。而基于虛擬現(xiàn)實(shí)的數(shù)字化資源結(jié)合了虛擬仿真技術(shù)能夠?yàn)閷W(xué)生帶來真實(shí)的環(huán)境體驗(yàn)，具備其他教學(xué)資源不可替代的作用，因此在教育中成為了人們越來越關(guān)注的一個話題。

2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

2.1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的含義

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)自出現(xiàn)以來受到了不斷發(fā)展，它是一種虛擬仿真技術(shù)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是由眾多技術(shù)相結(jié)合而成的，廣泛應(yīng)用于人們的生產(chǎn)生活，其中計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、仿真技術(shù)等為虛擬現(xiàn)實(shí)提供了必要條件，成為虛擬現(xiàn)實(shí)中不可分割的一部分，虛擬現(xiàn)實(shí)能夠讓人體驗(yàn)真實(shí)場景中的實(shí)體感知，并通過語言、手勢等自然的方式進(jìn)行實(shí)時交互，達(dá)到逼真的自然體驗(yàn)效果。[1]

2.2 虛擬現(xiàn)實(shí)展示設(shè)計(jì)

近年來，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)得到了人們的普遍應(yīng)用，它是將現(xiàn)代先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)與藝術(shù)相互融合，并用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、仿真技術(shù)等對現(xiàn)實(shí)的場景進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)和實(shí)施過程。[2]它以自身獨(dú)特的優(yōu)勢，將技術(shù)與藝術(shù)完美地結(jié)合，根據(jù)人們的需求及大眾的審美理念對現(xiàn)實(shí)場景進(jìn)行創(chuàng)造性的再現(xiàn)，從而提升人們的生活和學(xué)習(xí)質(zhì)量為人們的生產(chǎn)生活帶來了諸多便捷，尤其是在教育領(lǐng)域的應(yīng)用，虛擬現(xiàn)實(shí)類的教學(xué)資源自產(chǎn)生以來受到了老師和學(xué)生的一致好評。

3 數(shù)字化學(xué)習(xí)資源

3.1 數(shù)字化學(xué)習(xí)資源的內(nèi)涵及分類

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的普遍應(yīng)用，信息技術(shù)得到的不斷發(fā)展，數(shù)字化的教學(xué)資源也由此而生，近幾年，數(shù)字化學(xué)習(xí)資源在教育領(lǐng)域得到了廣泛的使用，傳統(tǒng)紙質(zhì)版的教材已經(jīng)不能滿足學(xué)生和老師的使用，這種媒介不利于優(yōu)質(zhì)學(xué)習(xí)資源的共享，而數(shù)字化的學(xué)習(xí)資源則實(shí)現(xiàn)了資源的重復(fù)利用性，且通過打印技術(shù)便可實(shí)現(xiàn)紙質(zhì)資源的共享，在教育領(lǐng)域中，數(shù)字化教學(xué)資源已經(jīng)成為了主要的學(xué)習(xí)媒介，任何一種新媒介的產(chǎn)生都是在數(shù)字資源的基礎(chǔ)上形成的。數(shù)字化學(xué)習(xí)資源的應(yīng)用也對教育教學(xué)工作提出了新的要求，教學(xué)的形式更加多樣化，課堂上老師不再是單純的知識傳授者，而是課堂的參與者，學(xué)生在課堂中享有一定的主動權(quán)，這樣的課堂有利于學(xué)生的個性化發(fā)展，學(xué)生不再是千篇一律的，每一位學(xué)生都能在班級中找到屬于自己的位置，由此可見，數(shù)字化教學(xué)資源在教育教學(xué)方面已經(jīng)成為了必不可少的內(nèi)容。

數(shù)字化學(xué)習(xí)資源有多種分類的方式，這些分類主要依據(jù)的是信息的類型以及信息的呈現(xiàn)形式，我們最常見的有數(shù)字視頻、音頻以及多媒體軟件等，這些學(xué)習(xí)資源改變了傳統(tǒng)教學(xué)模式資源的不足，使優(yōu)秀的教學(xué)資源得以共享，是信息技術(shù)的快速發(fā)展為教育教學(xué)帶來的新階段。除此之外，還有網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺、虛擬現(xiàn)實(shí)資源，網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺當(dāng)今教育界比較熱門的話題，它為學(xué)生提供了在線學(xué)習(xí)的平臺，使學(xué)生可以在任何時間、任何地點(diǎn)進(jìn)行自主學(xué)習(xí)。虛擬現(xiàn)實(shí)資源也是教育中的熱點(diǎn)話題，在虛擬現(xiàn)實(shí)的場景中，學(xué)生可以獲取更多課堂涉及不到的知識內(nèi)容，并能夠節(jié)省大量的人力物力。

3.2 數(shù)字化學(xué)習(xí)資源的優(yōu)勢

傳統(tǒng)的教學(xué)媒介是以紙質(zhì)教材為主的，而數(shù)字化的學(xué)習(xí)資源是以電子書、各類的圖片、聲音以及視頻為主，它的特點(diǎn)有：

便捷的獲取方式。數(shù)字化的學(xué)習(xí)資源在獲取時相對方便，由于它是一種虛擬化的資源，可以實(shí)現(xiàn)重復(fù)的復(fù)制操作，因此學(xué)生可以不再受時間以及空間制約，學(xué)習(xí)可以隨時隨地地進(jìn)行自主學(xué)習(xí)，學(xué)生可以利用計(jì)算機(jī)、手機(jī)等工具實(shí)現(xiàn)資源的獲取。

多樣化的形式。數(shù)字化學(xué)習(xí)資源的形式有很多，其中主要的有其主要的媒體呈現(xiàn)形式有文本、圖像、聲音、動畫、視頻等，極大地豐富了信息內(nèi)容的表現(xiàn)力。

平臺的互動性?；谔摂M現(xiàn)實(shí)的數(shù)字化學(xué)習(xí)平臺是由相應(yīng)的交互軟件來完成的，其很好地實(shí)現(xiàn)了環(huán)境與平臺的相互融合。

3.3 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對數(shù)字化學(xué)習(xí)資源的有效支持

數(shù)字化學(xué)習(xí)環(huán)境的組成部分一般有資源、平臺、通訊、設(shè)施和工具等。在該學(xué)習(xí)環(huán)境下，借助于計(jì)算機(jī)多媒體技術(shù)，知識的表征逐步向多媒體化、信息處理智能化、管理人性化、場景虛擬化等方向發(fā)展。在數(shù)字化學(xué)習(xí)中，通過仿真實(shí)驗(yàn)室、虛擬校園和教室等教學(xué)環(huán)境的仿真，學(xué)習(xí)者可以與仿真學(xué)習(xí)情境互動，深刻體驗(yàn)領(lǐng)悟?qū)W習(xí)內(nèi)容，從而感受多媒體技術(shù)帶來的便利。數(shù)字化學(xué)習(xí)實(shí)現(xiàn)了教學(xué)內(nèi)容的直觀性和趣味性，在某種程度上也提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和效率。同時，通過網(wǎng)絡(luò)與老師和學(xué)生之間的交流協(xié)作也能夠培養(yǎng)和提高學(xué)生自身的創(chuàng)新思維和協(xié)作能力。[3]

傳統(tǒng)的數(shù)字化學(xué)習(xí)資源中，用戶是通過運(yùn)動鼠標(biāo)或者操作鍵盤來得到相關(guān)的資料的，而基于虛擬現(xiàn)實(shí)的數(shù)字化學(xué)習(xí)環(huán)境中用戶可以將視覺系統(tǒng)和運(yùn)動感知系統(tǒng)聯(lián)系起來。比如，虛擬環(huán)境中的物體可以根據(jù)用戶的手勢或者隨著用戶的手的移動而移動，而不是跟隨鼠標(biāo)的移動而移動。另外，不僅要實(shí)現(xiàn)學(xué)生與軟件之間的交互，還需要實(shí)現(xiàn)學(xué)生與學(xué)生之間、學(xué)生與老師之間的交互。

4 基于虛擬現(xiàn)實(shí)的數(shù)字化學(xué)習(xí)資源的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

4.1 設(shè)計(jì)應(yīng)遵循的原則

在進(jìn)行虛擬現(xiàn)實(shí)的數(shù)字化學(xué)習(xí)資源的設(shè)計(jì)過程中需要遵循相應(yīng)的原則，以下幾點(diǎn)可以作為設(shè)計(jì)應(yīng)遵循的原則。

（1）以學(xué)習(xí)為中心的原則

學(xué)習(xí)是學(xué)生通過各種渠道獲取知識的過程，而不是單純地通過教師的講課而得到的，學(xué)生在特定的環(huán)境中，可以通過特定的手段獲取知識。例如：利用老師和同學(xué)的幫助，借助必要的學(xué)習(xí)工具來獲取學(xué)習(xí)資料。但是，老師和同學(xué)的知識和經(jīng)驗(yàn)也是有限的，并不能很好地滿足學(xué)生的日常學(xué)習(xí)需要。在互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展的情況下，技術(shù)也在不斷更新變化，學(xué)生從互聯(lián)網(wǎng)上獲取的知識越來越多，而社會上的用戶在遇到問題時，經(jīng)常通過互聯(lián)網(wǎng)來尋找答案。因此要求虛擬現(xiàn)實(shí)的數(shù)字化學(xué)習(xí)在提供學(xué)習(xí)資源、設(shè)置交互等方面都需要做到“以學(xué)習(xí)為中心”的原則，從學(xué)生對學(xué)習(xí)的需求方面出發(fā)。

（2）科學(xué)性的原則

科學(xué)性原則是教育評價的基本準(zhǔn)則之一，它要求在評價的過程當(dāng)中主要的方向要符合教育自身的客觀發(fā)展規(guī)律。同樣，在創(chuàng)建虛擬化學(xué)習(xí)資源的過程中，同樣也需要科學(xué)性作為指導(dǎo)，一定要保證資源內(nèi)容的正確性和來源的可靠性。

（3）教育性的原則

基于虛擬現(xiàn)實(shí)的數(shù)字化學(xué)習(xí)資源，本身就是一個學(xué)習(xí)的平臺，所以其本身應(yīng)該具有一定的教育性和啟發(fā)意義。在設(shè)計(jì)的時候一定要符合教育的要求，設(shè)計(jì)出合理的流程。

（4）強(qiáng)大的交互性的原則

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)比傳統(tǒng)的模擬技術(shù)更能使用戶真實(shí)的參與由計(jì)算機(jī)生成的交互式數(shù)字化學(xué)習(xí)的環(huán)境中，它可以模擬人在自然真實(shí)狀態(tài)下所做出的各種行為，生成一個具有視、聽、觸等多種感知的環(huán)境，并正確的反饋給用戶，使用戶產(chǎn)生身臨其境的感覺。同時，用戶可以依靠自己的想象力，通過感知和認(rèn)知能力，啟發(fā)自己的思維，全方位、多層次的獲取信息。

（5）分析問題多角度原則

正是由于教師在講授的過程中，分析問題可能會不全面，描述事物不完整，所以為了解決這一人性不可避免的缺點(diǎn)，虛擬環(huán)境的設(shè)計(jì)應(yīng)避免這一點(diǎn)。全方位、深層次的分析問題，并盡可能作出多種答題思路和解題過程，這對于學(xué)習(xí)者對問題的認(rèn)識和理解更有幫助。

4.2 設(shè)計(jì)的一般流程

（1）虛擬環(huán)境下的教學(xué)設(shè)計(jì)

普通條件下的教學(xué)設(shè)計(jì)是由教師根據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)的要求和教學(xué)對象的特點(diǎn)，來確定比較合適的教學(xué)方法和計(jì)劃。但是教師畢竟精力有限，觀察力有限，不可能針對所有學(xué)生一一制定教學(xué)方法和教學(xué)步驟，而且老師的看法往往帶有主觀性，所總結(jié)的教學(xué)方案不一定全面。但是在虛擬環(huán)境的條件下，通過調(diào)查參與者對知識的了解程度，可以客觀清楚的設(shè)計(jì)出教學(xué)方案，制定出針對個人的教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)重難點(diǎn)、教學(xué)方法、教學(xué)步驟與時間分配等環(huán)節(jié)。

（2）三維場景創(chuàng)建

基于虛擬現(xiàn)實(shí)的數(shù)字化學(xué)習(xí)資源設(shè)計(jì)的系統(tǒng)場景是否具有真實(shí)性，老師以及學(xué)生能否適應(yīng)場景，這都依賴于場景構(gòu)建者的技術(shù)水平、教學(xué)素養(yǎng)與信息技能，前期的模型一定要精簡逼真，這樣才能在后期的處理中更加便捷。在建模的過程中，不同的模型可以采用不同的建模方法，在實(shí)際創(chuàng)建中，我們可以使用高級的建模軟件，比如Maya、3dS Max等進(jìn)行建模，使用Auto CAD、Photoshop進(jìn)行貼圖的處理。

建模。使用3ds Max建模的方法有許多種，其中主要的建模方法有：多邊形建模、NURBS建模、內(nèi)置幾何體建模、復(fù)合對象建模、修改器建模、樣條線建模等?；谔摂M現(xiàn)實(shí)的數(shù)字化學(xué)習(xí)資源的建模采用了多種建模方法混合的方式。針對場景中不同的對象，分別采用精細(xì)建模和粗略建模相結(jié)合的形式，降低了場景渲染時的復(fù)雜度，這不僅降低了渲染時所需要的時間，也對計(jì)算機(jī)的硬件要求有所降低。

材質(zhì)貼圖。貼圖的制作主要在軟件Photoshop中進(jìn)行。主要是制作物理表面的紋理，可以達(dá)到在不增加模型邊數(shù)的情況下，使物體表現(xiàn)出更多的細(xì)節(jié)，使模型更加逼真。在Photoshop中處理好的材質(zhì)圖片，可以通過材質(zhì)編輯器窗口添加到模型上面。也可以通過UVW展開和UVW貼圖兩個修改器貼進(jìn)行設(shè)置，在使用UVW貼圖修改器的時候需要將貼圖的通道設(shè)置為1，注意該通道的UV要和相同模型或需貼相同材質(zhì)的模型的UV面最大限度的重合，這樣可以提高貼圖的利用效率，但是一套UV并不能滿足烘焙燈光貼圖的要求，因此，還需要為模型添加沒有重疊的UV，并且設(shè)置燈光貼圖的通道為2。

燈光。燈光是構(gòu)建虛擬場景的一個重要部分，好的燈光可以使模型更加真實(shí)，更有有立體感。在3ds Max中的燈光類型有：目標(biāo)聚光燈、自由聚光燈、目標(biāo)平行光、泛光燈、天光等。在設(shè)置燈光的時候要注意燈光的類型及使用原則，燈光的類型有：主光、輔光、輪廓光、背景光、輪廓光、裝飾光、效果光、場景光等，盡量多采用三維物體布光，因?yàn)殡S著燈光的增加，會使場景的渲染更加復(fù)雜，但如果場景需要表現(xiàn)得更加真實(shí)細(xì)致，則可以適當(dāng)考慮增加燈光。

攝像機(jī)。基于虛擬現(xiàn)實(shí)的數(shù)字化教學(xué)資源最終需要輸出一段動態(tài)的圖像，這就需要在場景中設(shè)置攝像機(jī)，要將攝像機(jī)調(diào)整到符合正常情況下我們所看到的真實(shí)情景，如果需要移動，則攝像機(jī)的移動要流暢，速度要合適，要恰當(dāng)?shù)厥褂眠\(yùn)動鏡頭。

渲染。在對場景的結(jié)構(gòu)、紋理貼圖、模型以及場景進(jìn)行優(yōu)化之后，就可以渲染輸出了。當(dāng)然，在制作過程中，為了保證更好的輸出效果，建模和渲染需要同時進(jìn)行，以方便對模型不合適的地方進(jìn)行調(diào)整。在制作過程中，對模型的渲染，只是大致的了解模型所存在的問題，因此在渲染設(shè)置方面的要求可以適當(dāng)降低，這樣可以節(jié)省時間，同時也可以降低對計(jì)算機(jī)的壓力。但是在最后渲染成品圖時，需要進(jìn)行高級設(shè)置，使輸出的成品圖出現(xiàn)較高質(zhì)量的圖像。在對圖像進(jìn)行渲染的時候，可以使用3ds Max自帶的渲染器，也可以使用渲染器插件。經(jīng)常使用的渲染器有：V-Ray、Brazil、Mental ray等，同時要注意選擇正確的渲染角度，其流程圖如下圖1所示：

（3）測試與評價

完成后的場景要由老師和學(xué)生共同體驗(yàn)并作出全面的評價，評價要涉及模型的結(jié)構(gòu)、材質(zhì)貼圖以及燈光的逼真程度，根據(jù)評審團(tuán)隊(duì)的意見對場景做出修改，以達(dá)到最優(yōu)質(zhì)的學(xué)習(xí)資源來滿足學(xué)生以及教師的需求。

（4）發(fā)布

基于虛擬現(xiàn)實(shí)的數(shù)字化學(xué)習(xí)資源系統(tǒng)是一個讓用戶進(jìn)行學(xué)習(xí)的平臺，它可以在任何終端設(shè)備上使用，而不是只能在虛擬現(xiàn)實(shí)的軟件上才能使用，因此在最后需要對場景進(jìn)行發(fā)布。

5 結(jié)束語

基于虛擬現(xiàn)實(shí)的數(shù)字化學(xué)習(xí)資源為學(xué)生帶來了真實(shí)的環(huán)境體驗(yàn)，它突破了傳統(tǒng)的教學(xué)資源的局限性，學(xué)生在瀏覽場景的同時不知不覺地掌握了知識與技能，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育領(lǐng)域中的應(yīng)用為人們帶來了更加豐富多彩的體驗(yàn)，在未來虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將發(fā)揮更大的價值來輔助教育教學(xué)。

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