基于VR技術(shù)的教學(xué)課件的制作方法研究

王 巍

(長(zhǎng)春財(cái)經(jīng)學(xué)院 信息工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022)

隨著5G時(shí)代的到來，VR技術(shù)的眩暈問題得以突破，使得VR技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域得到快速應(yīng)用。同時(shí)，我國(guó)對(duì)于云計(jì)算、虛擬現(xiàn)實(shí)、大數(shù)據(jù)等新技術(shù)在教育信息化中的積極推進(jìn)，使得VR技術(shù)在教育領(lǐng)域引起教學(xué)方式的重大變革。

5G時(shí)代下，VR技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)的研究與探索，不僅是對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)這一新技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)方式的改革而進(jìn)行的重要探索，也是對(duì)國(guó)家關(guān)于新時(shí)代下教學(xué)方式變革的積極響應(yīng)，而VR技術(shù)與教學(xué)課件的深度融合是VR技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)的研究與探索的必要前提[1]?；赩R技術(shù)的教學(xué)課件，不僅能夠幫助學(xué)生完成知識(shí)的遷移，利用信息呈現(xiàn)的多維性幫助學(xué)生進(jìn)行最佳的意義構(gòu)建，而且使學(xué)生能夠在視覺體驗(yàn)上獲得真實(shí)的代入感，有利于激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)。

1 相關(guān)研究

隨著互聯(lián)網(wǎng)的普及和網(wǎng)絡(luò)帶寬的不斷提升，自20世紀(jì)80年代以來，關(guān)于VR技術(shù)在教育方面的應(yīng)用和有效性上，國(guó)內(nèi)外很多高校、研究機(jī)構(gòu)及學(xué)者做了大量探索。

美國(guó)東卡羅琳那大學(xué)是最早在教育領(lǐng)域開始研究VR技術(shù)應(yīng)用的大學(xué)，并于1992年建立了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與教育實(shí)驗(yàn)室，針對(duì)教學(xué)效果，比較基于虛擬現(xiàn)實(shí)的教學(xué)與其他主流教學(xué)媒體的差別，以確認(rèn)VR技術(shù)適合教育領(lǐng)域應(yīng)用的可能性[2]。隨后，英國(guó)在一所中學(xué)建立了教育虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)工程[3]，探索用VR進(jìn)行工業(yè)方面的安全培訓(xùn)以及利用VR進(jìn)行外語(yǔ)教學(xué)。諾丁漢大學(xué)提出了VIRART項(xiàng)目，在教育和學(xué)術(shù)方面對(duì)VR技術(shù)進(jìn)行了研究和探索。2009年，虛擬世界工作組和林登實(shí)驗(yàn)室共同推出了Second Life 項(xiàng)目，探索在虛擬現(xiàn)實(shí)世界中個(gè)體獲得教育與成長(zhǎng)的可能性。2017年，美國(guó)的羅伯特海涅克從VR創(chuàng)設(shè)的虛擬教學(xué)環(huán)境出發(fā)，提出了基于VR技術(shù)的教學(xué)計(jì)劃、準(zhǔn)備、實(shí)施、跟進(jìn)四階段模型，為基于VR體驗(yàn)的教學(xué)設(shè)計(jì)提供了重要的參考價(jià)值[4]。目前，在美國(guó)的K12教育中，教育教學(xué)信息化水平非常高，完全網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的虛擬化學(xué)校已經(jīng)日臻成熟。

在國(guó)內(nèi)，關(guān)于VR技術(shù)的應(yīng)用研究主要集中在游戲、影視、醫(yī)療、航空等領(lǐng)域，而在教育領(lǐng)域與國(guó)外還存在差距，處于初步探索階段。

在虛擬仿真校園方面，天津大學(xué)在SGI硬件平臺(tái)基于虛擬技術(shù)開發(fā)了虛擬仿真校園[2]。隨后，中國(guó)人民大學(xué)、浙江大學(xué)、北京大學(xué)等著名高校都建設(shè)了虛擬仿真校園。在教學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)室和虛擬教學(xué)儀器的研究方面，中國(guó)科技大學(xué)首先開發(fā)設(shè)計(jì)出一套基于VR技術(shù)的教學(xué)儀器系統(tǒng)，將VR技術(shù)應(yīng)用到幾何光學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與開發(fā)中，把物理教學(xué)儀器系統(tǒng)推進(jìn)了新的領(lǐng)域；北京航空航天大學(xué)基于VR技術(shù)建立了一種分布式虛擬環(huán)境，用于飛行員的訓(xùn)練；隨后，國(guó)內(nèi)各大高校相繼開發(fā)了各種基于VR技術(shù)的虛擬儀器系統(tǒng)，并在教學(xué)和科研中廣泛應(yīng)用。在將VR技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)方面，高媛等學(xué)者基于大量的理論和實(shí)證研究，提出了VR技術(shù)能夠有效促進(jìn)學(xué)習(xí)的三個(gè)核心要素：VR教學(xué)法、資源與VR設(shè)備、學(xué)習(xí)者體驗(yàn)；李勛祥等指明了開展基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的虛擬實(shí)踐教學(xué)進(jìn)程中面臨的機(jī)遇，包括實(shí)踐教學(xué)環(huán)境的虛擬方式、實(shí)踐教學(xué)時(shí)間空間上的隨意性、實(shí)現(xiàn)情境化等；南京工程學(xué)院針對(duì)當(dāng)前流體傳動(dòng)控制專業(yè)課程教學(xué)存在的問題，提出VR技術(shù)在現(xiàn)代液壓課程教學(xué)中的應(yīng)用，為改進(jìn)新的教學(xué)模式提供一種手段；郭晨等以電流互感器試驗(yàn)為例,提出了基于VR的電流互感器培訓(xùn)課件設(shè)計(jì)與開發(fā)，為VR課件的制作提供了一種手段[3]。

綜上，VR技術(shù)在國(guó)內(nèi)教育中的應(yīng)用正在受到越來越多的關(guān)注，但研究方向主要集中于虛擬仿真校園、教學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)室和虛擬教學(xué)儀器等方面，而在將VR技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)方面，尤其是將其應(yīng)用于教學(xué)課件設(shè)計(jì)制作方面，還處于初步探索階段。深入分析VR技術(shù)、教學(xué)內(nèi)容及學(xué)科特點(diǎn)，為兩者找到合適的整合方向，是新的教學(xué)模式改革的一次重要探索。

2 基于VR技術(shù)的教學(xué)課件的理論支撐

任何的教學(xué)活動(dòng)都需要在特定的教育理論支撐下才能開展，基于VR技術(shù)的教學(xué)課件也不例外，需要以學(xué)習(xí)理論以及教學(xué)設(shè)計(jì)為依據(jù)。

作為計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)的教學(xué)方式，支撐多媒體教學(xué)課件的教育理論探索主要有行為主義學(xué)習(xí)理論、認(rèn)知主義學(xué)習(xí)理論和建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論[5]，此三大學(xué)習(xí)理論對(duì)于多媒體課件的開發(fā)實(shí)現(xiàn)起著重要作用。其中，建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論認(rèn)為在必備學(xué)習(xí)資料提供的理論基礎(chǔ)上，加之師長(zhǎng)或其他外在助力的輔助，在某種特定的情境下，學(xué)習(xí)者能夠通過有意義的建構(gòu)來汲取知識(shí)和技能[6]。區(qū)別于傳統(tǒng)教學(xué),在基于建構(gòu)主義的教學(xué)中，教師的作用主要在于促進(jìn)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的培養(yǎng),幫助學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)進(jìn)行意義建構(gòu),創(chuàng)造符合教學(xué)的情境,在學(xué)生學(xué)習(xí)的過程中,適當(dāng)指導(dǎo)學(xué)生,給予適當(dāng)?shù)墓膭?lì),使學(xué)習(xí)向有利的方向發(fā)展。情境、協(xié)作、會(huì)話和意義建構(gòu)作為建構(gòu)主義的四要素，有著密切的聯(lián)系,情境作為意義建構(gòu)的基本條件,師生之間的合作與對(duì)話是意義構(gòu)建的輔助途徑,學(xué)習(xí)的最終目的是實(shí)現(xiàn)意義建構(gòu)。而建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論中的“情境”特征與VR技術(shù)3I特性中的“沉浸性”“協(xié)作”“會(huì)話”特征與VR技術(shù)3I特性中的“交互性”“意義建構(gòu)”特征與VR技術(shù)3I特性中的“構(gòu)想性”均高度吻合，在建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論指導(dǎo)下的VR技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)課件的設(shè)計(jì)中，使基于VR 技術(shù)的教學(xué)課件有了強(qiáng)有力的理論支撐。

在建構(gòu)主義理論指導(dǎo)下，通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)搭建一個(gè)仿真的學(xué)習(xí)情境或?qū)⒔虒W(xué)內(nèi)容融入到虛擬課件中進(jìn)行教學(xué),使抽象的文字理論改變?yōu)樾蜗笊鷦?dòng)的三維畫面,在這樣的學(xué)習(xí)環(huán)境中,學(xué)生不自覺地形成了對(duì)知識(shí)框架的建構(gòu),有助于學(xué)生對(duì)知識(shí)的內(nèi)化和遷移。所以,建構(gòu)主義理論為虛擬現(xiàn)實(shí)課件的可行性提供了重要的理論支撐，能夠很好地指導(dǎo)基于VR技術(shù)的課件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。對(duì)于學(xué)習(xí)的過程和結(jié)果的監(jiān)視可以通過詳細(xì)的反饋加以豐富。學(xué)生對(duì)任務(wù)的解釋、學(xué)習(xí)目標(biāo)的整合，以及學(xué)習(xí)策略的選用都通過內(nèi)、外部信息反饋。經(jīng)過如此多的步驟和過程,可以獲得與任務(wù)標(biāo)準(zhǔn)及要求合適的學(xué)習(xí)的結(jié)果。

3 基于VR技術(shù)的教學(xué)課件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

基于虛擬現(xiàn)實(shí)引擎的VR課件的實(shí)現(xiàn)過程如圖1所示。首先, 根據(jù)教學(xué)課程內(nèi)容確定教學(xué)設(shè)計(jì)；其次，根據(jù)教學(xué)設(shè)計(jì)確定要構(gòu)建的教學(xué)情境，收集相關(guān)教學(xué)資源，利用建模軟件構(gòu)建情境中的三維模型；再次, 將構(gòu)建好的模型導(dǎo)入到虛擬現(xiàn)實(shí)引擎中，根據(jù)教學(xué)設(shè)計(jì)為模型添加行為和交互，完成虛擬現(xiàn)實(shí)模塊的制作；最后, 輸出場(chǎng)景文件, 完成場(chǎng)景發(fā)布，生成VR課件。在整個(gè)制作過程中，教學(xué)設(shè)計(jì)至始至終貫穿著，起著指導(dǎo)作用，而教學(xué)設(shè)計(jì)中情境設(shè)計(jì)的原則，知識(shí)的呈現(xiàn)方式，學(xué)生學(xué)習(xí)任務(wù)的編排及活動(dòng)設(shè)計(jì)、交互設(shè)計(jì)等都要與建構(gòu)主義四大核心要素相匹配。

3.1 三維建模

三維建模是指對(duì)特定的虛擬場(chǎng)景中的三維實(shí)體進(jìn)行相應(yīng)模型的構(gòu)建。目前主流的建模工具有3DMax、Pro/E、Solidworks等。Soliduorks、UG等主要應(yīng)用于機(jī)械類建模領(lǐng)域，以參數(shù)化實(shí)體建模為主，優(yōu)點(diǎn)是精度較高，便于仿真分析；缺點(diǎn)是所占內(nèi)存較大，一個(gè)模型往往需要上百M(fèi)B的內(nèi)存。這種模型的體積龐大，在開發(fā)平臺(tái)導(dǎo)入復(fù)雜實(shí)體模型時(shí)會(huì)經(jīng)?？D，且入門難度大。而Pro/E在傳統(tǒng)機(jī)械、家電以及模具設(shè)計(jì)等領(lǐng)域應(yīng)用得比較多。3DMax主要應(yīng)用于場(chǎng)景建模，以基礎(chǔ)形體、曲線、多邊形、面片等建模為主。其優(yōu)點(diǎn)是所占內(nèi)存小，搭建模型比較快，不僅入門簡(jiǎn)單，能夠跨平臺(tái)使用，同時(shí)支持導(dǎo)入多種不同格式的素材文件。

以計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程為例，三維建模主要是對(duì)虛擬設(shè)備的建模。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中虛擬設(shè)備的構(gòu)建主要包括個(gè)人計(jì)算機(jī)、路由器、網(wǎng)關(guān)、防火墻及光纖等。在VR課件中，這些虛擬設(shè)備的模型主要采用基礎(chǔ)建模、多邊形建模和十字交叉方法進(jìn)行構(gòu)建，重建圖形渲染器，不用添加代碼即可使虛擬設(shè)備從各個(gè)面均可以看到，從而達(dá)到逼真的虛擬感。同時(shí)，VR課件的運(yùn)行要求具有高度同步性，這就要求建立的三維模型不能過大，運(yùn)行中不能過大地占用運(yùn)行內(nèi)存，防止運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)卡頓。

以路由器為例，制作路由器的三維模型采用基礎(chǔ)建模方法，主要包括模型的創(chuàng)建和模型材質(zhì)的設(shè)置。

(1)模型的創(chuàng)建。打開3DMax，在右邊的命令面板中，選擇“樣條線”命令，會(huì)出現(xiàn)一些簡(jiǎn)單的樣條線，如線、矩形、橢圓等。選擇“矩形”，在左側(cè)的工作區(qū)中畫出路由器的大體輪廓，通過設(shè)置矩形的長(zhǎng)度和寬度參數(shù)調(diào)整大小，調(diào)整角半徑參數(shù)使之變得圓滑。設(shè)置好后，在矩形對(duì)應(yīng)的界面中通過“轉(zhuǎn)換為可編輯樣條線”命令，對(duì)矩形進(jìn)行轉(zhuǎn)換操作，再進(jìn)入到修改命令面板的樹型目錄上找到“可編輯樣條線”命令，通過頂點(diǎn)調(diào)整軸向桿，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)角度的調(diào)整。然后選中畫好的圖形，退出編輯樣條線，選擇“擠出”命令，形成立體形狀，選擇“FFD”命令,將立體模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，選擇“塌陷”命令,模擬出路由器后方凹槽，完成路由器主體輪廓的建模。接下來，在作圖區(qū)繪制一個(gè)圓柱體模型并根據(jù)需要設(shè)置好圓柱體的各個(gè)參數(shù)，完成路由器的天線建模。然后將天線模型轉(zhuǎn)換為可編輯網(wǎng)格，選中圓柱體中間部分頂點(diǎn)進(jìn)行縮放,移動(dòng)到路由器主體輪廓的連接處即可。最后，創(chuàng)建路由器網(wǎng)線接口的模型。利用樣條線下的“線”,繪制出接口的形狀,利用“擠出”命令,將線變?yōu)槊?，選中圖形,其余接口直接復(fù)制,復(fù)制后將圖形對(duì)齊，在命令面板中選中“Line”命令,在下方設(shè)置菜單中勾選“中心”選項(xiàng),單擊輪廓進(jìn)行向內(nèi)擴(kuò)邊。

(2)材質(zhì)設(shè)置。三維模型創(chuàng)建好后，進(jìn)行模型的材質(zhì)設(shè)置。在材質(zhì)編輯器設(shè)置界面,提供了多種不同類型的材質(zhì)，每種設(shè)備的現(xiàn)實(shí)屬性特征各不相同，找到相匹配的屬性特征進(jìn)行材質(zhì)的設(shè)置。由于創(chuàng)建好的三維模型后續(xù)需要導(dǎo)入到Unity3D引擎中實(shí)現(xiàn)互操作的開發(fā),在材質(zhì)設(shè)置時(shí),需要考慮材質(zhì)類型的兼容性。以無(wú)線路由器為例，設(shè)置材質(zhì)時(shí)可以選擇“添加貼圖材質(zhì)編輯器”設(shè)置或“不添加貼圖材質(zhì)編輯器”設(shè)置。以“添加貼圖材質(zhì)編輯器設(shè)置”為例，進(jìn)入材質(zhì)編輯器，選擇“漫反射顏色”，進(jìn)入“位圖”，選擇項(xiàng)目里備用模型圖片，將相應(yīng)模型圖片添加進(jìn)來。點(diǎn)擊“視口中顯示明暗處理材質(zhì)”，將貼圖在視口中顯示出來。點(diǎn)擊“貼圖”欄，鼠標(biāo)拉動(dòng)漫反射項(xiàng)中的貼圖至凹凸項(xiàng)中，點(diǎn)擊“復(fù)制”-“確定”，并將凹凸參數(shù)設(shè)置為30，完成貼圖凹凸紋理效果的設(shè)置，然后修改UVW MAP，給模型添加一個(gè)長(zhǎng)方體的UVW MAP并設(shè)置好長(zhǎng)度、高度、寬度、U向平鋪、V向平鋪、W向平鋪的相關(guān)值以及各個(gè)方向上是否翻轉(zhuǎn)，完成材質(zhì)的設(shè)置。最后，點(diǎn)擊“渲染”將符號(hào)貼圖材質(zhì)的模型渲染出圖即可。

3.2 虛擬現(xiàn)實(shí)引擎

三維模型建立好后，需要集成三維模型，搭建虛擬場(chǎng)景，然后按照具體的操作要求,開發(fā)添加與三維模型的交互。對(duì)于普通開發(fā)者來說，開發(fā)需要耗費(fèi)巨大的精力與資源，而第三方虛擬現(xiàn)實(shí)引擎有著使用成本低，插件齊全、兼容性好等優(yōu)勢(shì)。

目前，虛擬現(xiàn)實(shí)引擎主要有Virtools、Lumion、VUE、Unity3D、Unreal Engine 4等，其中Virtools主要應(yīng)用于虛擬現(xiàn)實(shí)游戲領(lǐng)域，可擴(kuò)展性好，有自帶的物理引擎，只要會(huì)編程，互動(dòng)幾乎無(wú)所不能。Lumion應(yīng)用于建筑可視化領(lǐng)域，VUE應(yīng)用于景觀設(shè)計(jì)可視化領(lǐng)域，Unity3D應(yīng)用于視頻虛擬現(xiàn)實(shí)及建筑可視化，自帶了不少的工具，是一款輕量級(jí)免費(fèi)的虛擬現(xiàn)實(shí)引擎。Unity3D配置VR項(xiàng)目十分簡(jiǎn)單，文檔完善，學(xué)習(xí)開發(fā)成本低，制作相對(duì)容易。同時(shí)，該引擎支持多種模型格式，用戶可以定制獨(dú)特的創(chuàng)意制作虛擬場(chǎng)景，也可以添加多種格式的音頻和視頻文件，另外還可以方便地鏈接數(shù)據(jù)庫(kù)?？偟膩碚f，是一款可以制作任何領(lǐng)域作品的虛擬現(xiàn)實(shí)引擎。使用Unity3D引擎實(shí)現(xiàn)對(duì)模型的二次開發(fā)，腳本的開發(fā)選用主流的簡(jiǎn)單易用的JavaScript為模型開發(fā)相應(yīng)的腳本，建立模型之間的交互操作，實(shí)現(xiàn)虛擬設(shè)備之間的交互。

以計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)為例，三維模型建立好后,需要將這些三維模型資源導(dǎo)入到Unity3D所創(chuàng)建的項(xiàng)目中，在新建項(xiàng)目時(shí)確保勾選“3D”。然后在所創(chuàng)建的工程項(xiàng)目的Assets文件夾下新建Textrure文件夾，將所有的“.FBX”格式的三維模型放到Textrure文件夾下，在Project窗口中即可看到模型資源。模型導(dǎo)入后，需要?jiǎng)?chuàng)建場(chǎng)景，通過主菜單File下的新建場(chǎng)景菜單New Scene創(chuàng)建新的場(chǎng)景,然后在主菜單Edit下的子菜單中選擇Project Settings、Project Settings的子菜單中選擇Player，在Player界面進(jìn)行是否支持VR模式的設(shè)置，選擇Other Settings，選中Virtual Reality Supported，設(shè)置為支持VR模式。在GameObject的子菜單選擇3D Object，分別添加Plane和Cube，創(chuàng)建簡(jiǎn)單場(chǎng)景。在主菜單Assets的子菜單中選擇Import Package，然后選擇Characters，導(dǎo)入Asset。最后針對(duì)導(dǎo)入的模型開發(fā)相應(yīng)的腳本，實(shí)現(xiàn)交互。

3.3 VR課件的生成

VR課件的生成是依附虛擬現(xiàn)實(shí)引擎的，包括場(chǎng)景的輸出方式和發(fā)布的文件格式。不同的虛擬現(xiàn)實(shí)引擎生成的文件格式各不相同，本文設(shè)計(jì)的VR課件主要用于教學(xué)，場(chǎng)景發(fā)布文件格式主要采用以插件輸出的場(chǎng)景格式和Web版的場(chǎng)景格式。

4 結(jié)語(yǔ)

在即將來臨的5G時(shí)代，將VR技術(shù)融入到教學(xué)中，與教學(xué)課件深度融合，運(yùn)用VR技術(shù)構(gòu)建一個(gè)虛擬的學(xué)習(xí)環(huán)境，通過VR技術(shù)變革傳統(tǒng)課堂和教學(xué)，顛覆傳統(tǒng)教育模式，讓學(xué)生進(jìn)入虛擬空間進(jìn)行學(xué)習(xí)與活動(dòng)，從而加速學(xué)生學(xué)習(xí)和認(rèn)知過程，是培養(yǎng)現(xiàn)代型人才的一種新型教學(xué)模式。探索研究VR課件的制作是這種新型模式教學(xué)模式的一個(gè)前提，對(duì)基于VR的新型教學(xué)模式的發(fā)展有著重要作用，基于VR的新型教學(xué)模式必將引起越來越多的關(guān)注。