基于Unity3D的VR特色教室的設(shè)計與實現(xiàn)

摘要：虛擬教室是網(wǎng)絡(luò)空間中創(chuàng)建的一個虛擬的可交互的教學(xué)系統(tǒng)，現(xiàn)代教育對虛擬教室的認(rèn)識和創(chuàng)新應(yīng)用已經(jīng)發(fā)生翻天覆地的變化。文章以多媒體展廳素材為基礎(chǔ)，利用Unity3D作為綜合開發(fā)平臺，創(chuàng)建了VR特色教室模型和交互功能開發(fā)，并利用自動尋路導(dǎo)航系統(tǒng)構(gòu)建了伴隨AI智能教師，在創(chuàng)新教育模式、提高教學(xué)質(zhì)量、加強(qiáng)主題教育和業(yè)務(wù)融合等方面具有重要參考價值。

關(guān)鍵詞：Unity3D;VR教室;虛擬教室;創(chuàng)新教育

中圖分類號：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）33-0222-02

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

VR是虛擬現(xiàn)實技術(shù)的簡稱。虛擬現(xiàn)實技術(shù)是一種計算機(jī)仿真體驗技術(shù)，利用該技術(shù)形成一種可以體驗的虛擬仿真環(huán)境，通過沉浸式的手段，結(jié)合聲音、圖像以及觸覺感知等傳感系統(tǒng)，讓用戶可以體驗到身臨其境的感覺[1]。VR教室又稱虛擬教室，在傳統(tǒng)的認(rèn)識中，虛擬教室是通過電子白板、聊天室和其他音視頻交流工具為主要途徑，以二維界面為主要交互接口，模擬傳統(tǒng)課程教學(xué)功能的一種遠(yuǎn)程輔助教育系統(tǒng)。隨著社會的發(fā)展和技術(shù)的進(jìn)步，目前人們對虛擬教室的認(rèn)識發(fā)生了顛覆性變化，新的虛擬教室融合了人工智能、實時跟蹤、高清通訊、大數(shù)據(jù)應(yīng)用和全息圖譜等多項先進(jìn)技術(shù)，通過實時模擬真實的教室環(huán)境，為學(xué)生和老師打造一種跨時空、可交互、帶情感的三維智慧虛擬空間。利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)搭建專題教育的特色教室，能夠有效調(diào)動學(xué)員們的聽覺、視覺和觸覺感官，通過全方位的圖像、視頻展示，借助有效的溝通交流和全覆蓋的教學(xué)講解，在虛擬現(xiàn)實和增強(qiáng)現(xiàn)實的教學(xué)環(huán)境中，將教學(xué)體驗提升到新的水平。

1 VR教室的特點與發(fā)展現(xiàn)狀

伴隨著科技的進(jìn)步和社會的發(fā)展，眾多的新興技術(shù)被應(yīng)用到現(xiàn)代教育各個環(huán)節(jié)中來，衍生出遠(yuǎn)程教育、數(shù)字課堂、虛擬教室、智慧教室等概念。虛擬教室，顧名思義就是在網(wǎng)絡(luò)空間中建立一個虛擬的可交互的教學(xué)系統(tǒng)，一個具有傳統(tǒng)教室功能的虛擬空間[2]。早期的虛擬教室多以校園網(wǎng)為載體，為學(xué)員提供文本交互、白板展示和資源共享，形式上比較單一，功能上比較簡單。近年來，基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)構(gòu)建的虛擬教室越來越受到重視，利用虛擬教室系統(tǒng)的學(xué)員可以在場景中選擇自己的角色，在一個共同的虛擬教室空間中相互溝通，也可以與場景中三維對象進(jìn)行交互，自動切換、自動漫游，通過語言和文本與虛擬教師進(jìn)行交流，虛擬教師會做出相應(yīng)的反饋回答學(xué)員疑問或開展課程內(nèi)容的講解，幫助學(xué)員理解學(xué)習(xí)內(nèi)容。

VR教室不同于一般的網(wǎng)絡(luò)教室，它是網(wǎng)絡(luò)時代教學(xué)方式變革的一個產(chǎn)物，解決了傳統(tǒng)多媒體教室和電子閱覽室無法解決的問題[3]。根據(jù)虛擬教室開發(fā)技術(shù)的不同，我們可以將虛擬教室劃分為基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的虛擬教室、基于計算機(jī)協(xié)作學(xué)習(xí)技術(shù)的虛擬教室、基于網(wǎng)絡(luò)視頻會議系統(tǒng)的虛擬教室和基于流媒體技術(shù)的虛擬教室，比較典型的應(yīng)用有基于CSCL技術(shù)開發(fā)的愛康虛擬教室、基于視頻會議系統(tǒng)開發(fā)的視維虛擬教室等。

美國普渡大學(xué)圖形實驗室開發(fā)的一個基于虛擬3D技術(shù)的虛擬教室系統(tǒng)，借助將遠(yuǎn)程學(xué)生的視頻實時投影在教室后墻的虛擬桌椅上的方法，實現(xiàn)了對現(xiàn)實教室的虛擬擴(kuò)展[2]。2017年10月，牛津大學(xué)賽德商學(xué)院啟用了一間全新的虛擬教室——牛津國際虛擬教育中心（Oxford Hub for Intemational Virtual Edu-cation，簡稱Oxford HIVE牛津蜂巢），它融合了多項尖端科技，包括機(jī)器人學(xué)、人臉識別以及4D高清投影等，為使用虛擬教室的師生打造獨(dú)特的沉浸式教學(xué)體驗，實現(xiàn)了全球同步教學(xué)。2020年疫情期間，西班牙馬德里的IE商學(xué)院利用歐洲第一間虛擬教室WOW ROOM開展授課，能通過面部識別和情感識別系統(tǒng)關(guān)注學(xué)員們的表情變化，進(jìn)行實時互動，課程參與性強(qiáng)，師生表現(xiàn)從容，線上線下教學(xué)無縫銜接。

目前，我國的虛擬教室的建設(shè)工作受到各方教育部門和高校的投入和支持正如火如荼開展。虛擬教室的出現(xiàn)促使傳統(tǒng)教育理念發(fā)生革命性的變化，虛擬教室對傳統(tǒng)教室的延伸，跨越了物理空間的限制，提供了一個物理空間和虛擬空間無縫連接的開放的教學(xué)環(huán)境，隨著教學(xué)資源的不斷豐富和網(wǎng)絡(luò)資源的不斷更新，虛擬教室已經(jīng)成為全球化教育環(huán)境下的新型教育媒介，正在不斷發(fā)展和走向逐步完善[4]。VR與教育的結(jié)合，勢必會引起教育領(lǐng)域一場新的變革發(fā)展。

2 VR特色教室需求分析與開發(fā)過程

課題組所開發(fā)的VR特色教室，初衷并非用于實時的在線課程教學(xué)和師生互動交流，主要規(guī)劃是想通過新型的虛擬現(xiàn)實技術(shù)手段挖掘基層黨建工作的數(shù)字資源，模擬傳統(tǒng)的主題教育工作展覽實景，在盤活基層組織主題教育工作素材的基礎(chǔ)之上，推動虛擬現(xiàn)實技術(shù)與主題教育工作的深度融合，從而促進(jìn)主題教育和業(yè)務(wù)能力的磨合，提升黨員們主題教育的參與熱情。面對黨的十九大提出的加強(qiáng)黨性鍛煉新要求，作為戰(zhàn)斗堡壘的各基層黨組織更需要把主題教育放在更突出的位置上，積極探索主題教育新模式，挖掘主題教育新途徑新資源，開創(chuàng)主題教育新技術(shù)新方法。項目以虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用為支撐，以實踐創(chuàng)作為主、理論研究為輔，在主題教育、黨風(fēng)廉政建設(shè)中融人技術(shù)力量，通過結(jié)合相關(guān)軟件引擎和硬件體驗設(shè)備，點對點的構(gòu)建虛擬化特色教室和漫游交互系統(tǒng)。

VR特色教室的開發(fā)設(shè)計主要包括兩大部分：一是對虛擬教室場景和AI教師的建模設(shè)計，二是對場景交互組件和主題教育素材講解內(nèi)容的設(shè)計。項目研究采用Unity3D作為綜合開發(fā)平臺，通過合理布局教室空間和漫游交互組件，應(yīng)用Photo-shop對教室照片進(jìn)行處理生成貼圖，應(yīng)用MAYA構(gòu)建虛擬教室三維仿真模型、AI智能教師角色建模等，最后將完成的場景和模型導(dǎo)出為FBX文件格式導(dǎo)人到Unity3D進(jìn)行場景組件的觸發(fā)控制和交互設(shè)計，添加光照和材質(zhì)效果，再通過VR套件實現(xiàn)虛擬教室中的音視頻播放和圖文展示，以C#語言實現(xiàn)手柄和鍵盤操縱交互。項目開發(fā)所涉及的軟件主要包括Photoshop、Ma-ya、Unity3D、Photo Scan、PT GUI PRO、Steam等，交互是本課題研究的關(guān)鍵技術(shù)之一，借助虛擬現(xiàn)實設(shè)備改革傳統(tǒng)主題教育學(xué)習(xí)瀏覽方式，拓寬瀏覽者視野，創(chuàng)新沉浸式教學(xué)體驗。

3 VR特色教室設(shè)計與實現(xiàn)

3.1 VR特色教室模型制作

模型的制作主要包括虛擬教室的布局結(jié)構(gòu)、天花板、墻體和地面的材質(zhì)、窗戶、黑板、室內(nèi)裝飾燈具造型、桌椅和投影平臺設(shè)計、音影播放設(shè)備模型以及教室廊道展品的貼圖設(shè)計。項目開發(fā)選擇了普通的多媒體教室作為原型，但對虛擬場景建模時做了適度的移位和簡化處理，僅完成了一個近似模型。虛擬場景模型采用分散單獨(dú)設(shè)計，然后再導(dǎo)入場景中組合的方式，先利用MAYA建立三維模型，然后將這些三維模型分別擺放到教室內(nèi)合適位置，再利用多維材質(zhì)貼圖方式盡可能展示原貌，以減少模型面數(shù)，降低系統(tǒng)運(yùn)行負(fù)載，加快了系統(tǒng)運(yùn)行速度。為了保證建立的模型與真實世界的尺寸一致，且需要保證多個場景組合出來的項目單位一致，對MAYA進(jìn)行正確的單位設(shè)置就很重要了，項目設(shè)置MAYA默認(rèn)為毫米單位，在Unity3D中默認(rèn)為米單位。

在模型創(chuàng)建過程中，貼圖的作用至關(guān)重要，需要針對模型的內(nèi)容選擇合適的紋理貼圖賦予不同的教室環(huán)境組件。項目中絕大部分貼圖均來自多媒體教室的實地拍攝，但都經(jīng)過了裁剪、調(diào)色、優(yōu)化處理，統(tǒng)一采用標(biāo)準(zhǔn)圖文格式保存。模型建立完成后，還對模型進(jìn)行了二次優(yōu)化，適當(dāng)減小了文件大小，保證系統(tǒng)的流暢度。

3.2 VR特色教室交互功能開發(fā)

利用Unity3D自帶的自動尋路導(dǎo)航系統(tǒng)，我們將學(xué)員挑選的角色模型設(shè)置成AI自動跟隨目標(biāo)，從而實現(xiàn)AI角色自動跟隨講解功能。在具體實現(xiàn)中，借助Unity3D自帶的尋路導(dǎo)航系統(tǒng)通過烘焙，將場景中除學(xué)員和講解教師之外的其他對象信息記錄并存儲在Nav Mesh網(wǎng)格文件中，再創(chuàng)建導(dǎo)航代理NavMesh Agent組件以實現(xiàn)讓AI教師跟隨指導(dǎo)的功能，導(dǎo)航代理組件附著在跟蹤尋路的AI教師身上。

在虛擬教室中進(jìn)行深度學(xué)習(xí)過程中，學(xué)員也可以隨時利用鼠標(biāo)、文本或者按鈕和伴隨的AI教師進(jìn)行溝通，交互的內(nèi)容包括有關(guān)墻面展品深度的文字或音頻講解、多媒體投影設(shè)備開關(guān)和控制、電視影像組件中教學(xué)內(nèi)容的播放和停止控制、相關(guān)學(xué)習(xí)內(nèi)容的鏈接選擇、AI教師的肢體語言動作等。多媒體投影內(nèi)容主要采用貼圖替換的方法，通過將圖像貼圖逐幀連續(xù)替換模擬動態(tài)影像，并同步播放貼圖配套音頻，按照學(xué)員在教室學(xué)習(xí)的常規(guī)模式進(jìn)行仿真，AI伴隨教師對于學(xué)員有疑惑的問題能做出回應(yīng)，通過文本或者音頻的形式進(jìn)行解答，但在遇到無法解答的問題時也會配合一定的肢體動作進(jìn)行交互。

4 VR特色教室應(yīng)用的成效

VR特色教室基于虛擬現(xiàn)實功能設(shè)計，以沉浸感作為視聽體驗學(xué)習(xí)的典型特征，無疑能為學(xué)科教育帶來巨大變革。課題組將VR特色教室與主題教育相結(jié)合，顛覆了傳統(tǒng)主題教育中觀花瀏覽、被動灌輸?shù)慕逃Ｊ?，替換為沉浸學(xué)習(xí)、主動認(rèn)知的教育方法，對于提升黨員黨性素養(yǎng)、增強(qiáng)黨建與技術(shù)的融合方面成效顯著。

4.1 創(chuàng)新主題教育活動模式，提升學(xué)員主題教育學(xué)習(xí)主動性

項目打破了傳統(tǒng)的虛擬教室使用習(xí)慣，將技術(shù)引入到主題教育主題中來，改變了過去瀏覽參觀、駐足打卡式的主題教育活動模式，借助新興的虛擬現(xiàn)實技術(shù)開展專題教學(xué)和主題教育活動。通過創(chuàng)建虛擬教室平臺，配合相應(yīng)的教學(xué)體驗設(shè)備，讓學(xué)員能仔細(xì)觀察作品細(xì)節(jié)，體驗作品產(chǎn)生的時代背景，感受作品的啟迪效果。同時，VR身臨其境的特點又能滿足學(xué)員個性化的需求，對學(xué)什么內(nèi)容、學(xué)多長時間、怎樣深化學(xué)習(xí)可以由學(xué)員自己決定，沉浸式場景為學(xué)員探究式學(xué)習(xí)提供了可能，極大增強(qiáng)了學(xué)員主題教育學(xué)習(xí)主動性，提升了主題教育教學(xué)質(zhì)量。

4.2 搶占技術(shù)高地，彌補(bǔ)了主題教育場地資源上的不足

隨著新時代各地紅色教育資源和愛國主義基地的不斷挖掘和開發(fā)，可供各級黨組織開展主題教育學(xué)習(xí)的場地選擇也越來越多，各種拓展紅色教育的途徑也應(yīng)該更加豐富，但事實卻是相反，當(dāng)前各級基礎(chǔ)組織能夠集中所有黨員親赴教育場地的時間和次數(shù)卻捉襟見肘，在這種情況下，借助新興技術(shù)打造主題教育資源的線上基地，用普通虛擬教室這種儀式感的學(xué)習(xí)方式開展黨員主題教育活動，正好彌補(bǔ)了主題教育場地資源和時間安排上的不足，同時搶占了新技術(shù)高地，順應(yīng)時代潮流打造互聯(lián)網(wǎng)思維模式的主題教育平臺，盤活各基層組織自己的主題教育素材，打造個性化的培訓(xùn)虛擬教室。

4.3 組建技術(shù)型隊伍，破解了黨建和業(yè)務(wù)兩張皮的難題

虛擬教室有效地解決了以往遠(yuǎn)程教學(xué)中缺少課堂氣氛，缺乏人文關(guān)懷，學(xué)員學(xué)習(xí)歸屬感差，學(xué)習(xí)自覺性和積極性無法調(diào)動的缺陷，教學(xué)內(nèi)容可以和傳統(tǒng)的實地場景組織學(xué)習(xí)相結(jié)合，通過圖文并茂、音視頻同步的教學(xué)方式，既達(dá)到了震撼的教學(xué)效果，又有利于及時更新教學(xué)內(nèi)容，鍛煉技術(shù)隊伍，降低教育成本，更好地提升主題教育效果，真正意義上實現(xiàn)了黨建與教學(xué)、科研的深入融合。

5 結(jié)語

由于采用MAYA和Unity3D創(chuàng)建了特色虛擬教室的建模，并利用C#語句實現(xiàn)了類似真實教室空間中的組件交互和師生交流功能，學(xué)員在虛擬教室空間如同置身真實的學(xué)習(xí)實景，可以借助手柄或鍵盤展開交互，也可以與虛擬AI教師實時溝通交流。項目組巧妙地將教學(xué)展覽內(nèi)容替換為基層黨組織的主題教育素材，將學(xué)科建設(shè)中應(yīng)用較多的VR虛擬教室應(yīng)用到主題教育工作中來，達(dá)到提升黨員學(xué)習(xí)積極性、鍛煉黨員技術(shù)骨干力量、增強(qiáng)黨建和業(yè)務(wù)深度融合的目的。項目實施中也存在較多不足，如對虛擬AI教師的人形模型設(shè)計、對教室模型的藝術(shù)化渲染處理以及教學(xué)素材的形式多樣化建設(shè)等都有較大的提升空間，因此，下一步工作將繼續(xù)完善模型，進(jìn)一步拓展交互形式，豐富教學(xué)內(nèi)容。

參考文獻(xiàn)：

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[3]尹國斌，虛擬教室系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[D].重慶：西南大學(xué)，2009.

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【通聯(lián)編輯：朱寶貴】

作者簡介：趙鋒（1980-），男，碩士，副教授，主要研究方向為虛擬增強(qiáng)現(xiàn)實藝術(shù)。