虚拟现实技术在信息技术课程教学中的应用研究

◎邓卫民

（扬州市职业大学 信息工程学院，江苏 扬州，225000）

虚拟现实技术是随着计算机技术的发展与成熟在二十一世纪初开始逐步普及的一种新的技术，以往受到计算机硬件和软件条件限制而无法实现的基于三维建模的虚拟现实技术如今在普通的PC机上实现起来已经非常方便。目前的虚拟现实技术不但在娱乐、新闻、广告等领域应用广泛，而且利用虚拟现实技术开发设计交互性的学习环境也逐渐成为教育领域的一个热点。基于虚拟现实技术的教学手段最大的优点就在于其能为学习者提供一个非常接近真实的环境，并因此能极大地提高学习者的注意力，增强学习者的学习兴趣，优化学习者的体验效果。

基于虚拟现实技术的教学过程的应用，目前已经在大多数高校开设的机械、建筑、物理学等相关课程教学过程中有了广泛的应用。由于虚拟现实技术能将教学过程从二维平面变成三维立体交互，构建出一个虚拟的、逼真的教学环境，因此能提高学生的学习兴趣，集中学生的注意力，使得教学效率显著提高。然而，据笔者调查了解，将虚拟现实技术引入教学环节的课程尽管越来越广泛，但是依然还有不少课程，尤其是对高校普遍开设的一门基础公共课——信息技术，似乎还鲜有虚拟现实技术的教学应用研究。

信息技术课程是目前大专院校学生必修的一门课程，该课程一般由“理论知识”和“上机操作”两大部分构成。基础知识部分一般由计算机硬件、计算机软件、多媒体技术、计算机网络、数据库原理等知识点构成，基础知识的学习常常由于原理过于抽象、实物不够直观等原因导致教学效果不佳，学生的学习积极性也不高，此现象在“计算机硬件”这一章节的学习中尤其明显。

因此，为了提高信息技术课程的教学效果，本人设计了一个将虚拟现实技术引入信息技术课程教学环节的方案，该方案主要针对“计算机硬件”这个知识点展开的。基本的思路是：先将教材中涉及的有关计算机硬件的实物，利用3D开发软件制作成3D模型，然后通过3D模型浏览工具，在授课过程中对学生进行课堂展示，模型展示的过程应该能实现：大小的调整、角度的调整、旋转等基本的3D模型展示的基本功能。该方案的实施主要由三大实施模块构成。

一、实施模块1：3D模型的制作

（一）3D模型制作软件的选择

笔者选择了目前比较主流的软件3D Studio Max，常简称为3ds Max或MAX，是Discreet公司开发的（后被Autodesk公司合并）基于PC系统的三维动画渲染和制作软件。其前身是基于DOS操作系统的3D Studio系列软件。在Windows NT出现以前，工业级的CG制作被SGI图形工作站所垄断。3D Studio Max+Windows NT组合的出现一下子降低了CG制作的门槛，首先开始运用在电脑游戏中的动画制作，后更进一步开始参与影视片的特效制作。本人选择该软件的主要优势在于：

1.基于普通个人能计算机系统，硬件软件配置要求很低，硬件实现容易；

2.可以通过安装外部插件（plugins）的方式来拓展软件既有的功能，增强开发的能力和效率；

3.强大的角色(Character)动画制作能力；

4.可堆叠的建模步骤，使制作模型有非常大的弹性，适合循序渐进的开发3D模型；

5.很主流的开发工具，制作的模型有很好的兼容性，便于展示。

（二）3D模型制作过程的难点及解决方案

为了保证制作好的模型具有逼真的质感和花纹，本设计中用得比较多的是贴图材质。简单的贴图材质可以在材质编辑器中一次性就可完成，但是遇到一些复杂的材质，就要分几个步骤才能得到理想的效果，具体可以分成如下几种情况来区别对待。

难点1：凹凸贴图材质的设置

本次3D模型制作中诸如CPU、声卡、显卡、主板等，都会遇到很多凹凸贴图，例如图1显卡的3D模型制作，此种贴图适要能制作出表面有微弱凹凸效果的材质，而且并不改动模型本身的结构，产生的凹凸只是一种视觉效果。设置凹凸贴图时，在选择材质球后，展开 Maps(贴图)栏，单击 Bump(凹凸)右边的“Map”(贴图)按钮，在材质，贴图浏览器中双击“位图”，在对话框中选择到合适的材质贴图。观察材质球的变化，可发现凹凸感并不明显，单击水平工具栏中的“返回”按钮，返回到上个编辑层，在Maps(贴图)栏中将Bump(凹凸)的Amount(数量)参数值设置为100，观察材质球的变化。可发现凹凸感非常突出，但其颜色仍为灰色，这是材质本身的漫反射色。

为了使贴图显示出你所选定的贴图颜色，需要用同 样的方法将漫反射(Diffuse)贴图设置成与Bump(凹凸)贴图相同的贴图。方法是在Maps(贴图)栏中将光标移到Bump(凹凸)右边的“Map”(贴图)按钮上，按下左键拖动鼠标，将 Bump(凹凸)贴图复制到漫反射(Diffuse)右边的确“Map”(贴图)按钮上，在复制(Copy)对话框中选择“Instance”(实例)， 观察材质球的变化，已符合效果图的要求。

图1 显卡3D模型

图2 在3DS MAX中制作的CPU 3D模型

由此可见，Bump贴图的颜色由材质本身的Diffuse颜色决定，Bump贴图通常与Diffuse贴图一起使用，方可对模型的渲染结果呈现出图形本来的颜色。

难点2：设置具有金属等反射效果的材质

当要求模型具有诸如图2所示CPU表面的金属、反射景物的玻璃窗等效果时，我们可以利用材质编辑器中的反射贴图来达到所需的要求。要制作这种效果的材质，一定要在材质编辑器中的阴影基本参数(ShadeBasic Parameter)栏中选择金属(Metal)方式，此时只能设置环境光(Ambient)和漫反射(Diffuse)两个选项的颜色，不能设置反光(Specular)的颜色。但要对反光的强度进行设置。一般情况下金属类材质的反光级别(Specular Level)数值应在80－120之间，光泽度(Glossiness)的数值应在50－70之间。仅设置了上述参数后，可以发现材质表面的反光对比度很强烈，亮的部分很亮，暗的部分又很暗，并没有得到预期的效果。要解决这一问题，还需要设置反射贴图，即在贴图 (Maps)栏中单击反射(Relection)项右侧的贴图(Map)按钮，在材质／贴图浏览器中选择合适的贴图。最后再在坐标(coordinate)栏下将模糊偏移(BlurOffset)参数进行适当的修改。这样就可以得到想要的效果了，如图2所示。

二、实施模块2：3D模型浏览工具的选择

计算机硬件的相关模型制作好后，如果课堂授课时教师是在3DS MAX环境中将对象进行展示一定是非常不合适的。因为3DS MAX复杂的操作界面使得本教学手段很难在所有教师和课堂上进行推广，并且在3DS MAX软件界面中的展示效果也不够理想，因此，需要找到或者开发一个能够“播放”3D模型的一个软件，该软件应该类似于一个浏览器，只需要指定打开相关的3D模型文件，即可在该软件实现对模型的平移、缩放、旋转等自由变换的展示过程。

经过多方考察和评估，笔者最终选择了SuperModel V20.0这个3D模型浏览器，该软件的优势如下：

1.该软件体积很小，只有1.5MB左右的大小，并且是绿色版本的软件，无需安装即可使用。并且该软件是共享软件，在课堂上或者公开场合教学展示过程中不会产生版权问题；

2.该软件的使用简单，所有3D模型的展示操作，鼠标简单点击、拖动即可完成。教师只需要将该3D浏览器复制到授课PC机中，然后即可在课堂上方便快速的展示各类已经制作好的3D模型；

3.该软件可用于查看的3D模型格式众多，目前支持的格式有：.3DS，.OBJ，.LWO，.MD2，.MS3D，.X，.B3D，.STL，.PLY，.DAE，.TER 等众多格式；

图3中4个屏幕截图为实际使用过程。

图3 在SuperModel V20.0中展示的CPU 3D模型

三、实施模块3：课堂教学效果的提升评估

本教学研究的最终目的就是为了提高教学效果，因此通过一些科学的方法多角度的来评估最终教学效果是必不可少的。为了让教学效果具有可比性，在两个相同专业、相同教学进度、人数接近的班级之间进行比较。两个班级分别标记为A班和B班，其中A班采用上述虚拟现实技术辅助教学，B班仍采用传统教学方法进行教学。通过如下三种途径，对教学效果进行了评价和比较。

（一）课堂考查

相关知识点授课结束后，笔者在课后立刻进行了一个小型的知识点考查，考查内容全是上课中讲授过的知识点，其中A班正确率为95.3%，而B班正确率为81.7%。

（二）作业反馈

课后作业情况常常能反映出学生在课堂上的学习情况，笔者将课堂上涉及的众多知识点以简单题的形式布置了作业，根据学生的回答情况，A班同学的答题正确率和特点更加接近授课时候的讲授情况。

（三）随机学生访谈

课后依据学号，随机抽取了10个A班学生、10个B班学生，和他们进行了一个小型的座谈会，A班学生普遍反映此种授课方式效果很好，能很好地吸引他们的注意力，使得相关的知识点的学习更加直观和生动。

经过上述三种方式的综合考评，采用了虚拟现实技术辅助授课的A班教学效果明显好于未采用此辅助手段的B班，由此可得出初步结论：利用虚拟现实技术辅助授课的方式，教学效果几乎是立竿见影的。

四、结语

信息技术课程的教学，原本就是一个不断紧扣时代发展、充分依靠现代教育技术的一门课程。通过此次虚拟现实技术在信息技术课程教学中的应用研究，教师可以将所授知识点更直观更具有交互性的形式展现到课堂中的学生面前，这样才能够更有效地提高教学效果，并且此种教学模式将来还可以推广到其他课程，最终让虚拟现实技术能够全方位多角度地成为所有课程的教学辅助手段。

［1］马新德，汤沛，马书群，等.基于虚拟现实技术教学环境的创设[J].河南职业技术师范学院学报(职业教育版)，2004（4）：82-83.

［2］姬洪强.浅谈虚拟现实技术在学科教学中的应用[J].中国现代教育装备，2008（3）：46-47.

［3］邓媛媛.用虚拟现实技术优化计算机硬件设备教学的方法探析[J].中国现代教育装备，2010（12）：75-76.