基于VR技术的教学课件的制作方法研究

王 巍

(长春财经学院 信息工程学院，长春 130022)

随着5G时代的到来，VR技术的眩晕问题得以突破，使得VR技术在各个领域得到快速应用。同时，我国对于云计算、虚拟现实、大数据等新技术在教育信息化中的积极推进，使得VR技术在教育领域引起教学方式的重大变革。

5G时代下，VR技术应用于教学的研究与探索，不仅是对虚拟现实这一新技术应用于教学方式的改革而进行的重要探索，也是对国家关于新时代下教学方式变革的积极响应，而VR技术与教学课件的深度融合是VR技术应用于教学的研究与探索的必要前提[1]。基于VR技术的教学课件，不仅能够帮助学生完成知识的迁移，利用信息呈现的多维性帮助学生进行最佳的意义构建，而且使学生能够在视觉体验上获得真实的代入感，有利于激发学生自主学习。

1 相关研究

随着互联网的普及和网络带宽的不断提升，自20世纪80年代以来，关于VR技术在教育方面的应用和有效性上，国内外很多高校、研究机构及学者做了大量探索。

美国东卡罗琳那大学是最早在教育领域开始研究VR技术应用的大学，并于1992年建立了虚拟现实技术与教育实验室，针对教学效果，比较基于虚拟现实的教学与其他主流教学媒体的差别，以确认VR技术适合教育领域应用的可能性[2]。随后，英国在一所中学建立了教育虚拟现实技术工程[3]，探索用VR进行工业方面的安全培训以及利用VR进行外语教学。诺丁汉大学提出了VIRART项目，在教育和学术方面对VR技术进行了研究和探索。2009年，虚拟世界工作组和林登实验室共同推出了Second Life 项目，探索在虚拟现实世界中个体获得教育与成长的可能性。2017年，美国的罗伯特海涅克从VR创设的虚拟教学环境出发，提出了基于VR技术的教学计划、准备、实施、跟进四阶段模型，为基于VR体验的教学设计提供了重要的参考价值[4]。目前，在美国的K12教育中，教育教学信息化水平非常高，完全网络教学的虚拟化学校已经日臻成熟。

在国内，关于VR技术的应用研究主要集中在游戏、影视、医疗、航空等领域，而在教育领域与国外还存在差距，处于初步探索阶段。

在虚拟仿真校园方面，天津大学在SGI硬件平台基于虚拟技术开发了虚拟仿真校园[2]。随后，中国人民大学、浙江大学、北京大学等著名高校都建设了虚拟仿真校园。在教学虚拟实验室和虚拟教学仪器的研究方面，中国科技大学首先开发设计出一套基于VR技术的教学仪器系统，将VR技术应用到几何光学实验平台的设计与开发中，把物理教学仪器系统推进了新的领域；北京航空航天大学基于VR技术建立了一种分布式虚拟环境，用于飞行员的训练；随后，国内各大高校相继开发了各种基于VR技术的虚拟仪器系统，并在教学和科研中广泛应用。在将VR技术应用于教学方面，高媛等学者基于大量的理论和实证研究，提出了VR技术能够有效促进学习的三个核心要素：VR教学法、资源与VR设备、学习者体验；李勋祥等指明了开展基于虚拟现实技术的虚拟实践教学进程中面临的机遇，包括实践教学环境的虚拟方式、实践教学时间空间上的随意性、实现情境化等；南京工程学院针对当前流体传动控制专业课程教学存在的问题，提出VR技术在现代液压课程教学中的应用，为改进新的教学模式提供一种手段；郭晨等以电流互感器试验为例,提出了基于VR的电流互感器培训课件设计与开发，为VR课件的制作提供了一种手段[3]。

综上，VR技术在国内教育中的应用正在受到越来越多的关注，但研究方向主要集中于虚拟仿真校园、教学虚拟实验室和虚拟教学仪器等方面，而在将VR技术应用于教学方面，尤其是将其应用于教学课件设计制作方面，还处于初步探索阶段。深入分析VR技术、教学内容及学科特点，为两者找到合适的整合方向，是新的教学模式改革的一次重要探索。

2 基于VR技术的教学课件的理论支撑

任何的教学活动都需要在特定的教育理论支撑下才能开展，基于VR技术的教学课件也不例外，需要以学习理论以及教学设计为依据。

作为计算机辅助教学的教学方式，支撑多媒体教学课件的教育理论探索主要有行为主义学习理论、认知主义学习理论和建构主义学习理论[5]，此三大学习理论对于多媒体课件的开发实现起着重要作用。其中，建构主义学习理论认为在必备学习资料提供的理论基础上，加之师长或其他外在助力的辅助，在某种特定的情境下，学习者能够通过有意义的建构来汲取知识和技能[6]。区别于传统教学,在基于建构主义的教学中，教师的作用主要在于促进学生自主学习的培养,帮助学生对所学知识进行意义建构,创造符合教学的情境,在学生学习的过程中,适当指导学生,给予适当的鼓励,使学习向有利的方向发展。情境、协作、会话和意义建构作为建构主义的四要素，有着密切的联系,情境作为意义建构的基本条件,师生之间的合作与对话是意义构建的辅助途径,学习的最终目的是实现意义建构。而建构主义学习理论中的“情境”特征与VR技术3I特性中的“沉浸性”“协作”“会话”特征与VR技术3I特性中的“交互性”“意义建构”特征与VR技术3I特性中的“构想性”均高度吻合，在建构主义学习理论指导下的VR技术应用于教学课件的设计中，使基于VR 技术的教学课件有了强有力的理论支撑。

在建构主义理论指导下，通过虚拟现实技术搭建一个仿真的学习情境或将教学内容融入到虚拟课件中进行教学,使抽象的文字理论改变为形象生动的三维画面,在这样的学习环境中,学生不自觉地形成了对知识框架的建构,有助于学生对知识的内化和迁移。所以,建构主义理论为虚拟现实课件的可行性提供了重要的理论支撑，能够很好地指导基于VR技术的课件的设计与实现。对于学习的过程和结果的监视可以通过详细的反馈加以丰富。学生对任务的解释、学习目标的整合，以及学习策略的选用都通过内、外部信息反馈。经过如此多的步骤和过程,可以获得与任务标准及要求合适的学习的结果。

3 基于VR技术的教学课件的设计与实现

基于虚拟现实引擎的VR课件的实现过程如图1所示。首先, 根据教学课程内容确定教学设计；其次，根据教学设计确定要构建的教学情境，收集相关教学资源，利用建模软件构建情境中的三维模型；再次, 将构建好的模型导入到虚拟现实引擎中，根据教学设计为模型添加行为和交互，完成虚拟现实模块的制作；最后, 输出场景文件, 完成场景发布，生成VR课件。在整个制作过程中，教学设计至始至终贯穿着，起着指导作用，而教学设计中情境设计的原则，知识的呈现方式，学生学习任务的编排及活动设计、交互设计等都要与建构主义四大核心要素相匹配。

3.1 三维建模

三维建模是指对特定的虚拟场景中的三维实体进行相应模型的构建。目前主流的建模工具有3DMax、Pro/E、Solidworks等。Soliduorks、UG等主要应用于机械类建模领域，以参数化实体建模为主，优点是精度较高，便于仿真分析；缺点是所占内存较大，一个模型往往需要上百MB的内存。这种模型的体积庞大，在开发平台导入复杂实体模型时会经常卡顿，且入门难度大。而Pro/E在传统机械、家电以及模具设计等领域应用得比较多。3DMax主要应用于场景建模，以基础形体、曲线、多边形、面片等建模为主。其优点是所占内存小，搭建模型比较快，不仅入门简单，能够跨平台使用，同时支持导入多种不同格式的素材文件。

以计算机网络课程为例，三维建模主要是对虚拟设备的建模。计算机网络中虚拟设备的构建主要包括个人计算机、路由器、网关、防火墙及光纤等。在VR课件中，这些虚拟设备的模型主要采用基础建模、多边形建模和十字交叉方法进行构建，重建图形渲染器，不用添加代码即可使虚拟设备从各个面均可以看到，从而达到逼真的虚拟感。同时，VR课件的运行要求具有高度同步性，这就要求建立的三维模型不能过大，运行中不能过大地占用运行内存，防止运行时出现卡顿。

以路由器为例，制作路由器的三维模型采用基础建模方法，主要包括模型的创建和模型材质的设置。

(1)模型的创建。打开3DMax，在右边的命令面板中，选择“样条线”命令，会出现一些简单的样条线，如线、矩形、椭圆等。选择“矩形”，在左侧的工作区中画出路由器的大体轮廓，通过设置矩形的长度和宽度参数调整大小，调整角半径参数使之变得圆滑。设置好后，在矩形对应的界面中通过“转换为可编辑样条线”命令，对矩形进行转换操作，再进入到修改命令面板的树型目录上找到“可编辑样条线”命令，通过顶点调整轴向杆，进而实现角度的调整。然后选中画好的图形，退出编辑样条线，选择“挤出”命令，形成立体形状，选择“FFD”命令,将立体模型进行网格划分，选择“塌陷”命令,模拟出路由器后方凹槽，完成路由器主体轮廓的建模。接下来，在作图区绘制一个圆柱体模型并根据需要设置好圆柱体的各个参数，完成路由器的天线建模。然后将天线模型转换为可编辑网格，选中圆柱体中间部分顶点进行缩放,移动到路由器主体轮廓的连接处即可。最后，创建路由器网线接口的模型。利用样条线下的“线”,绘制出接口的形状,利用“挤出”命令,将线变为面，选中图形,其余接口直接复制,复制后将图形对齐，在命令面板中选中“Line”命令,在下方设置菜单中勾选“中心”选项,单击轮廓进行向内扩边。

(2)材质设置。三维模型创建好后，进行模型的材质设置。在材质编辑器设置界面,提供了多种不同类型的材质，每种设备的现实属性特征各不相同，找到相匹配的属性特征进行材质的设置。由于创建好的三维模型后续需要导入到Unity3D引擎中实现互操作的开发,在材质设置时,需要考虑材质类型的兼容性。以无线路由器为例，设置材质时可以选择“添加贴图材质编辑器”设置或“不添加贴图材质编辑器”设置。以“添加贴图材质编辑器设置”为例，进入材质编辑器，选择“漫反射颜色”，进入“位图”，选择项目里备用模型图片，将相应模型图片添加进来。点击“视口中显示明暗处理材质”，将贴图在视口中显示出来。点击“贴图”栏，鼠标拉动漫反射项中的贴图至凹凸项中，点击“复制”-“确定”，并将凹凸参数设置为30，完成贴图凹凸纹理效果的设置，然后修改UVW MAP，给模型添加一个长方体的UVW MAP并设置好长度、高度、宽度、U向平铺、V向平铺、W向平铺的相关值以及各个方向上是否翻转，完成材质的设置。最后，点击“渲染”将符号贴图材质的模型渲染出图即可。

3.2 虚拟现实引擎

三维模型建立好后，需要集成三维模型，搭建虚拟场景，然后按照具体的操作要求,开发添加与三维模型的交互。对于普通开发者来说，开发需要耗费巨大的精力与资源，而第三方虚拟现实引擎有着使用成本低，插件齐全、兼容性好等优势。

目前，虚拟现实引擎主要有Virtools、Lumion、VUE、Unity3D、Unreal Engine 4等，其中Virtools主要应用于虚拟现实游戏领域，可扩展性好，有自带的物理引擎，只要会编程，互动几乎无所不能。Lumion应用于建筑可视化领域，VUE应用于景观设计可视化领域，Unity3D应用于视频虚拟现实及建筑可视化，自带了不少的工具，是一款轻量级免费的虚拟现实引擎。Unity3D配置VR项目十分简单，文档完善，学习开发成本低，制作相对容易。同时，该引擎支持多种模型格式，用户可以定制独特的创意制作虚拟场景，也可以添加多种格式的音频和视频文件，另外还可以方便地链接数据库。总的来说，是一款可以制作任何领域作品的虚拟现实引擎。使用Unity3D引擎实现对模型的二次开发，脚本的开发选用主流的简单易用的JavaScript为模型开发相应的脚本，建立模型之间的交互操作，实现虚拟设备之间的交互。

以计算机网络组网为例，三维模型建立好后,需要将这些三维模型资源导入到Unity3D所创建的项目中，在新建项目时确保勾选“3D”。然后在所创建的工程项目的Assets文件夹下新建Textrure文件夹，将所有的“.FBX”格式的三维模型放到Textrure文件夹下，在Project窗口中即可看到模型资源。模型导入后，需要创建场景，通过主菜单File下的新建场景菜单New Scene创建新的场景,然后在主菜单Edit下的子菜单中选择Project Settings、Project Settings的子菜单中选择Player，在Player界面进行是否支持VR模式的设置，选择Other Settings，选中Virtual Reality Supported，设置为支持VR模式。在GameObject的子菜单选择3D Object，分别添加Plane和Cube，创建简单场景。在主菜单Assets的子菜单中选择Import Package，然后选择Characters，导入Asset。最后针对导入的模型开发相应的脚本，实现交互。

3.3 VR课件的生成

VR课件的生成是依附虚拟现实引擎的，包括场景的输出方式和发布的文件格式。不同的虚拟现实引擎生成的文件格式各不相同，本文设计的VR课件主要用于教学，场景发布文件格式主要采用以插件输出的场景格式和Web版的场景格式。

4 结语

在即将来临的5G时代，将VR技术融入到教学中，与教学课件深度融合，运用VR技术构建一个虚拟的学习环境，通过VR技术变革传统课堂和教学，颠覆传统教育模式，让学生进入虚拟空间进行学习与活动，从而加速学生学习和认知过程，是培养现代型人才的一种新型教学模式。探索研究VR课件的制作是这种新型模式教学模式的一个前提，对基于VR的新型教学模式的发展有着重要作用，基于VR的新型教学模式必将引起越来越多的关注。