VR 视域下智能教学媒介研发的技术路径及特征研究——以初中生物“心脏的结构和功能”为例

盖海龙 刘英明

（吉林艺术学院新媒体学院，吉林 长春 130012）

1 概述

1.1 虚拟现实教学课件的研究现状

虚拟现实技术（VR，全称为Virtual reality）是发生在人类和计算机之间一种比较复杂的数据信息交互技术，它结合计算机图形图像技术和显示传感技术，营造出一种虚拟的人工仿真环境，同时结合动作捕捉功能使得人在虚拟场景中与物体进行即时互动。随着虚拟现实已经被列入国家“十三五”规划[1]，越来越多类似于微生物研究、考古、医疗教育、无人驾驶等大量需要培训操作技能的行业也迫切需要虚拟现实技术的应用才能得以实现。虚拟现实发展已经进入了快车道，人类社会将越来越便捷的体会到技术更新所带来的福利和便捷，从而对未来的教育世界产生重大影响。

1.2 课件

基于虚拟现实开发的教学课件应用于教学产生的效果：通过使用虚拟现实技术，可以解决真实实验环境中的局限，对于空间、时间和设备都能够做到一定程度的突破，这是VR 技术应用价值的直接体现。比如，一些化学试验通常伴有高腐蚀性和爆炸的危险，如果我们通过虚拟现实技术制作出一款虚拟仿真的化学实验场景，学生们通过虚拟场景进行化学实验，这样就避免了试验过程中的不当操作而产生危害的可能。此外，在微观的生物世界中，有些分子无法直接被肉眼观察到，通过创建微观分子虚拟仿真实验室，就可以在虚拟现实的场景中观察微观的分子和粒子。同样，VR 技术在航空、旅游、医疗等方面都有丰富应用前景。

2 详细设计过程

2.1 虚拟现实技术对教学课件的支持

以PPT 为典型代表的教学课件是一种日常教学最常用的教学手段，但是它具有表现形式单一、缺乏交互体验等诸多缺点。但是基于虚拟现实技术开发出来的多媒体课件符合中小学生好奇心强，喜欢游戏的心理特点，并且有一定的交互性和趣味性，与日常教学生活中所使用的Flash、PowerPoint 等软件相比具有更加强大的功能和更完美的效果，可以实现沉浸式学习和自主学习。

2.2 基于3Ds Max 的心脏建模

心脏的建模是一个比较复杂的过程，主要在3Ds Max 软件中实现。

2.2.1 初步建立模型

首先确定平面布局与功能，了解所要建造模型的尺寸与参数，例如本例中对于心脏模型的建造，则采用异形结构建模方法，分模块建造各部分模型，然后完成拼接。

2.2.2 添加材质贴图与灯光

将单色材质球做以简单修改后，使其变成Vary 材质，然后设置参数，需要注意参数细分程度不宜过高，并且需要注意个别材质折射、反射以及凹凸。调整好材质以后，按材质选择在材质球中，将一种材质的模型分别成组，这样处理是为了方便修改。如果材质出现接缝，把材质球里面的剪裁放置项点开，查看材质图像，调整。

2.2.3 真实效果图展示

值得注意的是，在模型的建立过程中，需要保持足够的耐心与细心，选择比较容易的科学的建模的方法。这样的话，我们在建模中可以省去很多不必要的错误和麻烦，而且在建设过程中必须有不断优化的意识，让我们的模型看得更加精细，效果如图1 所示。

图1 心脏模型

2.3 基于Unity 3D 的VR 合成

本次虚拟现实课件的建模，主要涉及到两个重大技术，它包括三维建模技术和虚拟现实技术，这两种技术的掌握缺一不可，首先要通过3D 建模技术，建立场景中的模型，然后将场景中的模型导入到Unity 3D 中进行虚拟场景的搭建和漫游的实现以及交互的实现，整个设计在Unity 中的状态机中的流程如图1 所示。

图2 状态机

将3D 模型导入的Unity 3D 软件中以后，可能会因为两款软件的版本不同或者特性不同而产生很多不匹配的问题和bug。比如，对于3D 模型导入Unity 中后，这个模型角度不匹配的问题，我们可以先将它设置为FBX 文件之后，然后再导入3D立体软件中。这样做的结果是，无论它在3ds max 中还是Unity 3D 中，他的模型的方向都是与我们的目视方向是一致的，效果如图3 所示。

图3 心脏截面

2.4 基于C#脚本语言的交互编程设计

C#语言是微软公司发布的一款面向对象的高级程序设计语言，具有完全开源，跨平台的独特优势。既安全简单，又稳定优雅，是一款非常主流的高级编程语言，由C 和C++两种语言衍生而来，以其强大的创新的语言特性、操作能力和便捷的面向组件编程的支持成为了.NET 开发的首选语言。

C#可以最大程度地开发和利用计算与通讯领域[6]。本设计中的部分核心脚本如下，代码链接在摄相机上，经过目光发射的射线被目标物体检测到后，它主要完成以下几个指令：

（1）发射射线，检测前方有可交互的对象；

（2）如果检测到有交互对象，去获得它身上的功能脚本；

（3）开始计时，到达3 秒，触发功能；

（4）如果未达到3 秒用户中途离开，则重新计时；

（5）完成后依次进行下一个状态。

此外，还需要编译代码执行以下指令，以确保交互能在对象是否存在的状态下做出反应。

（1）确定准星，使其能够吸附到对象；

（2）没有交互对象的时候，重置准星的位置。

2.5 课件的音效及发布

这个模块的设计使用软件为Adobe Audition，这是一款目前国际比较主流的音频编辑和混合处理软件。

2.5.1 声音变速

在Adobe Audition 软件中，依次操作【效果】→【时间和间距】→【变速（进程）】→【比率】,准备为100，增加表示声音变慢，降低表示声音变快。

2.5.2 去除人声

在Adobe Audition 中，依次操作【效果】→【立体声声响】→【中置声道提取器】→【人声移除】→【中心声道】, 将中心声道的按钮下拉到最低，即可实现人声去除。

3 测试与发布

以上内容制作完成，经过测试没有问题之后，就可以在Unity 3D 中发布体验。引擎现提供PC、IOS、Android 等多种发布平台，笔者以发布到安卓手机为例阐述方法。首先在Unity3D 的菜单栏文件选项下，选择发布设置下的Android ，然后单击Open Download Page 按钮，依次执行Edit、Preferences、External tools 菜单命令，添加环境变量路径，转换平台后单击Player Settings 按钮，配置相关属性，创建Company Name 和Product Name，最后执行File-Build Settings-Build 菜单命令进行测试，导出APK 格式的文件即可运行。

4 总结与展望

本系统融合了虚拟现实、心脏建模、人机交互三大技术，一定程度上实现了虚拟场景与真实世界的完美结合，给智能课件设计和情境教学带来了新的方向。随着我国互联网技术和虚拟现实技术的进一步的发展，虚拟现实的技术的应用也将不仅仅局限于虚拟课件的制作，基于VR 的项目将会涉及到我们生活培训、教育、医疗、娱乐的各个方面。