基于Unity 3D和3D Max的IVR系统设计与开发

摘  要  目前虚拟现实技术在我国高等教育教学中的广泛应用已逐渐成为当下的热点话题。利用Unity 3D和3D Max等开发软件，设计与实现基于IVR的学习环境，利用IVR的交互特点设计可视化空间线索，协助学习者学习，以期能在一定程度上促进学习者空间想象力的提升，提高学习质量，并为IVR应用于学科教学实践提供一种新的思路。

关键词  Unity 3D;3D Max;沉浸式虚拟现实系统;空间想象力;高中立体几何

中图分类号：G434    文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2022）06-0030-03

0  前言

虚拟现实（Virtual Reality，以下简称“VR”）最早于1989年由美国VPL Research公司的创始人Jaron Lanier提出[1]。随着新一代计算机技术、网络技术、人工智能技术等新兴技术的高速进步，VR技术的发展也呈现突飞猛进的态势，并表现出多样性，目前已经广泛应用于医疗培训、军事航天、工业培训、教育教学等多个领域。

研究者深入研究VR技术在各个领域的应用时发现，根据用户沉浸程度的高低和交互程度不同，VR系统可分为桌面式虚拟现实（Desktop VR）系统、沉浸式虚拟现实（Immersion VR）系统、增强式虚拟现实（Augmented VR）系统和分布式虚拟现实（Instributed VR）系统等四种模式[2]。其中，沉浸式虚拟现实（以下简称“IVR”）系统是一种高级的、比较成熟的虚拟现实系统，不仅能提供给用户一种完全沉浸的体验，还可满足用户实时交互的需求，而可交互是虚拟现实最为关键的三大特征之一。

在学科教学领域，大多数研究者开发的IVR系统旨在探究沉浸和多通道感知对提高学科教学的潜在效能。目前，IVR技术在学科教学领域仍处于探索阶段，实证研究相对较少。因此，本研究通过将IVR技术与学科教学进行融合，分析IVR技术在学科教学中的作用，深入挖掘IVR技术与学科教学之间的内在关联，充分发挥IVR技术的优势，有效地利用新技术促进学科教学改革，提高学生的学习效率，增强教学成效。

1  IVR系统开发背景

空间想象力作为空间能力重要的组成部分与主要类型之一[3]，是研究者关注的重点。在中国知网数据总库，主题精确检索“空间想象力”（期刊、硕士、博士、报纸），搜索文献发现：国内关于空间想象力的研究集中在与其相关的空间理论（想象力、空间观念等）的研究，几何数学、制图教学的研究。在中小学教育对空间想象力的相关研究中，空间想象力多与数学、物理、地理等学科相联系，而其在数学学科中的研究最多。回顾数学教学大纲不难发现，自1952年依据苏联教学大纲编译的《中学数学教学大纲（草案）》中提到教学中应当努力发展学生的空间想象力后，空间想象力就一直出现在我国中学数学教学大纲中，也一直是立体几何知识教学的主要培养目标之一，同时是立体几何教学的重难点[4]。

对于立体几何知识，学生掌握得参差不齐。为研究学生在立体几何学习上的差异性，以及如何通过计算机技术帮助学生促进对立体几何知识的学习，笔者根据虚拟现实的三大特点，选择高中立体几何内容作为研究内容，基于Unity 3D和3D Max等软件设计与开发IVR系统，提升学生立体几何成绩，促进学生空间想象力的发展。

2  IVR系統的三大教学优势

2.1  真实体验，激发学习兴趣

IVR系统充分利用了虚拟现实的特点之一——沉浸感。在传统的学习环境中，学生通过课本、多媒体课件等教学材料学习课本上的理论知识，平面化视角的学习往往使得学习枯燥、乏味。而在IVR环境下，学生可成为虚拟世界的一部分，能够真实地感受自己在虚拟世界中的主动性，突破被动的观察者的限制，沉浸在VR环境中，积极投身虚拟世界，并与之进行互动。换句话说，IVR环境下，学生的视觉、触觉、听觉等感官受到一定的刺激，他们沉浸其中，易引起学习兴趣，有效缩短与知识之间的距离。

2.2  多重交互，促进空间想象力提升

沉浸式虚拟现实技术最为关键的一个特点就是交互性。利用IVR技术进行学习，使得学生置身于真实情境中，参与不同的互动，锻炼学生的动手操作能力。在传统教学中，部分知识点需要学生通过自身建构完成学习，在利用IVR技术开发的虚拟环境中进行学习，有助于帮助学生建立空间观念，进而促进认知。本系统中，学生可通过手柄实现关键交互，交互设计合理，操作简单方便，并通过逐步加强难度，帮助学生合理提升空间想象力。

2.3  可视化空间线索，促进深层认知

IVR技术为人们认识世界提供了一种全新的方法和手段，学生通过观察虚拟世界中形象地呈现出的现实生活中不存在的现象或事物，对先前的知识内容重新进行建构，深化对知识的理解与认知。本系统中，通过将立体几何的教学内容与VR技术有效地结合，使用Unity 3D和3D Max等软件设计系统模型，将现实生活中不可见的几何内容可视化，如点在几何体内移动的轨迹等，并动态、实时、立体地呈现于学生的视野中，利用空间线索表征现实事物，有效促进学生对几何内容的深层次理解。

3  基于Unity 3D和3D Max的IVR系统的制作

IVR系统的设计与开发主要包括三个环节：前期准备、中期实现、后期调整（如图1所示）。本研究以高中数学必修二“立体几何”中的“异面直线”相关内容为例，制作交互性好、沉浸感强的IVR系统。IVR系统的制作主要包括四个方面：教学内容分析、用户需求分析、开发环境搭建、系统实现（如图2所示）。下面详细介绍系统的制作流程。

3.1  教学内容分析5C20E85C-ED34-46EE-93CB-23EEA324A53C

该IVR系统主要选择立体几何中的“异面直线”知识点作为教学内容，该内容对于学生而言难理解，不易在平面教学中掌握异面直线的精髓;对于教师而言难教学，不易通过简单的数学语言传授异面直线的特色。所以，从异面直线的概念出发，通过设计不同程度的模式来锻炼学生对异面直线概念的理解与掌握程度，让学生能够在实际模型中找到异面直线，体悟空间图形与平面图形的联系与区别，感悟转化思想，形成数学抽象。

3.2  用户需求分析

基于3D Max和Unity 3D制作IVR系统的目的是促进学生空间想象力的提升。在传统教学中，学生的空间想象力是建立在教师的语言和教具的辅助之上的，学生不能真切地感受到空间。因此，为了学生能够更好地掌握点、线、面之间的联系，强化对立体几何知识点的理解和认知，通过设计IVR系统帮助他们有效地提高学习成绩，提升空间想象力。

3.3  开发环境搭建

目前，支持虚拟现实环境搭建的软件平台和脚本语言较多，经过系统的理论分析与实践探索，最终选择3D Max作为建模软件，选择Unity 3D用于系统的交互与整合。除此之外，还利用Photoshop CC 2019作为模型贴图处理软件。所选择的软件兼容性相对较好，在实现系统的各个环节相互协作，有利于进行系统开发。

3.4  系统实现

IVR系统是根据用户的需求分析，设计相对应的功能，内容简单，操作易上手。

3.4.1  为了学生便于观察点线面运动的变化  高中立体几何教学过程中无法观察到几何物体通过移动点之后在空间内的变化，该系统则充分利用虚拟现实技术能将现实生活中无法观察到的现象可视化的特点，设计点移动的动态虚光轨迹，便于学生在大脑中构建几何变化过程。

3.4.2  为了促进学生加深对“异面直线”概念的理解层面  利用IVR技术的交互特性，使得学生可以利用手柄在由六个面片、12条棱、12条对角线的立方体中进行两次选择：首先利用手柄随意选择一条棱或者一条对角线，之后选择一条认为能与之成为异面直线的棱或对角线，观察两条线所在面是否有重叠，若重叠，则会观察到重叠面颜色的变化。

3.4.3  为了便于学生在几何体内找到“异面直线”所成角  利用IVR技术的可视化和交互两大特征，结合平移的思想，使得学生能够通过手柄一步步操作，观察异面直线所成的角是如何找到的，并引申思考在非立方体结构的几何体中异面直线所成角如何找到。

总之，该系统的一大亮点即为设计IVR系统时将可视化空间线索结合到几何教学内容中，并根据教学内容的难易程度合理地设计可视化空间线索。除此之外，学生在视觉、触觉和听觉三方面都能得到相应的反馈，如每次利用手柄进行移动或选择时给予一定的震动反馈，而在关键点将给予听觉反馈，等等。

4  结语

本系统设计的初衷是通过将传统教学内容与VR技术有效结合，使用Unity 3D和3D Max等软件设计系统模型，将现实生活中不可见的事物或现象可视化，并动态、实时、立体地呈现于学生的视野中，有效地利用空间线索表征现实事物，为IVR技术运用到学科教学中提供新的视角，合理的动态交互功能激发学生学习的兴趣，促进学生的空间想象力发展，进而进一步了解IVR技術对学科教学实际应用的价值所在。本系统还有很多不足之处，后续探索将本系统应用到实际教学中，探究本系统是否能够促进学生空间想象力发展，并对本系统作出改进。■

参考文献

[1] Fuchs P， Moreau G， Guitton P. Virtual Reality： Concepts and Technologies[M].Boca Raton： CRC Press，2011.

[2] 傅永超.国外虚拟现实（VR）教育研究与启示[J].中国教育信息化，2019（22）：6-12.

[3] 伍巧.3D打印促进初中生空间想象力发展的实证研究[D].上海：上海师范大学，2020.

[4] 课程教材研究所.20世纪中国中小学课程标准·教学大纲汇编：数学卷[M].北京：人民教育出版社，2001：356.

作者：魏玉蒙，浙江师范大学硕士研究生，主要从事数字化学习资源的设计与开发（321004）。5C20E85C-ED34-46EE-93CB-23EEA324A53C