虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境中構(gòu)建三維動畫資源與交互設(shè)計研究 *

劉俐利，凌毓?jié)跗G鳳

(1.華中師范大學(xué) 國家數(shù)字化學(xué)習(xí)工程技術(shù)研究中心，湖北 武漢 430079；2.華中師范大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430079；3.華中師范大學(xué) 教育信息技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430079)

虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境中構(gòu)建三維動畫資源與交互設(shè)計研究*

劉俐利1，凌毓?jié)?①，王艷鳳3

(1.華中師范大學(xué) 國家數(shù)字化學(xué)習(xí)工程技術(shù)研究中心，湖北 武漢 430079；2.華中師范大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430079；3.華中師范大學(xué) 教育信息技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430079)

虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境能夠為學(xué)習(xí)者提供生動逼真的互動學(xué)習(xí)情境，改善學(xué)習(xí)效果，而構(gòu)建虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境的關(guān)鍵是三維動畫資源及交互的設(shè)計。如何在滿足科學(xué)性、教育性的前提下，設(shè)計出富有藝術(shù)性的三維動畫資源及合理有效的交互功能，對于提升學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)效率有著重要意義。目前已有不少文獻(xiàn)對虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境的構(gòu)建展開研究，開發(fā)了各種應(yīng)用于不同學(xué)科的虛擬學(xué)習(xí)系統(tǒng)，但它們大多僅從技術(shù)的角度描述其開發(fā)過程，而對三維動畫資源與交互設(shè)計的方法總結(jié)不夠，缺乏必要的教學(xué)設(shè)計理念。為此，該文借鑒多媒體學(xué)習(xí)領(lǐng)域的認(rèn)知理論及相關(guān)設(shè)計原則，分析如何恰當(dāng)?shù)剡\用已有研究成果來指導(dǎo)虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境中三維動畫資源及交互的設(shè)計。文中首先對虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境的構(gòu)建流程及方法進(jìn)行了歸納，然后圍繞三維動畫資源設(shè)計制作過程中的主要環(huán)節(jié)分別提出了相應(yīng)的藝術(shù)設(shè)計要點，接著探討了虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境的交互設(shè)計，最后給出了設(shè)計實例及應(yīng)用實踐。

虛擬現(xiàn)實；虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境；三維動畫；交互設(shè)計；多媒體學(xué)習(xí)

虛擬現(xiàn)實(Virtual Reality, VR)是利用計算機及傳感器，模擬出一個逼真的三維虛擬環(huán)境，提供給使用者視覺、聽覺、觸覺等感官體驗，通過使用者與虛擬世界的互動，讓其有身臨其境般的感受。沉浸性、交互性及構(gòu)想性是虛擬現(xiàn)實的主要特征[1]。目前，虛擬現(xiàn)實技術(shù)已廣泛應(yīng)用于娛樂、教育訓(xùn)練、醫(yī)學(xué)、工程設(shè)計、軍事等諸多領(lǐng)域。

虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境是虛擬現(xiàn)實技術(shù)在教育中的應(yīng)用，例如虛擬課堂、虛擬實驗室等。利用虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境可以突破時空的限制，讓學(xué)習(xí)者在具有一定沉浸度的虛擬情境中學(xué)習(xí)、探究和體驗。生動逼真的三維動畫資源及合理有效的交互功能有利于激發(fā)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)其自主學(xué)習(xí)的能力，從而提升學(xué)習(xí)成效。

構(gòu)建虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境的關(guān)鍵是三維動畫資源及交互的設(shè)計。目前已有不少文獻(xiàn)對如何構(gòu)建虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境展開研究，開發(fā)了各種應(yīng)用于不同學(xué)科的虛擬學(xué)習(xí)系統(tǒng)[2][3]，但它們大多奉行“以技術(shù)為本”的設(shè)計思想，僅從技術(shù)開發(fā)的角度描述虛擬學(xué)習(xí)系統(tǒng)的構(gòu)建過程，而對三維動畫資源及交互的設(shè)計方法總結(jié)不夠，缺乏必要的教學(xué)設(shè)計理念。為此，本文遵循以學(xué)習(xí)者為中心的設(shè)計思路，借鑒多媒體學(xué)習(xí)領(lǐng)域的認(rèn)知理論和相關(guān)設(shè)計原則[4-11]，分析如何恰當(dāng)?shù)剡\用已有研究成果來指導(dǎo)虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境中的三維動畫資源及交互設(shè)計。

一、虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境的構(gòu)建

虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境的構(gòu)建需要將三維動畫技術(shù)與虛擬現(xiàn)實技術(shù)相結(jié)合。主流的三維建模與動畫制作軟件如Maya 、3ds Max等擁有強大的建模、動畫、材質(zhì)和渲染等功能，廣泛應(yīng)用于影視、游戲、廣告設(shè)計等領(lǐng)域；而虛擬現(xiàn)實開發(fā)平臺主要有Java3D、Cult3D、Quest3D、 Virtools、VR-platform等，它們各具特色。其中，Virtools作為實時三維虛擬現(xiàn)實編輯整合軟件，具有豐富的交互行為模塊和直觀的圖形開發(fā)界面，能方便地制作各種3D交互多媒體。

虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境的構(gòu)建過程主要包括教學(xué)分析、三維模型/動畫資源設(shè)計、交互設(shè)計和測試發(fā)布等步驟。以使用3ds Max和Virtools軟件為例，三維模型/動畫的設(shè)計由3ds Max軟件實現(xiàn)，交互設(shè)計及測試發(fā)布由Virtools軟件完成，具體的構(gòu)建流程如下圖所示。

虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境構(gòu)建流程

(一)教學(xué)分析

包括需求分析、教學(xué)目標(biāo)分析、知識點分析、學(xué)習(xí)者分析和媒體制作分析。其中，需求分析用于確定哪些教學(xué)內(nèi)容適合在虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境中表現(xiàn)；教學(xué)目標(biāo)分析是整個設(shè)計的關(guān)鍵，決定著教學(xué)的總方向，后續(xù)的設(shè)計工作都將圍繞它展開；知識點分析需要確定教學(xué)重點、難點，進(jìn)而在三維動畫資源和交互設(shè)計中著重強調(diào)來引導(dǎo)學(xué)習(xí)；學(xué)習(xí)者分析是基于不同學(xué)習(xí)者存在認(rèn)知的個體差異，在設(shè)計時需要考慮學(xué)習(xí)者的特點；媒體制作分析是從制作的角度對制作軟件、制作流程、結(jié)構(gòu)設(shè)計、內(nèi)容設(shè)計、素材收集與加工等進(jìn)行分析和規(guī)劃。

(二)三維模型/動畫資源設(shè)計

在前期分鏡頭腳本設(shè)計的基礎(chǔ)上，可利用3ds Max完成各種三維模型/動畫的設(shè)計制作，主要包括實物建模、材質(zhì)和燈光、動畫、渲染、剪輯和畫面效果等。三維模型/動畫是構(gòu)建虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境的基礎(chǔ)，高質(zhì)量的設(shè)計能夠展現(xiàn)出生動逼真的學(xué)習(xí)情境。

為了解決3ds Max與Virtools的軟件兼容性問題，可以利用Virtools 3ds Max Exporter輸出插件，將3ds Max制作的三維模型/動畫轉(zhuǎn)換成Virtools所支持的數(shù)據(jù)格式。

(三)交互設(shè)計

交互設(shè)計的目的是實現(xiàn)如控制三維動畫的播放、漫游、操控虛擬場景中三維模型等各種交互功能。基于Virtools平臺設(shè)計的虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境中，交互功能的實現(xiàn)方式包括：(1)直接利用Virtools內(nèi)置的交互行為模塊(Building Block, BB)；(2)利用Virtools提供的VSL腳本語言和軟件開發(fā)工具包(SDK)創(chuàng)建自定義的具有特定功能的BB。其中第一種方式是實現(xiàn)交互的主要方式，通過將所需的BB拖放到對象的行為腳本中進(jìn)行腳本編寫、設(shè)定參數(shù)和連接流程，能夠方便地實現(xiàn)對三維對象的各種交互控制，如旋轉(zhuǎn)、縮放、前進(jìn)、后退等，但是在大量使用BB的情況下，連線及參數(shù)設(shè)置都比較復(fù)雜；而第二種方式可以靈活地實現(xiàn)更豐富的交互功能，具有較強的可移植性和可維護(hù)性，但對編程有較高要求。

(四)測試發(fā)布

經(jīng)調(diào)試無誤，Virtools可將作品發(fā)布為網(wǎng)頁瀏覽格式或編譯成可以單獨運行的可執(zhí)行文件。

二、三維動畫資源與交互設(shè)計

虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境的構(gòu)建目的是促進(jìn)學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)，科學(xué)性、教育性是其首要特征，這也是教學(xué)領(lǐng)域設(shè)計都必須遵循的重要原則。同時，在虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境的設(shè)計過程中也要重視其藝術(shù)性和交互性。

(一)三維動畫資源的藝術(shù)性設(shè)計

虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境中視覺效果往往會影響學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)興趣和情緒，進(jìn)而對學(xué)習(xí)成效產(chǎn)生影響，三維動畫作為視覺效果的主要表現(xiàn)形式，其設(shè)計的藝術(shù)性不容忽視。

三維動畫資源設(shè)計包括前期的分鏡頭腳本設(shè)計及后續(xù)的具體設(shè)計制作。分鏡頭腳本設(shè)計主要是對動畫資源的畫面構(gòu)圖、運動鏡頭、景別組接(指動畫畫面中景別的變化，包括遠(yuǎn)景、全景、中景、近景、特寫的組接變化)和文本解說等進(jìn)行設(shè)計與策劃，從而為動畫資源制定總的設(shè)計藍(lán)圖。分鏡頭腳本可以由教師與資源開發(fā)人員聯(lián)合完成，其難點在于根據(jù)學(xué)習(xí)者的認(rèn)知規(guī)律合理安排動畫序列，如動畫內(nèi)容先呈現(xiàn)什么再呈現(xiàn)什么，以便更好地幫助學(xué)習(xí)者理解動畫要表達(dá)的內(nèi)容及知識的構(gòu)建。而三維動畫資源的具體設(shè)計制作過程主要包括實物建模、材質(zhì)和燈光、動畫、渲染、剪輯和畫面效果等。下面分別就三維動畫資源制作過程中的主要環(huán)節(jié)，提出相應(yīng)的藝術(shù)設(shè)計要點。

1.實物建模中的藝術(shù)設(shè)計要點

模型是教學(xué)實物在虛擬空間中的主要視覺載體。實物模型是對現(xiàn)實中真實情景的模擬，但又要注意避免過分地模擬真實情景，不加分析地全部呈現(xiàn)，以免對學(xué)習(xí)造成干擾。梅耶提出的“相關(guān)性原則”主張消除多媒體教學(xué)信息中那些雖然能引起興趣，但是與實現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)無關(guān)的材料[12]。基于該原則，為了避免分散學(xué)習(xí)者的注意力，在模型設(shè)計中應(yīng)該依據(jù)真實情景進(jìn)行適當(dāng)?shù)乃囆g(shù)加工，選取具有代表性的造型特征，并且去除不必要的干擾因素，呈現(xiàn)給學(xué)習(xí)者準(zhǔn)確、清晰、簡潔的虛擬情景。

從模型的設(shè)計與制作角度看，簡單生動的造型更容易給學(xué)習(xí)者留下深刻的印象，同時還能夠降低動畫的制作難度并減少工作量。設(shè)計時通常可利用三維造型軟件提供的基本幾何形體，如常用的立方體、球體、半球體、圓錐體和圓柱體，快速地整合及修改出理想的模型。此外，在實物建模之前需要收集實物的正、側(cè)面的二維圖片，輸入到三維造型軟件中，并以此為參照進(jìn)行建模。這樣，一則有利于準(zhǔn)確地將平面設(shè)計圖轉(zhuǎn)化為三維圖像；二則有助于通過攝影視角(上、下、左、右、前、后和參考視角)對模型進(jìn)行修正，進(jìn)一步塑造更為精細(xì)和充滿視覺美感的實物模型。

2.材質(zhì)和燈光中的藝術(shù)設(shè)計要點

如果說模型是三維動畫資源的基礎(chǔ)，那么模型的材質(zhì)就是構(gòu)成動畫資源藝術(shù)魅力的主要因素，而燈光則成為表現(xiàn)造型的靈魂。材質(zhì)和燈光的魅力在于能夠使模型通過它們的附著，再現(xiàn)情景和渲染氛圍，并且通過學(xué)習(xí)者的視覺引起心理上的領(lǐng)悟和情感上的共鳴，從而更好地傳達(dá)教學(xué)意圖。因此，三維動畫應(yīng)該通過材質(zhì)和燈光的結(jié)合，突出主體、渲染氣氛、塑造真實的空間透視，給學(xué)習(xí)者營造出“身臨其境”般的教學(xué)情景。

動畫中的無關(guān)材料不僅對學(xué)習(xí)沒有促進(jìn)作用，反而會造成干擾。因此，材質(zhì)和燈光的編輯也應(yīng)該遵循“相關(guān)性原則”，主要突出不同物體之間質(zhì)感的差別，力求簡潔、明快的藝術(shù)效果。同時，采取適度簡化的策略，運用簡單的材質(zhì)和影調(diào)層次來展現(xiàn)畫面氣氛與教學(xué)效果即可。不同材質(zhì)，如金屬材質(zhì)、透明材質(zhì)、液體等，對于光照的反應(yīng)是不同的，因此在建模時，需要對燈光和材質(zhì)的參數(shù)進(jìn)行合理控制，比如對模型的顏色、高光、亮度、凹凸度、反射度、透明度、折射度、發(fā)光度等參數(shù)，進(jìn)行有“差別”的調(diào)整。這種經(jīng)過修飾后的材質(zhì)和燈光能提供更為形象、生動的模型和場景，有利于激發(fā)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)興趣，從而引導(dǎo)其主動學(xué)習(xí)。

3.動畫中的藝術(shù)設(shè)計要點

優(yōu)質(zhì)的三維動畫資源一般具有較好的視覺真實感，而要實現(xiàn)這種效果，就必須在制作中恪守基本運動規(guī)律的動作設(shè)置，否則不僅達(dá)不到預(yù)期的效果，反而讓人有機械、呆板的感受。設(shè)計時，如果借鑒一些傳統(tǒng)動畫規(guī)律，不但可以創(chuàng)作出更加符合視覺習(xí)慣的三維動畫，而且還可以達(dá)到其他教學(xué)資源所不能達(dá)到的，更藝術(shù)、更有視覺沖擊力的效果。例如在制作動畫時，需要考慮“時間”與連續(xù)畫面“變化幅度”的設(shè)置是否合理，了解物體的“運動軌跡”屬于曲線運動還是直線運動，分析物體在“力”的作用下，初始動作、預(yù)備動作、加強動作、緩沖動作之間的差異等。對模型設(shè)置動作應(yīng)符合學(xué)習(xí)者對日常經(jīng)驗和真實物體運動形態(tài)的認(rèn)知規(guī)律，盡量做到自然流暢和統(tǒng)一。

梅耶指出：學(xué)習(xí)者在工作記憶過程中需要足夠的時間進(jìn)行深層加工，動畫的呈現(xiàn)速度往往會導(dǎo)致“認(rèn)知超載”，即學(xué)習(xí)者需求的認(rèn)知加工容量超過學(xué)習(xí)者具有的認(rèn)知容量[13]。其他的研究也表明動畫呈現(xiàn)速度會影響學(xué)習(xí)者對內(nèi)容的理解效果[14]。

動畫的呈現(xiàn)速度應(yīng)該與大多數(shù)學(xué)習(xí)者的認(rèn)知速度相適應(yīng)。動畫的速度過快，學(xué)習(xí)者還沒有從資源中獲取教學(xué)內(nèi)容，下一內(nèi)容就開始了，常會導(dǎo)致學(xué)習(xí)者進(jìn)行深加工的時間過少，這樣不僅不能促進(jìn)學(xué)習(xí)，反而會增加學(xué)習(xí)困難。依據(jù)多媒體學(xué)習(xí)的“分段原則”，即在學(xué)習(xí)者認(rèn)知負(fù)荷過高、沒有充足的認(rèn)知加工時間的情況下，按學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)進(jìn)度分片段呈現(xiàn)要比連續(xù)呈現(xiàn)更能改善學(xué)習(xí)效果[15]。

4.渲染中的藝術(shù)設(shè)計要點

渲染是三維動畫效果合成的一個步驟，需要將模型、材質(zhì)和燈光效果以及“攝像機”拍攝好的畫面進(jìn)行合成，經(jīng)過計算機渲染引擎的計算，制作出一幀幀的畫面，并最終組成一段完整的動畫。雖然計算機的發(fā)展大大加快了渲染運算的處理時間，但是渲染運算仍非常耗時。所以在具體制作時，應(yīng)采取減少渲染負(fù)荷及其他使渲染工作更為有效的方法，比如盡可能減少場景中多邊形和燈光的數(shù)量，以及使用預(yù)先渲染后的圖片來做背景等。同時，考慮到動畫合成后的整體效果，依據(jù)“相關(guān)性原則”，在渲染的過程中應(yīng)盡量減少不必要的視覺因素對學(xué)習(xí)的干擾，以免分散學(xué)習(xí)者的注意力。

5.剪輯中的藝術(shù)設(shè)計要點

剪輯是把渲染后的動畫、配音、音樂、字幕、提示語等合成在一起。作為一種聲畫組接方式，剪輯既包含“聽覺內(nèi)容”，也包含“視覺內(nèi)容”。在三維動畫中，聽覺內(nèi)容主要指旁白、音響和音樂。其中，旁白主要用于解說畫面外的語言內(nèi)容，音響和音樂則用于表現(xiàn)主題、渲染氣氛、加強動畫連貫性和完整性。而三維動畫的視覺內(nèi)容主要是指鏡頭的組接，如“切、淡入、淡出、疊化、劃出、劃入、圈入、圈出”等，保證畫面的邏輯性和流暢性是鏡頭組接的基本原則。在實際的剪輯過程中，聲音只有跟畫面結(jié)合才能共同實現(xiàn)上述各種功能，這就要求畫面表現(xiàn)的“視覺內(nèi)容”與“聽覺內(nèi)容”能夠吻合一致、聲畫同步，從而塑造出既符合學(xué)習(xí)者視聽經(jīng)驗又具有真實感和可信度的學(xué)習(xí)情境。

在多媒體學(xué)習(xí)研究中，梅耶提出了多條設(shè)計原則，其中，“冗余原則”認(rèn)為由解說和畫面組成的多媒體呈現(xiàn)，其學(xué)習(xí)效果要優(yōu)于由解說、畫面和字幕三者構(gòu)成的多媒體呈現(xiàn)；“通道原則”認(rèn)為，相較于從畫面與字幕中學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)者從畫面與解說中學(xué)習(xí)會更加深入[16]。因此，在三維動畫制作中，當(dāng)解說與字幕內(nèi)容重復(fù)時，有必要去除冗余的字幕，當(dāng)視覺負(fù)荷過重時盡量用解說取代字幕。

此外，“時、空鄰近原則”認(rèn)為，將對應(yīng)的文字和畫面同時、位置相鄰地呈現(xiàn)，要比繼時、位置遠(yuǎn)離地呈現(xiàn)，學(xué)習(xí)效果會更好。在三維動畫制作中，常需要設(shè)計引導(dǎo)學(xué)習(xí)者注意的提示語、提示箭頭等，以幫助學(xué)習(xí)者從畫面中選擇相關(guān)的信息進(jìn)行認(rèn)知加工。當(dāng)提示語與畫面內(nèi)容位置相鄰時，學(xué)習(xí)者更容易在兩者之間構(gòu)建有意識的聯(lián)系；反之，如果兩者不相鄰，則學(xué)習(xí)者需要在屏幕中搜索與畫面相符的文字，這樣會增加認(rèn)知負(fù)荷。因此，在添加提示語或箭頭時應(yīng)盡量與畫面內(nèi)容相鄰，并且與解說等同步呈現(xiàn)。

6.畫面效果中的視覺藝術(shù)設(shè)計要點

畫面效果主要是指動態(tài)畫面的視覺效果，包括動態(tài)畫面中的構(gòu)圖和色彩運用。

動態(tài)畫面構(gòu)圖是指在固定比例的畫面中，通過畫面造型因素(模型、背景、鏡頭運動方式等)的共同調(diào)度而形成的最終呈現(xiàn)的畫面視覺形式。由于三維動畫主要通過動態(tài)的虛擬攝像機展現(xiàn)模型的動態(tài)變化，因此運動性是動態(tài)畫面構(gòu)圖的一大特性。三維動畫構(gòu)圖的主要組成元素包括：主體、陪體和背景。其中，主體即畫面中主要表現(xiàn)對象，通常要求被安排在畫面的視覺中心位置；陪體即主體的陪襯，要盡量襯托主體，起到豐富畫面層次，表現(xiàn)空間的作用；背景即位于主體之后的場景，主要用于表現(xiàn)時空環(huán)境、營造場景氣氛，從而烘托主體。一般情況下，“平衡”的畫面構(gòu)圖比“不平衡”的畫面構(gòu)圖，更能引起學(xué)習(xí)者的注意。所謂“平衡”是指一種相對等量的視覺感受，并不是指畫面中上、下、左、右各部分?jǐn)?shù)量與形狀的絕對相等，而是相等或者相近形狀、數(shù)量、大小的不同排列，給人以視覺上的穩(wěn)定。所以在動態(tài)畫面構(gòu)圖中必須遵循畫面構(gòu)圖的“平衡”法則，保證運動過程中主體物處于視覺中心位置。

色彩也是影響視覺效果的重要因素。“色彩編碼原則”認(rèn)為：在教學(xué)資源中運用色彩來突出所呈現(xiàn)內(nèi)容的重要特征和屬性，往往能夠更好地促進(jìn)學(xué)習(xí)；動畫中的色彩可用于強調(diào)關(guān)鍵的設(shè)計特征并勾畫出多個跨媒體信息源之間的聯(lián)系；恰當(dāng)?shù)剡\用色彩編碼原則可以有效地解決注意力分散等問題[17]。因此在色彩的實際運用中，應(yīng)該重點突出關(guān)鍵內(nèi)容、加強不同媒體信息的聯(lián)系，從而促進(jìn)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)。

三維動畫中色彩的運用應(yīng)該以客觀現(xiàn)實為基本原則，尊重人類對色彩的生理感受，合理地搭配顏色。與影視或廣告三維動畫不同，虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境中的三維動畫應(yīng)該盡量避免使用高純度和強烈對比的色彩，過于花哨的色彩容易對學(xué)習(xí)者產(chǎn)生視覺干擾。在實際的制作中應(yīng)以一種顏色作為畫面的“主體色調(diào)”，這樣的好處是使鏡頭畫面具有整體感，更符合學(xué)習(xí)者的視覺習(xí)慣性。色彩搭配應(yīng)該注重“整體性”的把握，如果色彩的搭配不當(dāng)，很可能喪失畫面的整體感，使學(xué)習(xí)者失去方向感和側(cè)重點。最好是合理把握色彩的比例關(guān)系，運用合理的色彩搭配引導(dǎo)學(xué)習(xí)者的視線，賦予主體物與背景強烈的反差，吸引學(xué)習(xí)者的注意力。同時，利用冷、暖色在視覺上的距離感，營造出豐富的鏡頭空間。

在實際的創(chuàng)作過程中，只有恰當(dāng)?shù)剡\用上述設(shè)計理論來指導(dǎo)三維動畫的藝術(shù)性設(shè)計，才能夠設(shè)計出既符合教學(xué)目標(biāo)，又具有視覺美感的三維動畫資源，更好地為學(xué)習(xí)者服務(wù)。

(二)交互設(shè)計

學(xué)習(xí)者是虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境中的主動探究者，而不是信息的被動接受者。交互性反映了學(xué)習(xí)者在虛擬環(huán)境中進(jìn)行操作及獲取反饋的程度。交互設(shè)計應(yīng)以學(xué)習(xí)者為中心，引導(dǎo)學(xué)習(xí)者主動參與。合理有效的交互設(shè)計能夠激發(fā)學(xué)習(xí)者的情感反映和學(xué)習(xí)動機，優(yōu)化學(xué)習(xí)者的體驗，有效達(dá)到學(xué)習(xí)者的期望。

交互的方式有多種，常見的是利用鍵盤、鼠標(biāo)實現(xiàn)交互功能，另外還可以使用觸摸屏、控制手柄等。因此在交互設(shè)計時應(yīng)根據(jù)所需實現(xiàn)的功能選擇合適的交互方式。

虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境中的交互設(shè)計包括對信息傳遞的控制，如三維動畫的暫停、播放；對內(nèi)容的控制，如虛擬實驗中的參數(shù)輸入；對三維模型的控制，如旋轉(zhuǎn)、縮放、平移、改變顏色等。

目前，在多媒體學(xué)習(xí)中常用的交互設(shè)計原則有：內(nèi)容可控性原則、分段原則、學(xué)習(xí)者控制進(jìn)度原則、引導(dǎo)發(fā)現(xiàn)原則、任務(wù)適當(dāng)性原則[18][19]等。在虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境的交互設(shè)計中，可以運用這些原則，通過交互界面及菜單，在程序中點擊相應(yīng)按鈕來觸發(fā)相應(yīng)的操作。

現(xiàn)有的許多虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境僅能提供簡單的三維漫游功能，因此有必要加強三維模型交互功能的設(shè)計，為學(xué)習(xí)者提供操控三維對象的可視化反饋。交互功能的實現(xiàn)一般包括選擇、操控、判斷和反饋等四個步驟。其中，“選擇”即是選定操控對象；“操控”可以更改被選擇對象的屬性；“判斷”是根據(jù)具體的教學(xué)任務(wù)對操控的結(jié)果進(jìn)行評價；“反饋”則是根據(jù)評價結(jié)果給學(xué)習(xí)者及時、恰當(dāng)?shù)貍鬟f教學(xué)提示，讓學(xué)習(xí)者利用這些反饋信息實現(xiàn)知識意義的建構(gòu)。

此外，在交互設(shè)計過程中還要考慮其趣味性，虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境不單是呈現(xiàn)知識，游戲化的設(shè)計可以增加學(xué)習(xí)內(nèi)容的趣味性，有利于讓學(xué)習(xí)者全身心地沉浸到學(xué)習(xí)情境中，使學(xué)習(xí)者體會到探究的樂趣，實現(xiàn)樂中學(xué)、學(xué)后思的學(xué)習(xí)效果。

三、設(shè)計實例

下面以高二物理“原子彈與核裂變原理”這一部分內(nèi)容為例描述其三維動畫資源及交互的設(shè)計，該部分知識點要求學(xué)習(xí)者了解原子彈的結(jié)構(gòu)、掌握核裂變原理。

(一)三維模型/動畫的設(shè)計

三維模型/動畫由3ds Max 2012軟件設(shè)計。在虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境中設(shè)計了“展示結(jié)構(gòu)型”動畫，用于展示原子彈的外觀和內(nèi)部構(gòu)造，以及“闡釋原理型”動畫，通過模擬核裂變的過程來闡釋核裂變原理。在“原子彈”三維模型的制作中，為了使學(xué)習(xí)者的焦點始終集中在原子彈外部造型和內(nèi)部構(gòu)造上，去除了現(xiàn)實場景中不必要的元素，通過簡潔的場景設(shè)計來襯托實物模型，這里體現(xiàn)了設(shè)計的“相關(guān)性原則”。在“核裂變”動畫中，為了讓學(xué)習(xí)者對核能釋放過程中產(chǎn)生的中子、氪、鋇等加以區(qū)分，分別在各自相鄰的位置添加了對應(yīng)的提示語，有利于實現(xiàn)突出重點、簡明呈現(xiàn)的視覺效果，這樣的設(shè)計體現(xiàn)了“空間鄰近原則”。在鏡頭畫面中，無論攝像機鏡頭與物體如何運動變化，畫面中主體物“氪、鋇”與陪體的“中子”，始終處于畫面相對的中心位置，并保持視覺上的平衡，這是對畫面構(gòu)圖“平衡法則”的運用。此外，在設(shè)計時依據(jù)“色彩編碼原則”有意識地用暖色系的紅、黃兩色表現(xiàn)主體物“氪、鋇”，同時采用冷色系的深藍(lán)色表現(xiàn)背景，這樣不僅營造了良好的空間縱深感，還可通過突出主體物來更好地引導(dǎo)學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)重難點，而采用醒目的白色提示語起到了突出重點的作用。通過這種以學(xué)習(xí)者為中心的藝術(shù)設(shè)計方法，給學(xué)習(xí)者以視覺美感，使其在愉悅的狀態(tài)下分析、理解教學(xué)內(nèi)容，增強學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)習(xí)效率。

(二)交互功能的設(shè)計

交互功能由Virtools 5結(jié)合Visual Studio 2010軟件開發(fā)實現(xiàn)。后臺采用C#程序設(shè)計語言，在交互界面中，當(dāng)學(xué)習(xí)者提交某個請求命令時，后臺程序?qū)⑼ㄟ^調(diào)用相應(yīng)函數(shù)來實現(xiàn)與對象的交互。為了讓交互方式更直觀、便捷，采用觸摸屏的操控方式，實現(xiàn)學(xué)習(xí)者與場景中虛擬物體的互動。

在交互操作界面中，學(xué)習(xí)者通過點擊觸摸屏中的按鈕實現(xiàn)所需功能。在虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境中創(chuàng)設(shè)了原子彈外觀、內(nèi)部構(gòu)造、結(jié)構(gòu)詳解、核裂變及原子彈拼裝游戲等五個場景，并在界面右側(cè)根據(jù)不同場景設(shè)置了相應(yīng)的功能按鈕，學(xué)習(xí)者可以對學(xué)習(xí)內(nèi)容自主選擇。以“原子彈外觀”場景為例，其交互功能可描述為：學(xué)習(xí)者進(jìn)入該虛擬學(xué)習(xí)場景后，點擊“頂視圖”“側(cè)視圖”“俯視圖”按鈕可以多維度地觀察模型的外觀。點擊“動畫”按鈕，屏幕會出現(xiàn)模型的展示動畫，在動畫展示過程中，學(xué)習(xí)者可點擊動畫下方的“播放”或“暫停”按鈕來控制播放的進(jìn)度。在點擊“控制”按鈕后，學(xué)習(xí)者可在觸摸屏上實現(xiàn)對三維模型的操作，而點擊“復(fù)位”按鈕則可還原為初始場景。這種由學(xué)習(xí)者控制信息的呈現(xiàn)方式和呈現(xiàn)內(nèi)容的設(shè)計是多媒體交互設(shè)計原則的具體體現(xiàn)，也是學(xué)習(xí)者與虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境交互的重要方式，實現(xiàn)了自主學(xué)習(xí)，能夠促進(jìn)個體主動建構(gòu)知識、積極地加工信息，并且這種簡潔易用的操作設(shè)計可以提高學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)興趣。

在虛擬環(huán)境中，學(xué)習(xí)者可以對原子彈三維模型進(jìn)行360°旋轉(zhuǎn)、平移、縮放等基本交互操作，從不同的觀察視角對其進(jìn)行認(rèn)知。此外,所設(shè)計的交互游戲通過建立虛擬的實驗場景供學(xué)習(xí)者模擬拼裝原子彈，加深了學(xué)習(xí)者對原子彈構(gòu)造的印象。學(xué)習(xí)者將所需部件圖標(biāo)拖拽至場景中的合適位置后，該部件以三維形式呈現(xiàn)，然后逐步完成原子彈模型的模擬拼裝，其程序?qū)崿F(xiàn)包括外部事件的捕獲、三維對象的定位及移動、外部事件的循環(huán)檢測等多個環(huán)節(jié)。在拼裝過程中，若拼裝不正確，畫面中會有文字信息提示給予及時的反饋。這種游戲化、反饋式的交互設(shè)計體現(xiàn)了以學(xué)習(xí)者為中心，激發(fā)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)積極性的設(shè)計理念，讓學(xué)生在愉悅的情境中獲取經(jīng)驗和體驗。

四、應(yīng)用實踐

基于本文三維動畫資源與交互設(shè)計的方法和理念，筆者參與設(shè)計了“高中物理虛擬學(xué)習(xí)系統(tǒng)”。該虛擬系統(tǒng)配合人教版高中物理新課標(biāo)教材，目前已在武漢市某中學(xué)投入試用。物理任課教師采取了傳統(tǒng)課堂教學(xué)與虛擬系統(tǒng)相結(jié)合的混合式教學(xué)方式，將傳統(tǒng)的“以教促學(xué)”的學(xué)習(xí)方式逐步轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)習(xí)者通過自身與虛擬環(huán)境的交互獲取知識、技能的學(xué)習(xí)方式，從而豐富了學(xué)習(xí)者的感性認(rèn)識，加深了對教學(xué)內(nèi)容的理解。特別是對于學(xué)習(xí)者在實際中難以觀察到的各種自然現(xiàn)象或事物變化過程，例如原子核裂變等復(fù)雜的物理現(xiàn)象，任課教師借助虛擬系統(tǒng)讓學(xué)習(xí)者獲得了有效的感知，同時游戲化的設(shè)計也能促進(jìn)學(xué)習(xí)者對知識的掌握。

試用期間，筆者與有關(guān)師生進(jìn)行了多次交流溝通，并對其中48名學(xué)生開展了調(diào)查問卷以獲取應(yīng)用評價信息，評價選項包括非常贊同、比較贊同、一般、不太贊同、很不贊同，調(diào)查結(jié)果的人數(shù)百分比統(tǒng)計如下表所示。

調(diào)查問卷統(tǒng)計結(jié)果

調(diào)查結(jié)果顯示該虛擬學(xué)習(xí)系統(tǒng)取得了良好的應(yīng)用效果，絕大部分學(xué)生認(rèn)為這種新穎的學(xué)習(xí)方式提高了他們對物理課程的學(xué)習(xí)興趣，相對于其他傳統(tǒng)的學(xué)習(xí)方式，使用該系統(tǒng)獲得了更好的學(xué)習(xí)成效，并希望嘗試其他學(xué)科的虛擬系統(tǒng)。對于該系統(tǒng)的動畫效果和交互操作方面的設(shè)計，學(xué)生們也給出了非常積極的評價，并且認(rèn)為設(shè)計的趣味性較強，但是在內(nèi)容安排上還有待進(jìn)一步加強。

實踐表明，虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境提供了直觀的教學(xué)情境，讓學(xué)習(xí)者在觀察中認(rèn)識、發(fā)現(xiàn)，在發(fā)現(xiàn)中運用歸納，提高了學(xué)習(xí)者對知識點的記憶和專注程度，為學(xué)習(xí)者加強科學(xué)知識的認(rèn)知創(chuàng)造了條件。將本文提出的設(shè)計方法運用于虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境的構(gòu)建對于教育資源的建設(shè)將起到積極的作用。

五、結(jié)束語

虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境能夠彌補教學(xué)情境的不足，幫助學(xué)習(xí)者跨越時空的觀察障礙，為學(xué)習(xí)者呈現(xiàn)立體的視覺形象，模擬運動變化過程，并通過學(xué)習(xí)者與虛擬三維對象間的互動，培養(yǎng)學(xué)習(xí)者的空間思維能力、觀察能力，有效地促進(jìn)學(xué)習(xí)者對知識點的理解與掌握，是輔助學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)的有力工具，但其設(shè)計理念和設(shè)計開發(fā)都還處于探索階段。本文探討了如何借鑒多媒體學(xué)習(xí)領(lǐng)域的設(shè)計理論研究成果，實現(xiàn)虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境構(gòu)建中三維動畫資源的藝術(shù)性設(shè)計以及合理有效的交互設(shè)計，旨在更好地輔助師生的教與學(xué)，同時希望對數(shù)字化教育資源的建設(shè)提供有益的研究思路和參考意義。如何進(jìn)一步充分利用已有的設(shè)計理論并探索更有效的設(shè)計方法來指導(dǎo)設(shè)計實踐，獲得更好的教育教學(xué)效果，還有待繼續(xù)深入研究。

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劉俐利：講師，碩士，研究方向為數(shù)字化教育資源設(shè)計(whll82@163.com)。

凌毓?jié)褐v師，博士，研究方向為信息技術(shù)與教育應(yīng)用。

王艷鳳：高級工程師，研究方向為現(xiàn)代教育技術(shù)(wangyanfeng@mail.ccnu.edu.cn)。

2013年12月4日

責(zé)任編輯：馬小強

G434

A

1006—9860(2014)02—0123—06

* 本文得到國家“十二五”科技支撐計劃課題“數(shù)字學(xué)習(xí)內(nèi)容公共服務(wù)關(guān)鍵支撐技術(shù)研究”(課題編號：2013BAH18F02)資助。

① 凌毓?jié)秊楸疚耐ㄓ嵶髡摺?/p>