虛擬現實技術在信息技術課程教學中的應用研究

◎鄧衛民

（揚州市職業大學 信息工程學院，江蘇 揚州，225000）

虛擬現實技術是隨著計算機技術的發展與成熟在二十一世紀初開始逐步普及的一種新的技術，以往受到計算機硬件和軟件條件限制而無法實現的基于三維建模的虛擬現實技術如今在普通的PC機上實現起來已經非常方便。目前的虛擬現實技術不但在娛樂、新聞、廣告等領域應用廣泛，而且利用虛擬現實技術開發設計交互性的學習環境也逐漸成為教育領域的一個熱點。基于虛擬現實技術的教學手段最大的優點就在于其能為學習者提供一個非常接近真實的環境，并因此能極大地提高學習者的注意力，增強學習者的學習興趣，優化學習者的體驗效果。

基于虛擬現實技術的教學過程的應用，目前已經在大多數高校開設的機械、建筑、物理學等相關課程教學過程中有了廣泛的應用。由于虛擬現實技術能將教學過程從二維平面變成三維立體交互，構建出一個虛擬的、逼真的教學環境，因此能提高學生的學習興趣，集中學生的注意力，使得教學效率顯著提高。然而，據筆者調查了解，將虛擬現實技術引入教學環節的課程盡管越來越廣泛，但是依然還有不少課程，尤其是對高校普遍開設的一門基礎公共課——信息技術，似乎還鮮有虛擬現實技術的教學應用研究。

信息技術課程是目前大專院校學生必修的一門課程，該課程一般由“理論知識”和“上機操作”兩大部分構成。基礎知識部分一般由計算機硬件、計算機軟件、多媒體技術、計算機網絡、數據庫原理等知識點構成，基礎知識的學習常常由于原理過于抽象、實物不夠直觀等原因導致教學效果不佳，學生的學習積極性也不高，此現象在“計算機硬件”這一章節的學習中尤其明顯。

因此，為了提高信息技術課程的教學效果，本人設計了一個將虛擬現實技術引入信息技術課程教學環節的方案，該方案主要針對“計算機硬件”這個知識點展開的。基本的思路是：先將教材中涉及的有關計算機硬件的實物，利用3D開發軟件制作成3D模型，然后通過3D模型瀏覽工具，在授課過程中對學生進行課堂展示，模型展示的過程應該能實現：大小的調整、角度的調整、旋轉等基本的3D模型展示的基本功能。該方案的實施主要由三大實施模塊構成。

一、實施模塊1：3D模型的制作

（一）3D模型制作軟件的選擇

筆者選擇了目前比較主流的軟件3D Studio Max，常簡稱為3ds Max或MAX，是Discreet公司開發的（后被Autodesk公司合并）基于PC系統的三維動畫渲染和制作軟件。其前身是基于DOS操作系統的3D Studio系列軟件。在Windows NT出現以前，工業級的CG制作被SGI圖形工作站所壟斷。3D Studio Max+Windows NT組合的出現一下子降低了CG制作的門檻，首先開始運用在電腦游戲中的動畫制作，后更進一步開始參與影視片的特效制作。本人選擇該軟件的主要優勢在于：

1.基于普通個人能計算機系統，硬件軟件配置要求很低，硬件實現容易；

2.可以通過安裝外部插件（plugins）的方式來拓展軟件既有的功能，增強開發的能力和效率；

3.強大的角色(Character)動畫制作能力；

4.可堆疊的建模步驟，使制作模型有非常大的彈性，適合循序漸進的開發3D模型；

5.很主流的開發工具，制作的模型有很好的兼容性，便于展示。

（二）3D模型制作過程的難點及解決方案

為了保證制作好的模型具有逼真的質感和花紋，本設計中用得比較多的是貼圖材質。簡單的貼圖材質可以在材質編輯器中一次性就可完成，但是遇到一些復雜的材質，就要分幾個步驟才能得到理想的效果，具體可以分成如下幾種情況來區別對待。

難點1：凹凸貼圖材質的設置

本次3D模型制作中諸如CPU、聲卡、顯卡、主板等，都會遇到很多凹凸貼圖，例如圖1顯卡的3D模型制作，此種貼圖適要能制作出表面有微弱凹凸效果的材質，而且并不改動模型本身的結構，產生的凹凸只是一種視覺效果。設置凹凸貼圖時，在選擇材質球后，展開 Maps(貼圖)欄，單擊 Bump(凹凸)右邊的“Map”(貼圖)按鈕，在材質，貼圖瀏覽器中雙擊“位圖”，在對話框中選擇到合適的材質貼圖。觀察材質球的變化，可發現凹凸感并不明顯，單擊水平工具欄中的“返回”按鈕，返回到上個編輯層，在Maps(貼圖)欄中將Bump(凹凸)的Amount(數量)參數值設置為100，觀察材質球的變化。可發現凹凸感非常突出，但其顏色仍為灰色，這是材質本身的漫反射色。

為了使貼圖顯示出你所選定的貼圖顏色，需要用同 樣的方法將漫反射(Diffuse)貼圖設置成與Bump(凹凸)貼圖相同的貼圖。方法是在Maps(貼圖)欄中將光標移到Bump(凹凸)右邊的“Map”(貼圖)按鈕上，按下左鍵拖動鼠標，將 Bump(凹凸)貼圖復制到漫反射(Diffuse)右邊的確“Map”(貼圖)按鈕上，在復制(Copy)對話框中選擇“Instance”(實例)， 觀察材質球的變化，已符合效果圖的要求。

圖1 顯卡3D模型

圖2 在3DS MAX中制作的CPU 3D模型

由此可見，Bump貼圖的顏色由材質本身的Diffuse顏色決定，Bump貼圖通常與Diffuse貼圖一起使用，方可對模型的渲染結果呈現出圖形本來的顏色。

難點2：設置具有金屬等反射效果的材質

當要求模型具有諸如圖2所示CPU表面的金屬、反射景物的玻璃窗等效果時，我們可以利用材質編輯器中的反射貼圖來達到所需的要求。要制作這種效果的材質，一定要在材質編輯器中的陰影基本參數(ShadeBasic Parameter)欄中選擇金屬(Metal)方式，此時只能設置環境光(Ambient)和漫反射(Diffuse)兩個選項的顏色，不能設置反光(Specular)的顏色。但要對反光的強度進行設置。一般情況下金屬類材質的反光級別(Specular Level)數值應在80－120之間，光澤度(Glossiness)的數值應在50－70之間。僅設置了上述參數后，可以發現材質表面的反光對比度很強烈，亮的部分很亮，暗的部分又很暗，并沒有得到預期的效果。要解決這一問題，還需要設置反射貼圖，即在貼圖 (Maps)欄中單擊反射(Relection)項右側的貼圖(Map)按鈕，在材質／貼圖瀏覽器中選擇合適的貼圖。最后再在坐標(coordinate)欄下將模糊偏移(BlurOffset)參數進行適當的修改。這樣就可以得到想要的效果了，如圖2所示。

二、實施模塊2：3D模型瀏覽工具的選擇

計算機硬件的相關模型制作好后，如果課堂授課時教師是在3DS MAX環境中將對象進行展示一定是非常不合適的。因為3DS MAX復雜的操作界面使得本教學手段很難在所有教師和課堂上進行推廣，并且在3DS MAX軟件界面中的展示效果也不夠理想，因此，需要找到或者開發一個能夠“播放”3D模型的一個軟件，該軟件應該類似于一個瀏覽器，只需要指定打開相關的3D模型文件，即可在該軟件實現對模型的平移、縮放、旋轉等自由變換的展示過程。

經過多方考察和評估，筆者最終選擇了SuperModel V20.0這個3D模型瀏覽器，該軟件的優勢如下：

1.該軟件體積很小，只有1.5MB左右的大小，并且是綠色版本的軟件，無需安裝即可使用。并且該軟件是共享軟件，在課堂上或者公開場合教學展示過程中不會產生版權問題；

2.該軟件的使用簡單，所有3D模型的展示操作，鼠標簡單點擊、拖動即可完成。教師只需要將該3D瀏覽器復制到授課PC機中，然后即可在課堂上方便快速的展示各類已經制作好的3D模型；

3.該軟件可用于查看的3D模型格式眾多，目前支持的格式有：.3DS，.OBJ，.LWO，.MD2，.MS3D，.X，.B3D，.STL，.PLY，.DAE，.TER 等眾多格式；

圖3中4個屏幕截圖為實際使用過程。

圖3 在SuperModel V20.0中展示的CPU 3D模型

三、實施模塊3：課堂教學效果的提升評估

本教學研究的最終目的就是為了提高教學效果，因此通過一些科學的方法多角度的來評估最終教學效果是必不可少的。為了讓教學效果具有可比性，在兩個相同專業、相同教學進度、人數接近的班級之間進行比較。兩個班級分別標記為A班和B班，其中A班采用上述虛擬現實技術輔助教學，B班仍采用傳統教學方法進行教學。通過如下三種途徑，對教學效果進行了評價和比較。

（一）課堂考查

相關知識點授課結束后，筆者在課后立刻進行了一個小型的知識點考查，考查內容全是上課中講授過的知識點，其中A班正確率為95.3%，而B班正確率為81.7%。

（二）作業反饋

課后作業情況常常能反映出學生在課堂上的學習情況，筆者將課堂上涉及的眾多知識點以簡單題的形式布置了作業，根據學生的回答情況，A班同學的答題正確率和特點更加接近授課時候的講授情況。

（三）隨機學生訪談

課后依據學號，隨機抽取了10個A班學生、10個B班學生，和他們進行了一個小型的座談會，A班學生普遍反映此種授課方式效果很好，能很好地吸引他們的注意力，使得相關的知識點的學習更加直觀和生動。

經過上述三種方式的綜合考評，采用了虛擬現實技術輔助授課的A班教學效果明顯好于未采用此輔助手段的B班，由此可得出初步結論：利用虛擬現實技術輔助授課的方式，教學效果幾乎是立竿見影的。

四、結語

信息技術課程的教學，原本就是一個不斷緊扣時代發展、充分依靠現代教育技術的一門課程。通過此次虛擬現實技術在信息技術課程教學中的應用研究，教師可以將所授知識點更直觀更具有交互性的形式展現到課堂中的學生面前，這樣才能夠更有效地提高教學效果，并且此種教學模式將來還可以推廣到其他課程，最終讓虛擬現實技術能夠全方位多角度地成為所有課程的教學輔助手段。

［1］馬新德，湯沛，馬書群，等.基于虛擬現實技術教學環境的創設[J].河南職業技術師范學院學報(職業教育版)，2004（4）：82-83.

［2］姬洪強.淺談虛擬現實技術在學科教學中的應用[J].中國現代教育裝備，2008（3）：46-47.

［3］鄧媛媛.用虛擬現實技術優化計算機硬件設備教學的方法探析[J].中國現代教育裝備，2010（12）：75-76.