基于虛擬現實技術的課件設計

吳強

摘要：教育部在《教育信息化十年發展規劃（2011—2020年）》中提出了“建立優質數字教育資源和共建共享環境”目標，其中包括虛擬實驗室的建設。本文對虛擬實驗系統開發進行了可行性分析，并簡述了虛擬現實系統制作的流程。

關鍵詞：虛擬現實技術；虛擬實驗；多媒體技術；VRP；3D max

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A 論文編號：1674-2117（2016）07-0081-03

前言

“神舟十號”載人飛船的成功發射，標志著我國載人天地往返運輸系統首次應用性飛行的開始。航天員王亞平等三人把“天宮一號”作為太空講堂，給地面的青少年進行太空講課，這是中國歷史上的第一次太空授課，極大地激發了廣大青少年對科學探索的熱情。受此啟發，筆者萌發了一個構想：運用虛擬現實技術構建一套虛擬的太空授課仿真系統。它可以全方位、主動式、交互式、仿真式地模擬太空實驗，突破真實實驗的時空限制，培養學生動手動腦的能力。基于虛擬現實的太空授課系統很好地突出了虛擬現實系統“沉浸—交互—想象”的三角形特征。[1]

國內外在教育中應用虛擬現實技術現狀

國外在虛擬實驗研究方面主要是側重于虛擬實驗設備的建設，其中羅萊納州立大學的LAAP利用Java技術建立了基于Web的探索式虛擬物理實驗室、印地安那州立大學開發了MBL化學實驗室等。

國內對虛擬實驗的研究主要是側重于虛擬實驗軟件的建設。例如，上海交通大學國家攻克物理教學基地物理實驗中心的數據采集實驗室是正在建立和完善的面向大學物理實驗教學的虛擬現實系統。[2]這個虛擬現實系統是以美國國家儀器公司的虛擬開發軟件Lab VIEW為開發平臺，利用先進的數據采集技術，將實際中的實驗數據經過模數轉換采集到計算機智能來分析。[3]

系統設計的理論基礎

1.研究的理論基礎

（1）虛擬實驗系統定義

虛擬實驗系統就是以計算機為操縱中心，學習者通過已經成功實現的虛擬實驗系統，在一個仿真的實驗環境中完成與真實實驗項目一致的實驗操作，從而達到學習和領會實驗的目的。

（2）教學設計

著名心理學和教育學家加涅曾在《教學設計原理》中將教學設計界定為：“教學設計是一個系統化規劃教學系統的過程。教學系統本身是對資源和程序作出有利于學習的安排。”[4]本研究是在教學設計理論的指導下，通過借助虛擬現實平臺進行的教學設計。

由于知識是情境化的，具體情境所提供的直觀、生動的形象能有效地激發聯想。因此，創設真實的或接近于真實的、具有豐富資源的學習情境是非常重要的。

2.中學物理課的特點

（1）推動學習方式的多樣化

人類的教育方式和學習方式有兩種不同的類型：一是學習者通過教育者系統的傳授“接受”人類已有的知識；二是學習者通過親身實踐“體驗”到知識使用的樂趣，通過內心體驗主動參與學習。[5]

（2）精選課程內容，體現物理教育的基礎性、時代性和適用性

《物理標準》根據物理課程的教育功能，強調物理教育不僅是傳授物理學科的知識體系，更重要的是促進學生的發展，所以教師在確定目標、內容與要求時，不能只考慮部分學生的需求，而應考慮全體學生的需要。

（3）適應信息社會對人才的要求，實現物理課程與信息技術的整合

數字化、信息化已成為時代的潮流。信息技術進入中學物理課程不但可以使學生在學習中熟悉數字化環境，加強物理課程內容與現實世界的聯系，促進學生學習方式的改變，還可以為學生的自主探究提供有效的工具，大力提升學生自主獲取知識的能力。

3.虛擬實驗應用于教學的優勢

將虛擬實驗應用于教學領域，是以提高學生的實驗能力為主要前提，其優勢概括來說有三個“有利于”：有利于營造虛擬現實學習環境，有利于學生接受顯性和隱性知識，有利于培養學生主動探索的學習方式。

系統的需求分析

1.基于虛擬現實平臺構建良好的知識建構環境

通過虛擬現實平臺，學習者可以通過虛擬場景與自身相互的作用，迅速得到信息反饋，及時獲得直接經驗，這能代替原有的通過教師講授獲取間接經驗的學習模式。虛擬現實技術在教育中的應用大致可分為模擬訓練、虛擬實驗室與仿真虛擬學校三個方面。[6]

2.基于虛擬現實平臺教學的可行性分析

虛擬現實技術可以為我們提供具有互動性、可重復使用性以及以實為本、虛實結合的平臺。當前，計算機的使用已經非常普遍，我國的中小學也早已開始進行多媒體教室授課，這些為虛擬現實技術的應用打下了良好的基礎。

基于虛擬現實技術的太空授課課件的設計

筆者選擇了基于虛擬現實技術的太空授課系統作為研究對象，其設計目標和內容如下：

1.系統功能模塊設計

基于虛擬現實系統的構建就是一個系統的工程。筆者將系統要實現的功能分為五個子模塊，如圖1所示。

（1）場景切換

“場景切換”由兩組在時間軸上的鏡頭和兩組單獨的鏡頭組成，分別為“開場動畫”（播放開場時的動畫）、“對接外觀”（播放兩艘飛船對接后的動畫）、“太空漫游”（切換到飛船外部鏡頭）和“艙內欣賞”（切換到天宮一號內部鏡頭）。

（2）實驗操作

“實驗操作”分為“實驗介紹”（對兩個實驗的原理進行大致的介紹）、“小球單擺”（運行單擺儀器在太空中失重的動畫同時播放講解）和“陀螺旋轉”（運行陀螺在太空中失重時的動畫，同時播放講解）。

（3）視頻播放

點擊打開視頻面板，然后選擇上面的不同按鈕播放不同的視頻；第二次點擊該按鈕時則關閉該視頻。

（4）數據庫

單擊依次交替打開或關閉數據庫，對數據進行顯示或隱藏。

（5）練習題

單擊依次交替打開或關閉Flash練習，對練習進行顯示或隱藏。

2.實驗操作功能設計

實驗操作功能是整個虛擬實驗的中心部分，它由實驗介紹、小球單擺、陀螺旋轉三大模塊構成。

基于虛擬現實系統太空授課課件的實現

根據系統設計目標和內容，筆者完成了系統的制作。該系統主要使用了如下開發平臺和工具：①模型制作工具：3Dmax10.0；②開發平臺是VRP編輯器12.1212（學習版）；③影片聲音剪輯工具：Adobe Premiere Pro CS4和Audition；④練習題制作工具：Flash CS5.5；⑤貼圖素材處理工具：Photoshop CS4；⑥數據庫提供平臺：Access 2003。

1.系統主要功能

下面，筆者用設計流程來講解整個作品的表現效果。首先，播放一個開場視頻。學習者看完開場視頻以后，可以用鼠標單擊一下屏幕，此時，屏幕播放神舟十號與天宮一號對接的時間軸動畫，如圖2所示。

當兩艘飛船對接完以后，學習者可以用鼠標左鍵點擊宇航員，宇航員便會向學習者招手，如圖3所示。

此時，當學習者點擊“艙內欣賞”按鈕時，鏡頭就會切換到合適的位置；點擊“實驗操作”按鈕，屏幕會彈出“實驗項目”選擇欄。當學習者選擇“小球單擺”或“太空陀螺”按鈕時，系統會切換到最佳角度觀察的鏡頭，在桌面上播放單擺儀器演示動畫，如圖4所示。

除此之外，用戶可以根據自己的興趣，選擇系統提供的其他項目，如選擇“太空漫游”“飛船對接”按鈕，系統便會切換到飛船的外部場景。

系統還為學習者提供了方便靈活的選擇方式。例如，單擊“艙內欣賞”按鈕，系統就會切換到天宮一號內部，學習者可自由欣賞飛船內部的樣貌。

作為教學系統，筆者考慮到觀看實驗之后，對實驗內容的強化問題，所以設計了“練習環節”。當學習者點擊“練習題”按鈕后，系統界面中間會出現用Flash制作的練習題。

2.系統界面設計

整個系統除了已經在3D max中制作好的各種實驗儀器和場景模型外，還有系統界面設計，如圖5所示。

圖5的整體布局呈現對稱性，當操作者的鼠標位置處于觸發區時，觸發界面將顯示動畫，供實驗者對系統進行操作；當鼠標離開觸發區時，觸發界面將隱藏動畫，為學習者的觀察學習提供更大的范圍。

結束語

隨著時代的發展，虛擬現實技術在教育領域已具有應用前景的“明星”技術，呈現多元化的發展趨勢。[7]現在許多科技企業都已經開發出了自己的虛擬現實平臺，并能很好地與各大高校合作，研發出越來越多的虛擬現實課件。虛擬現實技術無可比擬的優勢，將對未來人類社會的教育培訓產生不可估量的作用。

參考文獻：

[1]宋宗升.基于vrml的中學物理虛擬實驗的設計與實現[D].曲阜：曲阜師范大學，2009：8-10.

[2]朱敏.虛擬實驗與教學應用研究[D].上海：華東師范大學，2006：18.

[3]王存蓮.基于虛擬儀器的大學物理實驗的發展[J].山西大同大學學報（自然科學版），2007（8）：100-102.

[4]R.M.加涅.教學設計原理[M].上海：華東師范大學出版社，1999：23-24.

[5]程慧明.接受學習真的過時了嗎[J].西藏教育，2005（10）：40-44.

[6]宋蔚.基于虛擬現實的虛擬實驗研究[D].重慶：重慶大學，2005.

[7]馮遜.虛擬現實技術在教育中的應用與展望[A].中國自然科學博物館協會、浙江省現代設計法研究會；全國首屆數字（虛擬）科技館技術與應用學術研討會論文集[C].中國自然科學博物館協會、浙江省現代設計法研究會，2007：6.