基于仿真技術的虛擬學習環境建設研究

黃樂輝 桂斌

摘要：虛擬仿真技術不斷發展，在教育教學領域中的應用也日益廣泛。本文探討了利用這項技術對虛擬學習環境的建設，總結了開發的理論方法和技術支持，并予以虛擬攝影平臺實例展開論述。

關鍵詞：虛擬仿真；學習環境；虛擬攝影

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）30-0070-02

一、概述

虛擬仿真是近年來新興發展的一項技術，自出現以來迅猛發展且一直炙手可熱，利用相關技術手段對真實世界物體對象進行模擬，以求在虛擬環境中達到真實環境一般的效果。該技術在軍事、醫療、物理、化學、機械、制造、教育等方面均有研究與應用，受到眾多行業研究者的親睞。

仿真技術特點豐富而多樣，物理效果真實，物體的貼圖、光線、立體顯示效果顯著，可以建立更為逼真的場景，帶給學習者更為豐富的體驗，能夠大范圍地進行普及應用。這增添了信息資源傳播與共享的渠道，全方位滿足學習者學習方式的需要。用戶操作使用簡單方便，能夠優化學習過程，提高學習效率，對今后的教育有實際的幫助。

虛擬學習環境建設正是當下虛擬教學、虛擬實驗等教學手段和方式改革的推動，也是為了適應時下信息化教育的大環境。開發需要一系列技術支持：建模技術、圖片處理技術、貼圖技術、編程技術等。在本文的虛擬攝影平臺實例開發中，使用的是3Ds Max軟件建模、Photoshop處理圖片、Unity3D游戲引擎、Visual Studio軟件編程。發布的成品能在PC、Web、Android等多平臺上運行。

現有教學環境的缺陷與不足，促使人們將眼光轉向虛擬學習環境建設，這對教育教學的提升也不止一星半點，將會全面改觀當下教育教學面貌。不僅加速推動了教育信息化，為實現信息化教育指明新的方向和開辟新的道路，而且合理安排了教學資源，實現了教學信息資源的傳遞與共享，促進了教育公平與平等，又解決了教學設備落后與不足的窘境，同時提升了學習者的學習興趣，還實現了教育方式和學習方式的改革，滿足了教師和學生的教學需求。這些都將改善現有的教學環境，對教育的未來有實際的幫助。

二、虛擬環境中的情境認知

情境認知，用于解決學習者在記憶、歸納知識時存在的阻礙。通過記憶和歸納，才能完成知識在不同情境下的遷移，讓學習者在需要的時候能復述相關的信息或是操作有關的技能。虛擬學習環境讓學習者在虛擬情境中完成知識和技能的學習，同時能夠在真實情境中展示在虛擬情境中的所學。

情境認知尤為在意學習的情境性，認為應當結合情境化的行為活動來進行學習，知識不能脫離相關情境而單獨存在的。情境認知給學習者體驗現實生活，豐富了學習，使得所學知識能夠在學習者日常生活中得以運用，這樣的學習才更加具有現實意義。

情境認知的主要作用就是將學習者所學的新知識運用于現實生活中，解決實際問題。因此，人與環境的聯系具有很強的重要性。確實，許多學習者都有將所學知識或技能運用于日常生活的體驗，這讓人感到興奮，覺得有意義，這也是情境認知的意義：去做解決某種問題的事情，而不僅僅是談論某種事情。

三、虛擬環境中的學習體驗

虛擬學習環境下的認知體驗屬于虛擬體驗理論范疇。虛擬體驗理論，于2001年由Li、Daughterty和Biocca提出，意圖說明構成認知、廣告、設計等學科理論要素之間的相互關系。該理論闡述了虛擬功效、臨場感、交互性等方面的觀點。

1.虛擬功效。虛擬功效在廣告行業的體現較為明顯，隨著科學技術的進步，消費者檢驗產品的需求不斷提升，產品的互動性需要不斷增強，以前的紙質、旗幟、牌匾等平面廣告早已無法滿足消費者的需求，效果得不到多角度的驗證。而在三維廣告中，消費者能夠隨意檢視產品，還可以觀察到實物檢驗時看不到的內部結構和細節，如汽車發動機的內部構造等，而這在檢驗產品實物時是無法實現的。虛擬學習環境中學習者的真實體驗就是虛擬功效，這只能在三維虛擬環境中才能體會得到。

2.臨場感。臨場感是由傳播媒介的豐富性和交互性觸發的用戶在傳播媒介環境中形成的仿佛置身于該環境中的主觀感受。臨場感存在于用戶和虛擬環境與虛擬產品的交互過程中，并且隨著交互性增強，產生的臨場感也越強，比如學習者在學習汽車內部構造時，可以隨心所欲地挑選汽車的品牌和樣式，通過拆解、旋轉、縮放等各項操作仔細觀察和檢驗產品，在學習者心里就產生了“汽車維修員”的感覺，甚至比真實生活中拆解車輛的感覺還要強烈。在虛擬環境中的用戶或主體，我們稱之為“虛擬替身”。虛擬替身可以有效地模擬網絡環境中的人們的交流行為。在虛擬學習環境中，可以選擇替身代替自己去學習。

3.交互性。交互性廣泛存在于教育教學、系統軟件、廣告、游戲等方面，計算機網絡加速了它的發展。交互傳播的方式分為三種：（1）人—人模式，即人與人面對面地交流；（2）人—機—人模式，指人與人之間通過手機、電話、網絡應用等第三方工具進行交流；（3）人—機模式，是人們通過網絡瀏覽或數據庫搜索等與計算機進行交互。虛擬學習環境中可以同時存在以上三種交互，豐富了學習體驗。

四、虛擬攝影平臺的建設

1.場景。

虛擬攝影平臺為攝影實踐教學提供虛擬拍攝場地，本例中主場景是一個虛擬簡易版校園，包括一棟行政樓、兩棟教學樓、兩棟宿舍樓、一個籃球場、一個足球場、一條護校河。模型的創建用3Ds Max軟件，場景的搭建在Unity3D軟件中完成。

創建天空：在Unity中創建一個材質球，將材質球的著色器改為“天空球”，分別給前、后、左、右、上、下六個面賦上天空切圖。天空貼圖可以使用圖片處理工具制作，也可以利用照相機設備拍攝完成。最后，要想在場景中顯示天空的效果，必須將主攝像機的攝像機組件的“清除標識”屬性改為“天空球”。

創建地形：在Unity層次面板下創建一個地形，調整地形在世界坐標系中的位置，一般將地形的中心點與世界坐標系原點對齊。合理設置地形的長寬，設置地形的視距、投影和材質，設置樹和細節物體的顯示，設置風力。升高或降低地形，繪制高度，平滑高度，繪制紋理，栽種樹木，繪制細節。

建筑模型：場景中的建筑有一棟行政樓、兩棟教學樓和兩棟學生宿舍，模型均通過3Ds Max軟件制作完成。在3Ds Max軟件中先在頂視圖中運用頂點捕捉勾勒出建筑模型的輪廓線，然后用擠出工具拉伸出模型，再進行貼圖，最后導出FBX模型，導入Unity3D中調整位置、方向和大小。

水資源：場景中有一條護校河，環繞學校四周，系統采用Unity3D自帶的水資源。首先將水資源包導入場景，在資源菜單下通過導入資源包找到水資源包，彈出的水資源窗口中將資源包導入場景，系統便可使用此資源包。鼠標拖動資源包中水資源預制物體進場景面板，調整好位置和水的深度，護校河便制作完成。

2.功能。

第一人稱視角漫游：簡稱“第一視角”。“第一視角”模擬場景中主角的視角觀察場景，更為直觀，也更具沉浸感，可觀察操作者每個細微的動作，但看不見角色的全身。該視角尤其適合人物技巧性強的操作，更利于學習者跟蹤學習。在虛擬攝影平臺的場景拍攝中，將視角切換至第一人稱視角，利用鍵盤按鍵實現人物的移動。這可以模擬學習者的視角瀏覽場景，捕捉到精彩瞬間進行虛擬攝影拍攝。

第三人稱視角漫游：簡稱“第三視角”。“第三視角”是以場景中非主角的視角觀察整個場景，觀察較為縱觀，可體現場景的恢宏、人物的絢麗，可看見操作角色的全身。該視角則適合策略技巧性的操作，利于學習者對學習過程的宏觀把控。在虛擬攝影平臺的場景中，將視角切換至第三人稱視角，可跟隨主角漫游整個場景，更為快速地找到適宜的拍攝地點完成拍攝。

視角切換：此場景中支持用戶的多視角切換。連續點擊視角切換按鈕可持續循環切換鏡頭。提供四個觀察視角：主視角，模擬第二人稱視角，跟隨主角；第三人稱視角，縱觀場景，可以看清楚主角的各種動作；CCTV視角，實時直播，在主角的前側方，跟隨主角；相機設置視角，可以對照相機進行相關的設置。

相機設置：視角切換至相機設置，可對照相機進行基本的設置：開關、快門、光圈。將光標移至照相機模型的開關裝置上，通過滾動鼠標的滾輪，可控制照相機的開和關。同樣，將光標移至照相機模型的快門或光圈上裝置上，滾動鼠標滾輪，可對照相機的快門或光圈進行設置。

照片拍攝：打開照相機開關，設置好相關參數，切換至取景器視角，聚焦拍攝對象，按下快門進行拍攝，完成后切換回原視角。

照片查看：拍攝完照片，由取景器視角返回，在主界面會顯示照片縮略圖，點擊縮略圖可放大照片進行查看，再次點擊縮略圖可返回。

五、總結與展望

本文探討了利用虛擬仿真技術結合情境認知和虛擬體驗理論，對虛擬學習環境的建設研究，試圖彌補現有教學手段的缺陷與不足，脫離實踐教學課程中設備匱乏的困境，改善現有教學環境，為教學改革謀求新的出路，更是為虛擬仿真技術在學科教學中的應用展開了新的嘗試，為以后的深入研究奠定基礎。

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