基于Unity 3D和3D Max的IVR系統設計與開發

摘? 要? 目前虛擬現實技術在我國高等教育教學中的廣泛應用已逐漸成為當下的熱點話題。利用Unity 3D和3D Max等開發軟件，設計與實現基于IVR的學習環境，利用IVR的交互特點設計可視化空間線索，協助學習者學習，以期能在一定程度上促進學習者空間想象力的提升，提高學習質量，并為IVR應用于學科教學實踐提供一種新的思路。

關鍵詞? Unity 3D;3D Max;沉浸式虛擬現實系統;空間想象力;高中立體幾何

中圖分類號：G434? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2022）06-0030-03

0? 前言

虛擬現實（Virtual Reality，以下簡稱“VR”）最早于1989年由美國VPL Research公司的創始人Jaron Lanier提出[1]。隨著新一代計算機技術、網絡技術、人工智能技術等新興技術的高速進步，VR技術的發展也呈現突飛猛進的態勢，并表現出多樣性，目前已經廣泛應用于醫療培訓、軍事航天、工業培訓、教育教學等多個領域。

研究者深入研究VR技術在各個領域的應用時發現，根據用戶沉浸程度的高低和交互程度不同，VR系統可分為桌面式虛擬現實（Desktop VR）系統、沉浸式虛擬現實（Immersion VR）系統、增強式虛擬現實（Augmented VR）系統和分布式虛擬現實（Instributed VR）系統等四種模式[2]。其中，沉浸式虛擬現實（以下簡稱“IVR”）系統是一種高級的、比較成熟的虛擬現實系統，不僅能提供給用戶一種完全沉浸的體驗，還可滿足用戶實時交互的需求，而可交互是虛擬現實最為關鍵的三大特征之一。

在學科教學領域，大多數研究者開發的IVR系統旨在探究沉浸和多通道感知對提高學科教學的潛在效能。目前，IVR技術在學科教學領域仍處于探索階段，實證研究相對較少。因此，本研究通過將IVR技術與學科教學進行融合，分析IVR技術在學科教學中的作用，深入挖掘IVR技術與學科教學之間的內在關聯，充分發揮IVR技術的優勢，有效地利用新技術促進學科教學改革，提高學生的學習效率，增強教學成效。

1? IVR系統開發背景

空間想象力作為空間能力重要的組成部分與主要類型之一[3]，是研究者關注的重點。在中國知網數據總庫，主題精確檢索“空間想象力”（期刊、碩士、博士、報紙），搜索文獻發現：國內關于空間想象力的研究集中在與其相關的空間理論（想象力、空間觀念等）的研究，幾何數學、制圖教學的研究。在中小學教育對空間想象力的相關研究中，空間想象力多與數學、物理、地理等學科相聯系，而其在數學學科中的研究最多?；仡檾祵W教學大綱不難發現，自1952年依據蘇聯教學大綱編譯的《中學數學教學大綱（草案）》中提到教學中應當努力發展學生的空間想象力后，空間想象力就一直出現在我國中學數學教學大綱中，也一直是立體幾何知識教學的主要培養目標之一，同時是立體幾何教學的重難點[4]。

對于立體幾何知識，學生掌握得參差不齊。為研究學生在立體幾何學習上的差異性，以及如何通過計算機技術幫助學生促進對立體幾何知識的學習，筆者根據虛擬現實的三大特點，選擇高中立體幾何內容作為研究內容，基于Unity 3D和3D Max等軟件設計與開發IVR系統，提升學生立體幾何成績，促進學生空間想象力的發展。

2? IVR系統的三大教學優勢

2.1? 真實體驗，激發學習興趣

IVR系統充分利用了虛擬現實的特點之一——沉浸感。在傳統的學習環境中，學生通過課本、多媒體課件等教學材料學習課本上的理論知識，平面化視角的學習往往使得學習枯燥、乏味。而在IVR環境下，學生可成為虛擬世界的一部分，能夠真實地感受自己在虛擬世界中的主動性，突破被動的觀察者的限制，沉浸在VR環境中，積極投身虛擬世界，并與之進行互動。換句話說，IVR環境下，學生的視覺、觸覺、聽覺等感官受到一定的刺激，他們沉浸其中，易引起學習興趣，有效縮短與知識之間的距離。

2.2? 多重交互，促進空間想象力提升

沉浸式虛擬現實技術最為關鍵的一個特點就是交互性。利用IVR技術進行學習，使得學生置身于真實情境中，參與不同的互動，鍛煉學生的動手操作能力。在傳統教學中，部分知識點需要學生通過自身建構完成學習，在利用IVR技術開發的虛擬環境中進行學習，有助于幫助學生建立空間觀念，進而促進認知。本系統中，學生可通過手柄實現關鍵交互，交互設計合理，操作簡單方便，并通過逐步加強難度，幫助學生合理提升空間想象力。

2.3? 可視化空間線索，促進深層認知

IVR技術為人們認識世界提供了一種全新的方法和手段，學生通過觀察虛擬世界中形象地呈現出的現實生活中不存在的現象或事物，對先前的知識內容重新進行建構，深化對知識的理解與認知。本系統中，通過將立體幾何的教學內容與VR技術有效地結合，使用Unity 3D和3D Max等軟件設計系統模型，將現實生活中不可見的幾何內容可視化，如點在幾何體內移動的軌跡等，并動態、實時、立體地呈現于學生的視野中，利用空間線索表征現實事物，有效促進學生對幾何內容的深層次理解。

3? 基于Unity 3D和3D Max的IVR系統的制作

IVR系統的設計與開發主要包括三個環節：前期準備、中期實現、后期調整（如圖1所示）。本研究以高中數學必修二“立體幾何”中的“異面直線”相關內容為例，制作交互性好、沉浸感強的IVR系統。IVR系統的制作主要包括四個方面：教學內容分析、用戶需求分析、開發環境搭建、系統實現（如圖2所示）。下面詳細介紹系統的制作流程。

3.1? 教學內容分析5C20E85C-ED34-46EE-93CB-23EEA324A53C

該IVR系統主要選擇立體幾何中的“異面直線”知識點作為教學內容，該內容對于學生而言難理解，不易在平面教學中掌握異面直線的精髓;對于教師而言難教學，不易通過簡單的數學語言傳授異面直線的特色。所以，從異面直線的概念出發，通過設計不同程度的模式來鍛煉學生對異面直線概念的理解與掌握程度，讓學生能夠在實際模型中找到異面直線，體悟空間圖形與平面圖形的聯系與區別，感悟轉化思想，形成數學抽象。

3.2? 用戶需求分析

基于3D Max和Unity 3D制作IVR系統的目的是促進學生空間想象力的提升。在傳統教學中，學生的空間想象力是建立在教師的語言和教具的輔助之上的，學生不能真切地感受到空間。因此，為了學生能夠更好地掌握點、線、面之間的聯系，強化對立體幾何知識點的理解和認知，通過設計IVR系統幫助他們有效地提高學習成績，提升空間想象力。

3.3? 開發環境搭建

目前，支持虛擬現實環境搭建的軟件平臺和腳本語言較多，經過系統的理論分析與實踐探索，最終選擇3D Max作為建模軟件，選擇Unity 3D用于系統的交互與整合。除此之外，還利用Photoshop CC 2019作為模型貼圖處理軟件。所選擇的軟件兼容性相對較好，在實現系統的各個環節相互協作，有利于進行系統開發。

3.4? 系統實現

IVR系統是根據用戶的需求分析，設計相對應的功能，內容簡單，操作易上手。

3.4.1? 為了學生便于觀察點線面運動的變化? 高中立體幾何教學過程中無法觀察到幾何物體通過移動點之后在空間內的變化，該系統則充分利用虛擬現實技術能將現實生活中無法觀察到的現象可視化的特點，設計點移動的動態虛光軌跡，便于學生在大腦中構建幾何變化過程。

3.4.2? 為了促進學生加深對“異面直線”概念的理解層面? 利用IVR技術的交互特性，使得學生可以利用手柄在由六個面片、12條棱、12條對角線的立方體中進行兩次選擇：首先利用手柄隨意選擇一條棱或者一條對角線，之后選擇一條認為能與之成為異面直線的棱或對角線，觀察兩條線所在面是否有重疊，若重疊，則會觀察到重疊面顏色的變化。

3.4.3? 為了便于學生在幾何體內找到“異面直線”所成角? 利用IVR技術的可視化和交互兩大特征，結合平移的思想，使得學生能夠通過手柄一步步操作，觀察異面直線所成的角是如何找到的，并引申思考在非立方體結構的幾何體中異面直線所成角如何找到。

總之，該系統的一大亮點即為設計IVR系統時將可視化空間線索結合到幾何教學內容中，并根據教學內容的難易程度合理地設計可視化空間線索。除此之外，學生在視覺、觸覺和聽覺三方面都能得到相應的反饋，如每次利用手柄進行移動或選擇時給予一定的震動反饋，而在關鍵點將給予聽覺反饋，等等。

4? 結語

本系統設計的初衷是通過將傳統教學內容與VR技術有效結合，使用Unity 3D和3D Max等軟件設計系統模型，將現實生活中不可見的事物或現象可視化，并動態、實時、立體地呈現于學生的視野中，有效地利用空間線索表征現實事物，為IVR技術運用到學科教學中提供新的視角，合理的動態交互功能激發學生學習的興趣，促進學生的空間想象力發展，進而進一步了解IVR技術對學科教學實際應用的價值所在。本系統還有很多不足之處，后續探索將本系統應用到實際教學中，探究本系統是否能夠促進學生空間想象力發展，并對本系統作出改進?！?/p>

參考文獻

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

[2] 傅永超.國外虛擬現實（VR）教育研究與啟示[J].中國教育信息化，2019（22）：6-12.

[3] 伍巧.3D打印促進初中生空間想象力發展的實證研究[D].上海：上海師范大學，2020.

[4] 課程教材研究所.20世紀中國中小學課程標準·教學大綱匯編：數學卷[M].北京：人民教育出版社，2001：356.

作者：魏玉蒙，浙江師范大學碩士研究生，主要從事數字化學習資源的設計與開發（321004）。5C20E85C-ED34-46EE-93CB-23EEA324A53C