基于仿真技術(shù)的虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境建設(shè)研究

黃樂(lè)輝 桂斌

摘要：虛擬仿真技術(shù)不斷發(fā)展，在教育教學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用也日益廣泛。本文探討了利用這項(xiàng)技術(shù)對(duì)虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境的建設(shè)，總結(jié)了開發(fā)的理論方法和技術(shù)支持，并予以虛擬攝影平臺(tái)實(shí)例展開論述。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真；學(xué)習(xí)環(huán)境；虛擬攝影

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2016）30-0070-02

一、概述

虛擬仿真是近年來(lái)新興發(fā)展的一項(xiàng)技術(shù)，自出現(xiàn)以來(lái)迅猛發(fā)展且一直炙手可熱，利用相關(guān)技術(shù)手段對(duì)真實(shí)世界物體對(duì)象進(jìn)行模擬，以求在虛擬環(huán)境中達(dá)到真實(shí)環(huán)境一般的效果。該技術(shù)在軍事、醫(yī)療、物理、化學(xué)、機(jī)械、制造、教育等方面均有研究與應(yīng)用，受到眾多行業(yè)研究者的親睞。

仿真技術(shù)特點(diǎn)豐富而多樣，物理效果真實(shí)，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(chǎng)景，帶給學(xué)習(xí)者更為豐富的體驗(yàn)，能夠大范圍地進(jìn)行普及應(yīng)用。這增添了信息資源傳播與共享的渠道，全方位滿足學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)方式的需要。用戶操作使用簡(jiǎn)單方便，能夠優(yōu)化學(xué)習(xí)過(guò)程，提高學(xué)習(xí)效率，對(duì)今后的教育有實(shí)際的幫助。

虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境建設(shè)正是當(dāng)下虛擬教學(xué)、虛擬實(shí)驗(yàn)等教學(xué)手段和方式改革的推動(dòng)，也是為了適應(yīng)時(shí)下信息化教育的大環(huán)境。開發(fā)需要一系列技術(shù)支持：建模技術(shù)、圖片處理技術(shù)、貼圖技術(shù)、編程技術(shù)等。在本文的虛擬攝影平臺(tái)實(shí)例開發(fā)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(fā)布的成品能在PC、Web、Android等多平臺(tái)上運(yùn)行。

現(xiàn)有教學(xué)環(huán)境的缺陷與不足，促使人們將眼光轉(zhuǎn)向虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境建設(shè)，這對(duì)教育教學(xué)的提升也不止一星半點(diǎn)，將會(huì)全面改觀當(dāng)下教育教學(xué)面貌。不僅加速推動(dòng)了教育信息化，為實(shí)現(xiàn)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(xué)資源，實(shí)現(xiàn)了教學(xué)信息資源的傳遞與共享，促進(jìn)了教育公平與平等，又解決了教學(xué)設(shè)備落后與不足的窘境，同時(shí)提升了學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)興趣，還實(shí)現(xiàn)了教育方式和學(xué)習(xí)方式的改革，滿足了教師和學(xué)生的教學(xué)需求。這些都將改善現(xiàn)有的教學(xué)環(huán)境，對(duì)教育的未來(lái)有實(shí)際的幫助。

二、虛擬環(huán)境中的情境認(rèn)知

情境認(rèn)知，用于解決學(xué)習(xí)者在記憶、歸納知識(shí)時(shí)存在的阻礙。通過(guò)記憶和歸納，才能完成知識(shí)在不同情境下的遷移，讓學(xué)習(xí)者在需要的時(shí)候能復(fù)述相關(guān)的信息或是操作有關(guān)的技能。虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境讓學(xué)習(xí)者在虛擬情境中完成知識(shí)和技能的學(xué)習(xí)，同時(shí)能夠在真實(shí)情境中展示在虛擬情境中的所學(xué)。

情境認(rèn)知尤為在意學(xué)習(xí)的情境性，認(rèn)為應(yīng)當(dāng)結(jié)合情境化的行為活動(dòng)來(lái)進(jìn)行學(xué)習(xí)，知識(shí)不能脫離相關(guān)情境而單獨(dú)存在的。情境認(rèn)知給學(xué)習(xí)者體驗(yàn)現(xiàn)實(shí)生活，豐富了學(xué)習(xí)，使得所學(xué)知識(shí)能夠在學(xué)習(xí)者日常生活中得以運(yùn)用，這樣的學(xué)習(xí)才更加具有現(xiàn)實(shí)意義。

情境認(rèn)知的主要作用就是將學(xué)習(xí)者所學(xué)的新知識(shí)運(yùn)用于現(xiàn)實(shí)生活中，解決實(shí)際問(wèn)題。因此，人與環(huán)境的聯(lián)系具有很強(qiáng)的重要性。確實(shí)，許多學(xué)習(xí)者都有將所學(xué)知識(shí)或技能運(yùn)用于日常生活的體驗(yàn)，這讓人感到興奮，覺(jué)得有意義，這也是情境認(rèn)知的意義：去做解決某種問(wèn)題的事情，而不僅僅是談?wù)撃撤N事情。

三、虛擬環(huán)境中的學(xué)習(xí)體驗(yàn)

虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境下的認(rèn)知體驗(yàn)屬于虛擬體驗(yàn)理論范疇。虛擬體驗(yàn)理論，于2001年由Li、Daughterty和Biocca提出，意圖說(shuō)明構(gòu)成認(rèn)知、廣告、設(shè)計(jì)等學(xué)科理論要素之間的相互關(guān)系。該理論闡述了虛擬功效、臨場(chǎng)感、交互性等方面的觀點(diǎn)。

1.虛擬功效。虛擬功效在廣告行業(yè)的體現(xiàn)較為明顯，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，消費(fèi)者檢驗(yàn)產(chǎn)品的需求不斷提升，產(chǎn)品的互動(dòng)性需要不斷增強(qiáng)，以前的紙質(zhì)、旗幟、牌匾等平面廣告早已無(wú)法滿足消費(fèi)者的需求，效果得不到多角度的驗(yàn)證。而在三維廣告中，消費(fèi)者能夠隨意檢視產(chǎn)品，還可以觀察到實(shí)物檢驗(yàn)時(shí)看不到的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和細(xì)節(jié)，如汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的內(nèi)部構(gòu)造等，而這在檢驗(yàn)產(chǎn)品實(shí)物時(shí)是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境中學(xué)習(xí)者的真實(shí)體驗(yàn)就是虛擬功效，這只能在三維虛擬環(huán)境中才能體會(huì)得到。

2.臨場(chǎng)感。臨場(chǎng)感是由傳播媒介的豐富性和交互性觸發(fā)的用戶在傳播媒介環(huán)境中形成的仿佛置身于該環(huán)境中的主觀感受。臨場(chǎng)感存在于用戶和虛擬環(huán)境與虛擬產(chǎn)品的交互過(guò)程中，并且隨著交互性增強(qiáng)，產(chǎn)生的臨場(chǎng)感也越強(qiáng)，比如學(xué)習(xí)者在學(xué)習(xí)汽車內(nèi)部構(gòu)造時(shí)，可以隨心所欲地挑選汽車的品牌和樣式，通過(guò)拆解、旋轉(zhuǎn)、縮放等各項(xiàng)操作仔細(xì)觀察和檢驗(yàn)產(chǎn)品，在學(xué)習(xí)者心里就產(chǎn)生了“汽車維修員”的感覺(jué)，甚至比真實(shí)生活中拆解車輛的感覺(jué)還要強(qiáng)烈。在虛擬環(huán)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(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的人們的交流行為。在虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境中，可以選擇替身代替自己去學(xué)習(xí)。

3.交互性。交互性廣泛存在于教育教學(xué)、系統(tǒng)軟件、廣告、游戲等方面，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)加速了它的發(fā)展。交互傳播的方式分為三種：（1）人—人模式，即人與人面對(duì)面地交流；（2）人—機(jī)—人模式，指人與人之間通過(guò)手機(jī)、電話、網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用等第三方工具進(jìn)行交流；（3）人—機(jī)模式，是人們通過(guò)網(wǎng)絡(luò)瀏覽或數(shù)據(jù)庫(kù)搜索等與計(jì)算機(jī)進(jìn)行交互。虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境中可以同時(shí)存在以上三種交互，豐富了學(xué)習(xí)體驗(yàn)。

四、虛擬攝影平臺(tái)的建設(shè)

1.場(chǎng)景。

虛擬攝影平臺(tái)為攝影實(shí)踐教學(xué)提供虛擬拍攝場(chǎng)地，本例中主場(chǎng)景是一個(gè)虛擬簡(jiǎn)易版校園，包括一棟行政樓、兩棟教學(xué)樓、兩棟宿舍樓、一個(gè)籃球場(chǎng)、一個(gè)足球場(chǎng)、一條護(hù)校河。模型的創(chuàng)建用3Ds Max軟件，場(chǎng)景的搭建在Unity3D軟件中完成。

創(chuàng)建天空：在Unity中創(chuàng)建一個(gè)材質(zhì)球，將材質(zhì)球的著色器改為“天空球”，分別給前、后、左、右、上、下六個(gè)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(jī)設(shè)備拍攝完成。最后，要想在場(chǎng)景中顯示天空的效果，必須將主攝像機(jī)的攝像機(jī)組件的“清除標(biāo)識(shí)”屬性改為“天空球”。

創(chuàng)建地形：在Unity層次面板下創(chuàng)建一個(gè)地形，調(diào)整地形在世界坐標(biāo)系中的位置，一般將地形的中心點(diǎn)與世界坐標(biāo)系原點(diǎn)對(duì)齊。合理設(shè)置地形的長(zhǎng)寬，設(shè)置地形的視距、投影和材質(zhì)，設(shè)置樹和細(xì)節(jié)物體的顯示，設(shè)置風(fēng)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(xì)節(jié)。

建筑模型：場(chǎng)景中的建筑有一棟行政樓、兩棟教學(xué)樓和兩棟學(xué)生宿舍，模型均通過(guò)3Ds Max軟件制作完成。在3Ds Max軟件中先在頂視圖中運(yùn)用頂點(diǎn)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(jìn)行貼圖，最后導(dǎo)出FBX模型，導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D中調(diào)整位置、方向和大小。

水資源：場(chǎng)景中有一條護(hù)校河，環(huán)繞學(xué)校四周，系統(tǒng)采用Unity3D自帶的水資源。首先將水資源包導(dǎo)入場(chǎng)景，在資源菜單下通過(guò)導(dǎo)入資源包找到水資源包，彈出的水資源窗口中將資源包導(dǎo)入場(chǎng)景，系統(tǒng)便可使用此資源包。鼠標(biāo)拖動(dòng)資源包中水資源預(yù)制物體進(jìn)場(chǎng)景面板，調(diào)整好位置和水的深度，護(hù)校河便制作完成。

2.功能。

第一人稱視角漫游：簡(jiǎn)稱“第一視角”?！暗谝灰暯恰蹦M場(chǎng)景中主角的視角觀察場(chǎng)景，更為直觀，也更具沉浸感，可觀察操作者每個(gè)細(xì)微的動(dòng)作，但看不見角色的全身。該視角尤其適合人物技巧性強(qiáng)的操作，更利于學(xué)習(xí)者跟蹤學(xué)習(xí)。在虛擬攝影平臺(tái)的場(chǎng)景拍攝中，將視角切換至第一人稱視角，利用鍵盤按鍵實(shí)現(xiàn)人物的移動(dòng)。這可以模擬學(xué)習(xí)者的視角瀏覽場(chǎng)景，捕捉到精彩瞬間進(jìn)行虛擬攝影拍攝。

第三人稱視角漫游：簡(jiǎn)稱“第三視角”?！暗谌暯恰笔且詧?chǎng)景中非主角的視角觀察整個(gè)場(chǎng)景，觀察較為縱觀，可體現(xiàn)場(chǎng)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(xué)習(xí)者對(duì)學(xué)習(xí)過(guò)程的宏觀把控。在虛擬攝影平臺(tái)的場(chǎng)景中，將視角切換至第三人稱視角，可跟隨主角漫游整個(gè)場(chǎng)景，更為快速地找到適宜的拍攝地點(diǎn)完成拍攝。

視角切換：此場(chǎng)景中支持用戶的多視角切換。連續(xù)點(diǎn)擊視角切換按鈕可持續(xù)循環(huán)切換鏡頭。提供四個(gè)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(chǎng)景，可以看清楚主角的各種動(dòng)作；CCTV視角，實(shí)時(shí)直播，在主角的前側(cè)方，跟隨主角；相機(jī)設(shè)置視角，可以對(duì)照相機(jī)進(jìn)行相關(guān)的設(shè)置。

相機(jī)設(shè)置：視角切換至相機(jī)設(shè)置，可對(duì)照相機(jī)進(jìn)行基本的設(shè)置：開關(guān)、快門、光圈。將光標(biāo)移至照相機(jī)模型的開關(guān)裝置上，通過(guò)滾動(dòng)鼠標(biāo)的滾輪，可控制照相機(jī)的開和關(guān)。同樣，將光標(biāo)移至照相機(jī)模型的快門或光圈上裝置上，滾動(dòng)鼠標(biāo)滾輪，可對(duì)照相機(jī)的快門或光圈進(jìn)行設(shè)置。

照片拍攝：打開照相機(jī)開關(guān)，設(shè)置好相關(guān)參數(shù)，切換至取景器視角，聚焦拍攝對(duì)象，按下快門進(jìn)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(huì)顯示照片縮略圖，點(diǎn)擊縮略圖可放大照片進(jìn)行查看，再次點(diǎn)擊縮略圖可返回。

五、總結(jié)與展望

本文探討了利用虛擬仿真技術(shù)結(jié)合情境認(rèn)知和虛擬體驗(yàn)理論，對(duì)虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境的建設(shè)研究，試圖彌補(bǔ)現(xiàn)有教學(xué)手段的缺陷與不足，脫離實(shí)踐教學(xué)課程中設(shè)備匱乏的困境，改善現(xiàn)有教學(xué)環(huán)境，為教學(xué)改革謀求新的出路，更是為虛擬仿真技術(shù)在學(xué)科教學(xué)中的應(yīng)用展開了新的嘗試，為以后的深入研究奠定基礎(chǔ)。

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