教育信息化背景下虛擬仿真教學資源建設

劉亞豐，余龍江，盧群偉，蘇 莉，吳元喜

(華中科技大學 生命科學與技術(shù)學院，湖北 武漢 430074)

虛擬仿真教學利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)和仿真模擬技術(shù)，構(gòu)建虛幻的條件與場景、逼真的操作對象與學習內(nèi)容及靈活多樣的互動環(huán)節(jié)，使得高效、安全、經(jīng)濟、完全開放的教與學成為可能[1－3]，有望成為除理論教學、實踐教學之外的第三種教學模式，將成為信息時代教育改革的發(fā)展方向和實踐教育信息化的重要舉措[4－6]。

信息技術(shù)的快速發(fā)展推動各類教學資源如Word文檔、PowerPoint課件、微課及動畫等廣泛應用，這些資源的文件格式、展現(xiàn)形式和執(zhí)行方式不同，有些屬于虛擬仿真教學資源，有些屬于一般數(shù)字化教學資源。面對專業(yè)知識更新速度快及個性化學習需求，虛擬仿真教學資源開發(fā)與建設要考慮成本、擴展、兼容、共享及更新等問題[7－10]，并協(xié)調(diào)與其他教學資源的融合，以提升教學質(zhì)量并促進其可持續(xù)發(fā)展，使之能夠運行于不同操作系統(tǒng)上或運行于不同終端設備上。

1 教學資源分類

教室、實驗室、機房、儀器設備、器具耗材、藥品試劑、動植物標本及教案、教具甚至教師都可歸屬于傳統(tǒng)實體教學素材。計算機及網(wǎng)絡技術(shù)的發(fā)展，推動電子文檔、圖片、音頻、視頻及試卷題庫等形式多樣的信息化資源的涌現(xiàn)，為教師的教和學生的學提供了多種選擇，有力地促進教育信息化和推動教學目標實現(xiàn)。這些資源以不同展現(xiàn)形式向用戶提供信息、知識或技能，但缺乏交互環(huán)節(jié)或互動節(jié)點，不屬虛擬仿真教學資源，而是常規(guī)數(shù)字化教學素材。

為推動虛擬仿真教學模式實施，促進個性化、自主學習與實驗操作，可借助虛擬現(xiàn)實、多媒體、人機交互、數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡通信等技術(shù)構(gòu)建高度仿真的虛擬實驗環(huán)境和實驗對象，開發(fā)可滿足新時期教學大綱要求的、功能強大、信息量大、交互性強的虛擬仿真教學資源，它包括靜態(tài)模型和動畫程序兩類素材。

靜態(tài)模型素材包含分子細胞結(jié)構(gòu)庫、動植物標本庫、儀器設備庫、器具耗材庫、藥品試劑庫及實驗場景庫。通過計算機建模軟件，將現(xiàn)實中的儀器設備如顯微鏡、器具耗材如燒杯、藥品試劑如酒精及實驗場景如操作間等進行建模，建立不同精度、屬性可配置的二維或三維模型，用于結(jié)構(gòu)學習與功能認知。重要的是，這些資源易共享、可減少開發(fā)周期和節(jié)約成本，方便不同高校及公司構(gòu)建具有交互環(huán)節(jié)的動畫程序。

動畫程序素材是利用程序開發(fā)軟件如Unity3D，通過一定的流程和交互接口將相關(guān)靜態(tài)模型素材連接起來，形成特定知識點傳播的具有動畫效果的一段程序代碼。由于是程序代碼，它可以順序結(jié)構(gòu)和星狀結(jié)構(gòu)等多種形式運行，方便添加各種交互接口，其達到的功能與效果也將超出常規(guī)數(shù)字化素材，可用于實驗場景漫游、安全實訓操作、儀器設備操作、試劑制備操作、虛擬實驗操作和仿真實驗操作，可通過2D或3D方式展現(xiàn)。

虛擬仿真教學模式順利開展，同樣也離不開其他教學資源建設，因此在當前教育信息化背景下，需要整合、優(yōu)化原有各類教學資源，建立有層次、可配置、方便擴展及有利共享的教學資源體系，如圖1所示。

圖1 教學資源分類

2 虛擬仿真教學資源需求分析

相對常規(guī)數(shù)字化資源，虛擬仿真教學資源所需技術(shù)多，制作周期長，開發(fā)費用高，交互環(huán)節(jié)特別是涉及人機交互硬件及軟件開發(fā)等方面的尤為復雜，其建設要從多方面考慮論證。

2.1 建設必要性

首先應考慮虛擬仿真教學資源建設的必要性。如果傳統(tǒng)實體教學資源或常規(guī)數(shù)字化資源可滿足教學大綱需求，則無需建設虛擬仿真教學資源。應本著 “能實不虛”“以虛促實”“以虛補實” “虛實互補”的建設原則，對于現(xiàn)實情況不具備或難以達到教學效果，或涉及高危、極端環(huán)境不可及、不可逆的教學與操作，或涉及高成本、高消耗的教學與操作，可考慮建設虛擬仿真教學資源[2－3]。

2.2 功能展現(xiàn)形式

虛擬仿真教學資源通常有兩種功能展示形式，一種是借助電腦屏顯示及鼠標與鍵盤交互的一般功能展示，這里定義平面展示；一種是需要借助投影系統(tǒng)、數(shù)據(jù)手套數(shù)據(jù)服、頭盔顯示器、位置跟蹤定位裝置及三維語音系統(tǒng)或觸覺反饋系統(tǒng)等的特效功能展示，這里定義為立體展示。立體展示是多維度的，不僅給用戶提供身臨其境的場景，也提供溫度、位置及力量等多參數(shù)反饋信息，因而比平面展示更逼真，效果也更好，但所需技術(shù)較多，開發(fā)更復雜。

2.3 開發(fā)周期與成本

模型的精度和交互程度決定了虛擬仿真教學資源的建設周期，也決定了開發(fā)成本。真實物體的復雜度及精細度決定模型制作的前期工作量，制作二維模型和三維模型及它們的精細度決定了后期工作量。交互節(jié)點數(shù)、交互執(zhí)行結(jié)構(gòu)及是否需要軟硬件接口與反饋等決定了交互程度。以實驗室漫游場景為例，目前市場上的價格是每秒400～2 000元，這對于一般高校而言都是非常大的開支，因此在規(guī)劃建設虛擬仿真教學資源時，應理性考慮制作周期、開發(fā)成本及可持續(xù)發(fā)展。

3 虛擬仿真教學資源建設

虛擬仿真教學資源開發(fā)一般包括原始素材獲取、模型素材構(gòu)建、動畫程序開發(fā)及測試發(fā)布等環(huán)節(jié)，如圖2所示。

圖2 虛擬仿真教學資源開發(fā)流程

3.1 原始素材獲取

經(jīng)過虛擬仿真教學資源需求分析，確定制作質(zhì)量與效果后，就要獲取原始素材，它包括靜態(tài)素材和程序腳本的獲取。

3.1.1 靜態(tài)素材

靜態(tài)素材包括場景設施、儀器設備、試劑耗材、藥品試劑及動植物標本等，要采用高清相機拍攝，攝制前應協(xié)調(diào)溝通好靜態(tài)素材的主體與功能，以使模型制作有針對性和側(cè)重點。拍攝中，要有針對性的選取光圈大小、曝光時間及感光度，凸顯素材之間的差別。如果素材老舊或受拍攝限制及光照條件影響等，可利用Photoshop等圖像處理軟件進行技術(shù)處理或修復，去除圖片中雜景和扭曲，調(diào)整色階或進行濾波處理等。

3.1.2 程序腳本

程序腳本是所開發(fā)教學資源要達到教學效果及實施的設計思路、目標要求及執(zhí)行結(jié)構(gòu)，它是專業(yè)知識與信息技術(shù)融合的基礎，也是在教育信息化時代傳統(tǒng)教案在內(nèi)容上的延伸。要開發(fā)出高質(zhì)量的虛擬仿真教學資源，需要在程序腳本上下功夫。專業(yè)知識通過什么樣的形式可更有效展現(xiàn)？如何鍛煉學生綜合設計及創(chuàng)新能力？交互環(huán)節(jié)如何設計？教學質(zhì)量與效果如何達到等，只有專任教師才熟悉這些專業(yè)知識及存在的問題，因而程序腳本通常應由專業(yè)老師親自撰寫或主導編寫。

3.2 模型素材制作

在獲得靜態(tài)素材圖片及尺寸后，可采用3DSMax或Maya軟件構(gòu)建實物模型。模型線數(shù)、面數(shù)、貼圖及紋理等參數(shù)決定模型的真實度。如圖3所示，顯示了3種不同精度要求制作的研缽模型，其效果差別明顯。如果靜態(tài)素材復雜而制作精度又高，將會使模型文件過大，降低軟件運行速率，則需要優(yōu)化處理模型制作。模型優(yōu)化有建模優(yōu)化與貼圖材質(zhì)優(yōu)化，可采取二次建模優(yōu)化技術(shù)、動態(tài)生成三維實體技術(shù)、代碼重用及封裝技術(shù)進行優(yōu)化。另外，盡量減少點、面及多邊形，刪除不用或看不到的面與區(qū)域，控制建模數(shù)據(jù)的小數(shù)點位數(shù)等。

圖3 不同精度的研缽模型

貼圖材質(zhì)制作是一個模型的靈魂，它在模型制作過程中占較大比重。貼圖類型包括漫反射貼圖、高光貼圖和法線貼圖。漫反射貼圖即物體本身顏色紋理制作，開發(fā)要求低的可采用這種貼圖方法；高光貼圖反映了一個物體在光照下的真實屬性，開發(fā)出更真實的高模，這種方法需要計算機多次優(yōu)化運算；法線貼圖可以讓低模繼承高模的凹凸紋理，用最少資源產(chǎn)生與高模同樣的真實立體效果。

模型貼圖文理制作后，通常還需要封裝賦予運動元素，讓模型按照流程要求動起來，注意幀速及預留幀等待時間，動作必須自然流暢，符合運動規(guī)律，避免丟失動畫幀。

3.3 動畫程序開發(fā)

模型構(gòu)建完成后可一起或分批導入虛擬現(xiàn)實軟件中，進行后期程序編寫制作，主要包含以下兩個方面。

3.3.1 開發(fā)軟件選取

目前流行的虛擬現(xiàn)實開發(fā)軟件有Virtools公司的Virtools、荷蘭Act3D公司Quest3D、Unity Technologies公司的Unity3D、Cycore公司的Cult3D及國內(nèi)中視典公司的VR－Platform等。這些開發(fā)軟件擁有人機界面的設計能力、3D場景和模型渲染展示能力及腳本交互控制能力。目前采用Unity3D開發(fā)的居多，主要在于它有強大的3D渲染能力，支持PC、Android、IOS、網(wǎng)頁及XBox等平臺，并提供多種接口運行腳本語言，如基于C＃和JavaScript腳本程序可將模型及多媒體元素整合，滿足交互環(huán)節(jié)設計需求，從而提高開發(fā)速度，并能保證平臺后期的拓展。

3.3.2 流程制作

流程制作通常包括UI功能制作、場景功能交互制作、特效制作、屏幕渲染及優(yōu)化處理等幾個環(huán)節(jié)。UI功能制作通過代碼邏輯和UI函數(shù)的調(diào)用來實現(xiàn)用戶與系統(tǒng)的UI界面的功能交互，實現(xiàn)用戶的輸入、選擇、點擊及拖拽等操作，可進行實驗流程設計和實驗參數(shù)選取設定等。Unity3D用代碼邏輯控制UI布局、大小及不同分辨率下的自適應、字體特效、圖片大小與動態(tài)顯示和圖片特效等。

Unity3D中的場景功能交互制作，是用C＃語言編寫腳本實現(xiàn)用戶與場景中對象交互，通過一定的形式觸發(fā)動作、響應、反饋，或進行參數(shù)選取、屬性配置和流程組合等。這一部分是虛擬仿真教學資源建設的重點，可以說該環(huán)節(jié)的復雜度、豐富度決定了虛擬仿真教學資源的建設質(zhì)量及所能達到的教學效果。如圖4所示，是本文基于Unity3D軟件開發(fā)的細胞膜片鉗虛擬仿真實驗項目，它包含鏡頭更換、載物臺移動、電極裝載、微操三維移動、正負壓給氣系統(tǒng)、焦平面調(diào)節(jié)和電子放大器等功能模塊及多界面窗口，方便實現(xiàn)參數(shù)設置、條件選取及人機交互等功能，對于學生掌握復雜的細胞膜片鉗實驗步驟和操作技能是非常有必要的。

圖4 膜片鉗虛擬仿真實驗操作界面

Unity3D中的特效制作是調(diào)用軟件中的插件，實現(xiàn)對指定對象形狀、行為、功能的特效烘托。如圖5所示，為更逼真地顯示玻璃器皿中培養(yǎng)細胞生存的水環(huán)境，本文采用Shader著色器并編寫腳本控制其屬性，從而可動態(tài)控制水分子隨機閃爍。

圖5 Shader控件實現(xiàn)水分子特效展示

在流程制作后期，可調(diào)整實驗場景視角、光影效果、天空顯示及顏色修正，對屏幕進行后期渲染。另外，還可利用Unity3D內(nèi)部分析軟件對場景中模型和交互代碼進行分析，查找過于繁瑣的代碼或面數(shù)過多的模型進行后期處理。

3.4 軟件測試發(fā)布

軟件測試是教學資源修正、優(yōu)化和完善的重要環(huán)節(jié)，應組織學生試用并和相關(guān)老師、專業(yè)技術(shù)人員討論、評估及修改。軟件發(fā)布階段主要是將制作好的虛擬仿真教學資源以可執(zhí)行方式或網(wǎng)頁播放方式進行發(fā)布，以便在本地機運行或遠程在線訪問。由于虛擬仿真教學資源開發(fā)對專業(yè)知識要求高、對開發(fā)技術(shù)要求高，通常涉及教師、高校及合作公司的知識產(chǎn)權(quán)而需保護，為此在軟件發(fā)布前，應進行程序代碼加密、注冊碼保護及用戶管理等處理。

4 結(jié)束語

虛擬仿真教學模式是教育信息化發(fā)展趨勢下出現(xiàn)的新教學方式，它的出現(xiàn)將積極推動教學改革和提升教育質(zhì)量。本文結(jié)合華中科技大學國家級虛擬仿真實驗教學中心建設經(jīng)驗，從需求分析、原始素材獲取、模型素材制作及動畫程序開發(fā)等幾個方面詳細介紹了虛擬仿真教學資源的建設原則、建設內(nèi)容、實施過程及技術(shù)需求，以期在教案設計和資源建設方面建立統(tǒng)一標準[11－12]，推動教學模式順利實施，彰顯虛實結(jié)合的教學特色和提升學生創(chuàng)新實踐能力。

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