3D虛擬仿真技術(shù)在信息化教學中的運用

(永州職業(yè)技術(shù)學院 教務(wù)處，湖南 永州 425000)

3D技術(shù)與虛擬仿真技術(shù)在現(xiàn)代信息化教學中的運用，有效地為學生提供了更加接近真實的學習環(huán)境，激發(fā)了學生的學習興趣，對課堂教學方法的改進、對信息化教學模式的改革起到了極大的促進作用。3D虛擬仿真技術(shù)在信息化教學中應用的核心是促進信息化資源庫的建設(shè)，重點是促進3D虛擬仿真平臺在信息化教學中的應用。

1 應用優(yōu)勢

1.1 給學生以真實的體驗感

在信息化教學中，對具有一定規(guī)模且復雜的項目工程，以及高消耗的產(chǎn)品生產(chǎn)項目，例如機械工程制造、電子元器件的生產(chǎn)等，利用3D虛擬仿真技術(shù)對項目進行模擬，讓學生在接近真實的環(huán)境中進行學習，能夠感受到工程項目或者產(chǎn)品生產(chǎn)的真實性，這不僅能夠增強學生的真實體驗，還能夠提高學生學習的目的性，增強學生的學習興趣。

1.2 鍛煉學生處理小概率事件的能力

小概率事件是指學生在學習或者在項目實施的過程中出現(xiàn)概率較低的事件或者問題，或者是在以后的學習與工作中偶然接觸到的事件。通過采用3D虛擬仿真技術(shù)對這些小概率事件進行模擬，讓學生在接近真實的環(huán)境中解決這些問題，培養(yǎng)與鍛煉學生處理、診斷故障的能力，這既有利于提高學生掌握相關(guān)知識與處理相關(guān)問題的能力，也有利于增強學生的職業(yè)競爭力。

1.3 提升學生的學習興趣

學生利用3D虛擬仿真技術(shù)平臺進行學習，可以幫助學生掌握一些復雜事物變化的過程，觀察一些危險化學試驗的反應過程，讓學生如身臨其境，能夠?qū)Ω鞣N變化過程進行充分觀察與分析，調(diào)動學生學習的積極性。同時，利用3D虛擬技術(shù)平臺還能夠?qū)W生的學習過程、操作過程、考試等進行分析與評價，并將學生的學習成果利用3D虛擬平臺將其展示出來，不僅能培養(yǎng)學生形成良好的學習習慣，還能夠提高學生的學習興趣。

1.4 采用多終端實現(xiàn)全天候的學習

采用3D虛擬仿真技術(shù)可以實現(xiàn)一些細小知識點的講解與模擬，形成一些“微型化”的學習資源，方便學生能夠充分利用碎片化的時間，全天候進行學習，并采用智能設(shè)備、移動設(shè)備等進行隨時隨地的移動學習。學生利用虛擬平臺，根據(jù)自己的興趣選擇合適的學習資源，不僅能提升解決問題的能力，也能夠提高學生的學習效率。

2 必要性分析

2.1 有效促進信息化教學的發(fā)展

3D虛擬仿真技術(shù)在信息化教學中的應用，創(chuàng)新了信息化教學模式——虛擬化教學模式。學生通過采用虛擬仿真技術(shù)平臺，能夠進行自主探究、發(fā)現(xiàn)學習，學生在接近真實的環(huán)境中發(fā)現(xiàn)問題與解決問題，能夠有效培養(yǎng)學生的發(fā)散性思維與創(chuàng)新性思維。3D虛擬仿真技術(shù)在信息化教學模式中的應用，使得現(xiàn)代信息技術(shù)教學模式更加豐富，例如利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以對復雜的機械加工生產(chǎn)工藝、流程進行模擬，增加學生對整個機械加工過程理解，然后讓學生通過3D虛擬仿真系統(tǒng)實踐操作，真正掌握機械加工過程所涉及的知識。3D虛擬仿真技術(shù)作為一種新型教學模式，使得信息化教學環(huán)境更加豐富。在信息化教學中發(fā)揮重要的作用。教師將3D虛擬仿真技術(shù)融合在信息化教學中，可以將3D虛擬仿真技術(shù)用于概念的講解、復雜問題分析、案例講解等，也可以利用3D虛擬仿真技術(shù)來構(gòu)建一個虛擬的生產(chǎn)車間，讓學生通過在車間漫游，掌握生產(chǎn)流程，提高學生的認知能力，如圖1所示。3D虛擬仿真技術(shù)能幫助學生探索新知、感受未知，提升學生的學習興趣。

圖1 虛擬生產(chǎn)車間

2.2 創(chuàng)新了信息化教學模式

信息技術(shù)轉(zhuǎn)變了傳統(tǒng)課堂的教學模式，出現(xiàn)了多種以信息技術(shù)為基礎(chǔ)的教學模式。特別是微課、微視頻等現(xiàn)代信息資源的運用，促進了翻轉(zhuǎn)課堂教學模式的發(fā)展。而3D虛擬仿真技術(shù)在信息化教學資源開發(fā)中的應用，可以結(jié)合具體的知識點建設(shè)合適的微視頻資源，可以就一個復雜的知識點進行模擬分析，然后將其利用于翻轉(zhuǎn)課堂教學模式中。這不僅能夠培養(yǎng)學生的感知能力，還能夠培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力，方便學生掌握比較復雜的學習內(nèi)容。同時也實現(xiàn)了教師教學與3D虛擬仿真技術(shù)的人機交互并存的新型教學模式。這不僅能刺激學生的求知欲，還能夠增強學生的學習興趣，突破學生技能學習的時間與空間的限制，達到信息化教學改革的目標，促進學生的全面發(fā)展。

3 應用策略

3.1 對接專業(yè)性學科的特點

將3D虛擬仿真技術(shù)運用到專業(yè)性的學科教學中，創(chuàng)設(shè)互動教學課堂環(huán)境，提高課堂教學的效率，符合學生學習的需要，學生在互動體驗的過程中提升自己對復雜知識的理解能力與實踐操作的能力。例如將3D虛擬仿真技術(shù)運用到服裝設(shè)計課程的教學中，通過3D虛擬仿真平臺，輸入相應的人體參數(shù)，結(jié)合人體的膚色、臉型、發(fā)型等來模擬人體形態(tài)特征，建立逼真的人體特征模型，設(shè)計各種各樣的服飾，讓學生在真實的環(huán)境中掌握服裝設(shè)計的總體要求，體驗服裝設(shè)計的基本技巧，便于學生掌握服裝設(shè)計的原理，提高學生實踐操作的能力，同時也能培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維。

雖然一般的信息化教學手段在一定程度上也能提高課堂的教學效率，但是學生對于一些技能比較復雜、試驗過程比較危險等不可視、不可摸、不可進入的問題掌握得還是不夠熟練，主要原因是采用信息技術(shù)只能讓學生觀察，不能為學生提供實踐操作的場合，學生的體驗效果不是十分明顯。而采用3D虛擬仿真技術(shù)平臺，學生可以根據(jù)自己的需要，輸入不同的參數(shù)來進行人機互動，使得他們的想法、創(chuàng)意都能得到實現(xiàn)。同時，在一些復雜的實踐操作中，學生還能夠通過自己動手來一步一步地掌握操作技巧，讓學生在體驗的過程中提高實踐操作技能。因此，把3D虛擬仿真平臺有效地與專業(yè)課程教學對接，將一些復雜的操作技能、實驗技能采用立體化的虛擬技術(shù)展示出來，讓學生通過人機交互，刺激學生的視覺、聽覺、感覺、觸覺等器官，從而能夠快速地掌握實踐操作技巧。

3.2 3D虛擬仿真技術(shù)導入課程教學過程

隨著現(xiàn)代“微”技術(shù)的發(fā)展，微博、微信、微視頻等微媒體在現(xiàn)代課堂教學中得到了廣泛的應用，例如慕課、微課、翻轉(zhuǎn)課堂、非正式學習等新型學習形式不斷提升信息化課堂的教學質(zhì)量，也轉(zhuǎn)變了信息化課堂的教學理念，3D虛擬仿真技術(shù)已經(jīng)成為一種新型的教學模式。利用3D虛擬仿真平臺，教師開發(fā)出虛擬的“微型”學習資源，將復雜的、平面的物體轉(zhuǎn)換為三維虛擬交互空間，讓學生通過智能設(shè)備來觀看微視頻，也可以通過人機互動來觀察實踐操作的過程，這樣改變了對概念、操作過程枯燥、無味的講解形式，提高課堂教學的真實感。例如，在學習機械制造的相關(guān)課程時，利用3D虛擬仿真技術(shù)來模擬整個生產(chǎn)車間，向?qū)W生介紹生產(chǎn)車間的數(shù)控機床、生產(chǎn)設(shè)備、質(zhì)量管理、生產(chǎn)流程工藝等，讓學生通過“車間漫游”來掌握機械加工過程中需要注意的問題。這種采用多維信息技術(shù)創(chuàng)設(shè)的3D虛擬仿真空間，給學生以身臨其境的感覺，具有很強的代入感與沉浸感，還可以利用3D虛擬仿真系統(tǒng)的演示功能，讓學生掌握數(shù)控機床的具體編程與實踐操作的過程，以及違規(guī)操作帶來的不良后果等，這樣學生在后期的操作過程中，就會高度重視安全生產(chǎn)與操作過程。隨著網(wǎng)絡(luò)及數(shù)字時代的到來，采用3D虛擬仿真技術(shù)來開發(fā)多種微型的學習資源，為學生提供多元化的學習環(huán)境，并將3D虛擬仿真技術(shù)融入課堂教學中，增強學生的體驗效果與學習興趣，提高實踐課堂的教學效率，給現(xiàn)代信息化課堂提供了更多可能性，讓學生在互動、虛擬的環(huán)境中進行自主學習，提高學生實踐操作能力。

3.3 不斷完善并創(chuàng)建教學資源庫

在信息技術(shù)環(huán)境下，采用3D虛擬仿真技術(shù)平臺給學習者提供一個逼真的虛擬學習環(huán)境，可以據(jù)此開發(fā)出多樣化、立體化學習資源，豐富課堂教學資源庫。在信息化教學的過程中，如果僅僅是對某一門教材進行PPT課件制作、開發(fā)視頻資源，那么就不能充分地體現(xiàn)信息技術(shù)在課堂教學中的優(yōu)越性。采用3D虛擬仿真技術(shù)則可以開發(fā)學科的微資源，建立虛擬的學習環(huán)境，為學生提供多元化的學習空間。例如在學習美術(shù)課程時，可以利用三維技術(shù)軟件(MAYA，3DMAX，C4D等軟件)進行虛擬仿真學習資源的開發(fā)，可以將圖片和文字進行立體化處理，形成多元化的學習資源，建立虛擬的藝術(shù)空間、藝術(shù)作品和藝術(shù)家等，讓學生通過暢游藝術(shù)博物館，掌握藝術(shù)的發(fā)展過程。學習者不再是簡單地觀看作品，而是參與到作品創(chuàng)作的真實環(huán)境中，進而能夠真正了解作者創(chuàng)作作品的真實背景與內(nèi)涵。教師在教學過程中，還可以利用3D虛擬仿真技術(shù)來開發(fā)各種各樣的微視頻，逐漸積累并完善教學資源庫的建設(shè)，為學生學習提供多元化的支持服務(wù)。

3.4 3D虛擬仿真實訓系統(tǒng)的構(gòu)建

針對生產(chǎn)實訓教學過程中存在學生人數(shù)多，實訓設(shè)備少的現(xiàn)實，以及一些作業(yè)操作細節(jié)比較復雜，問題故障難以重現(xiàn)，實訓設(shè)備、器材昂貴等情況，采用3D虛擬仿真系統(tǒng)開展學生實訓對實踐教學具有十分重要的作用。在實訓教學的過程中，采用3D虛擬仿真實訓系統(tǒng)，為學生提供接近真實的學習環(huán)境，讓學生在實踐操作之前，通過虛擬仿真系統(tǒng)掌握實踐操作的基本要求與實踐操作的基本工藝流程，以及在實踐操作的過程中需要注意的安全問題。例如在“虛擬電子科技有限公司”的實訓系統(tǒng)中，首先構(gòu)建如圖2所示的生產(chǎn)架構(gòu)示意圖。其詳細地模擬了產(chǎn)品原型的設(shè)計、印刷電路板的設(shè)計等生產(chǎn)工藝與流程，并對各種儀器設(shè)備的使用進行詳細講解，形成了一整套的實踐操作規(guī)范，支持教學情境的創(chuàng)設(shè)，將各種學習任務(wù)進行了分解與組合，學生在學習的過程中，還可以通過互動、交流來完成學習任務(wù)。

圖2 電路印刷版的生產(chǎn)流程

讓學生在這種3D虛擬仿真環(huán)境中，達到傳統(tǒng)環(huán)境中無法達到的實訓效果，獲得真實環(huán)境下無法獲取的知識體驗，從而能夠進一步提升學生的知識理解能力與實踐操作綜合技能。

4 結(jié)語

3D虛擬仿真技術(shù)在現(xiàn)代信息化教學中的應用，不僅能夠提高課堂教學的效率，還能激發(fā)學生的學習欲望。由于3D虛擬仿真技術(shù)對教師與學生的計算機技能要求較高，3D虛擬仿真技術(shù)要在更為廣泛的空間內(nèi)進入課堂，還需進一步提升教師與學生的計算機技能，降低3D虛擬仿真技術(shù)的準入門檻，而隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，3D虛擬仿真技術(shù)將會在課堂教學中得到廣泛應用。