基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)創(chuàng)建在線課程的實踐教學(xué)研究與應(yīng)用①

劉萃

[摘 ? ? ? ? ? 要] ?隨著資本對虛擬現(xiàn)實的持續(xù)關(guān)注、硬件成本降低、設(shè)備的普及以及互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)對教育融合的深入，迫切需要虛擬現(xiàn)實技術(shù)改造傳統(tǒng)教育模式包括當下流行的在線課程。將Unity3D虛擬現(xiàn)實技術(shù)與在線開放課程有機融合，構(gòu)建實時的、高保真的、用戶高度介入的在線開放課程作為學(xué)習(xí)環(huán)境，給情景教學(xué)帶來了新的方向。

[關(guān) ? ?鍵 ? 詞] ?虛擬現(xiàn)實技術(shù);在線開放課程;實踐研究

[中圖分類號] ?G712 ? ? ? ? ? ? ? ? ? [文獻標志碼] ?A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?[文章編號] ?2096-0603（2019）14-0132-02

虛擬現(xiàn)實實踐教學(xué)并不是一種工具或技術(shù)的簡單應(yīng)用，而是一種全新的實踐教學(xué)模式。虛擬現(xiàn)實教育是指將傳統(tǒng)教育教學(xué)適應(yīng)新技術(shù)的發(fā)展，培養(yǎng)現(xiàn)代型人才的一種新型教學(xué)模式，是人類進入虛擬空間進行教育與活動的一種教學(xué)方式。

廣義上講，虛擬教學(xué)應(yīng)該包括虛擬教室、虛擬實驗室、虛擬教師等，以及其中進行的虛擬研討會等活動。狹義上講，虛擬教學(xué)就是指運用科學(xué)技術(shù)構(gòu)建一個虛擬的學(xué)習(xí)環(huán)境，并將所要掌握的知識點進行客觀重現(xiàn)，從而掌握更多的知識。

在這種環(huán)境中，學(xué)生能夠通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)所呈現(xiàn)出來的虛擬感受、虛擬視覺等信息獲取更多的自我感受。從某種程度上來說它符合新型在線開放課程對教師教學(xué)模式上的要求，更加注重學(xué)生的主體感受，培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力與自我思考的能力。

虛擬現(xiàn)實教育能夠?qū)⒓夹g(shù)與教學(xué)相結(jié)合，拓寬師生的視野，能夠極大程度地延伸教學(xué)空間，同時在教學(xué)資源上也能夠?qū)崿F(xiàn)大量擴充。從具體的意義上來說，虛擬教學(xué)突破了傳統(tǒng)教學(xué)在時間、空間上的限制，采用模擬場景，彌補教師創(chuàng)設(shè)情境不符的問題。

一、國內(nèi)外虛擬實踐教學(xué)的發(fā)展現(xiàn)狀

20世紀80年代初，美國VPL公司的創(chuàng)建人之一Jaron Lanire利用以計算機技術(shù)為核心的現(xiàn)代技術(shù)生成逼真的視覺、聽覺、觸覺一體化的特定范圍的虛擬環(huán)境，創(chuàng)造了虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality）概念。1998年，美國弗吉尼亞大學(xué)教授William Wolf提出合作實驗室概念，并稱作“無墻的研究中心”，其目的是開發(fā)一個分布式的計算機網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)，讓身處世界各地的科學(xué)家能分享儀器設(shè)備、數(shù)據(jù)、信息等資源，這也就是人們常說的虛擬實驗室。隨著計算機、網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的快速發(fā)展，國外一些著名大學(xué)，如麻省理工學(xué)院、休斯敦學(xué)院、哈佛大學(xué)等，先后構(gòu)建了微電子在線、虛擬物理、手術(shù)仿真等虛擬仿真實驗室，為實驗教學(xué)提供了全新的實驗方式。

2013年，教育部在全國啟動了國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)工程，極大地促進了信息技術(shù)與實驗教學(xué)的深度融合，推動了實踐教學(xué)內(nèi)涵建設(shè)的提升和可持續(xù)發(fā)展。截止到2015年9月，全國155所普通高校已建設(shè)了200個國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心。

虛擬實踐教學(xué)不是在線開放課程的產(chǎn)物，但它必然是在線開放課程實踐教學(xué)的重要組成部分。突破在線開放課程存在的時空限制，利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)構(gòu)建在線課程的實踐教學(xué)方法，為學(xué)習(xí)者提供交互式、沉浸式的實驗環(huán)境，是有效實施虛擬實踐教學(xué)在線開放課程進一步發(fā)展的基本保證。

二、虛擬現(xiàn)實技術(shù)在在線開放課程中的價值

（一）提高學(xué)習(xí)效率

相關(guān)機構(gòu)的研究結(jié)果表明，單一媒體的教學(xué)形式如文字或圖片產(chǎn)生教學(xué)效率約為10%;復(fù)合媒體教學(xué)形式的效率，如多媒體教學(xué)，約為30%;高沉浸的媒體，如虛擬現(xiàn)實教學(xué)的效率則達到70%?？梢娞摂M現(xiàn)實可以大幅提高教學(xué)效率與學(xué)習(xí)效率。

（二）降低教育成本

將虛擬現(xiàn)實用于實驗教學(xué)中，將替代一部分實驗，可以降低目前實操實驗的成本。在教育實驗過程中還會遇到各種稀缺資源，尤其是醫(yī)護專業(yè)的人體資源，不是每一個學(xué)生在每個階段都有充足的資源可以使用。虛擬現(xiàn)實教育可以在實驗過程中將不可逆的問題通過虛擬現(xiàn)實進行反復(fù)的操作并進行數(shù)據(jù)分析。

（三）提高學(xué)習(xí)興趣與動力

虛擬現(xiàn)實的沉浸感、臨場感和趣味性，可以將枯燥乏味的知識以生動有趣的方式呈現(xiàn)出來，大大提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。

三、虛擬現(xiàn)實技術(shù)在在線開放課程中的應(yīng)用方法

為突破在線課程中存在的時空限制，利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)構(gòu)建在線課程教育方法，為學(xué)習(xí)者提供交互式、沉浸式的實驗環(huán)境，有效實施虛擬實驗教學(xué)是在線開放課程進一步發(fā)展的基本保證。

虛擬現(xiàn)實教育能夠?qū)⒓夹g(shù)與教學(xué)相結(jié)合，拓寬師生的視野，在教學(xué)空間上能夠極大程度的進行延伸，同時在教學(xué)資源上也能夠?qū)崿F(xiàn)大量的擴充。從具體的意義上來說，虛擬教學(xué)突破了傳統(tǒng)教學(xué)在時間、空間上的限制，采用模擬的場景，彌補了教師情境創(chuàng)設(shè)時的不符問題。

應(yīng)用開發(fā)主要分為四個步驟：（1）廣泛收集教育教學(xué)媒體素材，包括圖片、文字、聲音、視頻和動畫等，收集到的素材不一定合適，這就需要用多媒體軟件對素材做進一步的處理，使其符合設(shè)計要求。（2）對對象進行特征提取，使用Maya建立三維模型并導(dǎo)出FBX格式文件。（3）使用Unity引進優(yōu)化模型，調(diào)節(jié)動畫、編寫C#腳本實現(xiàn)智能控制。（4）對系統(tǒng)進行優(yōu)化，并發(fā)布調(diào)試完善并提交。（如下圖）

四、Maya軟件制作虛擬現(xiàn)實場景和角色

基于Unity引起的虛擬現(xiàn)實開發(fā)，可以仿造游戲開發(fā)的流程，對于場景環(huán)境的設(shè)置，可以充分利用Unity的資源，若要創(chuàng)建較為復(fù)雜的場景、模型或角色，一般利用高效建模的軟件進行制作（本項目采用MaYa軟件）。然后在Unity中導(dǎo)出擴展為FBX文件我們可以通過物理引擎或者程序腳本的方法來創(chuàng)建動畫，某些比較復(fù)雜且不參與實時交互的動畫單元，也可以利用其他軟件進行輔助設(shè)計。

模型材質(zhì)的制作，在虛擬現(xiàn)實設(shè)計中要求模型幾何形態(tài)充分接近實物，最好能還原模型表面的質(zhì)感。對于模型的材質(zhì)制作可分為前期和后期。前期是指在Maya中布光，調(diào)材質(zhì)球，烘焙貼圖;后期是指在Unity中布光，調(diào)節(jié)材質(zhì)的Shader參數(shù)。而前期的布光烘焙我們又可以采取Maya默認的掃描線方案，當然也可以采取效果更好的VRay方案。

動畫制作中，在設(shè)計動畫時首先需要根據(jù)項目的需求，結(jié)合專業(yè)知識和相關(guān)經(jīng)驗，寫出動畫腳本，設(shè)定動畫順序、節(jié)奏和播放幀數(shù)。當然，可以在開始的時候進行實際測試，然后調(diào)整腳本。在創(chuàng)建攝影機時，如果選用了帶目標點的，那么動畫導(dǎo)入到Unity中需要添加程序腳本來實現(xiàn)攝影機動畫正常播放。

最后，模型交互實現(xiàn)將利用C#進行腳本編寫，實現(xiàn)智能交互，如視點、動畫播放控制、攝像機動畫設(shè)置，對像監(jiān)測并響應(yīng)鼠標事件，改變材質(zhì)、位置等，還可以連接數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)更豐富的數(shù)據(jù)信息查詢功能。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)作為一種新型的教學(xué)實踐方法，引起教學(xué)界極大的關(guān)注，虛擬現(xiàn)實的沉浸式使參與者集中精力全身心投入到虛擬培訓(xùn)中，這種感覺、體驗以及影響是深遠的。在線開放課程的應(yīng)用過程中，虛擬現(xiàn)實技術(shù)也面臨與教育整合的問題，如虛擬現(xiàn)實教學(xué)模式和教學(xué)策略、教學(xué)內(nèi)容的呈現(xiàn)，教學(xué)系統(tǒng)如何更好地體現(xiàn)智能性等問題都有待繼續(xù)研究和解決。

基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的在線開放課程設(shè)計，有著巨大的市場開發(fā)空間和應(yīng)用前景，它采用組件化的設(shè)計思想，具有很強的拓展性，相信基于Unity的虛擬現(xiàn)實技術(shù)使在線開放課程的應(yīng)用更廣泛，更完善。

五、虛擬現(xiàn)實技術(shù)在教學(xué)實踐中的應(yīng)用

虛擬現(xiàn)實技術(shù)作為一種新型技術(shù)在教育領(lǐng)域中的應(yīng)用還處于初級階段。各個行業(yè)都在積極探索如何利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)實現(xiàn)自身的實質(zhì)性轉(zhuǎn)變，“虛擬現(xiàn)實+教育”是其中之一?！疤摂M現(xiàn)實+教育”不僅強調(diào)產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域為教育提供相關(guān)的裝備、終端、應(yīng)用系統(tǒng)、平臺以及內(nèi)容的研發(fā)，更強調(diào)如何做好虛擬現(xiàn)實技術(shù)與STEM教育、創(chuàng)客教育、創(chuàng)業(yè)教育、教師培訓(xùn)等實踐需求的對接。虛擬現(xiàn)實教育應(yīng)用的本質(zhì)不在于增加新的教學(xué)工具，而在于引入新的教學(xué)方式和教學(xué)文化。這是虛擬現(xiàn)實技術(shù)教育應(yīng)用的重點和難點。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展完善以及與教育理論的深度融合，虛擬現(xiàn)實在教育領(lǐng)域會發(fā)揮著越來越重要的作用。

由于虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以給人一種身臨其境的真實感覺，能夠使人與虛擬環(huán)境之間進行多維信息的交互，因此該技術(shù)具有使人從定性和定量綜合集成的虛擬環(huán)境中獲得對客觀世界、客觀事物的感受及理性認識，進而對某些概念進行深化，并建構(gòu)新的構(gòu)思和創(chuàng)意的特征。

當前以信息技術(shù)為背景的現(xiàn)代教育，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣得到了提高，主體性得到了較大的發(fā)揮。但是，不可否認，絕大部分多媒體信息系統(tǒng)具有明顯的局限性，如學(xué)生只能按照時間流程，按電腦中程序設(shè)計的流向有限制地進行瀏覽和學(xué)習(xí)，大大降低了學(xué)生學(xué)習(xí)的參與性，降低了學(xué)生主動學(xué)習(xí)的熱情。而虛擬現(xiàn)實技術(shù)能夠創(chuàng)建與現(xiàn)實社會類似的環(huán)境，更容易解決學(xué)習(xí)媒體的情景化及自然交互性的要求，從而完美彌補了多媒體技術(shù)的不足。

在信息傳播技術(shù)迅速發(fā)展的今天，現(xiàn)有的教育內(nèi)容、教育手段和教育方法受到極大的挑戰(zhàn)。虛擬現(xiàn)實技術(shù)能夠形象生動地表現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容，有效地營造一個跟隨技術(shù)發(fā)展的教學(xué)環(huán)境，提高學(xué)生掌握知識、技能的效率，優(yōu)化教學(xué)過程、提高教學(xué)質(zhì)量、調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，突破教學(xué)的重點、難點的作用。與此同時，虛擬現(xiàn)實技術(shù)還結(jié)合了益智游戲、情景化學(xué)習(xí)、協(xié)作學(xué)習(xí)、遠程教育等多種手段能夠有效解決許多以前根本無法解決的教育問題。例如，通過VR進行教育教學(xué)活動，實現(xiàn)人與機器的交流，還能夠在某種程度上實現(xiàn)教學(xué)的游戲性，讓教育真正做到寓教于樂，有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，進而高效地創(chuàng)建學(xué)習(xí)情景、支持合作、促進交流和知識表達及應(yīng)用，進而構(gòu)建優(yōu)良的學(xué)習(xí)環(huán)境。因此，將虛擬現(xiàn)實技術(shù)運用于在線開放課程中其效果將是值得期待的。

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編輯 趙瑞峰