基于3D可視化技術(shù)的教學(xué)資源設(shè)計(jì)開發(fā)研究

摘要：隨著3D可視化技術(shù)的發(fā)展和VR技術(shù)在教育行業(yè)中的應(yīng)用，教學(xué)資源的形式也在逐漸更新?lián)Q代，教學(xué)資源的呈現(xiàn)形式已經(jīng)由普通的書面教材、多媒體課件向3D可視化教學(xué)資源方向發(fā)展。3D可視化教學(xué)資源彌補(bǔ)了傳統(tǒng)課堂不能提供立體視角和空間體驗(yàn)的不足，使得教學(xué)課程資源實(shí)現(xiàn)三維化、媒體化、豐富化展現(xiàn)。本文將3D可視化技術(shù)引入教學(xué)資源的設(shè)計(jì)和開發(fā)，迎合了信息化學(xué)習(xí)發(fā)展的潮流，革新了傳統(tǒng)教學(xué)資源，使得課堂教學(xué)更具趣味性和創(chuàng)新性。

關(guān)鍵詞：3D可視化技術(shù);教學(xué)資源;3D建模;仿真案例

中圖分類號：G40-057 ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ?論文編號：1674-2117（2019）13/14-0169-05

博物館中的文物和非物質(zhì)文化遺產(chǎn)作為活態(tài)文化產(chǎn)生并存在于民間，隨著時(shí)間的流逝，這些璀璨的民族文物通常只存放于博物館內(nèi)，有的甚至已經(jīng)逐漸淡出人們的視野。對于這類課程知識的學(xué)習(xí)，若采用傳統(tǒng)的媒體教學(xué)手段，難以營造一個(gè)真實(shí)的三維空間學(xué)習(xí)環(huán)境，學(xué)生學(xué)起來抽象且不易理解，更容易失去學(xué)習(xí)興趣。因此，可在教學(xué)活動(dòng)中，充分利用3D可視化教學(xué)資源作為學(xué)生學(xué)習(xí)輔助的資料，從具體畫面入手，營造跨越時(shí)空限制的教學(xué)環(huán)境，為抽象不易理解的知識點(diǎn)搭建學(xué)習(xí)環(huán)境。同時(shí)，學(xué)生能身臨其境感受真實(shí)文物，便于將具體的場景與抽象的描述結(jié)合構(gòu)建知識體系。

● 3D可視化教學(xué)資源概述

3D可視化教學(xué)資源本質(zhì)上是一種數(shù)字化的立體交互資源，具體指利用三維場景、動(dòng)畫、立體化模型結(jié)合可視化等技術(shù)來制作的教學(xué)資源庫，目的是使教學(xué)中抽象的二維平面教學(xué)內(nèi)容實(shí)現(xiàn)直觀化和立體化。目前3D教學(xué)資源多為虛擬實(shí)驗(yàn)平臺、全息教室和3D打印等。[1]教師引入3D可視化技術(shù)可以使學(xué)習(xí)內(nèi)容更具情境化，方便學(xué)生理解和內(nèi)化知識。

3D可視化教學(xué)資源應(yīng)用于教育教學(xué)中具有創(chuàng)新教學(xué)理念、提升教學(xué)質(zhì)量和提高教學(xué)效率的價(jià)值，但在其建設(shè)的過程中，存在成本高、投資大以及技術(shù)要求高和實(shí)踐方面困難的問題，現(xiàn)有的3D可視化教學(xué)資源的建設(shè)正處于實(shí)驗(yàn)探索階段，3D可視化教學(xué)資源庫的數(shù)量較少，普及度極低。[2]因此，在未來課堂教學(xué)中，建設(shè)符合學(xué)生學(xué)習(xí)需求的3D可視化教學(xué)資源，以及促進(jìn)3D資源與教育的無縫融合是當(dāng)前教育亟待解決的問題。

● 3D可視化教學(xué)資源設(shè)計(jì)開發(fā)方案

設(shè)計(jì)開發(fā)3D可視化教學(xué)資源是為了給學(xué)習(xí)者創(chuàng)設(shè)虛擬教學(xué)環(huán)境，因而，在設(shè)計(jì)開發(fā)時(shí)要充分考慮資源的三維立體化和教學(xué)需要。為了避免制作的3D可視化教學(xué)資源與教學(xué)實(shí)際脫節(jié)，在制作之前要進(jìn)行必要的模型方案設(shè)定。本文從教學(xué)實(shí)踐和學(xué)生角度出發(fā)，制訂出可以直觀、形象地呈現(xiàn)教材內(nèi)容的設(shè)計(jì)開發(fā)方案（如圖1）。

前期準(zhǔn)備：在3D可視化教學(xué)資源的設(shè)計(jì)和開發(fā)過程中，需要借助三維可視化教學(xué)虛擬工具，前期準(zhǔn)備應(yīng)從制作工具的選擇、制作腳本的設(shè)計(jì)和制作素材的收集三方面進(jìn)行考慮，并按一定的流程進(jìn)行制作。

模型建構(gòu)：3D模型建構(gòu)過程是整個(gè)教學(xué)資源開發(fā)的核心環(huán)節(jié)，該環(huán)節(jié)要求能夠建立起實(shí)物三維模型數(shù)據(jù)庫。在繪制過程中，模型的精確度和逼真性決定了教學(xué)實(shí)際應(yīng)用中的教學(xué)效果，同時(shí)也對后續(xù)的交互銜接工作有一定的影響。因此，需遵循三維可視化資源設(shè)計(jì)思想與原則進(jìn)行開發(fā)。

交互虛擬展示：交互虛擬展示是3D可視化教學(xué)資源設(shè)計(jì)開發(fā)的最后一個(gè)環(huán)節(jié)，應(yīng)盡可能對交互場景中的圖片、文字、聲音進(jìn)行合理設(shè)計(jì)布局，依據(jù)人機(jī)學(xué)標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)者與虛擬環(huán)境良好交互的功能，能夠身臨其境，進(jìn)而營造一種自主學(xué)習(xí)的環(huán)境。

● 3D可視化教學(xué)資源設(shè)計(jì)開發(fā)過程

3D可視化教學(xué)資源最終是投入教學(xué)活動(dòng)中供師生教學(xué)使用，因此在制作過程中，始終要遵循直觀方便、快捷高效、交互性強(qiáng)原則，所制作的資源要便于用戶體驗(yàn)，提高教學(xué)效率。[3]

1.文物與博物館學(xué)課程教學(xué)背景

文物與博物館學(xué)是人文社會(huì)科學(xué)下的一門重點(diǎn)課程，也是理論與實(shí)踐聯(lián)系最為緊密的課程，旨在培養(yǎng)具備文物學(xué)、博物館學(xué)及文化遺產(chǎn)學(xué)的系統(tǒng)知識的高素質(zhì)學(xué)生。[4]在現(xiàn)有的授課環(huán)節(jié)中，該課程無論是理論課還是實(shí)踐課，都是以傳統(tǒng)的教師講授方式展開，利用PPT教學(xué)、視頻資源手段輔助完成。然而，教師若沒有很好的情境模擬、空間描述能力，現(xiàn)有的視聽媒體只能幫助學(xué)生建立二維平面結(jié)構(gòu)，并不能營造一個(gè)虛擬空間學(xué)習(xí)環(huán)境，此類學(xué)習(xí)模式不能將教材中生澀難懂的學(xué)習(xí)內(nèi)容進(jìn)行直觀、立體化的展示，不利于學(xué)生的理解和運(yùn)用。

2.前期準(zhǔn)備

（1）選擇制作工具

3D可視化教學(xué)資源在開發(fā)過程中需要靈活選用合適的建模軟件，當(dāng)前比較常用的建模軟件主要有3Ds Max、Maya、Blender等，這類軟件可以用于現(xiàn)實(shí)生活中常見實(shí)物的模型創(chuàng)建、燈光渲染、材質(zhì)編輯等。本設(shè)計(jì)是針對文物與博物館學(xué)課程，使用群體為高校授課教師和學(xué)生，根據(jù)教學(xué)需求，擬選用操作性強(qiáng)、融合性好的3Ds Max軟件。在后期交互過程中，為使教學(xué)資源更加形象化和立體化，并能夠與3Ds Max軟件無縫合成，逼真還原三維場景的功能，最終選擇VR-Platform虛擬現(xiàn)實(shí)軟件進(jìn)行交互仿真平臺的開發(fā)。

（2）設(shè)計(jì)腳本

腳本設(shè)計(jì)是3D可視化教學(xué)資源制作的有效步驟之一，包括文字腳本的設(shè)計(jì)和制作腳本的設(shè)計(jì)。文字腳本是為了將教授過程中的教學(xué)思想反映出來，對設(shè)計(jì)的3D可視化資源所要傳遞的內(nèi)容進(jìn)行編寫，提高課堂效率。制作腳本是以文字腳本為基礎(chǔ)，對3D可視化資源的具體制作和功能進(jìn)行設(shè)計(jì)，涉及的細(xì)化梳理類似于分鏡頭腳本，主要內(nèi)容包括模型繪制的流程設(shè)計(jì)、交互模塊的界面設(shè)計(jì)和教學(xué)資源交互功能的設(shè)計(jì)等。這一過程性設(shè)計(jì)作為下一階段的資源開發(fā)依據(jù)，是教學(xué)資源制作的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

（3）收集素材

3D可視化教學(xué)資源的制作是一個(gè)系統(tǒng)化的工程，而3D資源庫素材的收集是一個(gè)長期且艱巨的工作，在開發(fā)之前需要對所需的素材資源進(jìn)行反復(fù)的搜索、下載、拍攝和修改處理。[5]在制造過程中通常需要準(zhǔn)備制作軟件、圖形圖像素材、音視頻素材、動(dòng)畫素材和模型素材。本設(shè)計(jì)將選取青銅文物為制作素材，并從網(wǎng)上和青銅器博物館獲取相應(yīng)青銅器文物素材，將其修改處理后待后期開發(fā)使用。

3.3D模型建構(gòu)

（1）模型的制作

青銅器文物具有歷史性和復(fù)雜性特點(diǎn)，在建模工作之前，需要按照建模流程確定好模型場景的幾何尺寸，這是建模最重要的環(huán)節(jié)之一。值得注意的是，單位設(shè)置對話框中，可以設(shè)置系統(tǒng)單位、顯示單位和光照單位的相應(yīng)參數(shù)。通常情況下，系統(tǒng)單位決定了物體的實(shí)際比例，顯示單位和光照單位方便對模型的觀察。因此，為方便使用習(xí)慣，筆者將系統(tǒng)單位設(shè)置為毫米。

由于滇青銅器的種類、樣式繁多，不同的模型具有不同的幾何特征，在使用3Ds Max繪制模型時(shí)，需以3D Max提供的基本體為基礎(chǔ)進(jìn)行編輯和創(chuàng)建，并根據(jù)博物館展廳和青銅器的不同樣式，采用不同的建模方法。

①基礎(chǔ)建模：對于規(guī)則的展廳模型和青銅器模型，采用基礎(chǔ)建模的方式進(jìn)行繪制，利用規(guī)則幾何體，在幾何體面板下創(chuàng)建包括長方體、圓錐體、平面等的規(guī)則幾何體，將其轉(zhuǎn)化為可編輯多邊形。在多邊形層級下，通過對頂點(diǎn)、邊、面進(jìn)行調(diào)整，制作出合適大小的幾何體模型。在實(shí)際操作過程中，規(guī)則、無曲面或少曲面的幾何體可以利用修改器面板，經(jīng)過一系列工具得到規(guī)則三維對象，最終對初步繪制好的三維對象進(jìn)行相應(yīng)的精細(xì)加工，即可得到需求的三維模型。

②高級建模：高級建模是3Ds Max中一些復(fù)雜性建模技術(shù)的統(tǒng)稱，在繪制過程中，主要針對外觀不規(guī)則、擁有復(fù)雜細(xì)節(jié)的一類模型。高級建模是繪制復(fù)雜和不規(guī)則模型比較常用的建模方法，在模型繪制前，需將模型進(jìn)行分割處理，再通過圖形合并命令工具將繪制好的模型進(jìn)行組合。在這一過程中，通常會(huì)利用布爾、放樣、二維線條創(chuàng)建復(fù)合對象，轉(zhuǎn)化為可編輯多邊形，對可編輯的多邊形對象進(jìn)行系列變換操作即可得到相應(yīng)三維模型。[6]本文以“青銅農(nóng)具”的繪制說明高級建模的方法，首先對模型進(jìn)行分割處理，將其分為刀身和手柄兩部分，刀身采用復(fù)合建模方法中的樣條線進(jìn)行繪制，在“修改器列表”中加載一個(gè)“殼”命令，接著在“參數(shù)”卷展欄下適當(dāng)調(diào)節(jié)參數(shù)，便可繪制出具有立體感效果的刀面。而手柄部分采用多邊形建模，將其轉(zhuǎn)化為可編輯多邊形，加載“擠出修改器”命令，由相應(yīng)比例調(diào)整參數(shù)，得到模型，最終通過對其命令，將其組合，得到真實(shí)青銅農(nóng)具的模型。青銅農(nóng)具的繪制如下頁圖2所示。

（2）模型優(yōu)化處理

在利用3Ds Max軟件進(jìn)行模型繪制過程中，為了滿足所建構(gòu)模型的逼真性和立體性，提高后期烘焙和交互的文件渲染速度，需要從模型的簡化和模型的精細(xì)處理兩方面優(yōu)化3D模型。

①模型的簡化處理。在3D可視化技術(shù)中，3Ds Max可以建立復(fù)雜且立體的三維場景，但在設(shè)置交互漫游場景時(shí)，要考慮場景大小和教學(xué)過程中使用的流暢度。因此，在模型簡化過程中，在保證外觀的前提下減少不必要的面的片數(shù)，將不會(huì)在場景中顯示的消隱面進(jìn)行消除。[7]另外，模型的網(wǎng)格分布要合理，通過焊接命令將模型的點(diǎn)面進(jìn)行焊接對齊，減少模型接縫，使得模型更加精簡。

②模型的精細(xì)化處理。由于青銅器文物年代久遠(yuǎn)，每一種青銅器的紋理材質(zhì)、銹斑腐蝕的程度會(huì)呈現(xiàn)不一樣的特點(diǎn)。為了精化模型，凸顯模型的逼真度，在制作時(shí)，通常對青銅器凹凸花紋進(jìn)行繪制，并在青銅器上加上銹斑的渲染，使模型更加高度仿真。

（3）模型的烘焙

完成模型繪制后，在3Ds Max軟件中將模型合并到一個(gè)場景中。為了后期能在VR-Platform平臺軟件上進(jìn)行交互，在整個(gè)場景導(dǎo)出之前，需要進(jìn)行模型烘焙操作，將3Ds Max軟件里的光照效果渲染成貼圖方式，目的是得到逼真自然的效果。[8]在烘焙過程中，為了使燈光效果更接近真實(shí)燈光，采用外部Lightscape插件烘培3Ds Max模型。此過程對計(jì)算機(jī)的配置要求非常高，烘焙個(gè)數(shù)不宜過多，制作過程中要注意硬件要求。

（4）模型的導(dǎo)出

虛擬現(xiàn)實(shí)平臺軟件只能導(dǎo)出“*vrp”格式的文件，因而，烘焙好的模型導(dǎo)出時(shí)要注意導(dǎo)出方式。在開發(fā)過程中主要用到一個(gè)介于虛擬現(xiàn)實(shí)平臺軟件與3Ds Max軟件之間的VRP-for-Max插件，操作過程中先設(shè)置VRP導(dǎo)出選項(xiàng)相對應(yīng)的參數(shù)，為了提高后期作品運(yùn)行速度，這里引入“Dxt3壓縮格式”進(jìn)行貼圖設(shè)置，目的是進(jìn)一步提高導(dǎo)出速度。

4.交互虛擬展示

在虛擬現(xiàn)實(shí)平臺軟件下，學(xué)習(xí)者可以在三維場景自主漫游和手動(dòng)漫游，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，為方便教育教學(xué)，還需進(jìn)一步對交互界面、人物動(dòng)畫和交互菜單進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)。

（1）交互界面設(shè)計(jì)

交互界面是教學(xué)交互信息傳達(dá)的載體，合理的交互界面設(shè)計(jì)，更有利于教師和學(xué)生的學(xué)習(xí)[9]，交互場景主要包括三維模型、圖片、聲音、文字和人物動(dòng)畫，需要考慮場景布局、交互層次設(shè)計(jì)和視覺等元素，而這些元素的設(shè)計(jì)不僅要準(zhǔn)確表達(dá)教學(xué)信息，還要盡可能使交互變得簡單易用。3D教學(xué)資源交互界面的整體設(shè)計(jì)如圖3所示。

（2）人物動(dòng)畫制作

虛擬現(xiàn)實(shí)平臺最大的交互功能就是可以通過鼠標(biāo)、鍵盤在VR里實(shí)現(xiàn)自主漫游、手動(dòng)漫游，可以讓學(xué)習(xí)者通過數(shù)字媒體的手段身臨其境地感受青銅文物。為簡化三維模型制作流程，通常使用虛擬現(xiàn)實(shí)平臺軟件自帶的人物動(dòng)畫，通過體型、服裝、外貌、發(fā)型選擇適合教學(xué)的三維動(dòng)畫人物，并利用軟件自帶的腳本語言，開發(fā)出人物角色面部表情和肢體動(dòng)作，使得人物更加形象立體，細(xì)節(jié)更加豐富，精度更加準(zhǔn)確，更貼近真實(shí)教學(xué)環(huán)境。

（3）交互菜單制作

在教學(xué)資源開發(fā)過程中，為了實(shí)現(xiàn)更好的人機(jī)交互，會(huì)設(shè)計(jì)一系列交互菜單，主要包括按鈕交互、鍵盤響應(yīng)、鼠標(biāo)控制等。在交互過程中，幾個(gè)交互菜單配合使用，對控制界面進(jìn)行不同的轉(zhuǎn)換，通過鍵盤上的方向鍵及鼠標(biāo)共同控制人物運(yùn)動(dòng)方向，更好地實(shí)現(xiàn)人物漫游，使學(xué)習(xí)者在漫游中不斷了解重要青銅文物，并通過操縱虛擬場景中的事物，多角度觀察事物形狀、材質(zhì)和特征，更好地促進(jìn)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)。

（4）交互場景編譯運(yùn)行

完成所有模型的交互功能后，在VRP-Platform平臺軟件下進(jìn)行相應(yīng)測試、運(yùn)行、修改和調(diào)試，并預(yù)覽效果，最終選擇菜單欄中的編譯獨(dú)立執(zhí)行的.exe文件選項(xiàng)，輸出可獨(dú)立執(zhí)行文件，保證在普通計(jì)算機(jī)上能正常運(yùn)行，這樣即可完成關(guān)于該課程的3D可視化教學(xué)資源庫。

● 總結(jié)

本文以具體的課程知識為例，闡明了3D可視化教學(xué)資源的設(shè)計(jì)開發(fā)方案，并結(jié)合實(shí)際教學(xué)提出了基于3D可視化技術(shù)開發(fā)制作三維可視化教學(xué)資源的詳細(xì)流程。筆者認(rèn)為，3D技術(shù)的引入革新了傳統(tǒng)教學(xué)資源，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)課堂缺陷，增強(qiáng)了課堂教學(xué)資源的多樣性和情境性。但當(dāng)前，3D可視化教學(xué)資源稀少，軟件開發(fā)和制作技術(shù)不夠成熟，因此，對3D可視化教學(xué)資源的設(shè)計(jì)與開發(fā)研究是大勢所趨。

參考文獻(xiàn)：

[1]閆春霞.面向課堂教學(xué)的3D教學(xué)資源設(shè)計(jì)研究[D].武漢：華中師范大學(xué)，2016.

[2]李蕾，王健，曹俊.3D影像資源在教育中的應(yīng)用探析[J].中國電化教育，2011（02）：77-80.

[3]王洪梅，王運(yùn)武，丁超，等.3D視頻資源：數(shù)字化教育資源的新形態(tài)[J].現(xiàn)代教育技術(shù)，2017（04）：20-25.

[4]陸建松.博物館專業(yè)人才培養(yǎng)和學(xué)科發(fā)展[J].中國博物館，2014（02）.

[5]劉可.教學(xué)場景中三維可視化資源的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[D].武漢：華中師范大學(xué)，2017.

[6]王正盛，陳征.VRP11/3ds Max虛擬現(xiàn)實(shí)制作標(biāo)準(zhǔn)教程[M].北京：印刷工業(yè)出版社，2011：260.

[7]鄭付聯(lián).3D MAX建模技術(shù)及其優(yōu)化的研究[J].大眾科技，2010（02）：43-44.

[8]董紅娟，龔萍，和耀麗，等.面向滇王國青銅器的3D可視化研究——以李家山青銅器博物館為例[J].中國信息技術(shù)教育，2017（07）：79-83.

[9]JTM Concepts Develops 3D Educational Software for K-12 Education Using EON Realitys Development Software[DB/OL].http：//www.eonreality.com/news_Release-s.php？ref=news/news_releases&sid=460.

作者簡介：董紅娟（1994.9—），女，漢族，云南玉溪人，碩士研究生，研究方向?yàn)榻逃畔⒒⑿畔⒓夹g(shù)教育。

基金項(xiàng)目：2017年度云南大學(xué)職業(yè)與繼續(xù)教育學(xué)院一般項(xiàng)目“基于3D可視化教學(xué)資源的設(shè)計(jì)開發(fā)研究”（項(xiàng)目編號：YK1706ZJ）。