“貪心算法”VR教學(xué)案例設(shè)計(jì)研究

郝思晨，邊琦

摘要：本文以初中信息技術(shù)課中的貪心算法為例，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)沉浸感和實(shí)時(shí)交互性的特征及優(yōu)勢(shì)，從模型搭建到動(dòng)畫設(shè)計(jì)階段，再到交互設(shè)計(jì)階段和最終項(xiàng)目的發(fā)布，論述了算法案例中虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)過程。案例的實(shí)現(xiàn)也將為之后的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在信息技術(shù)課中其他教學(xué)內(nèi)容方面的應(yīng)用提供參考，讓虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠發(fā)揮更重要的作用。

關(guān)鍵詞：算法思維;貪心算法;虛擬現(xiàn)實(shí)

中圖分類號(hào)：G434? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 論文編號(hào)：1674-2117（2021）21-0043-03

引言

2018年，教育部正式發(fā)布《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》，普通高中信息技術(shù)課程發(fā)生重大變化，這必然會(huì)給初中信息技術(shù)課程帶來深遠(yuǎn)的影響。初中階段的算法學(xué)習(xí)屬于入門階段，內(nèi)容相對(duì)簡(jiǎn)單，但是會(huì)對(duì)學(xué)生之后的學(xué)習(xí)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。初中階段的學(xué)習(xí)，相比于在技術(shù)層面實(shí)現(xiàn)編程，更注重學(xué)生對(duì)算法本身的理解和在生活情境中的應(yīng)用，而虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)特有的交互性和沉浸性等特征有助于學(xué)生對(duì)算法在情境中的理解和應(yīng)用。

貪心算法

貪心算法通過把一個(gè)大問題分解成若干小問題的方式來解決問題，針對(duì)每個(gè)小問題給出當(dāng)前看來最好的決策。貪心算法在生活中很常見，如在背包中盡可能裝不超過總?cè)萘康奈锲?，新醫(yī)院、新學(xué)校、新快遞站的最優(yōu)選址、路徑的選擇問題中都蘊(yùn)含著貪心算法，其理解難度也更符合初中學(xué)生的現(xiàn)有水平和認(rèn)知能力。通過貪心算法的學(xué)習(xí)，學(xué)生分解問題的能力將會(huì)進(jìn)一步提高，同時(shí)，貪心算法所蘊(yùn)含的優(yōu)化思想也能幫助學(xué)生合理地規(guī)劃個(gè)人的學(xué)習(xí)和生活。

VR特征及其優(yōu)勢(shì)

虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，VR）是綜合利用計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)和各種顯示及控制等接口設(shè)備，在計(jì)算機(jī)上生成的、可交互的三維環(huán)境中提供沉浸的感覺，具有構(gòu)想性、沉浸感和實(shí)時(shí)交互性的特征。[1]沉浸感和交互性被認(rèn)為是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)最為重要的兩個(gè)特征。

1.沉浸感

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)通過模擬與現(xiàn)實(shí)相似的真實(shí)環(huán)境，給人一種身臨其境的感覺，使其獲得沉浸式的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。它可以進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，讓學(xué)生更輕松地理解學(xué)習(xí)內(nèi)容。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)營(yíng)造的學(xué)習(xí)環(huán)境本身能夠給學(xué)生帶來一種“一對(duì)一”的關(guān)注感，這種心理體驗(yàn)也會(huì)在一定程度上調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性。[2]

2.實(shí)時(shí)交互性

學(xué)生在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建的三維環(huán)境中，能夠利用傳感器和相關(guān)硬件設(shè)備與虛擬環(huán)境發(fā)生交互作用。學(xué)生不僅可以使用鼠標(biāo)、鍵盤，在硬件設(shè)備允許的條件下還可以使用VR頭盔、VR眼鏡、手柄與虛擬環(huán)境實(shí)現(xiàn)交互并獲得及時(shí)的反饋，在此過程中可以反復(fù)地操作和體驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)個(gè)性化學(xué)習(xí)。

虛擬現(xiàn)實(shí)的這樣特征，也讓大眾看到了它在教育領(lǐng)域應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)。虛擬實(shí)驗(yàn)室、漫游校園等虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與教育的結(jié)合，為學(xué)生創(chuàng)設(shè)了一個(gè)真實(shí)的情境并使學(xué)生集中精力投入其中，這也為利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)把抽象的算法具體化，與信息技術(shù)課的貪心算法結(jié)合提供了新思路。

案例內(nèi)容分析

在案例的選擇和設(shè)計(jì)上應(yīng)充分考慮學(xué)生的特點(diǎn)，并與現(xiàn)實(shí)生活中的問題相聯(lián)系。案例改編的內(nèi)容來源于國(guó)際計(jì)算思維挑戰(zhàn)賽（Bebras）測(cè)試題，知識(shí)維度包含算法與編程、通信與網(wǎng)絡(luò)等多個(gè)維度，題目情境化的特征符合初中信息技術(shù)課的教學(xué)要求。改編的題目是貪心算法下最短路徑的相關(guān)測(cè)試題。

阿吉泰、安娜和李華住在呼和浩特——一個(gè)有良好地鐵網(wǎng)絡(luò)的城市，圖1為城市網(wǎng)絡(luò)的地圖，地圖顯示了地鐵站及其連接線，數(shù)字顯示了在兩個(gè)相鄰車站之間旅行的成本。

阿吉泰住在呼和浩特火車站附近，安娜住內(nèi)蒙古藝術(shù)學(xué)院附近，李華住在回中附近，他們想在地圖上的某個(gè)車站見面。然而，他們每個(gè)人在地鐵上的花費(fèi)不能超過15元，也不能步行，那么他們可以在哪里見面？

通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)呈現(xiàn)出該城市的三維立體環(huán)境，學(xué)生扮演這三個(gè)角色，體驗(yàn)在任意車站會(huì)面的路徑并得出每次會(huì)面所需要的費(fèi)用，最終選擇出一條滿足每個(gè)人需求的路線。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)

1.模型搭建

首先，案例實(shí)現(xiàn)的第一步是利用建模軟件搭建場(chǎng)景，使二維的平面題目變成三維立體環(huán)境。模型搭建對(duì)整個(gè)案例的實(shí)現(xiàn)至關(guān)重要，后續(xù)過程中動(dòng)畫和交互的設(shè)計(jì)都將在模型的基礎(chǔ)上完成。打開建模軟件C4D，使用幾何體建模的方法搭建出場(chǎng)景的基本組成架構(gòu)，使用多邊形建模的方法，將幾何體分段后轉(zhuǎn)變?yōu)榭删庉媽?duì)象，在點(diǎn)、線、面模式下通過滑動(dòng)、筆刷等操作對(duì)畫面層次、幾何體的起伏特征進(jìn)行更為細(xì)致的刻畫。模型搭建的過程即先構(gòu)建模型的整體輪廓，再細(xì)化到局部，采用從整體到局部建模的過程。模型的搭建不一定非得是現(xiàn)實(shí)的精準(zhǔn)復(fù)現(xiàn)，可以根據(jù)實(shí)際需求，對(duì)一些細(xì)節(jié)進(jìn)行適當(dāng)?shù)男薷?，或?qū)o關(guān)細(xì)節(jié)刪減，或?qū)⒅匾?xì)節(jié)放大。

在搭建模型的過程中要建立合適的層級(jí)關(guān)系，將一個(gè)物體的其他組成部分進(jìn)行組合并編寫模型的名稱，這樣不僅方便編輯和修改，而且有利于給物體賦予材質(zhì)，最重要的是利用模型的名稱提高在交互設(shè)計(jì)過程中事件觸發(fā)節(jié)點(diǎn)的準(zhǔn)確性，以此根據(jù)意圖實(shí)現(xiàn)交互任務(wù)。

場(chǎng)景搭建完成之后要賦予幾何體材質(zhì)，在賦予材質(zhì)過程中只對(duì)物體的顏色進(jìn)行設(shè)置，對(duì)反射、紋理的設(shè)置可能會(huì)因?yàn)榕c虛擬現(xiàn)實(shí)引擎軟件之間不兼容而不能保留最終設(shè)置，因而不能通過紋理來表現(xiàn)幾何體的細(xì)節(jié)。最后為場(chǎng)景添加物理天空，模擬現(xiàn)實(shí)光線，補(bǔ)充細(xì)節(jié)。將最終模型保存為3D模型通用格式FBX文件后導(dǎo)入到IdeaVR軟件中，IdeaVR還包括系統(tǒng)自帶的一些場(chǎng)景環(huán)境，可以選擇與本次主題相符的場(chǎng)景進(jìn)一步完善場(chǎng)景。

2.動(dòng)畫設(shè)計(jì)

建模軟件的動(dòng)畫設(shè)計(jì)與引擎之間不兼容，但是二者設(shè)置動(dòng)畫的原理一致，在虛擬現(xiàn)實(shí)引擎中也使用關(guān)鍵幀動(dòng)畫的設(shè)置方法。案例以攝像機(jī)視角作為第一視角，可以使學(xué)生產(chǎn)生沉浸感。

在正式進(jìn)入動(dòng)畫設(shè)置之前要提前規(guī)劃，寫出動(dòng)畫制作的腳本，在動(dòng)畫設(shè)計(jì)中，運(yùn)動(dòng)節(jié)奏的好壞對(duì)動(dòng)畫的最終效果產(chǎn)生直接影響[3]，所以要根據(jù)動(dòng)畫腳本厘清動(dòng)作發(fā)生的前后順序，之后還可以根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整動(dòng)畫，確定開始幀和結(jié)束幀，即確定攝像機(jī)的運(yùn)動(dòng)路徑，計(jì)算攝像機(jī)的運(yùn)動(dòng)時(shí)間及速度，拖動(dòng)時(shí)間軸記錄關(guān)鍵幀，控制好整體的運(yùn)動(dòng)節(jié)奏。在后續(xù)交互設(shè)計(jì)時(shí)，還要根據(jù)交互指令觸發(fā)事件、調(diào)動(dòng)動(dòng)畫，所以要將動(dòng)畫切割分段后進(jìn)行保存。

3.交互設(shè)計(jì)

交互設(shè)計(jì)的目的是實(shí)現(xiàn)三維動(dòng)畫的播放、漫游、操控虛擬場(chǎng)景中三維模型等各種交互功能。[4]IdeaVR取代了傳統(tǒng)代碼編輯器，通過拖拽邏輯單元模塊和連線即可定義場(chǎng)景交互邏輯。打開交互編輯器，可以使用手柄、鼠標(biāo)、鍵盤等硬件接入實(shí)現(xiàn)交互，也可以使用空間觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)交互，考慮到教學(xué)實(shí)際情況使用的交互方式為鼠標(biāo)和鍵盤。首先，如圖2所示，新建一個(gè)畫布，激活任務(wù)并選擇觸發(fā)方式，選擇左擊鼠標(biāo)的方式觸發(fā)交互，而節(jié)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)交互的媒介，把在模型搭建階段命名好的相關(guān)幾何體即節(jié)點(diǎn)拖動(dòng)進(jìn)來，與鼠標(biāo)建立連接，之后再將動(dòng)畫設(shè)計(jì)階段保存的分段動(dòng)畫拖動(dòng)進(jìn)來，這是一個(gè)完整的交互設(shè)計(jì)，將其保存為ITR格式工程文件，最后把設(shè)計(jì)好的多個(gè)交互拖動(dòng)到一個(gè)新的畫布，保存為MGR格式，這樣才能保證所有交互正常觸發(fā)。

在交互的設(shè)計(jì)過程中還可以對(duì)場(chǎng)景事件的顯隱性、顏色、亮暗等屬性進(jìn)行改變。一條路線走過之后環(huán)境事物顏色變暗，突出顯示當(dāng)前路線及周圍物體，以此降低學(xué)生的認(rèn)知負(fù)荷，適應(yīng)學(xué)生的認(rèn)知?dú)v程，在此過程添加相關(guān)音效、聲音增強(qiáng)沉浸感，營(yíng)造空間感和距離感，提升學(xué)習(xí)效果。

在案例使用的過程中，學(xué)生可以根據(jù)自己的喜好與要求及操作使用的環(huán)境條件，以人機(jī)對(duì)話的方式對(duì)要素屬性及重組方式進(jìn)行選擇[5]，學(xué)生選擇哪條路徑，都是探究的過程，也將體現(xiàn)相應(yīng)的教學(xué)策略，以實(shí)現(xiàn)最終的教學(xué)目的。

4.場(chǎng)景導(dǎo)出

IdeaVR支持多種導(dǎo)出方式，包括導(dǎo)出到自帶播放器、導(dǎo)出到VR眼鏡或LED大屏、桌面運(yùn)行程序（.exe）格式文件，可以根據(jù)實(shí)際的硬件條件及需求導(dǎo)出相應(yīng)格式。

學(xué)生在體驗(yàn)過程中，可以以每個(gè)站點(diǎn)為終點(diǎn)，從三個(gè)人各自的地點(diǎn)出發(fā)，依次通過所選路徑，計(jì)算最終費(fèi)用，判斷三個(gè)人的花費(fèi)是否都不超過十五元，選擇出合適的方案。

結(jié)語(yǔ)

利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)貪心算法的教學(xué)是一個(gè)全新的嘗試，交互的實(shí)現(xiàn)雖然依賴硬件設(shè)備，但更為重要的是交互設(shè)計(jì)中所蘊(yùn)含的策略對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)過程產(chǎn)生的影響。本次案例的實(shí)現(xiàn)也將為之后虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在信息技術(shù)課中其他教學(xué)內(nèi)容方面的應(yīng)用提供參考，讓虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠發(fā)揮更重要的作用。

參考文獻(xiàn)：

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[4]劉俐利，凌毓?jié)跗G鳳.虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境中構(gòu)建三維動(dòng)畫資源與交互設(shè)計(jì)研究[J].中國(guó)電化教育，2014（02）：123-128.

[5]李小平，陳建珍，趙豐年，等.AR/VR學(xué)習(xí)情境設(shè)計(jì)問題的研究[J].現(xiàn)代教育技術(shù)，2017，27（08）：12-17.

作者簡(jiǎn)介：郝思晨（1997—），內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)，內(nèi)蒙古師范大學(xué)教育學(xué)院，碩士，研究方向?yàn)楝F(xiàn)代教育技術(shù);邊琦，教授，內(nèi)蒙古師范大學(xué)教育技術(shù)學(xué)系碩士。

基金項(xiàng)目：內(nèi)蒙古自治區(qū)2021自然科學(xué)基金項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：2021LHMS0611），項(xiàng)目名稱為“開放課程中虛擬教學(xué)情境關(guān)鍵技術(shù)研究與實(shí)踐”。