VR 視域下智能教學(xué)媒介研發(fā)的技術(shù)路徑及特征研究
——以初中生物“心臟的結(jié)構(gòu)和功能”為例

蓋海龍 劉英明

（吉林藝術(shù)學(xué)院新媒體學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130012）

1 概述

1.1 虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)課件的研究現(xiàn)狀

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（VR，全稱為Virtual reality）是發(fā)生在人類和計(jì)算機(jī)之間一種比較復(fù)雜的數(shù)據(jù)信息交互技術(shù)，它結(jié)合計(jì)算機(jī)圖形圖像技術(shù)和顯示傳感技術(shù)，營(yíng)造出一種虛擬的人工仿真環(huán)境，同時(shí)結(jié)合動(dòng)作捕捉功能使得人在虛擬場(chǎng)景中與物體進(jìn)行即時(shí)互動(dòng)。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)已經(jīng)被列入國(guó)家“十三五”規(guī)劃[1]，越來越多類似于微生物研究、考古、醫(yī)療教育、無人駕駛等大量需要培訓(xùn)操作技能的行業(yè)也迫切需要虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用才能得以實(shí)現(xiàn)。虛擬現(xiàn)實(shí)發(fā)展已經(jīng)進(jìn)入了快車道，人類社會(huì)將越來越便捷的體會(huì)到技術(shù)更新所帶來的福利和便捷，從而對(duì)未來的教育世界產(chǎn)生重大影響。

1.2 課件

基于虛擬現(xiàn)實(shí)開發(fā)的教學(xué)課件應(yīng)用于教學(xué)產(chǎn)生的效果：通過使用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，可以解決真實(shí)實(shí)驗(yàn)環(huán)境中的局限，對(duì)于空間、時(shí)間和設(shè)備都能夠做到一定程度的突破，這是VR 技術(shù)應(yīng)用價(jià)值的直接體現(xiàn)。比如，一些化學(xué)試驗(yàn)通常伴有高腐蝕性和爆炸的危險(xiǎn)，如果我們通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)制作出一款虛擬仿真的化學(xué)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景，學(xué)生們通過虛擬場(chǎng)景進(jìn)行化學(xué)實(shí)驗(yàn)，這樣就避免了試驗(yàn)過程中的不當(dāng)操作而產(chǎn)生危害的可能。此外，在微觀的生物世界中，有些分子無法直接被肉眼觀察到，通過創(chuàng)建微觀分子虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室，就可以在虛擬現(xiàn)實(shí)的場(chǎng)景中觀察微觀的分子和粒子。同樣，VR 技術(shù)在航空、旅游、醫(yī)療等方面都有豐富應(yīng)用前景。

2 詳細(xì)設(shè)計(jì)過程

2.1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)教學(xué)課件的支持

以PPT 為典型代表的教學(xué)課件是一種日常教學(xué)最常用的教學(xué)手段，但是它具有表現(xiàn)形式單一、缺乏交互體驗(yàn)等諸多缺點(diǎn)。但是基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)開發(fā)出來的多媒體課件符合中小學(xué)生好奇心強(qiáng)，喜歡游戲的心理特點(diǎn)，并且有一定的交互性和趣味性，與日常教學(xué)生活中所使用的Flash、PowerPoint 等軟件相比具有更加強(qiáng)大的功能和更完美的效果，可以實(shí)現(xiàn)沉浸式學(xué)習(xí)和自主學(xué)習(xí)。

2.2 基于3Ds Max 的心臟建模

心臟的建模是一個(gè)比較復(fù)雜的過程，主要在3Ds Max 軟件中實(shí)現(xiàn)。

2.2.1 初步建立模型

首先確定平面布局與功能，了解所要建造模型的尺寸與參數(shù)，例如本例中對(duì)于心臟模型的建造，則采用異形結(jié)構(gòu)建模方法，分模塊建造各部分模型，然后完成拼接。

2.2.2 添加材質(zhì)貼圖與燈光

將單色材質(zhì)球做以簡(jiǎn)單修改后，使其變成Vary 材質(zhì)，然后設(shè)置參數(shù)，需要注意參數(shù)細(xì)分程度不宜過高，并且需要注意個(gè)別材質(zhì)折射、反射以及凹凸。調(diào)整好材質(zhì)以后，按材質(zhì)選擇在材質(zhì)球中，將一種材質(zhì)的模型分別成組，這樣處理是為了方便修改。如果材質(zhì)出現(xiàn)接縫，把材質(zhì)球里面的剪裁放置項(xiàng)點(diǎn)開，查看材質(zhì)圖像，調(diào)整。

2.2.3 真實(shí)效果圖展示

值得注意的是，在模型的建立過程中，需要保持足夠的耐心與細(xì)心，選擇比較容易的科學(xué)的建模的方法。這樣的話，我們?cè)诮Ｖ锌梢允∪ズ芏嗖槐匾腻e(cuò)誤和麻煩，而且在建設(shè)過程中必須有不斷優(yōu)化的意識(shí)，讓我們的模型看得更加精細(xì)，效果如圖1 所示。

圖1 心臟模型

2.3 基于Unity 3D 的VR 合成

本次虛擬現(xiàn)實(shí)課件的建模，主要涉及到兩個(gè)重大技術(shù)，它包括三維建模技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，這兩種技術(shù)的掌握缺一不可，首先要通過3D 建模技術(shù)，建立場(chǎng)景中的模型，然后將場(chǎng)景中的模型導(dǎo)入到Unity 3D 中進(jìn)行虛擬場(chǎng)景的搭建和漫游的實(shí)現(xiàn)以及交互的實(shí)現(xiàn)，整個(gè)設(shè)計(jì)在Unity 中的狀態(tài)機(jī)中的流程如圖1 所示。

圖2 狀態(tài)機(jī)

將3D 模型導(dǎo)入的Unity 3D 軟件中以后，可能會(huì)因?yàn)閮煽钴浖陌姹静煌蛘咛匦圆煌a(chǎn)生很多不匹配的問題和bug。比如，對(duì)于3D 模型導(dǎo)入U(xiǎn)nity 中后，這個(gè)模型角度不匹配的問題，我們可以先將它設(shè)置為FBX 文件之后，然后再導(dǎo)入3D立體軟件中。這樣做的結(jié)果是，無論它在3ds max 中還是Unity 3D 中，他的模型的方向都是與我們的目視方向是一致的，效果如圖3 所示。

圖3 心臟截面

2.4 基于C#腳本語言的交互編程設(shè)計(jì)

C#語言是微軟公司發(fā)布的一款面向?qū)ο蟮母呒?jí)程序設(shè)計(jì)語言，具有完全開源，跨平臺(tái)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。既安全簡(jiǎn)單，又穩(wěn)定優(yōu)雅，是一款非常主流的高級(jí)編程語言，由C 和C++兩種語言衍生而來，以其強(qiáng)大的創(chuàng)新的語言特性、操作能力和便捷的面向組件編程的支持成為了.NET 開發(fā)的首選語言。

C#可以最大程度地開發(fā)和利用計(jì)算與通訊領(lǐng)域[6]。本設(shè)計(jì)中的部分核心腳本如下，代碼鏈接在攝相機(jī)上，經(jīng)過目光發(fā)射的射線被目標(biāo)物體檢測(cè)到后，它主要完成以下幾個(gè)指令：

（1）發(fā)射射線，檢測(cè)前方有可交互的對(duì)象；

（2）如果檢測(cè)到有交互對(duì)象，去獲得它身上的功能腳本；

（3）開始計(jì)時(shí)，到達(dá)3 秒，觸發(fā)功能；

（4）如果未達(dá)到3 秒用戶中途離開，則重新計(jì)時(shí)；

（5）完成后依次進(jìn)行下一個(gè)狀態(tài)。

此外，還需要編譯代碼執(zhí)行以下指令，以確保交互能在對(duì)象是否存在的狀態(tài)下做出反應(yīng)。

（1）確定準(zhǔn)星，使其能夠吸附到對(duì)象；

（2）沒有交互對(duì)象的時(shí)候，重置準(zhǔn)星的位置。

2.5 課件的音效及發(fā)布

這個(gè)模塊的設(shè)計(jì)使用軟件為Adobe Audition，這是一款目前國(guó)際比較主流的音頻編輯和混合處理軟件。

2.5.1 聲音變速

在Adobe Audition 軟件中，依次操作【效果】→【時(shí)間和間距】→【變速（進(jìn)程）】→【比率】,準(zhǔn)備為100，增加表示聲音變慢，降低表示聲音變快。

2.5.2 去除人聲

在Adobe Audition 中，依次操作【效果】→【立體聲聲響】→【中置聲道提取器】→【人聲移除】→【中心聲道】, 將中心聲道的按鈕下拉到最低，即可實(shí)現(xiàn)人聲去除。

3 測(cè)試與發(fā)布

以上內(nèi)容制作完成，經(jīng)過測(cè)試沒有問題之后，就可以在Unity 3D 中發(fā)布體驗(yàn)。引擎現(xiàn)提供PC、IOS、Android 等多種發(fā)布平臺(tái)，筆者以發(fā)布到安卓手機(jī)為例闡述方法。首先在Unity3D 的菜單欄文件選項(xiàng)下，選擇發(fā)布設(shè)置下的Android ，然后單擊Open Download Page 按鈕，依次執(zhí)行Edit、Preferences、External tools 菜單命令，添加環(huán)境變量路徑，轉(zhuǎn)換平臺(tái)后單擊Player Settings 按鈕，配置相關(guān)屬性，創(chuàng)建Company Name 和Product Name，最后執(zhí)行File-Build Settings-Build 菜單命令進(jìn)行測(cè)試，導(dǎo)出APK 格式的文件即可運(yùn)行。

4 總結(jié)與展望

本系統(tǒng)融合了虛擬現(xiàn)實(shí)、心臟建模、人機(jī)交互三大技術(shù)，一定程度上實(shí)現(xiàn)了虛擬場(chǎng)景與真實(shí)世界的完美結(jié)合，給智能課件設(shè)計(jì)和情境教學(xué)帶來了新的方向。隨著我國(guó)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的進(jìn)一步的發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)的技術(shù)的應(yīng)用也將不僅僅局限于虛擬課件的制作，基于VR 的項(xiàng)目將會(huì)涉及到我們生活培訓(xùn)、教育、醫(yī)療、娛樂的各個(gè)方面。