基于虛擬現實技術創建在線課程的實踐教學研究與應用①

劉萃

[摘 ? ? ? ? ? 要] ?隨著資本對虛擬現實的持續關注、硬件成本降低、設備的普及以及互聯網信息技術對教育融合的深入，迫切需要虛擬現實技術改造傳統教育模式包括當下流行的在線課程。將Unity3D虛擬現實技術與在線開放課程有機融合，構建實時的、高保真的、用戶高度介入的在線開放課程作為學習環境，給情景教學帶來了新的方向。

[關 ? ?鍵 ? 詞] ?虛擬現實技術;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

虛擬現實實踐教學并不是一種工具或技術的簡單應用，而是一種全新的實踐教學模式。虛擬現實教育是指將傳統教育教學適應新技術的發展，培養現代型人才的一種新型教學模式，是人類進入虛擬空間進行教育與活動的一種教學方式。

廣義上講，虛擬教學應該包括虛擬教室、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，虛擬教學就是指運用科學技術構建一個虛擬的學習環境，并將所要掌握的知識點進行客觀重現，從而掌握更多的知識。

在這種環境中，學生能夠通過虛擬現實技術所呈現出來的虛擬感受、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模式上的要求，更加注重學生的主體感受，培養學生的自主學習能力與自我思考的能力。

虛擬現實教育能夠將技術與教學相結合，拓寬師生的視野，能夠極大程度地延伸教學空間，同時在教學資源上也能夠實現大量擴充。從具體的意義上來說，虛擬教學突破了傳統教學在時間、空間上的限制，采用模擬場景，彌補教師創設情境不符的問題。

一、國內外虛擬實踐教學的發展現狀

20世紀80年代初，美國VPL公司的創建人之一Jaron Lanire利用以計算機技術為核心的現代技術生成逼真的視覺、聽覺、觸覺一體化的特定范圍的虛擬環境，創造了虛擬現實（Virtual Reality）概念。1998年，美國弗吉尼亞大學教授William Wolf提出合作實驗室概念，并稱作“無墻的研究中心”，其目的是開發一個分布式的計算機網絡管理系統，讓身處世界各地的科學家能分享儀器設備、數據、信息等資源，這也就是人們常說的虛擬實驗室。隨著計算機、網絡等技術的快速發展，國外一些著名大學，如麻省理工學院、休斯敦學院、哈佛大學等，先后構建了微電子在線、虛擬物理、手術仿真等虛擬仿真實驗室，為實驗教學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中心建設工程，極大地促進了信息技術與實驗教學的深度融合，推動了實踐教學內涵建設的提升和可持續發展。截止到2015年9月，全國155所普通高校已建設了200個國家級虛擬仿真實驗教學中心。

虛擬實踐教學不是在線開放課程的產物，但它必然是在線開放課程實踐教學的重要組成部分。突破在線開放課程存在的時空限制，利用虛擬現實技術構建在線課程的實踐教學方法，為學習者提供交互式、沉浸式的實驗環境，是有效實施虛擬實踐教學在線開放課程進一步發展的基本保證。

二、虛擬現實技術在在線開放課程中的價值

（一）提高學習效率

相關機構的研究結果表明，單一媒體的教學形式如文字或圖片產生教學效率約為10%;復合媒體教學形式的效率，如多媒體教學，約為30%;高沉浸的媒體，如虛擬現實教學的效率則達到70%。可見虛擬現實可以大幅提高教學效率與學習效率。

（二）降低教育成本

將虛擬現實用于實驗教學中，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，尤其是醫護專業的人體資源，不是每一個學生在每個階段都有充足的資源可以使用。虛擬現實教育可以在實驗過程中將不可逆的問題通過虛擬現實進行反復的操作并進行數據分析。

（三）提高學習興趣與動力

虛擬現實的沉浸感、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出來，大大提高學生學習的積極性。

三、虛擬現實技術在在線開放課程中的應用方法

為突破在線課程中存在的時空限制，利用虛擬現實技術構建在線課程教育方法，為學習者提供交互式、沉浸式的實驗環境，有效實施虛擬實驗教學是在線開放課程進一步發展的基本保證。

虛擬現實教育能夠將技術與教學相結合，拓寬師生的視野，在教學空間上能夠極大程度的進行延伸，同時在教學資源上也能夠實現大量的擴充。從具體的意義上來說，虛擬教學突破了傳統教學在時間、空間上的限制，采用模擬的場景，彌補了教師情境創設時的不符問題。

應用開發主要分為四個步驟：（1）廣泛收集教育教學媒體素材，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，使其符合設計要求。（2）對對象進行特征提取，使用Maya建立三維模型并導出FBX格式文件。（3）使用Unity引進優化模型，調節動畫、編寫C#腳本實現智能控制。（4）對系統進行優化，并發布調試完善并提交。（如下圖）

四、Maya軟件制作虛擬現實場景和角色

基于Unity引起的虛擬現實開發，可以仿造游戲開發的流程，對于場景環境的設置，可以充分利用Unity的資源，若要創建較為復雜的場景、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建動畫，某些比較復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計。

模型材質的制作，在虛擬現實設計中要求模型幾何形態充分接近實物，最好能還原模型表面的質感。對于模型的材質制作可分為前期和后期。前期是指在Maya中布光，調材質球，烘焙貼圖;后期是指在Unity中布光，調節材質的Shader參數。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，在設計動畫時首先需要根據項目的需求，結合專業知識和相關經驗，寫出動畫腳本，設定動畫順序、節奏和播放幀數。當然，可以在開始的時候進行實際測試，然后調整腳本。在創建攝影機時，如果選用了帶目標點的，那么動畫導入到Unity中需要添加程序腳本來實現攝影機動畫正常播放。

最后，模型交互實現將利用C#進行腳本編寫，實現智能交互，如視點、動畫播放控制、攝像機動畫設置，對像監測并響應鼠標事件，改變材質、位置等，還可以連接數據庫，實現更豐富的數據信息查詢功能。

虛擬現實技術作為一種新型的教學實踐方法，引起教學界極大的關注，虛擬現實的沉浸式使參與者集中精力全身心投入到虛擬培訓中，這種感覺、體驗以及影響是深遠的。在線開放課程的應用過程中，虛擬現實技術也面臨與教育整合的問題，如虛擬現實教學模式和教學策略、教學內容的呈現，教學系統如何更好地體現智能性等問題都有待繼續研究和解決。

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

五、虛擬現實技術在教學實踐中的應用

虛擬現實技術作為一種新型技術在教育領域中的應用還處于初級階段。各個行業都在積極探索如何利用虛擬現實技術實現自身的實質性轉變，“虛擬現實+教育”是其中之一。“虛擬現實+教育”不僅強調產業領域為教育提供相關的裝備、終端、應用系統、平臺以及內容的研發，更強調如何做好虛擬現實技術與STEM教育、創客教育、創業教育、教師培訓等實踐需求的對接。虛擬現實教育應用的本質不在于增加新的教學工具，而在于引入新的教學方式和教學文化。這是虛擬現實技術教育應用的重點和難點。隨著技術的不斷發展完善以及與教育理論的深度融合，虛擬現實在教育領域會發揮著越來越重要的作用。

由于虛擬現實技術可以給人一種身臨其境的真實感覺，能夠使人與虛擬環境之間進行多維信息的交互，因此該技術具有使人從定性和定量綜合集成的虛擬環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，并建構新的構思和創意的特征。

當前以信息技術為背景的現代教育，學生的學習興趣得到了提高，主體性得到了較大的發揮。但是，不可否認，絕大部分多媒體信息系統具有明顯的局限性，如學生只能按照時間流程，按電腦中程序設計的流向有限制地進行瀏覽和學習，大大降低了學生學習的參與性，降低了學生主動學習的熱情。而虛擬現實技術能夠創建與現實社會類似的環境，更容易解決學習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的不足。

在信息傳播技術迅速發展的今天，現有的教育內容、教育手段和教育方法受到極大的挑戰。虛擬現實技術能夠形象生動地表現教學內容，有效地營造一個跟隨技術發展的教學環境，提高學生掌握知識、技能的效率，優化教學過程、提高教學質量、調動學生的學習積極性，突破教學的重點、難點的作用。與此同時，虛擬現實技術還結合了益智游戲、情景化學習、協作學習、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進行教育教學活動，實現人與機器的交流，還能夠在某種程度上實現教學的游戲性，讓教育真正做到寓教于樂，有效激發學生的學習興趣，進而高效地創建學習情景、支持合作、促進交流和知識表達及應用，進而構建優良的學習環境。因此，將虛擬現實技術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