基于3D可視化技術的教學資源設計開發研究

摘要：隨著3D可視化技術的發展和VR技術在教育行業中的應用，教學資源的形式也在逐漸更新換代，教學資源的呈現形式已經由普通的書面教材、多媒體課件向3D可視化教學資源方向發展。3D可視化教學資源彌補了傳統課堂不能提供立體視角和空間體驗的不足，使得教學課程資源實現三維化、媒體化、豐富化展現。本文將3D可視化技術引入教學資源的設計和開發，迎合了信息化學習發展的潮流，革新了傳統教學資源，使得課堂教學更具趣味性和創新性。

關鍵詞：3D可視化技術;教學資源;3D建模;仿真案例

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

博物館中的文物和非物質文化遺產作為活態文化產生并存在于民間，隨著時間的流逝，這些璀璨的民族文物通常只存放于博物館內，有的甚至已經逐漸淡出人們的視野。對于這類課程知識的學習，若采用傳統的媒體教學手段，難以營造一個真實的三維空間學習環境，學生學起來抽象且不易理解，更容易失去學習興趣。因此，可在教學活動中，充分利用3D可視化教學資源作為學生學習輔助的資料，從具體畫面入手，營造跨越時空限制的教學環境，為抽象不易理解的知識點搭建學習環境。同時，學生能身臨其境感受真實文物，便于將具體的場景與抽象的描述結合構建知識體系。

● 3D可視化教學資源概述

3D可視化教學資源本質上是一種數字化的立體交互資源，具體指利用三維場景、動畫、立體化模型結合可視化等技術來制作的教學資源庫，目的是使教學中抽象的二維平面教學內容實現直觀化和立體化。目前3D教學資源多為虛擬實驗平臺、全息教室和3D打印等。[1]教師引入3D可視化技術可以使學習內容更具情境化，方便學生理解和內化知識。

3D可視化教學資源應用于教育教學中具有創新教學理念、提升教學質量和提高教學效率的價值，但在其建設的過程中，存在成本高、投資大以及技術要求高和實踐方面困難的問題，現有的3D可視化教學資源的建設正處于實驗探索階段，3D可視化教學資源庫的數量較少，普及度極低。[2]因此，在未來課堂教學中，建設符合學生學習需求的3D可視化教學資源，以及促進3D資源與教育的無縫融合是當前教育亟待解決的問題。

● 3D可視化教學資源設計開發方案

設計開發3D可視化教學資源是為了給學習者創設虛擬教學環境，因而，在設計開發時要充分考慮資源的三維立體化和教學需要。為了避免制作的3D可視化教學資源與教學實際脫節，在制作之前要進行必要的模型方案設定。本文從教學實踐和學生角度出發，制訂出可以直觀、形象地呈現教材內容的設計開發方案（如圖1）。

前期準備：在3D可視化教學資源的設計和開發過程中，需要借助三維可視化教學虛擬工具，前期準備應從制作工具的選擇、制作腳本的設計和制作素材的收集三方面進行考慮，并按一定的流程進行制作。

模型建構：3D模型建構過程是整個教學資源開發的核心環節，該環節要求能夠建立起實物三維模型數據庫。在繪制過程中，模型的精確度和逼真性決定了教學實際應用中的教學效果，同時也對后續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計思想與原則進行開發。

交互虛擬展示：交互虛擬展示是3D可視化教學資源設計開發的最后一個環節，應盡可能對交互場景中的圖片、文字、聲音進行合理設計布局，依據人機學標準，實現學習者與虛擬環境良好交互的功能，能夠身臨其境，進而營造一種自主學習的環境。

● 3D可視化教學資源設計開發過程

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

1.文物與博物館學課程教學背景

文物與博物館學是人文社會科學下的一門重點課程，也是理論與實踐聯系最為緊密的課程，旨在培養具備文物學、博物館學及文化遺產學的系統知識的高素質學生。[4]在現有的授課環節中，該課程無論是理論課還是實踐課，都是以傳統的教師講授方式展開，利用PPT教學、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，現有的視聽媒體只能幫助學生建立二維平面結構，并不能營造一個虛擬空間學習環境，此類學習模式不能將教材中生澀難懂的學習內容進行直觀、立體化的展示，不利于學生的理解和運用。

2.前期準備

（1）選擇制作工具

3D可視化教學資源在開發過程中需要靈活選用合適的建模軟件，當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實生活中常見實物的模型創建、燈光渲染、材質編輯等。本設計是針對文物與博物館學課程，使用群體為高校授課教師和學生，根據教學需求，擬選用操作性強、融合性好的3Ds Max軟件。在后期交互過程中，為使教學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虛擬現實軟件進行交互仿真平臺的開發。

（2）設計腳本

腳本設計是3D可視化教學資源制作的有效步驟之一，包括文字腳本的設計和制作腳本的設計。文字腳本是為了將教授過程中的教學思想反映出來，對設計的3D可視化資源所要傳遞的內容進行編寫，提高課堂效率。制作腳本是以文字腳本為基礎，對3D可視化資源的具體制作和功能進行設計，涉及的細化梳理類似于分鏡頭腳本，主要內容包括模型繪制的流程設計、交互模塊的界面設計和教學資源交互功能的設計等。這一過程性設計作為下一階段的資源開發依據，是教學資源制作的關鍵環節。

（3）收集素材

3D可視化教學資源的制作是一個系統化的工程，而3D資源庫素材的收集是一個長期且艱巨的工作，在開發之前需要對所需的素材資源進行反復的搜索、下載、拍攝和修改處理。[5]在制造過程中通常需要準備制作軟件、圖形圖像素材、音視頻素材、動畫素材和模型素材。本設計將選取青銅文物為制作素材，并從網上和青銅器博物館獲取相應青銅器文物素材，將其修改處理后待后期開發使用。

3.3D模型建構

（1）模型的制作

青銅器文物具有歷史性和復雜性特點，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節之一。值得注意的是，單位設置對話框中，可以設置系統單位、顯示單位和光照單位的相應參數。通常情況下，系統單位決定了物體的實際比例，顯示單位和光照單位方便對模型的觀察。因此，為方便使用習慣，筆者將系統單位設置為毫米。

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，需以3D Max提供的基本體為基礎進行編輯和創建，并根據博物館展廳和青銅器的不同樣式，采用不同的建模方法。

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

②高級建模：高級建模是3Ds Max中一些復雜性建模技術的統稱，在繪制過程中，主要針對外觀不規則、擁有復雜細節的一類模型。高級建模是繪制復雜和不規則模型比較常用的建模方法，在模型繪制前，需將模型進行分割處理，再通過圖形合并命令工具將繪制好的模型進行組合。在這一過程中，通常會利用布爾、放樣、二維線條創建復合對象，轉化為可編輯多邊形，對可編輯的多邊形對象進行系列變換操作即可得到相應三維模型。[6]本文以“青銅農具”的繪制說明高級建模的方法，首先對模型進行分割處理，將其分為刀身和手柄兩部分，刀身采用復合建模方法中的樣條線進行繪制，在“修改器列表”中加載一個“殼”命令，接著在“參數”卷展欄下適當調節參數，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，將其轉化為可編輯多邊形，加載“擠出修改器”命令，由相應比例調整參數，得到模型，最終通過對其命令，將其組合，得到真實青銅農具的模型。青銅農具的繪制如下頁圖2所示。

（2）模型優化處理

在利用3Ds Max軟件進行模型繪制過程中，為了滿足所建構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處理兩方面優化3D模型。

①模型的簡化處理。在3D可視化技術中，3Ds Max可以建立復雜且立體的三維場景，但在設置交互漫游場景時，要考慮場景大小和教學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，將不會在場景中顯示的消隱面進行消除。[7]另外，模型的網格分布要合理，通過焊接命令將模型的點面進行焊接對齊，減少模型接縫，使得模型更加精簡。

②模型的精細化處理。由于青銅器文物年代久遠，每一種青銅器的紋理材質、銹斑腐蝕的程度會呈現不一樣的特點。為了精化模型，凸顯模型的逼真度，在制作時，通常對青銅器凹凸花紋進行繪制，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場景中。為了后期能在VR-Platform平臺軟件上進行交互，在整個場景導出之前，需要進行模型烘焙操作，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燈光，采用外部Lightscape插件烘培3Ds Max模型。此過程對計算機的配置要求非常高，烘焙個數不宜過多，制作過程中要注意硬件要求。

（4）模型的導出

虛擬現實平臺軟件只能導出“*vrp”格式的文件，因而，烘焙好的模型導出時要注意導出方式。在開發過程中主要用到一個介于虛擬現實平臺軟件與3Ds Max軟件之間的VRP-for-Max插件，操作過程中先設置VRP導出選項相對應的參數，為了提高后期作品運行速度，這里引入“Dxt3壓縮格式”進行貼圖設置，目的是進一步提高導出速度。

4.交互虛擬展示

在虛擬現實平臺軟件下，學習者可以在三維場景自主漫游和手動漫游，實現人機交互，為方便教育教學，還需進一步對交互界面、人物動畫和交互菜單進行設計開發。

（1）交互界面設計

交互界面是教學交互信息傳達的載體，合理的交互界面設計，更有利于教師和學生的學習[9]，交互場景主要包括三維模型、圖片、聲音、文字和人物動畫，需要考慮場景布局、交互層次設計和視覺等元素，而這些元素的設計不僅要準確表達教學信息，還要盡可能使交互變得簡單易用。3D教學資源交互界面的整體設計如圖3所示。

（2）人物動畫制作

虛擬現實平臺最大的交互功能就是可以通過鼠標、鍵盤在VR里實現自主漫游、手動漫游，可以讓學習者通過數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，通常使用虛擬現實平臺軟件自帶的人物動畫，通過體型、服裝、外貌、發型選擇適合教學的三維動畫人物，并利用軟件自帶的腳本語言，開發出人物角色面部表情和肢體動作，使得人物更加形象立體，細節更加豐富，精度更加準確，更貼近真實教學環境。

（3）交互菜單制作

在教學資源開發過程中，為了實現更好的人機交互，會設計一系列交互菜單，主要包括按鈕交互、鍵盤響應、鼠標控制等。在交互過程中，幾個交互菜單配合使用，對控制界面進行不同的轉換，通過鍵盤上的方向鍵及鼠標共同控制人物運動方向，更好地實現人物漫游，使學習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、材質和特征，更好地促進學習者的學習。

（4）交互場景編譯運行

完成所有模型的交互功能后，在VRP-Platform平臺軟件下進行相應測試、運行、修改和調試，并預覽效果，最終選擇菜單欄中的編譯獨立執行的.exe文件選項，輸出可獨立執行文件，保證在普通計算機上能正常運行，這樣即可完成關于該課程的3D可視化教學資源庫。

● 總結

本文以具體的課程知識為例，闡明了3D可視化教學資源的設計開發方案，并結合實際教學提出了基于3D可視化技術開發制作三維可視化教學資源的詳細流程。筆者認為，3D技術的引入革新了傳統教學資源，彌補了傳統課堂缺陷，增強了課堂教學資源的多樣性和情境性。但當前，3D可視化教學資源稀少，軟件開發和制作技術不夠成熟，因此，對3D可視化教學資源的設計與開發研究是大勢所趨。

參考文獻：

[1]閆春霞.面向課堂教學的3D教學資源設計研究[D].武漢：華中師范大學，2016.

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

[3]王洪梅，王運武，丁超，等.3D視頻資源：數字化教育資源的新形態[J].現代教育技術，2017（04）：20-25.

[4]陸建松.博物館專業人才培養和學科發展[J].中國博物館，2014（02）.

[5]劉可.教學場景中三維可視化資源的設計與應用[D].武漢：華中師范大學，2017.

[6]王正盛，陳征.VRP11/3ds Max虛擬現實制作標準教程[M].北京：印刷工業出版社，2011：260.

[7]鄭付聯.3D MAX建模技術及其優化的研究[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，研究方向為教育信息化、信息技術教育。

基金項目：2017年度云南大學職業與繼續教育學院一般項目“基于3D可視化教學資源的設計開發研究”（項目編號：YK1706ZJ）。