基于Unreal Engine 4 虛擬引擎模擬《數據結構》最短路徑問題

王家偉 雷茵寧 張錦鵬 李 攀

（防災科技學院 信息工程學院，北京101601）

1 概述

目前高校教師授課的積極性不高，一部分原因就是學生的學習狀態了影響教師授課的積極性。現在的大學生普遍存在著浮躁的心態，學習的熱情不太高，學習的自覺性也不太強。上課遲到、早退、曠課現象比較嚴重。有些學生即使人在教室，卻是“人在曹營心在漢”，沒有把注意力放在聽課上。

學生學習熱情不高的一方面原因與老師上課所使用的教學課件有關，傳統的PPT 課件無法再提高學生的學習興趣。因此我們團隊通過虛擬現實技術來輔助老師課堂教學，以此增強學生的上課積極性。

近幾年隨著計算機設備端的不斷地發展與創新，虛擬現實技術開始受到社會重點關注與發展，并逐漸成為了成熟的信息化技術之一。人們開始將虛擬現實技術應用到生活當中，比如現在從一些醫院、旅游景點等地方，我們就可以看到VR 項目。虛擬現實技術可以生動逼真的還原場景及過程，給人以真實感。

Unreal Engine 4 是由Epic Games 開發的，具有成熟的虛擬現實模擬技術的引擎。是目前大多數的VR 項目開發的首選引擎。Unreal Engine 4 可以與在3dMax、Maya 中構建的模型完美結合，給人以真實感，從而增強學生的學習興趣。Unreal Engine 4 所具有的強大的物理模擬能力，可以很好的模擬出教學課件所需要的場景、建筑、路徑以及它們之間的變化過程。演示開始時，每個建筑之間的路徑及其距離長度將會自動顯示。當比較選擇不同路徑時相應距離大小的變化時，Unreal Engine 4 還可以實現通過不同動畫顯示出其路徑距離比較過程的效果。除此之外，Unreal Engine 4 還具有強大的畫面渲染能力，其優秀的粒子系統與材質系統可以模擬出真實的場景及其特效變化，這是目前其他軟件所無法比擬的。通過更加生動有趣的課件，可以幫助同學們更加充分的了解《數據結構》課程最短路徑的計算過程，增加其學習興趣。

本項目通過使用3Ds Max 制作場景三維模型，使用Unreal Engine 4 制作場景及其動畫，來實現計算機專業課程中《數據結構》課程最短路徑的計算過程。從而實現輔助老師課堂教學的目的。

2《數據結構》課程最短路徑演示項目總體設計

2.1 選擇合適場景模型

我們團隊運用了大數據的方法，分析了大多數高校學生較為感興趣的課件表現方式，最終選擇用3Ds Max 對城市房屋建筑與公路進行建模，真實地還原城市場景，這樣可以給學生以代入感，以實際情況為例幫助學生更好的學習專業知識。

2.2 功能設計

《數據結構》課程最短路徑演示項目包括了模型、動畫演示、材質、藍圖等系統。模型是用于還原教學內容，動畫演示則是用于老師講解教學內容，藍圖則是用于實現教學內容各個機制。

2.3 整體實現

《數據結構》課程最短路徑演示項目主要是通過Unreal Engine 4 引擎進行功能實現，3Ds Max 實現場景構建，演示動畫、建筑材質則是用Unreal Engine 4 中的動畫、材質系統實現的。同時，通過Unreal Engine 4 引擎中的藍圖功能進行教學內容的底層機制實現。

3《數據結構》課程最短路徑演示項目的詳細設計

首先對于課件表現方式，我們選取了城市房屋建筑與公路作為模型，盡可能的還原一種真實感，當學生在學習該部分知識時，這種更加貼近實際的方式往往能激起學生的學習興趣。然后我們對《數據結構》課程最短路徑的計算過程進行了解和分析，確定具體演示步驟的實現方式。

當教師開始使用課件進行教學時，課件上將會顯示出所有的建筑以及連接建筑之間的公路，在公路上方會顯示出路徑的距離大小，同時在另一側會出現一張表，表的作用是記錄起始點到每其他一點的最短距離大小。在課件開始演示后，根據《數據結構》課程最短路徑的計算方法，第一步，從規定的起始點開始，每條與起始點相連的路徑都會依次高亮顯示出來，其距離大小將會記錄進表中，從中選擇距離最短的一點開始進行下一步操作，并將到每一點的最短距離進行標注。第二步，從下一點開始，重復第一步操作，但要與上一步記錄的最短距離相加進行計算，如果該點與其相鄰點相加得到的距離小于表中原有距離，那么表中數據將進行更新，反之則順延上一步表中數據，直到不重復走完所有點，此時表中所標記的數據就是起始點到其他每一點相應的最短距離。

3.1 建模

項目中的所有模型，除了所有城市房屋建筑與公路，還包括交通載具，花草樹木的模型，我們團隊均采用了3Ds Max 進行建模。并將完善后的模型導入Unreal Engine 4 中進行搭建。

3.2 UI 設計

為方便教師教學使用，我們簡化了課件的UI，教師只需點擊課件中的“開始演示”按鍵，課件將通過藍圖控制自動進行演示，并且可以隨時暫停，方便教師對重要知識點進行教學。

3.3 動畫演示

Unreal Engine 4 引擎具有優秀的動畫演示系統，在演示中，在進行每一步演示時，被選擇做比較的路徑都播放會相應的動畫，并配以相應文字解釋，同時表中數據將會同步計算結果進行更新，全新的課件表現方式配合教師的教學，既可以激起學生的學習興趣，又可以幫助學生更好地理解專業知識。

結束語

雖然現在科學技術的水平在不斷提高，但目前許多高校的課堂教學方式仍然較為單一，使用PPT 課件進行課堂教學仍然是目前許多高校所采用的主流方式。過于單一的教學方式成為了學生上課積極性不高的原因之一。在近幾年里，虛擬現實技術的不斷發展，給了高校課堂教學一種新方式，那就是利用虛擬現實技術，將專業知識以另一種形式生動、真實地展現在學生面前，不再局限于書本，從而讓學生能更直觀、更深入地了解專業知識，提高學生學習專業知識的積極性。虛擬現實技術與課堂教學的結合不只是局限于計算機專業，經過進一步實踐后將來還可以應用于其他專業，服務于非計算機專業的教師與學生。