基于虚拟现实技术的课件设计

吴强

摘要：教育部在《教育信息化十年发展规划（2011—2020年）》中提出了“建立优质数字教育资源和共建共享环境”目标，其中包括虚拟实验室的建设。本文对虚拟实验系统开发进行了可行性分析，并简述了虚拟现实系统制作的流程。

关键词：虚拟现实技术；虚拟实验；多媒体技术；VRP；3D max

中图分类号：G642 文献标识码：A 论文编号：1674-2117（2016）07-0081-03

前言

“神舟十号”载人飞船的成功发射，标志着我国载人天地往返运输系统首次应用性飞行的开始。航天员王亚平等三人把“天宫一号”作为太空讲堂，给地面的青少年进行太空讲课，这是中国历史上的第一次太空授课，极大地激发了广大青少年对科学探索的热情。受此启发，笔者萌发了一个构想：运用虚拟现实技术构建一套虚拟的太空授课仿真系统。它可以全方位、主动式、交互式、仿真式地模拟太空实验，突破真实实验的时空限制，培养学生动手动脑的能力。基于虚拟现实的太空授课系统很好地突出了虚拟现实系统“沉浸—交互—想象”的三角形特征。[1]

国内外在教育中应用虚拟现实技术现状

国外在虚拟实验研究方面主要是侧重于虚拟实验设备的建设，其中罗莱纳州立大学的LAAP利用Java技术建立了基于Web的探索式虚拟物理实验室、印地安那州立大学开发了MBL化学实验室等。

国内对虚拟实验的研究主要是侧重于虚拟实验软件的建设。例如，上海交通大学国家攻克物理教学基地物理实验中心的数据采集实验室是正在建立和完善的面向大学物理实验教学的虚拟现实系统。[2]这个虚拟现实系统是以美国国家仪器公司的虚拟开发软件Lab VIEW为开发平台，利用先进的数据采集技术，将实际中的实验数据经过模数转换采集到计算机智能来分析。[3]

系统设计的理论基础

1.研究的理论基础

（1）虚拟实验系统定义

虚拟实验系统就是以计算机为操纵中心，学习者通过已经成功实现的虚拟实验系统，在一个仿真的实验环境中完成与真实实验项目一致的实验操作，从而达到学习和领会实验的目的。

（2）教学设计

著名心理学和教育学家加涅曾在《教学设计原理》中将教学设计界定为：“教学设计是一个系统化规划教学系统的过程。教学系统本身是对资源和程序作出有利于学习的安排。”[4]本研究是在教学设计理论的指导下，通过借助虚拟现实平台进行的教学设计。

由于知识是情境化的，具体情境所提供的直观、生动的形象能有效地激发联想。因此，创设真实的或接近于真实的、具有丰富资源的学习情境是非常重要的。

2.中学物理课的特点

（1）推动学习方式的多样化

人类的教育方式和学习方式有两种不同的类型：一是学习者通过教育者系统的传授“接受”人类已有的知识；二是学习者通过亲身实践“体验”到知识使用的乐趣，通过内心体验主动参与学习。[5]

（2）精选课程内容，体现物理教育的基础性、时代性和适用性

《物理标准》根据物理课程的教育功能，强调物理教育不仅是传授物理学科的知识体系，更重要的是促进学生的发展，所以教师在确定目标、内容与要求时，不能只考虑部分学生的需求，而应考虑全体学生的需要。

（3）适应信息社会对人才的要求，实现物理课程与信息技术的整合

数字化、信息化已成为时代的潮流。信息技术进入中学物理课程不但可以使学生在学习中熟悉数字化环境，加强物理课程内容与现实世界的联系，促进学生学习方式的改变，还可以为学生的自主探究提供有效的工具，大力提升学生自主获取知识的能力。

3.虚拟实验应用于教学的优势

将虚拟实验应用于教学领域，是以提高学生的实验能力为主要前提，其优势概括来说有三个“有利于”：有利于营造虚拟现实学习环境，有利于学生接受显性和隐性知识，有利于培养学生主动探索的学习方式。

系统的需求分析

1.基于虚拟现实平台构建良好的知识建构环境

通过虚拟现实平台，学习者可以通过虚拟场景与自身相互的作用，迅速得到信息反馈，及时获得直接经验，这能代替原有的通过教师讲授获取间接经验的学习模式。虚拟现实技术在教育中的应用大致可分为模拟训练、虚拟实验室与仿真虚拟学校三个方面。[6]

2.基于虚拟现实平台教学的可行性分析

虚拟现实技术可以为我们提供具有互动性、可重复使用性以及以实为本、虚实结合的平台。当前，计算机的使用已经非常普遍，我国的中小学也早已开始进行多媒体教室授课，这些为虚拟现实技术的应用打下了良好的基础。

基于虚拟现实技术的太空授课课件的设计

笔者选择了基于虚拟现实技术的太空授课系统作为研究对象，其设计目标和内容如下：

1.系统功能模块设计

基于虚拟现实系统的构建就是一个系统的工程。笔者将系统要实现的功能分为五个子模块，如图1所示。

（1）场景切换

“场景切换”由两组在时间轴上的镜头和两组单独的镜头组成，分别为“开场动画”（播放开场时的动画）、“对接外观”（播放两艘飞船对接后的动画）、“太空漫游”（切换到飞船外部镜头）和“舱内欣赏”（切换到天宫一号内部镜头）。

（2）实验操作

“实验操作”分为“实验介绍”（对两个实验的原理进行大致的介绍）、“小球单摆”（运行单摆仪器在太空中失重的动画同时播放讲解）和“陀螺旋转”（运行陀螺在太空中失重时的动画，同时播放讲解）。

（3）视频播放

点击打开视频面板，然后选择上面的不同按钮播放不同的视频；第二次点击该按钮时则关闭该视频。

（4）数据库

单击依次交替打开或关闭数据库，对数据进行显示或隐藏。

（5）练习题

单击依次交替打开或关闭Flash练习，对练习进行显示或隐藏。

2.实验操作功能设计

实验操作功能是整个虚拟实验的中心部分，它由实验介绍、小球单摆、陀螺旋转三大模块构成。

基于虚拟现实系统太空授课课件的实现

根据系统设计目标和内容，笔者完成了系统的制作。该系统主要使用了如下开发平台和工具：①模型制作工具：3Dmax10.0；②开发平台是VRP编辑器12.1212（学习版）；③影片声音剪辑工具：Adobe Premiere Pro CS4和Audition；④练习题制作工具：Flash CS5.5；⑤贴图素材处理工具：Photoshop CS4；⑥数据库提供平台：Access 2003。

1.系统主要功能

下面，笔者用设计流程来讲解整个作品的表现效果。首先，播放一个开场视频。学习者看完开场视频以后，可以用鼠标单击一下屏幕，此时，屏幕播放神舟十号与天宫一号对接的时间轴动画，如图2所示。

当两艘飞船对接完以后，学习者可以用鼠标左键点击宇航员，宇航员便会向学习者招手，如图3所示。

此时，当学习者点击“舱内欣赏”按钮时，镜头就会切换到合适的位置；点击“实验操作”按钮，屏幕会弹出“实验项目”选择栏。当学习者选择“小球单摆”或“太空陀螺”按钮时，系统会切换到最佳角度观察的镜头，在桌面上播放单摆仪器演示动画，如图4所示。

除此之外，用户可以根据自己的兴趣，选择系统提供的其他项目，如选择“太空漫游”“飞船对接”按钮，系统便会切换到飞船的外部场景。

系统还为学习者提供了方便灵活的选择方式。例如，单击“舱内欣赏”按钮，系统就会切换到天宫一号内部，学习者可自由欣赏飞船内部的样貌。

作为教学系统，笔者考虑到观看实验之后，对实验内容的强化问题，所以设计了“练习环节”。当学习者点击“练习题”按钮后，系统界面中间会出现用Flash制作的练习题。

2.系统界面设计

整个系统除了已经在3D max中制作好的各种实验仪器和场景模型外，还有系统界面设计，如图5所示。

图5的整体布局呈现对称性，当操作者的鼠标位置处于触发区时，触发界面将显示动画，供实验者对系统进行操作；当鼠标离开触发区时，触发界面将隐藏动画，为学习者的观察学习提供更大的范围。

结束语

随着时代的发展，虚拟现实技术在教育领域已具有应用前景的“明星”技术，呈现多元化的发展趋势。[7]现在许多科技企业都已经开发出了自己的虚拟现实平台，并能很好地与各大高校合作，研发出越来越多的虚拟现实课件。虚拟现实技术无可比拟的优势，将对未来人类社会的教育培训产生不可估量的作用。

参考文献：

[1]宋宗升.基于vrml的中学物理虚拟实验的设计与实现[D].曲阜：曲阜师范大学，2009：8-10.

[2]朱敏.虚拟实验与教学应用研究[D].上海：华东师范大学，2006：18.

[3]王存莲.基于虚拟仪器的大学物理实验的发展[J].山西大同大学学报（自然科学版），2007（8）：100-102.

[4]R.M.加涅.教学设计原理[M].上海：华东师范大学出版社，1999：23-24.

[5]程慧明.接受学习真的过时了吗[J].西藏教育，2005（10）：40-44.

[6]宋蔚.基于虚拟现实的虚拟实验研究[D].重庆：重庆大学，2005.

[7]冯逊.虚拟现实技术在教育中的应用与展望[A].中国自然科学博物馆协会、浙江省现代设计法研究会；全国首届数字（虚拟）科技馆技术与应用学术研讨会论文集[C].中国自然科学博物馆协会、浙江省现代设计法研究会，2007：6.