基于虚拟现实的数字化学习资源设计研究

兰厅++李欣++李欢欢++温亚莉

摘要：随着计算机技术以及网络技术的不断发展，虚拟现实技术也得到了快速的应用，它不仅应用于影视、游戏、娱乐行业，在教育领域也得到了普及。本文详细介绍了虚拟环境下学习资源的特点以及如何搭建虚拟现实的数字化学习资源，旨在运用虚拟现实技术来提高学生的学习积极性，并为学生创造良好的学习环境。

关键词：虚拟现实技术；数字化学习资源；3d Max

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）17-0199-03

1 引言

近些年来，数字化教学资源在教育中得到了普遍的应用，这些资源大多以课件以及视频为主，久而久之并不能调动学生的学习兴趣、发挥学生的主观能动性。而基于虚拟现实的数字化资源结合了虚拟仿真技术能够为学生带来真实的环境体验，具备其他教学资源不可替代的作用，因此在教育中成为了人们越来越关注的一个话题。

2 虚拟现实技术

2.1 虚拟现实技术的含义

虚拟现实技术自出现以来受到了不断发展，它是一种虚拟仿真技术，虚拟现实技术是由众多技术相结合而成的，广泛应用于人们的生产生活，其中计算机网络技术、仿真技术等为虚拟现实提供了必要条件，成为虚拟现实中不可分割的一部分，虚拟现实能够让人体验真实场景中的实体感知，并通过语言、手势等自然的方式进行实时交互，达到逼真的自然体验效果。[1]

2.2 虚拟现实展示设计

近年来，虚拟现实技术得到了人们的普遍应用，它是将现代先进的科学技术与艺术相互融合，并用计算机图形学、仿真技术等对现实的场景进行规划设计和实施过程。[2]它以自身独特的优势，将技术与艺术完美地结合，根据人们的需求及大众的审美理念对现实场景进行创造性的再现，从而提升人们的生活和学习质量为人们的生产生活带来了诸多便捷，尤其是在教育领域的应用，虚拟现实类的教学资源自产生以来受到了老师和学生的一致好评。

3 数字化学习资源

3.1 数字化学习资源的内涵及分类

随着计算机技术以及网络技术的普遍应用，信息技术得到的不断发展，数字化的教学资源也由此而生，近几年，数字化学习资源在教育领域得到了广泛的使用，传统纸质版的教材已经不能满足学生和老师的使用，这种媒介不利于优质学习资源的共享，而数字化的学习资源则实现了资源的重复利用性，且通过打印技术便可实现纸质资源的共享，在教育领域中，数字化教学资源已经成为了主要的学习媒介，任何一种新媒介的产生都是在数字资源的基础上形成的。数字化学习资源的应用也对教育教学工作提出了新的要求，教学的形式更加多样化，课堂上老师不再是单纯的知识传授者，而是课堂的参与者，学生在课堂中享有一定的主动权，这样的课堂有利于学生的个性化发展，学生不再是千篇一律的，每一位学生都能在班级中找到属于自己的位置，由此可见，数字化教学资源在教育教学方面已经成为了必不可少的内容。

数字化学习资源有多种分类的方式，这些分类主要依据的是信息的类型以及信息的呈现形式，我们最常见的有数字视频、音频以及多媒体软件等，这些学习资源改变了传统教学模式资源的不足，使优秀的教学资源得以共享，是信息技术的快速发展为教育教学带来的新阶段。除此之外，还有网络学习平台、虚拟现实资源，网络学习平台当今教育界比较热门的话题，它为学生提供了在线学习的平台，使学生可以在任何时间、任何地点进行自主学习。虚拟现实资源也是教育中的热点话题，在虚拟现实的场景中，学生可以获取更多课堂涉及不到的知识内容，并能够节省大量的人力物力。

3.2 数字化学习资源的优势

传统的教学媒介是以纸质教材为主的，而数字化的学习资源是以电子书、各类的图片、声音以及视频为主，它的特点有：

便捷的获取方式。数字化的学习资源在获取时相对方便，由于它是一种虚拟化的资源，可以实现重复的复制操作，因此学生可以不再受时间以及空间制约，学习可以随时随地地进行自主学习，学生可以利用计算机、手机等工具实现资源的获取。

多样化的形式。数字化学习资源的形式有很多，其中主要的有其主要的媒体呈现形式有文本、图像、声音、动画、视频等，极大地丰富了信息内容的表现力。

平台的互动性。基于虚拟现实的数字化学习平台是由相应的交互软件来完成的，其很好地实现了环境与平台的相互融合。

3.3 虚拟现实技术对数字化学习资源的有效支持

数字化学习环境的组成部分一般有资源、平台、通讯、设施和工具等。在该学习环境下，借助于计算机多媒体技术，知识的表征逐步向多媒体化、信息处理智能化、管理人性化、场景虚拟化等方向发展。在数字化学习中，通过仿真实验室、虚拟校园和教室等教学环境的仿真，学习者可以与仿真学习情境互动，深刻体验领悟学习内容，从而感受多媒体技术带来的便利。数字化学习实现了教学内容的直观性和趣味性，在某种程度上也提高了学生学习的兴趣和效率。同时，通过网络与老师和学生之间的交流协作也能够培养和提高学生自身的创新思维和协作能力。[3]

传统的数字化学习资源中，用户是通过运动鼠标或者操作键盘来得到相关的资料的，而基于虚拟现实的数字化学习环境中用户可以将视觉系统和运动感知系统联系起来。比如，虚拟环境中的物体可以根据用户的手势或者随着用户的手的移动而移动，而不是跟随鼠标的移动而移动。另外，不仅要实现学生与软件之间的交互，还需要实现学生与学生之间、学生与老师之间的交互。

4 基于虚拟现实的数字化学习资源的设计与实现

4.1 设计应遵循的原则

在进行虚拟现实的数字化学习资源的设计过程中需要遵循相应的原则，以下几点可以作为设计应遵循的原则。

（1）以学习为中心的原则

学习是学生通过各种渠道获取知识的过程，而不是单纯地通过教师的讲课而得到的，学生在特定的环境中，可以通过特定的手段获取知识。例如：利用老师和同学的帮助，借助必要的学习工具来获取学习资料。但是，老师和同学的知识和经验也是有限的，并不能很好地满足学生的日常学习需要。在互联网技术的快速发展的情况下，技术也在不断更新变化，学生从互联网上获取的知识越来越多，而社会上的用户在遇到问题时，经常通过互联网来寻找答案。因此要求虚拟现实的数字化学习在提供学习资源、设置交互等方面都需要做到“以学习为中心”的原则，从学生对学习的需求方面出发。

（2）科学性的原则

科学性原则是教育评价的基本准则之一，它要求在评价的过程当中主要的方向要符合教育自身的客观发展规律。同样，在创建虚拟化学习资源的过程中，同样也需要科学性作为指导，一定要保证资源内容的正确性和来源的可靠性。

（3）教育性的原则

基于虚拟现实的数字化学习资源，本身就是一个学习的平台，所以其本身应该具有一定的教育性和启发意义。在设计的时候一定要符合教育的要求，设计出合理的流程。

（4）强大的交互性的原则

虚拟现实技术比传统的模拟技术更能使用户真实的参与由计算机生成的交互式数字化学习的环境中，它可以模拟人在自然真实状态下所做出的各种行为，生成一个具有视、听、触等多种感知的环境，并正确的反馈给用户，使用户产生身临其境的感觉。同时，用户可以依靠自己的想象力，通过感知和认知能力，启发自己的思维，全方位、多层次的获取信息。

（5）分析问题多角度原则

正是由于教师在讲授的过程中，分析问题可能会不全面，描述事物不完整，所以为了解决这一人性不可避免的缺点，虚拟环境的设计应避免这一点。全方位、深层次的分析问题，并尽可能作出多种答题思路和解题过程，这对于学习者对问题的认识和理解更有帮助。

4.2 设计的一般流程

（1）虚拟环境下的教学设计

普通条件下的教学设计是由教师根据课程标准的要求和教学对象的特点，来确定比较合适的教学方法和计划。但是教师毕竟精力有限，观察力有限，不可能针对所有学生一一制定教学方法和教学步骤，而且老师的看法往往带有主观性，所总结的教学方案不一定全面。但是在虚拟环境的条件下，通过调查参与者对知识的了解程度，可以客观清楚的设计出教学方案，制定出针对个人的教学目标、教学重难点、教学方法、教学步骤与时间分配等环节。

（2）三维场景创建

基于虚拟现实的数字化学习资源设计的系统场景是否具有真实性，老师以及学生能否适应场景，这都依赖于场景构建者的技术水平、教学素养与信息技能，前期的模型一定要精简逼真，这样才能在后期的处理中更加便捷。在建模的过程中，不同的模型可以采用不同的建模方法，在实际创建中，我们可以使用高级的建模软件，比如Maya、3dS Max等进行建模，使用Auto CAD、Photoshop进行贴图的处理。

建模。使用3ds Max建模的方法有许多种，其中主要的建模方法有：多边形建模、NURBS建模、内置几何体建模、复合对象建模、修改器建模、样条线建模等。基于虚拟现实的数字化学习资源的建模采用了多种建模方法混合的方式。针对场景中不同的对象，分别采用精细建模和粗略建模相结合的形式，降低了场景渲染时的复杂度，这不仅降低了渲染时所需要的时间，也对计算机的硬件要求有所降低。

材质贴图。贴图的制作主要在软件Photoshop中进行。主要是制作物理表面的纹理，可以达到在不增加模型边数的情况下，使物体表现出更多的细节，使模型更加逼真。在Photoshop中处理好的材质图片，可以通过材质编辑器窗口添加到模型上面。也可以通过UVW展开和UVW贴图两个修改器贴进行设置，在使用UVW贴图修改器的时候需要将贴图的通道设置为1，注意该通道的UV要和相同模型或需贴相同材质的模型的UV面最大限度的重合，这样可以提高贴图的利用效率，但是一套UV并不能满足烘焙灯光贴图的要求，因此，还需要为模型添加没有重叠的UV，并且设置灯光贴图的通道为2。

灯光。灯光是构建虚拟场景的一个重要部分，好的灯光可以使模型更加真实，更有有立体感。在3ds Max中的灯光类型有：目标聚光灯、自由聚光灯、目标平行光、泛光灯、天光等。在设置灯光的时候要注意灯光的类型及使用原则，灯光的类型有：主光、辅光、轮廓光、背景光、轮廓光、装饰光、效果光、场景光等，尽量多采用三维物体布光，因为随着灯光的增加，会使场景的渲染更加复杂，但如果场景需要表现得更加真实细致，则可以适当考虑增加灯光。

摄像机。基于虚拟现实的数字化教学资源最终需要输出一段动态的图像，这就需要在场景中设置摄像机，要将摄像机调整到符合正常情况下我们所看到的真实情景，如果需要移动，则摄像机的移动要流畅，速度要合适，要恰当地使用运动镜头。

渲染。在对场景的结构、纹理贴图、模型以及场景进行优化之后，就可以渲染输出了。当然，在制作过程中，为了保证更好的输出效果，建模和渲染需要同时进行，以方便对模型不合适的地方进行调整。在制作过程中，对模型的渲染，只是大致的了解模型所存在的问题，因此在渲染设置方面的要求可以适当降低，这样可以节省时间，同时也可以降低对计算机的压力。但是在最后渲染成品图时，需要进行高级设置，使输出的成品图出现较高质量的图像。在对图像进行渲染的时候，可以使用3ds Max自带的渲染器，也可以使用渲染器插件。经常使用的渲染器有：V-Ray、Brazil、Mental ray等，同时要注意选择正确的渲染角度，其流程图如下图1所示：

（3）测试与评价

完成后的场景要由老师和学生共同体验并作出全面的评价，评价要涉及模型的结构、材质贴图以及灯光的逼真程度，根据评审团队的意见对场景做出修改，以达到最优质的学习资源来满足学生以及教师的需求。

（4）发布

基于虚拟现实的数字化学习资源系统是一个让用户进行学习的平台，它可以在任何终端设备上使用，而不是只能在虚拟现实的软件上才能使用，因此在最后需要对场景进行发布。

5 结束语

基于虚拟现实的数字化学习资源为学生带来了真实的环境体验，它突破了传统的教学资源的局限性，学生在浏览场景的同时不知不觉地掌握了知识与技能，虚拟现实技术在教育领域中的应用为人们带来了更加丰富多彩的体验，在未来虚拟现实技术将发挥更大的价值来辅助教育教学。

参考文献：

[1] 高义栋，杨小飞.虚拟导游实训系统中交互功能的设计与实现——以《比干庙导游实训VR教学平台》为例[J].现代教育技术，2013（5）：117-121.

[2] 牛霞.虚拟现实在展示设计中的应用研究[D].兰州：西北大学，2014.

[3] 曾怡.虚拟现实技术在教育领域中的应用[J].时代教育（教育教学），2011（9）.