教育信息化背景下虚拟仿真教学资源建设

刘亚丰，余龙江，卢群伟，苏 莉，吴元喜

(华中科技大学 生命科学与技术学院，湖北 武汉 430074)

虚拟仿真教学利用虚拟现实技术和仿真模拟技术，构建虚幻的条件与场景、逼真的操作对象与学习内容及灵活多样的互动环节，使得高效、安全、经济、完全开放的教与学成为可能[1－3]，有望成为除理论教学、实践教学之外的第三种教学模式，将成为信息时代教育改革的发展方向和实践教育信息化的重要举措[4－6]。

信息技术的快速发展推动各类教学资源如Word文档、PowerPoint课件、微课及动画等广泛应用，这些资源的文件格式、展现形式和执行方式不同，有些属于虚拟仿真教学资源，有些属于一般数字化教学资源。面对专业知识更新速度快及个性化学习需求，虚拟仿真教学资源开发与建设要考虑成本、扩展、兼容、共享及更新等问题[7－10]，并协调与其他教学资源的融合，以提升教学质量并促进其可持续发展，使之能够运行于不同操作系统上或运行于不同终端设备上。

1 教学资源分类

教室、实验室、机房、仪器设备、器具耗材、药品试剂、动植物标本及教案、教具甚至教师都可归属于传统实体教学素材。计算机及网络技术的发展，推动电子文档、图片、音频、视频及试卷题库等形式多样的信息化资源的涌现，为教师的教和学生的学提供了多种选择，有力地促进教育信息化和推动教学目标实现。这些资源以不同展现形式向用户提供信息、知识或技能，但缺乏交互环节或互动节点，不属虚拟仿真教学资源，而是常规数字化教学素材。

为推动虚拟仿真教学模式实施，促进个性化、自主学习与实验操作，可借助虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库和网络通信等技术构建高度仿真的虚拟实验环境和实验对象，开发可满足新时期教学大纲要求的、功能强大、信息量大、交互性强的虚拟仿真教学资源，它包括静态模型和动画程序两类素材。

静态模型素材包含分子细胞结构库、动植物标本库、仪器设备库、器具耗材库、药品试剂库及实验场景库。通过计算机建模软件，将现实中的仪器设备如显微镜、器具耗材如烧杯、药品试剂如酒精及实验场景如操作间等进行建模，建立不同精度、属性可配置的二维或三维模型，用于结构学习与功能认知。重要的是，这些资源易共享、可减少开发周期和节约成本，方便不同高校及公司构建具有交互环节的动画程序。

动画程序素材是利用程序开发软件如Unity3D，通过一定的流程和交互接口将相关静态模型素材连接起来，形成特定知识点传播的具有动画效果的一段程序代码。由于是程序代码，它可以顺序结构和星状结构等多种形式运行，方便添加各种交互接口，其达到的功能与效果也将超出常规数字化素材，可用于实验场景漫游、安全实训操作、仪器设备操作、试剂制备操作、虚拟实验操作和仿真实验操作，可通过2D或3D方式展现。

虚拟仿真教学模式顺利开展，同样也离不开其他教学资源建设，因此在当前教育信息化背景下，需要整合、优化原有各类教学资源，建立有层次、可配置、方便扩展及有利共享的教学资源体系，如图1所示。

图1 教学资源分类

2 虚拟仿真教学资源需求分析

相对常规数字化资源，虚拟仿真教学资源所需技术多，制作周期长，开发费用高，交互环节特别是涉及人机交互硬件及软件开发等方面的尤为复杂，其建设要从多方面考虑论证。

2.1 建设必要性

首先应考虑虚拟仿真教学资源建设的必要性。如果传统实体教学资源或常规数字化资源可满足教学大纲需求，则无需建设虚拟仿真教学资源。应本着 “能实不虚”“以虚促实”“以虚补实” “虚实互补”的建设原则，对于现实情况不具备或难以达到教学效果，或涉及高危、极端环境不可及、不可逆的教学与操作，或涉及高成本、高消耗的教学与操作，可考虑建设虚拟仿真教学资源[2－3]。

2.2 功能展现形式

虚拟仿真教学资源通常有两种功能展示形式，一种是借助电脑屏显示及鼠标与键盘交互的一般功能展示，这里定义平面展示；一种是需要借助投影系统、数据手套数据服、头盔显示器、位置跟踪定位装置及三维语音系统或触觉反馈系统等的特效功能展示，这里定义为立体展示。立体展示是多维度的，不仅给用户提供身临其境的场景，也提供温度、位置及力量等多参数反馈信息，因而比平面展示更逼真，效果也更好，但所需技术较多，开发更复杂。

2.3 开发周期与成本

模型的精度和交互程度决定了虚拟仿真教学资源的建设周期，也决定了开发成本。真实物体的复杂度及精细度决定模型制作的前期工作量，制作二维模型和三维模型及它们的精细度决定了后期工作量。交互节点数、交互执行结构及是否需要软硬件接口与反馈等决定了交互程度。以实验室漫游场景为例，目前市场上的价格是每秒400～2 000元，这对于一般高校而言都是非常大的开支，因此在规划建设虚拟仿真教学资源时，应理性考虑制作周期、开发成本及可持续发展。

3 虚拟仿真教学资源建设

虚拟仿真教学资源开发一般包括原始素材获取、模型素材构建、动画程序开发及测试发布等环节，如图2所示。

图2 虚拟仿真教学资源开发流程

3.1 原始素材获取

经过虚拟仿真教学资源需求分析，确定制作质量与效果后，就要获取原始素材，它包括静态素材和程序脚本的获取。

3.1.1 静态素材

静态素材包括场景设施、仪器设备、试剂耗材、药品试剂及动植物标本等，要采用高清相机拍摄，摄制前应协调沟通好静态素材的主体与功能，以使模型制作有针对性和侧重点。拍摄中，要有针对性的选取光圈大小、曝光时间及感光度，凸显素材之间的差别。如果素材老旧或受拍摄限制及光照条件影响等，可利用Photoshop等图像处理软件进行技术处理或修复，去除图片中杂景和扭曲，调整色阶或进行滤波处理等。

3.1.2 程序脚本

程序脚本是所开发教学资源要达到教学效果及实施的设计思路、目标要求及执行结构，它是专业知识与信息技术融合的基础，也是在教育信息化时代传统教案在内容上的延伸。要开发出高质量的虚拟仿真教学资源，需要在程序脚本上下功夫。专业知识通过什么样的形式可更有效展现？如何锻炼学生综合设计及创新能力？交互环节如何设计？教学质量与效果如何达到等，只有专任教师才熟悉这些专业知识及存在的问题，因而程序脚本通常应由专业老师亲自撰写或主导编写。

3.2 模型素材制作

在获得静态素材图片及尺寸后，可采用3DSMax或Maya软件构建实物模型。模型线数、面数、贴图及纹理等参数决定模型的真实度。如图3所示，显示了3种不同精度要求制作的研钵模型，其效果差别明显。如果静态素材复杂而制作精度又高，将会使模型文件过大，降低软件运行速率，则需要优化处理模型制作。模型优化有建模优化与贴图材质优化，可采取二次建模优化技术、动态生成三维实体技术、代码重用及封装技术进行优化。另外，尽量减少点、面及多边形，删除不用或看不到的面与区域，控制建模数据的小数点位数等。

图3 不同精度的研钵模型

贴图材质制作是一个模型的灵魂，它在模型制作过程中占较大比重。贴图类型包括漫反射贴图、高光贴图和法线贴图。漫反射贴图即物体本身颜色纹理制作，开发要求低的可采用这种贴图方法；高光贴图反映了一个物体在光照下的真实属性，开发出更真实的高模，这种方法需要计算机多次优化运算；法线贴图可以让低模继承高模的凹凸纹理，用最少资源产生与高模同样的真实立体效果。

模型贴图文理制作后，通常还需要封装赋予运动元素，让模型按照流程要求动起来，注意帧速及预留帧等待时间，动作必须自然流畅，符合运动规律，避免丢失动画帧。

3.3 动画程序开发

模型构建完成后可一起或分批导入虚拟现实软件中，进行后期程序编写制作，主要包含以下两个方面。

3.3.1 开发软件选取

目前流行的虚拟现实开发软件有Virtools公司的Virtools、荷兰Act3D公司Quest3D、Unity Technologies公司的Unity3D、Cycore公司的Cult3D及国内中视典公司的VR－Platform等。这些开发软件拥有人机界面的设计能力、3D场景和模型渲染展示能力及脚本交互控制能力。目前采用Unity3D开发的居多，主要在于它有强大的3D渲染能力，支持PC、Android、IOS、网页及XBox等平台，并提供多种接口运行脚本语言，如基于C＃和JavaScript脚本程序可将模型及多媒体元素整合，满足交互环节设计需求，从而提高开发速度，并能保证平台后期的拓展。

3.3.2 流程制作

流程制作通常包括UI功能制作、场景功能交互制作、特效制作、屏幕渲染及优化处理等几个环节。UI功能制作通过代码逻辑和UI函数的调用来实现用户与系统的UI界面的功能交互，实现用户的输入、选择、点击及拖拽等操作，可进行实验流程设计和实验参数选取设定等。Unity3D用代码逻辑控制UI布局、大小及不同分辨率下的自适应、字体特效、图片大小与动态显示和图片特效等。

Unity3D中的场景功能交互制作，是用C＃语言编写脚本实现用户与场景中对象交互，通过一定的形式触发动作、响应、反馈，或进行参数选取、属性配置和流程组合等。这一部分是虚拟仿真教学资源建设的重点，可以说该环节的复杂度、丰富度决定了虚拟仿真教学资源的建设质量及所能达到的教学效果。如图4所示，是本文基于Unity3D软件开发的细胞膜片钳虚拟仿真实验项目，它包含镜头更换、载物台移动、电极装载、微操三维移动、正负压给气系统、焦平面调节和电子放大器等功能模块及多界面窗口，方便实现参数设置、条件选取及人机交互等功能，对于学生掌握复杂的细胞膜片钳实验步骤和操作技能是非常有必要的。

图4 膜片钳虚拟仿真实验操作界面

Unity3D中的特效制作是调用软件中的插件，实现对指定对象形状、行为、功能的特效烘托。如图5所示，为更逼真地显示玻璃器皿中培养细胞生存的水环境，本文采用Shader着色器并编写脚本控制其属性，从而可动态控制水分子随机闪烁。

图5 Shader控件实现水分子特效展示

在流程制作后期，可调整实验场景视角、光影效果、天空显示及颜色修正，对屏幕进行后期渲染。另外，还可利用Unity3D内部分析软件对场景中模型和交互代码进行分析，查找过于繁琐的代码或面数过多的模型进行后期处理。

3.4 软件测试发布

软件测试是教学资源修正、优化和完善的重要环节，应组织学生试用并和相关老师、专业技术人员讨论、评估及修改。软件发布阶段主要是将制作好的虚拟仿真教学资源以可执行方式或网页播放方式进行发布，以便在本地机运行或远程在线访问。由于虚拟仿真教学资源开发对专业知识要求高、对开发技术要求高，通常涉及教师、高校及合作公司的知识产权而需保护，为此在软件发布前，应进行程序代码加密、注册码保护及用户管理等处理。

4 结束语

虚拟仿真教学模式是教育信息化发展趋势下出现的新教学方式，它的出现将积极推动教学改革和提升教育质量。本文结合华中科技大学国家级虚拟仿真实验教学中心建设经验，从需求分析、原始素材获取、模型素材制作及动画程序开发等几个方面详细介绍了虚拟仿真教学资源的建设原则、建设内容、实施过程及技术需求，以期在教案设计和资源建设方面建立统一标准[11－12]，推动教学模式顺利实施，彰显虚实结合的教学特色和提升学生创新实践能力。

[1]刘亚丰，吴元喜，苏莉，刘凌.生命科学与技术虚拟仿真实验教学体系的构建[J].实验技术与管理，2015，32(9):120－123.

[2]刘亚丰，吴元喜，苏莉，余龙江.信息化背景下虚拟仿真实验教学中心建设规划与实践[J].高校生物学教学研究，2015，5(3):39－43.

[3]刘亚丰，余龙江.虚拟仿真实验教学中心建设理念及发展模式探索[J].实验技术与管理，2016，33(4):108－110.

[4]中华人民共和国教育部 [EB/OL].[2015－09－08].http://www.moe.edu.cn/srcsite/A08/s7945/s7946/201408/t20140822＿174614.html.

[5]李平，毛昌杰，徐进.开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设提高高校实验教学信息化水平[J].实验室研究与探索[J].2013，32(11):5－8.

[6]国务院.国家中长期教育改革和发展规划纲要[EB/OL].[2015－09－08].http://old.moe.gov.cn/publicfiles/business/htmlfiles/moe/moe－838/201008/93704.html.

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[10]罗昊，张晓东.虚拟仿真实验教学中心开放共享模式的探索[J].实验技术与管理，2016，33(10):232－236.

[11]刘亚丰，苏莉，吴元喜，等.虚拟仿真实验教案设计及实践[J].实验室研究与探索，2017，36(3):186－188.

[12]刘亚丰，苏莉，吴元喜，等.虚拟仿真教学资源建设原则与标准[J].实验技术与管理，2017，34(5):8－10.