3D虚拟仿真技术在信息化教学中的运用

(永州职业技术学院 教务处，湖南 永州 425000)

3D技术与虚拟仿真技术在现代信息化教学中的运用，有效地为学生提供了更加接近真实的学习环境，激发了学生的学习兴趣，对课堂教学方法的改进、对信息化教学模式的改革起到了极大的促进作用。3D虚拟仿真技术在信息化教学中应用的核心是促进信息化资源库的建设，重点是促进3D虚拟仿真平台在信息化教学中的应用。

1 应用优势

1.1 给学生以真实的体验感

在信息化教学中，对具有一定规模且复杂的项目工程，以及高消耗的产品生产项目，例如机械工程制造、电子元器件的生产等，利用3D虚拟仿真技术对项目进行模拟，让学生在接近真实的环境中进行学习，能够感受到工程项目或者产品生产的真实性，这不仅能够增强学生的真实体验，还能够提高学生学习的目的性，增强学生的学习兴趣。

1.2 锻炼学生处理小概率事件的能力

小概率事件是指学生在学习或者在项目实施的过程中出现概率较低的事件或者问题，或者是在以后的学习与工作中偶然接触到的事件。通过采用3D虚拟仿真技术对这些小概率事件进行模拟，让学生在接近真实的环境中解决这些问题，培养与锻炼学生处理、诊断故障的能力，这既有利于提高学生掌握相关知识与处理相关问题的能力，也有利于增强学生的职业竞争力。

1.3 提升学生的学习兴趣

学生利用3D虚拟仿真技术平台进行学习，可以帮助学生掌握一些复杂事物变化的过程，观察一些危险化学试验的反应过程，让学生如身临其境，能够对各种变化过程进行充分观察与分析，调动学生学习的积极性。同时，利用3D虚拟技术平台还能够对学生的学习过程、操作过程、考试等进行分析与评价，并将学生的学习成果利用3D虚拟平台将其展示出来，不仅能培养学生形成良好的学习习惯，还能够提高学生的学习兴趣。

1.4 采用多终端实现全天候的学习

采用3D虚拟仿真技术可以实现一些细小知识点的讲解与模拟，形成一些“微型化”的学习资源，方便学生能够充分利用碎片化的时间，全天候进行学习，并采用智能设备、移动设备等进行随时随地的移动学习。学生利用虚拟平台，根据自己的兴趣选择合适的学习资源，不仅能提升解决问题的能力，也能够提高学生的学习效率。

2 必要性分析

2.1 有效促进信息化教学的发展

3D虚拟仿真技术在信息化教学中的应用，创新了信息化教学模式——虚拟化教学模式。学生通过采用虚拟仿真技术平台，能够进行自主探究、发现学习，学生在接近真实的环境中发现问题与解决问题，能够有效培养学生的发散性思维与创新性思维。3D虚拟仿真技术在信息化教学模式中的应用，使得现代信息技术教学模式更加丰富，例如利用虚拟现实技术可以对复杂的机械加工生产工艺、流程进行模拟，增加学生对整个机械加工过程理解，然后让学生通过3D虚拟仿真系统实践操作，真正掌握机械加工过程所涉及的知识。3D虚拟仿真技术作为一种新型教学模式，使得信息化教学环境更加丰富。在信息化教学中发挥重要的作用。教师将3D虚拟仿真技术融合在信息化教学中，可以将3D虚拟仿真技术用于概念的讲解、复杂问题分析、案例讲解等，也可以利用3D虚拟仿真技术来构建一个虚拟的生产车间，让学生通过在车间漫游，掌握生产流程，提高学生的认知能力，如图1所示。3D虚拟仿真技术能帮助学生探索新知、感受未知，提升学生的学习兴趣。

图1 虚拟生产车间

2.2 创新了信息化教学模式

信息技术转变了传统课堂的教学模式，出现了多种以信息技术为基础的教学模式。特别是微课、微视频等现代信息资源的运用，促进了翻转课堂教学模式的发展。而3D虚拟仿真技术在信息化教学资源开发中的应用，可以结合具体的知识点建设合适的微视频资源，可以就一个复杂的知识点进行模拟分析，然后将其利用于翻转课堂教学模式中。这不仅能够培养学生的感知能力，还能够培养学生的创新能力，方便学生掌握比较复杂的学习内容。同时也实现了教师教学与3D虚拟仿真技术的人机交互并存的新型教学模式。这不仅能刺激学生的求知欲，还能够增强学生的学习兴趣，突破学生技能学习的时间与空间的限制，达到信息化教学改革的目标，促进学生的全面发展。

3 应用策略

3.1 对接专业性学科的特点

将3D虚拟仿真技术运用到专业性的学科教学中，创设互动教学课堂环境，提高课堂教学的效率，符合学生学习的需要，学生在互动体验的过程中提升自己对复杂知识的理解能力与实践操作的能力。例如将3D虚拟仿真技术运用到服装设计课程的教学中，通过3D虚拟仿真平台，输入相应的人体参数，结合人体的肤色、脸型、发型等来模拟人体形态特征，建立逼真的人体特征模型，设计各种各样的服饰，让学生在真实的环境中掌握服装设计的总体要求，体验服装设计的基本技巧，便于学生掌握服装设计的原理，提高学生实践操作的能力，同时也能培养学生的创新思维。

虽然一般的信息化教学手段在一定程度上也能提高课堂的教学效率，但是学生对于一些技能比较复杂、试验过程比较危险等不可视、不可摸、不可进入的问题掌握得还是不够熟练，主要原因是采用信息技术只能让学生观察，不能为学生提供实践操作的场合，学生的体验效果不是十分明显。而采用3D虚拟仿真技术平台，学生可以根据自己的需要，输入不同的参数来进行人机互动，使得他们的想法、创意都能得到实现。同时，在一些复杂的实践操作中，学生还能够通过自己动手来一步一步地掌握操作技巧，让学生在体验的过程中提高实践操作技能。因此，把3D虚拟仿真平台有效地与专业课程教学对接，将一些复杂的操作技能、实验技能采用立体化的虚拟技术展示出来，让学生通过人机交互，刺激学生的视觉、听觉、感觉、触觉等器官，从而能够快速地掌握实践操作技巧。

3.2 3D虚拟仿真技术导入课程教学过程

随着现代“微”技术的发展，微博、微信、微视频等微媒体在现代课堂教学中得到了广泛的应用，例如慕课、微课、翻转课堂、非正式学习等新型学习形式不断提升信息化课堂的教学质量，也转变了信息化课堂的教学理念，3D虚拟仿真技术已经成为一种新型的教学模式。利用3D虚拟仿真平台，教师开发出虚拟的“微型”学习资源，将复杂的、平面的物体转换为三维虚拟交互空间，让学生通过智能设备来观看微视频，也可以通过人机互动来观察实践操作的过程，这样改变了对概念、操作过程枯燥、无味的讲解形式，提高课堂教学的真实感。例如，在学习机械制造的相关课程时，利用3D虚拟仿真技术来模拟整个生产车间，向学生介绍生产车间的数控机床、生产设备、质量管理、生产流程工艺等，让学生通过“车间漫游”来掌握机械加工过程中需要注意的问题。这种采用多维信息技术创设的3D虚拟仿真空间，给学生以身临其境的感觉，具有很强的代入感与沉浸感，还可以利用3D虚拟仿真系统的演示功能，让学生掌握数控机床的具体编程与实践操作的过程，以及违规操作带来的不良后果等，这样学生在后期的操作过程中，就会高度重视安全生产与操作过程。随着网络及数字时代的到来，采用3D虚拟仿真技术来开发多种微型的学习资源，为学生提供多元化的学习环境，并将3D虚拟仿真技术融入课堂教学中，增强学生的体验效果与学习兴趣，提高实践课堂的教学效率，给现代信息化课堂提供了更多可能性，让学生在互动、虚拟的环境中进行自主学习，提高学生实践操作能力。

3.3 不断完善并创建教学资源库

在信息技术环境下，采用3D虚拟仿真技术平台给学习者提供一个逼真的虚拟学习环境，可以据此开发出多样化、立体化学习资源，丰富课堂教学资源库。在信息化教学的过程中，如果仅仅是对某一门教材进行PPT课件制作、开发视频资源，那么就不能充分地体现信息技术在课堂教学中的优越性。采用3D虚拟仿真技术则可以开发学科的微资源，建立虚拟的学习环境，为学生提供多元化的学习空间。例如在学习美术课程时，可以利用三维技术软件(MAYA，3DMAX，C4D等软件)进行虚拟仿真学习资源的开发，可以将图片和文字进行立体化处理，形成多元化的学习资源，建立虚拟的艺术空间、艺术作品和艺术家等，让学生通过畅游艺术博物馆，掌握艺术的发展过程。学习者不再是简单地观看作品，而是参与到作品创作的真实环境中，进而能够真正了解作者创作作品的真实背景与内涵。教师在教学过程中，还可以利用3D虚拟仿真技术来开发各种各样的微视频，逐渐积累并完善教学资源库的建设，为学生学习提供多元化的支持服务。

3.4 3D虚拟仿真实训系统的构建

针对生产实训教学过程中存在学生人数多，实训设备少的现实，以及一些作业操作细节比较复杂，问题故障难以重现，实训设备、器材昂贵等情况，采用3D虚拟仿真系统开展学生实训对实践教学具有十分重要的作用。在实训教学的过程中，采用3D虚拟仿真实训系统，为学生提供接近真实的学习环境，让学生在实践操作之前，通过虚拟仿真系统掌握实践操作的基本要求与实践操作的基本工艺流程，以及在实践操作的过程中需要注意的安全问题。例如在“虚拟电子科技有限公司”的实训系统中，首先构建如图2所示的生产架构示意图。其详细地模拟了产品原型的设计、印刷电路板的设计等生产工艺与流程，并对各种仪器设备的使用进行详细讲解，形成了一整套的实践操作规范，支持教学情境的创设，将各种学习任务进行了分解与组合，学生在学习的过程中，还可以通过互动、交流来完成学习任务。

图2 电路印刷版的生产流程

让学生在这种3D虚拟仿真环境中，达到传统环境中无法达到的实训效果，获得真实环境下无法获取的知识体验，从而能够进一步提升学生的知识理解能力与实践操作综合技能。

4 结语

3D虚拟仿真技术在现代信息化教学中的应用，不仅能够提高课堂教学的效率，还能激发学生的学习欲望。由于3D虚拟仿真技术对教师与学生的计算机技能要求较高，3D虚拟仿真技术要在更为广泛的空间内进入课堂，还需进一步提升教师与学生的计算机技能，降低3D虚拟仿真技术的准入门槛，而随着信息技术的快速发展，3D虚拟仿真技术将会在课堂教学中得到广泛应用。