吳強(qiáng)

摘要：教育部在《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011—2020年）》中提出了“建立優(yōu)質(zhì)數(shù)字教育資源和共建共享環(huán)境”目標(biāo)，其中包括虛擬實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)。本文對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)開發(fā)進(jìn)行了可行性分析，并簡(jiǎn)述了虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)制作的流程。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)；虛擬實(shí)驗(yàn)；多媒體技術(shù)；VRP；3D max

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 論文編號(hào)：1674-2117（2016）07-0081-03

前言

“神舟十號(hào)”載人飛船的成功發(fā)射，標(biāo)志著我國載人天地往返運(yùn)輸系統(tǒng)首次應(yīng)用性飛行的開始。航天員王亞平等三人把“天宮一號(hào)”作為太空講堂，給地面的青少年進(jìn)行太空講課，這是中國歷史上的第一次太空授課，極大地激發(fā)了廣大青少年對(duì)科學(xué)探索的熱情。受此啟發(fā)，筆者萌發(fā)了一個(gè)構(gòu)想：運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建一套虛擬的太空授課仿真系統(tǒng)。它可以全方位、主動(dòng)式、交互式、仿真式地模擬太空實(shí)驗(yàn)，突破真實(shí)實(shí)驗(yàn)的時(shí)空限制，培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手動(dòng)腦的能力?；谔摂M現(xiàn)實(shí)的太空授課系統(tǒng)很好地突出了虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)“沉浸—交互—想象”的三角形特征。[1]

國內(nèi)外在教育中應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)現(xiàn)狀

國外在虛擬實(shí)驗(yàn)研究方面主要是側(cè)重于虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)備的建設(shè)，其中羅萊納州立大學(xué)的LAAP利用Java技術(shù)建立了基于Web的探索式虛擬物理實(shí)驗(yàn)室、印地安那州立大學(xué)開發(fā)了MBL化學(xué)實(shí)驗(yàn)室等。

國內(nèi)對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)的研究主要是側(cè)重于虛擬實(shí)驗(yàn)軟件的建設(shè)。例如，上海交通大學(xué)國家攻克物理教學(xué)基地物理實(shí)驗(yàn)中心的數(shù)據(jù)采集實(shí)驗(yàn)室是正在建立和完善的面向大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。[2]這個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)是以美國國家儀器公司的虛擬開發(fā)軟件Lab VIEW為開發(fā)平臺(tái)，利用先進(jìn)的數(shù)據(jù)采集技術(shù)，將實(shí)際中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換采集到計(jì)算機(jī)智能來分析。[3]

系統(tǒng)設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)

1.研究的理論基礎(chǔ)

（1）虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)定義

虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)就是以計(jì)算機(jī)為操縱中心，學(xué)習(xí)者通過已經(jīng)成功實(shí)現(xiàn)的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，在一個(gè)仿真的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中完成與真實(shí)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目一致的實(shí)驗(yàn)操作，從而達(dá)到學(xué)習(xí)和領(lǐng)會(huì)實(shí)驗(yàn)的目的。

（2）教學(xué)設(shè)計(jì)

著名心理學(xué)和教育學(xué)家加涅曾在《教學(xué)設(shè)計(jì)原理》中將教學(xué)設(shè)計(jì)界定為：“教學(xué)設(shè)計(jì)是一個(gè)系統(tǒng)化規(guī)劃教學(xué)系統(tǒng)的過程。教學(xué)系統(tǒng)本身是對(duì)資源和程序作出有利于學(xué)習(xí)的安排?！盵4]本研究是在教學(xué)設(shè)計(jì)理論的指導(dǎo)下，通過借助虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)進(jìn)行的教學(xué)設(shè)計(jì)。

由于知識(shí)是情境化的，具體情境所提供的直觀、生動(dòng)的形象能有效地激發(fā)聯(lián)想。因此，創(chuàng)設(shè)真實(shí)的或接近于真實(shí)的、具有豐富資源的學(xué)習(xí)情境是非常重要的。

2.中學(xué)物理課的特點(diǎn)

（1）推動(dòng)學(xué)習(xí)方式的多樣化

人類的教育方式和學(xué)習(xí)方式有兩種不同的類型：一是學(xué)習(xí)者通過教育者系統(tǒng)的傳授“接受”人類已有的知識(shí)；二是學(xué)習(xí)者通過親身實(shí)踐“體驗(yàn)”到知識(shí)使用的樂趣，通過內(nèi)心體驗(yàn)主動(dòng)參與學(xué)習(xí)。[5]

（2）精選課程內(nèi)容，體現(xiàn)物理教育的基礎(chǔ)性、時(shí)代性和適用性

《物理標(biāo)準(zhǔn)》根據(jù)物理課程的教育功能，強(qiáng)調(diào)物理教育不僅是傳授物理學(xué)科的知識(shí)體系，更重要的是促進(jìn)學(xué)生的發(fā)展，所以教師在確定目標(biāo)、內(nèi)容與要求時(shí)，不能只考慮部分學(xué)生的需求，而應(yīng)考慮全體學(xué)生的需要。

（3）適應(yīng)信息社會(huì)對(duì)人才的要求，實(shí)現(xiàn)物理課程與信息技術(shù)的整合

數(shù)字化、信息化已成為時(shí)代的潮流。信息技術(shù)進(jìn)入中學(xué)物理課程不但可以使學(xué)生在學(xué)習(xí)中熟悉數(shù)字化環(huán)境，加強(qiáng)物理課程內(nèi)容與現(xiàn)實(shí)世界的聯(lián)系，促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)方式的改變，還可以為學(xué)生的自主探究提供有效的工具，大力提升學(xué)生自主獲取知識(shí)的能力。

3.虛擬實(shí)驗(yàn)應(yīng)用于教學(xué)的優(yōu)勢(shì)

將虛擬實(shí)驗(yàn)應(yīng)用于教學(xué)領(lǐng)域，是以提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰橹饕疤?，其?yōu)勢(shì)概括來說有三個(gè)“有利于”：有利于營(yíng)造虛擬現(xiàn)實(shí)學(xué)習(xí)環(huán)境，有利于學(xué)生接受顯性和隱性知識(shí)，有利于培養(yǎng)學(xué)生主動(dòng)探索的學(xué)習(xí)方式。

系統(tǒng)的需求分析

1.基于虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)構(gòu)建良好的知識(shí)建構(gòu)環(huán)境

通過虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)，學(xué)習(xí)者可以通過虛擬場(chǎng)景與自身相互的作用，迅速得到信息反饋，及時(shí)獲得直接經(jīng)驗(yàn)，這能代替原有的通過教師講授獲取間接經(jīng)驗(yàn)的學(xué)習(xí)模式。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育中的應(yīng)用大致可分為模擬訓(xùn)練、虛擬實(shí)驗(yàn)室與仿真虛擬學(xué)校三個(gè)方面。[6]

2.基于虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)教學(xué)的可行性分析

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以為我們提供具有互動(dòng)性、可重復(fù)使用性以及以實(shí)為本、虛實(shí)結(jié)合的平臺(tái)。當(dāng)前，計(jì)算機(jī)的使用已經(jīng)非常普遍，我國的中小學(xué)也早已開始進(jìn)行多媒體教室授課，這些為虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用打下了良好的基礎(chǔ)。

基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的太空授課課件的設(shè)計(jì)

筆者選擇了基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的太空授課系統(tǒng)作為研究對(duì)象，其設(shè)計(jì)目標(biāo)和內(nèi)容如下：

1.系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)

基于虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的構(gòu)建就是一個(gè)系統(tǒng)的工程。筆者將系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的功能分為五個(gè)子模塊，如圖1所示。

（1）場(chǎng)景切換

“場(chǎng)景切換”由兩組在時(shí)間軸上的鏡頭和兩組單獨(dú)的鏡頭組成，分別為“開場(chǎng)動(dòng)畫”（播放開場(chǎng)時(shí)的動(dòng)畫）、“對(duì)接外觀”（播放兩艘飛船對(duì)接后的動(dòng)畫）、“太空漫游”（切換到飛船外部鏡頭）和“艙內(nèi)欣賞”（切換到天宮一號(hào)內(nèi)部鏡頭）。

（2）實(shí)驗(yàn)操作

“實(shí)驗(yàn)操作”分為“實(shí)驗(yàn)介紹”（對(duì)兩個(gè)實(shí)驗(yàn)的原理進(jìn)行大致的介紹）、“小球單擺”（運(yùn)行單擺儀器在太空中失重的動(dòng)畫同時(shí)播放講解）和“陀螺旋轉(zhuǎn)”（運(yùn)行陀螺在太空中失重時(shí)的動(dòng)畫，同時(shí)播放講解）。

（3）視頻播放

點(diǎn)擊打開視頻面板，然后選擇上面的不同按鈕播放不同的視頻；第二次點(diǎn)擊該按鈕時(shí)則關(guān)閉該視頻。

（4）數(shù)據(jù)庫

單擊依次交替打開或關(guān)閉數(shù)據(jù)庫，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示或隱藏。

（5）練習(xí)題

單擊依次交替打開或關(guān)閉Flash練習(xí)，對(duì)練習(xí)進(jìn)行顯示或隱藏。

2.實(shí)驗(yàn)操作功能設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)操作功能是整個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)的中心部分，它由實(shí)驗(yàn)介紹、小球單擺、陀螺旋轉(zhuǎn)三大模塊構(gòu)成。

基于虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)太空授課課件的實(shí)現(xiàn)

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)和內(nèi)容，筆者完成了系統(tǒng)的制作。該系統(tǒng)主要使用了如下開發(fā)平臺(tái)和工具：①模型制作工具：3Dmax10.0；②開發(fā)平臺(tái)是VRP編輯器12.1212（學(xué)習(xí)版）；③影片聲音剪輯工具：Adobe Premiere Pro CS4和Audition；④練習(xí)題制作工具：Flash CS5.5；⑤貼圖素材處理工具：Photoshop CS4；⑥數(shù)據(jù)庫提供平臺(tái)：Access 2003。

1.系統(tǒng)主要功能

下面，筆者用設(shè)計(jì)流程來講解整個(gè)作品的表現(xiàn)效果。首先，播放一個(gè)開場(chǎng)視頻。學(xué)習(xí)者看完開場(chǎng)視頻以后，可以用鼠標(biāo)單擊一下屏幕，此時(shí)，屏幕播放神舟十號(hào)與天宮一號(hào)對(duì)接的時(shí)間軸動(dòng)畫，如圖2所示。

當(dāng)兩艘飛船對(duì)接完以后，學(xué)習(xí)者可以用鼠標(biāo)左鍵點(diǎn)擊宇航員，宇航員便會(huì)向?qū)W習(xí)者招手，如圖3所示。

此時(shí)，當(dāng)學(xué)習(xí)者點(diǎn)擊“艙內(nèi)欣賞”按鈕時(shí)，鏡頭就會(huì)切換到合適的位置；點(diǎn)擊“實(shí)驗(yàn)操作”按鈕，屏幕會(huì)彈出“實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目”選擇欄。當(dāng)學(xué)習(xí)者選擇“小球單擺”或“太空陀螺”按鈕時(shí)，系統(tǒng)會(huì)切換到最佳角度觀察的鏡頭，在桌面上播放單擺儀器演示動(dòng)畫，如圖4所示。

除此之外，用戶可以根據(jù)自己的興趣，選擇系統(tǒng)提供的其他項(xiàng)目，如選擇“太空漫游”“飛船對(duì)接”按鈕，系統(tǒng)便會(huì)切換到飛船的外部場(chǎng)景。

系統(tǒng)還為學(xué)習(xí)者提供了方便靈活的選擇方式。例如，單擊“艙內(nèi)欣賞”按鈕，系統(tǒng)就會(huì)切換到天宮一號(hào)內(nèi)部，學(xué)習(xí)者可自由欣賞飛船內(nèi)部的樣貌。

作為教學(xué)系統(tǒng)，筆者考慮到觀看實(shí)驗(yàn)之后，對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的強(qiáng)化問題，所以設(shè)計(jì)了“練習(xí)環(huán)節(jié)”。當(dāng)學(xué)習(xí)者點(diǎn)擊“練習(xí)題”按鈕后，系統(tǒng)界面中間會(huì)出現(xiàn)用Flash制作的練習(xí)題。

2.系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)除了已經(jīng)在3D max中制作好的各種實(shí)驗(yàn)儀器和場(chǎng)景模型外，還有系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)，如圖5所示。

圖5的整體布局呈現(xiàn)對(duì)稱性，當(dāng)操作者的鼠標(biāo)位置處于觸發(fā)區(qū)時(shí)，觸發(fā)界面將顯示動(dòng)畫，供實(shí)驗(yàn)者對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行操作；當(dāng)鼠標(biāo)離開觸發(fā)區(qū)時(shí)，觸發(fā)界面將隱藏動(dòng)畫，為學(xué)習(xí)者的觀察學(xué)習(xí)提供更大的范圍。

結(jié)束語

隨著時(shí)代的發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育領(lǐng)域已具有應(yīng)用前景的“明星”技術(shù)，呈現(xiàn)多元化的發(fā)展趨勢(shì)。[7]現(xiàn)在許多科技企業(yè)都已經(jīng)開發(fā)出了自己的虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)，并能很好地與各大高校合作，研發(fā)出越來越多的虛擬現(xiàn)實(shí)課件。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)無可比擬的優(yōu)勢(shì)，將對(duì)未來人類社會(huì)的教育培訓(xùn)產(chǎn)生不可估量的作用。

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