◎鄧衛(wèi)民

（揚州市職業(yè)大學(xué) 信息工程學(xué)院，江蘇 揚州，225000）

虛擬現(xiàn)實技術(shù)是隨著計算機技術(shù)的發(fā)展與成熟在二十一世紀(jì)初開始逐步普及的一種新的技術(shù)，以往受到計算機硬件和軟件條件限制而無法實現(xiàn)的基于三維建模的虛擬現(xiàn)實技術(shù)如今在普通的PC機上實現(xiàn)起來已經(jīng)非常方便。目前的虛擬現(xiàn)實技術(shù)不但在娛樂、新聞、廣告等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，而且利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)開發(fā)設(shè)計交互性的學(xué)習(xí)環(huán)境也逐漸成為教育領(lǐng)域的一個熱點。基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的教學(xué)手段最大的優(yōu)點就在于其能為學(xué)習(xí)者提供一個非常接近真實的環(huán)境，并因此能極大地提高學(xué)習(xí)者的注意力，增強學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)興趣，優(yōu)化學(xué)習(xí)者的體驗效果。

基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的教學(xué)過程的應(yīng)用，目前已經(jīng)在大多數(shù)高校開設(shè)的機械、建筑、物理學(xué)等相關(guān)課程教學(xué)過程中有了廣泛的應(yīng)用。由于虛擬現(xiàn)實技術(shù)能將教學(xué)過程從二維平面變成三維立體交互，構(gòu)建出一個虛擬的、逼真的教學(xué)環(huán)境，因此能提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，集中學(xué)生的注意力，使得教學(xué)效率顯著提高。然而，據(jù)筆者調(diào)查了解，將虛擬現(xiàn)實技術(shù)引入教學(xué)環(huán)節(jié)的課程盡管越來越廣泛，但是依然還有不少課程，尤其是對高校普遍開設(shè)的一門基礎(chǔ)公共課——信息技術(shù)，似乎還鮮有虛擬現(xiàn)實技術(shù)的教學(xué)應(yīng)用研究。

信息技術(shù)課程是目前大專院校學(xué)生必修的一門課程，該課程一般由“理論知識”和“上機操作”兩大部分構(gòu)成?；A(chǔ)知識部分一般由計算機硬件、計算機軟件、多媒體技術(shù)、計算機網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫原理等知識點構(gòu)成，基礎(chǔ)知識的學(xué)習(xí)常常由于原理過于抽象、實物不夠直觀等原因?qū)е陆虒W(xué)效果不佳，學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性也不高，此現(xiàn)象在“計算機硬件”這一章節(jié)的學(xué)習(xí)中尤其明顯。

因此，為了提高信息技術(shù)課程的教學(xué)效果，本人設(shè)計了一個將虛擬現(xiàn)實技術(shù)引入信息技術(shù)課程教學(xué)環(huán)節(jié)的方案，該方案主要針對“計算機硬件”這個知識點展開的。基本的思路是：先將教材中涉及的有關(guān)計算機硬件的實物，利用3D開發(fā)軟件制作成3D模型，然后通過3D模型瀏覽工具，在授課過程中對學(xué)生進行課堂展示，模型展示的過程應(yīng)該能實現(xiàn)：大小的調(diào)整、角度的調(diào)整、旋轉(zhuǎn)等基本的3D模型展示的基本功能。該方案的實施主要由三大實施模塊構(gòu)成。

一、實施模塊1：3D模型的制作

（一）3D模型制作軟件的選擇

筆者選擇了目前比較主流的軟件3D Studio Max，常簡稱為3ds Max或MAX，是Discreet公司開發(fā)的（后被Autodesk公司合并）基于PC系統(tǒng)的三維動畫渲染和制作軟件。其前身是基于DOS操作系統(tǒng)的3D Studio系列軟件。在Windows NT出現(xiàn)以前，工業(yè)級的CG制作被SGI圖形工作站所壟斷。3D Studio Max+Windows NT組合的出現(xiàn)一下子降低了CG制作的門檻，首先開始運用在電腦游戲中的動畫制作，后更進一步開始參與影視片的特效制作。本人選擇該軟件的主要優(yōu)勢在于：

1.基于普通個人能計算機系統(tǒng)，硬件軟件配置要求很低，硬件實現(xiàn)容易；

2.可以通過安裝外部插件（plugins）的方式來拓展軟件既有的功能，增強開發(fā)的能力和效率；

3.強大的角色(Character)動畫制作能力；

4.可堆疊的建模步驟，使制作模型有非常大的彈性，適合循序漸進的開發(fā)3D模型；

5.很主流的開發(fā)工具，制作的模型有很好的兼容性，便于展示。

（二）3D模型制作過程的難點及解決方案

為了保證制作好的模型具有逼真的質(zhì)感和花紋，本設(shè)計中用得比較多的是貼圖材質(zhì)。簡單的貼圖材質(zhì)可以在材質(zhì)編輯器中一次性就可完成，但是遇到一些復(fù)雜的材質(zhì)，就要分幾個步驟才能得到理想的效果，具體可以分成如下幾種情況來區(qū)別對待。

難點1：凹凸貼圖材質(zhì)的設(shè)置

本次3D模型制作中諸如CPU、聲卡、顯卡、主板等，都會遇到很多凹凸貼圖，例如圖1顯卡的3D模型制作，此種貼圖適要能制作出表面有微弱凹凸效果的材質(zhì)，而且并不改動模型本身的結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生的凹凸只是一種視覺效果。設(shè)置凹凸貼圖時，在選擇材質(zhì)球后，展開 Maps(貼圖)欄，單擊 Bump(凹凸)右邊的“Map”(貼圖)按鈕，在材質(zhì)，貼圖瀏覽器中雙擊“位圖”，在對話框中選擇到合適的材質(zhì)貼圖。觀察材質(zhì)球的變化，可發(fā)現(xiàn)凹凸感并不明顯，單擊水平工具欄中的“返回”按鈕，返回到上個編輯層，在Maps(貼圖)欄中將Bump(凹凸)的Amount(數(shù)量)參數(shù)值設(shè)置為100，觀察材質(zhì)球的變化?？砂l(fā)現(xiàn)凹凸感非常突出，但其顏色仍為灰色，這是材質(zhì)本身的漫反射色。

為了使貼圖顯示出你所選定的貼圖顏色，需要用同 樣的方法將漫反射(Diffuse)貼圖設(shè)置成與Bump(凹凸)貼圖相同的貼圖。方法是在Maps(貼圖)欄中將光標(biāo)移到Bump(凹凸)右邊的“Map”(貼圖)按鈕上，按下左鍵拖動鼠標(biāo)，將 Bump(凹凸)貼圖復(fù)制到漫反射(Diffuse)右邊的確“Map”(貼圖)按鈕上，在復(fù)制(Copy)對話框中選擇“Instance”(實例)， 觀察材質(zhì)球的變化，已符合效果圖的要求。

圖1 顯卡3D模型

圖2 在3DS MAX中制作的CPU 3D模型

由此可見，Bump貼圖的顏色由材質(zhì)本身的Diffuse顏色決定，Bump貼圖通常與Diffuse貼圖一起使用，方可對模型的渲染結(jié)果呈現(xiàn)出圖形本來的顏色。

難點2：設(shè)置具有金屬等反射效果的材質(zhì)

當(dāng)要求模型具有諸如圖2所示CPU表面的金屬、反射景物的玻璃窗等效果時，我們可以利用材質(zhì)編輯器中的反射貼圖來達(dá)到所需的要求。要制作這種效果的材質(zhì)，一定要在材質(zhì)編輯器中的陰影基本參數(shù)(ShadeBasic Parameter)欄中選擇金屬(Metal)方式，此時只能設(shè)置環(huán)境光(Ambient)和漫反射(Diffuse)兩個選項的顏色，不能設(shè)置反光(Specular)的顏色。但要對反光的強度進行設(shè)置。一般情況下金屬類材質(zhì)的反光級別(Specular Level)數(shù)值應(yīng)在80－120之間，光澤度(Glossiness)的數(shù)值應(yīng)在50－70之間。僅設(shè)置了上述參數(shù)后，可以發(fā)現(xiàn)材質(zhì)表面的反光對比度很強烈，亮的部分很亮，暗的部分又很暗，并沒有得到預(yù)期的效果。要解決這一問題，還需要設(shè)置反射貼圖，即在貼圖 (Maps)欄中單擊反射(Relection)項右側(cè)的貼圖(Map)按鈕，在材質(zhì)／貼圖瀏覽器中選擇合適的貼圖。最后再在坐標(biāo)(coordinate)欄下將模糊偏移(BlurOffset)參數(shù)進行適當(dāng)?shù)男薷?。這樣就可以得到想要的效果了，如圖2所示。

二、實施模塊2：3D模型瀏覽工具的選擇

計算機硬件的相關(guān)模型制作好后，如果課堂授課時教師是在3DS MAX環(huán)境中將對象進行展示一定是非常不合適的。因為3DS MAX復(fù)雜的操作界面使得本教學(xué)手段很難在所有教師和課堂上進行推廣，并且在3DS MAX軟件界面中的展示效果也不夠理想，因此，需要找到或者開發(fā)一個能夠“播放”3D模型的一個軟件，該軟件應(yīng)該類似于一個瀏覽器，只需要指定打開相關(guān)的3D模型文件，即可在該軟件實現(xiàn)對模型的平移、縮放、旋轉(zhuǎn)等自由變換的展示過程。

經(jīng)過多方考察和評估，筆者最終選擇了SuperModel V20.0這個3D模型瀏覽器，該軟件的優(yōu)勢如下：

1.該軟件體積很小，只有1.5MB左右的大小，并且是綠色版本的軟件，無需安裝即可使用。并且該軟件是共享軟件，在課堂上或者公開場合教學(xué)展示過程中不會產(chǎn)生版權(quán)問題；

2.該軟件的使用簡單，所有3D模型的展示操作，鼠標(biāo)簡單點擊、拖動即可完成。教師只需要將該3D瀏覽器復(fù)制到授課PC機中，然后即可在課堂上方便快速的展示各類已經(jīng)制作好的3D模型；

3.該軟件可用于查看的3D模型格式眾多，目前支持的格式有：.3DS，.OBJ，.LWO，.MD2，.MS3D，.X，.B3D，.STL，.PLY，.DAE，.TER 等眾多格式；

圖3中4個屏幕截圖為實際使用過程。

圖3 在SuperModel V20.0中展示的CPU 3D模型

三、實施模塊3：課堂教學(xué)效果的提升評估

本教學(xué)研究的最終目的就是為了提高教學(xué)效果，因此通過一些科學(xué)的方法多角度的來評估最終教學(xué)效果是必不可少的。為了讓教學(xué)效果具有可比性，在兩個相同專業(yè)、相同教學(xué)進度、人數(shù)接近的班級之間進行比較。兩個班級分別標(biāo)記為A班和B班，其中A班采用上述虛擬現(xiàn)實技術(shù)輔助教學(xué)，B班仍采用傳統(tǒng)教學(xué)方法進行教學(xué)。通過如下三種途徑，對教學(xué)效果進行了評價和比較。

（一）課堂考查

相關(guān)知識點授課結(jié)束后，筆者在課后立刻進行了一個小型的知識點考查，考查內(nèi)容全是上課中講授過的知識點，其中A班正確率為95.3%，而B班正確率為81.7%。

（二）作業(yè)反饋

課后作業(yè)情況常常能反映出學(xué)生在課堂上的學(xué)習(xí)情況，筆者將課堂上涉及的眾多知識點以簡單題的形式布置了作業(yè)，根據(jù)學(xué)生的回答情況，A班同學(xué)的答題正確率和特點更加接近授課時候的講授情況。

（三）隨機學(xué)生訪談

課后依據(jù)學(xué)號，隨機抽取了10個A班學(xué)生、10個B班學(xué)生，和他們進行了一個小型的座談會，A班學(xué)生普遍反映此種授課方式效果很好，能很好地吸引他們的注意力，使得相關(guān)的知識點的學(xué)習(xí)更加直觀和生動。

經(jīng)過上述三種方式的綜合考評，采用了虛擬現(xiàn)實技術(shù)輔助授課的A班教學(xué)效果明顯好于未采用此輔助手段的B班，由此可得出初步結(jié)論：利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)輔助授課的方式，教學(xué)效果幾乎是立竿見影的。

四、結(jié)語

信息技術(shù)課程的教學(xué)，原本就是一個不斷緊扣時代發(fā)展、充分依靠現(xiàn)代教育技術(shù)的一門課程。通過此次虛擬現(xiàn)實技術(shù)在信息技術(shù)課程教學(xué)中的應(yīng)用研究，教師可以將所授知識點更直觀更具有交互性的形式展現(xiàn)到課堂中的學(xué)生面前，這樣才能夠更有效地提高教學(xué)效果，并且此種教學(xué)模式將來還可以推廣到其他課程，最終讓虛擬現(xiàn)實技術(shù)能夠全方位多角度地成為所有課程的教學(xué)輔助手段。

［1］馬新德，湯沛，馬書群，等.基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)教學(xué)環(huán)境的創(chuàng)設(shè)[J].河南職業(yè)技術(shù)師范學(xué)院學(xué)報(職業(yè)教育版)，2004（4）：82-83.

［2］姬洪強.淺談虛擬現(xiàn)實技術(shù)在學(xué)科教學(xué)中的應(yīng)用[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2008（3）：46-47.

［3］鄧媛媛.用虛擬現(xiàn)實技術(shù)優(yōu)化計算機硬件設(shè)備教學(xué)的方法探析[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2010（12）：75-76.