劉俐利，凌毓?jié)?，王艷鳳

(1.華中師范大學 國家數(shù)字化學習工程技術(shù)研究中心，湖北 武漢 430079；2.華中師范大學 物理科學與技術(shù)學院，湖北 武漢 430079；3.華中師范大學 教育信息技術(shù)學院，湖北 武漢 430079)

虛擬學習環(huán)境中構(gòu)建三維動畫資源與交互設計研究*

劉俐利1，凌毓?jié)?①，王艷鳳3

(1.華中師范大學 國家數(shù)字化學習工程技術(shù)研究中心，湖北 武漢 430079；2.華中師范大學 物理科學與技術(shù)學院，湖北 武漢 430079；3.華中師范大學 教育信息技術(shù)學院，湖北 武漢 430079)

虛擬學習環(huán)境能夠為學習者提供生動逼真的互動學習情境，改善學習效果，而構(gòu)建虛擬學習環(huán)境的關(guān)鍵是三維動畫資源及交互的設計。如何在滿足科學性、教育性的前提下，設計出富有藝術(shù)性的三維動畫資源及合理有效的交互功能，對于提升學習者的學習興趣和學習效率有著重要意義。目前已有不少文獻對虛擬學習環(huán)境的構(gòu)建展開研究，開發(fā)了各種應用于不同學科的虛擬學習系統(tǒng)，但它們大多僅從技術(shù)的角度描述其開發(fā)過程，而對三維動畫資源與交互設計的方法總結(jié)不夠，缺乏必要的教學設計理念。為此，該文借鑒多媒體學習領域的認知理論及相關(guān)設計原則，分析如何恰當?shù)剡\用已有研究成果來指導虛擬學習環(huán)境中三維動畫資源及交互的設計。文中首先對虛擬學習環(huán)境的構(gòu)建流程及方法進行了歸納，然后圍繞三維動畫資源設計制作過程中的主要環(huán)節(jié)分別提出了相應的藝術(shù)設計要點，接著探討了虛擬學習環(huán)境的交互設計，最后給出了設計實例及應用實踐。

虛擬現(xiàn)實；虛擬學習環(huán)境；三維動畫；交互設計；多媒體學習

虛擬現(xiàn)實(Virtual Reality, VR)是利用計算機及傳感器，模擬出一個逼真的三維虛擬環(huán)境，提供給使用者視覺、聽覺、觸覺等感官體驗，通過使用者與虛擬世界的互動，讓其有身臨其境般的感受。沉浸性、交互性及構(gòu)想性是虛擬現(xiàn)實的主要特征[1]。目前，虛擬現(xiàn)實技術(shù)已廣泛應用于娛樂、教育訓練、醫(yī)學、工程設計、軍事等諸多領域。

虛擬學習環(huán)境是虛擬現(xiàn)實技術(shù)在教育中的應用，例如虛擬課堂、虛擬實驗室等。利用虛擬學習環(huán)境可以突破時空的限制，讓學習者在具有一定沉浸度的虛擬情境中學習、探究和體驗。生動逼真的三維動畫資源及合理有效的交互功能有利于激發(fā)學習者的學習興趣，培養(yǎng)其自主學習的能力，從而提升學習成效。

構(gòu)建虛擬學習環(huán)境的關(guān)鍵是三維動畫資源及交互的設計。目前已有不少文獻對如何構(gòu)建虛擬學習環(huán)境展開研究，開發(fā)了各種應用于不同學科的虛擬學習系統(tǒng)[2][3]，但它們大多奉行“以技術(shù)為本”的設計思想，僅從技術(shù)開發(fā)的角度描述虛擬學習系統(tǒng)的構(gòu)建過程，而對三維動畫資源及交互的設計方法總結(jié)不夠，缺乏必要的教學設計理念。為此，本文遵循以學習者為中心的設計思路，借鑒多媒體學習領域的認知理論和相關(guān)設計原則[4-11]，分析如何恰當?shù)剡\用已有研究成果來指導虛擬學習環(huán)境中的三維動畫資源及交互設計。

一、虛擬學習環(huán)境的構(gòu)建

虛擬學習環(huán)境的構(gòu)建需要將三維動畫技術(shù)與虛擬現(xiàn)實技術(shù)相結(jié)合。主流的三維建模與動畫制作軟件如Maya 、3ds Max等擁有強大的建模、動畫、材質(zhì)和渲染等功能，廣泛應用于影視、游戲、廣告設計等領域；而虛擬現(xiàn)實開發(fā)平臺主要有Java3D、Cult3D、Quest3D、 Virtools、VR-platform等，它們各具特色。其中，Virtools作為實時三維虛擬現(xiàn)實編輯整合軟件，具有豐富的交互行為模塊和直觀的圖形開發(fā)界面，能方便地制作各種3D交互多媒體。

虛擬學習環(huán)境的構(gòu)建過程主要包括教學分析、三維模型/動畫資源設計、交互設計和測試發(fā)布等步驟。以使用3ds Max和Virtools軟件為例，三維模型/動畫的設計由3ds Max軟件實現(xiàn)，交互設計及測試發(fā)布由Virtools軟件完成，具體的構(gòu)建流程如下圖所示。

虛擬學習環(huán)境構(gòu)建流程

(一)教學分析

包括需求分析、教學目標分析、知識點分析、學習者分析和媒體制作分析。其中，需求分析用于確定哪些教學內(nèi)容適合在虛擬學習環(huán)境中表現(xiàn)；教學目標分析是整個設計的關(guān)鍵，決定著教學的總方向，后續(xù)的設計工作都將圍繞它展開；知識點分析需要確定教學重點、難點，進而在三維動畫資源和交互設計中著重強調(diào)來引導學習；學習者分析是基于不同學習者存在認知的個體差異，在設計時需要考慮學習者的特點；媒體制作分析是從制作的角度對制作軟件、制作流程、結(jié)構(gòu)設計、內(nèi)容設計、素材收集與加工等進行分析和規(guī)劃。

(二)三維模型/動畫資源設計

在前期分鏡頭腳本設計的基礎上，可利用3ds Max完成各種三維模型/動畫的設計制作，主要包括實物建模、材質(zhì)和燈光、動畫、渲染、剪輯和畫面效果等。三維模型/動畫是構(gòu)建虛擬學習環(huán)境的基礎，高質(zhì)量的設計能夠展現(xiàn)出生動逼真的學習情境。

為了解決3ds Max與Virtools的軟件兼容性問題，可以利用Virtools 3ds Max Exporter輸出插件，將3ds Max制作的三維模型/動畫轉(zhuǎn)換成Virtools所支持的數(shù)據(jù)格式。

(三)交互設計

交互設計的目的是實現(xiàn)如控制三維動畫的播放、漫游、操控虛擬場景中三維模型等各種交互功能?；赩irtools平臺設計的虛擬學習環(huán)境中，交互功能的實現(xiàn)方式包括：(1)直接利用Virtools內(nèi)置的交互行為模塊(Building Block, BB)；(2)利用Virtools提供的VSL腳本語言和軟件開發(fā)工具包(SDK)創(chuàng)建自定義的具有特定功能的BB。其中第一種方式是實現(xiàn)交互的主要方式，通過將所需的BB拖放到對象的行為腳本中進行腳本編寫、設定參數(shù)和連接流程，能夠方便地實現(xiàn)對三維對象的各種交互控制，如旋轉(zhuǎn)、縮放、前進、后退等，但是在大量使用BB的情況下，連線及參數(shù)設置都比較復雜；而第二種方式可以靈活地實現(xiàn)更豐富的交互功能，具有較強的可移植性和可維護性，但對編程有較高要求。

(四)測試發(fā)布

經(jīng)調(diào)試無誤，Virtools可將作品發(fā)布為網(wǎng)頁瀏覽格式或編譯成可以單獨運行的可執(zhí)行文件。

二、三維動畫資源與交互設計

虛擬學習環(huán)境的構(gòu)建目的是促進學習者學習，科學性、教育性是其首要特征，這也是教學領域設計都必須遵循的重要原則。同時，在虛擬學習環(huán)境的設計過程中也要重視其藝術(shù)性和交互性。

(一)三維動畫資源的藝術(shù)性設計

虛擬學習環(huán)境中視覺效果往往會影響學習者的學習興趣和情緒，進而對學習成效產(chǎn)生影響，三維動畫作為視覺效果的主要表現(xiàn)形式，其設計的藝術(shù)性不容忽視。

三維動畫資源設計包括前期的分鏡頭腳本設計及后續(xù)的具體設計制作。分鏡頭腳本設計主要是對動畫資源的畫面構(gòu)圖、運動鏡頭、景別組接(指動畫畫面中景別的變化，包括遠景、全景、中景、近景、特寫的組接變化)和文本解說等進行設計與策劃，從而為動畫資源制定總的設計藍圖。分鏡頭腳本可以由教師與資源開發(fā)人員聯(lián)合完成，其難點在于根據(jù)學習者的認知規(guī)律合理安排動畫序列，如動畫內(nèi)容先呈現(xiàn)什么再呈現(xiàn)什么，以便更好地幫助學習者理解動畫要表達的內(nèi)容及知識的構(gòu)建。而三維動畫資源的具體設計制作過程主要包括實物建模、材質(zhì)和燈光、動畫、渲染、剪輯和畫面效果等。下面分別就三維動畫資源制作過程中的主要環(huán)節(jié)，提出相應的藝術(shù)設計要點。

1.實物建模中的藝術(shù)設計要點

模型是教學實物在虛擬空間中的主要視覺載體。實物模型是對現(xiàn)實中真實情景的模擬，但又要注意避免過分地模擬真實情景，不加分析地全部呈現(xiàn)，以免對學習造成干擾。梅耶提出的“相關(guān)性原則”主張消除多媒體教學信息中那些雖然能引起興趣，但是與實現(xiàn)教學目標無關(guān)的材料[12]?；谠撛瓌t，為了避免分散學習者的注意力，在模型設計中應該依據(jù)真實情景進行適當?shù)乃囆g(shù)加工，選取具有代表性的造型特征，并且去除不必要的干擾因素，呈現(xiàn)給學習者準確、清晰、簡潔的虛擬情景。

從模型的設計與制作角度看，簡單生動的造型更容易給學習者留下深刻的印象，同時還能夠降低動畫的制作難度并減少工作量。設計時通?？衫萌S造型軟件提供的基本幾何形體，如常用的立方體、球體、半球體、圓錐體和圓柱體，快速地整合及修改出理想的模型。此外，在實物建模之前需要收集實物的正、側(cè)面的二維圖片，輸入到三維造型軟件中，并以此為參照進行建模。這樣，一則有利于準確地將平面設計圖轉(zhuǎn)化為三維圖像；二則有助于通過攝影視角(上、下、左、右、前、后和參考視角)對模型進行修正，進一步塑造更為精細和充滿視覺美感的實物模型。

2.材質(zhì)和燈光中的藝術(shù)設計要點

如果說模型是三維動畫資源的基礎，那么模型的材質(zhì)就是構(gòu)成動畫資源藝術(shù)魅力的主要因素，而燈光則成為表現(xiàn)造型的靈魂。材質(zhì)和燈光的魅力在于能夠使模型通過它們的附著，再現(xiàn)情景和渲染氛圍，并且通過學習者的視覺引起心理上的領悟和情感上的共鳴，從而更好地傳達教學意圖。因此，三維動畫應該通過材質(zhì)和燈光的結(jié)合，突出主體、渲染氣氛、塑造真實的空間透視，給學習者營造出“身臨其境”般的教學情景。

動畫中的無關(guān)材料不僅對學習沒有促進作用，反而會造成干擾。因此，材質(zhì)和燈光的編輯也應該遵循“相關(guān)性原則”，主要突出不同物體之間質(zhì)感的差別，力求簡潔、明快的藝術(shù)效果。同時，采取適度簡化的策略，運用簡單的材質(zhì)和影調(diào)層次來展現(xiàn)畫面氣氛與教學效果即可。不同材質(zhì)，如金屬材質(zhì)、透明材質(zhì)、液體等，對于光照的反應是不同的，因此在建模時，需要對燈光和材質(zhì)的參數(shù)進行合理控制，比如對模型的顏色、高光、亮度、凹凸度、反射度、透明度、折射度、發(fā)光度等參數(shù)，進行有“差別”的調(diào)整。這種經(jīng)過修飾后的材質(zhì)和燈光能提供更為形象、生動的模型和場景，有利于激發(fā)學習者的學習興趣，從而引導其主動學習。

3.動畫中的藝術(shù)設計要點

優(yōu)質(zhì)的三維動畫資源一般具有較好的視覺真實感，而要實現(xiàn)這種效果，就必須在制作中恪守基本運動規(guī)律的動作設置，否則不僅達不到預期的效果，反而讓人有機械、呆板的感受。設計時，如果借鑒一些傳統(tǒng)動畫規(guī)律，不但可以創(chuàng)作出更加符合視覺習慣的三維動畫，而且還可以達到其他教學資源所不能達到的，更藝術(shù)、更有視覺沖擊力的效果。例如在制作動畫時，需要考慮“時間”與連續(xù)畫面“變化幅度”的設置是否合理，了解物體的“運動軌跡”屬于曲線運動還是直線運動，分析物體在“力”的作用下，初始動作、預備動作、加強動作、緩沖動作之間的差異等。對模型設置動作應符合學習者對日常經(jīng)驗和真實物體運動形態(tài)的認知規(guī)律，盡量做到自然流暢和統(tǒng)一。

梅耶指出：學習者在工作記憶過程中需要足夠的時間進行深層加工，動畫的呈現(xiàn)速度往往會導致“認知超載”，即學習者需求的認知加工容量超過學習者具有的認知容量[13]。其他的研究也表明動畫呈現(xiàn)速度會影響學習者對內(nèi)容的理解效果[14]。

動畫的呈現(xiàn)速度應該與大多數(shù)學習者的認知速度相適應。動畫的速度過快，學習者還沒有從資源中獲取教學內(nèi)容，下一內(nèi)容就開始了，常會導致學習者進行深加工的時間過少，這樣不僅不能促進學習，反而會增加學習困難。依據(jù)多媒體學習的“分段原則”，即在學習者認知負荷過高、沒有充足的認知加工時間的情況下，按學習者的學習進度分片段呈現(xiàn)要比連續(xù)呈現(xiàn)更能改善學習效果[15]。

4.渲染中的藝術(shù)設計要點

渲染是三維動畫效果合成的一個步驟，需要將模型、材質(zhì)和燈光效果以及“攝像機”拍攝好的畫面進行合成，經(jīng)過計算機渲染引擎的計算，制作出一幀幀的畫面，并最終組成一段完整的動畫。雖然計算機的發(fā)展大大加快了渲染運算的處理時間，但是渲染運算仍非常耗時。所以在具體制作時，應采取減少渲染負荷及其他使渲染工作更為有效的方法，比如盡可能減少場景中多邊形和燈光的數(shù)量，以及使用預先渲染后的圖片來做背景等。同時，考慮到動畫合成后的整體效果，依據(jù)“相關(guān)性原則”，在渲染的過程中應盡量減少不必要的視覺因素對學習的干擾，以免分散學習者的注意力。

5.剪輯中的藝術(shù)設計要點

剪輯是把渲染后的動畫、配音、音樂、字幕、提示語等合成在一起。作為一種聲畫組接方式，剪輯既包含“聽覺內(nèi)容”，也包含“視覺內(nèi)容”。在三維動畫中，聽覺內(nèi)容主要指旁白、音響和音樂。其中，旁白主要用于解說畫面外的語言內(nèi)容，音響和音樂則用于表現(xiàn)主題、渲染氣氛、加強動畫連貫性和完整性。而三維動畫的視覺內(nèi)容主要是指鏡頭的組接，如“切、淡入、淡出、疊化、劃出、劃入、圈入、圈出”等，保證畫面的邏輯性和流暢性是鏡頭組接的基本原則。在實際的剪輯過程中，聲音只有跟畫面結(jié)合才能共同實現(xiàn)上述各種功能，這就要求畫面表現(xiàn)的“視覺內(nèi)容”與“聽覺內(nèi)容”能夠吻合一致、聲畫同步，從而塑造出既符合學習者視聽經(jīng)驗又具有真實感和可信度的學習情境。

在多媒體學習研究中，梅耶提出了多條設計原則，其中，“冗余原則”認為由解說和畫面組成的多媒體呈現(xiàn)，其學習效果要優(yōu)于由解說、畫面和字幕三者構(gòu)成的多媒體呈現(xiàn)；“通道原則”認為，相較于從畫面與字幕中學習，學習者從畫面與解說中學習會更加深入[16]。因此，在三維動畫制作中，當解說與字幕內(nèi)容重復時，有必要去除冗余的字幕，當視覺負荷過重時盡量用解說取代字幕。

此外，“時、空鄰近原則”認為，將對應的文字和畫面同時、位置相鄰地呈現(xiàn)，要比繼時、位置遠離地呈現(xiàn)，學習效果會更好。在三維動畫制作中，常需要設計引導學習者注意的提示語、提示箭頭等，以幫助學習者從畫面中選擇相關(guān)的信息進行認知加工。當提示語與畫面內(nèi)容位置相鄰時，學習者更容易在兩者之間構(gòu)建有意識的聯(lián)系；反之，如果兩者不相鄰，則學習者需要在屏幕中搜索與畫面相符的文字，這樣會增加認知負荷。因此，在添加提示語或箭頭時應盡量與畫面內(nèi)容相鄰，并且與解說等同步呈現(xiàn)。

6.畫面效果中的視覺藝術(shù)設計要點

畫面效果主要是指動態(tài)畫面的視覺效果，包括動態(tài)畫面中的構(gòu)圖和色彩運用。

動態(tài)畫面構(gòu)圖是指在固定比例的畫面中，通過畫面造型因素(模型、背景、鏡頭運動方式等)的共同調(diào)度而形成的最終呈現(xiàn)的畫面視覺形式。由于三維動畫主要通過動態(tài)的虛擬攝像機展現(xiàn)模型的動態(tài)變化，因此運動性是動態(tài)畫面構(gòu)圖的一大特性。三維動畫構(gòu)圖的主要組成元素包括：主體、陪體和背景。其中，主體即畫面中主要表現(xiàn)對象，通常要求被安排在畫面的視覺中心位置；陪體即主體的陪襯，要盡量襯托主體，起到豐富畫面層次，表現(xiàn)空間的作用；背景即位于主體之后的場景，主要用于表現(xiàn)時空環(huán)境、營造場景氣氛，從而烘托主體。一般情況下，“平衡”的畫面構(gòu)圖比“不平衡”的畫面構(gòu)圖，更能引起學習者的注意。所謂“平衡”是指一種相對等量的視覺感受，并不是指畫面中上、下、左、右各部分數(shù)量與形狀的絕對相等，而是相等或者相近形狀、數(shù)量、大小的不同排列，給人以視覺上的穩(wěn)定。所以在動態(tài)畫面構(gòu)圖中必須遵循畫面構(gòu)圖的“平衡”法則，保證運動過程中主體物處于視覺中心位置。

色彩也是影響視覺效果的重要因素?！吧示幋a原則”認為：在教學資源中運用色彩來突出所呈現(xiàn)內(nèi)容的重要特征和屬性，往往能夠更好地促進學習；動畫中的色彩可用于強調(diào)關(guān)鍵的設計特征并勾畫出多個跨媒體信息源之間的聯(lián)系；恰當?shù)剡\用色彩編碼原則可以有效地解決注意力分散等問題[17]。因此在色彩的實際運用中，應該重點突出關(guān)鍵內(nèi)容、加強不同媒體信息的聯(lián)系，從而促進學習者的學習。

三維動畫中色彩的運用應該以客觀現(xiàn)實為基本原則，尊重人類對色彩的生理感受，合理地搭配顏色。與影視或廣告三維動畫不同，虛擬學習環(huán)境中的三維動畫應該盡量避免使用高純度和強烈對比的色彩，過于花哨的色彩容易對學習者產(chǎn)生視覺干擾。在實際的制作中應以一種顏色作為畫面的“主體色調(diào)”，這樣的好處是使鏡頭畫面具有整體感，更符合學習者的視覺習慣性。色彩搭配應該注重“整體性”的把握，如果色彩的搭配不當，很可能喪失畫面的整體感，使學習者失去方向感和側(cè)重點。最好是合理把握色彩的比例關(guān)系，運用合理的色彩搭配引導學習者的視線，賦予主體物與背景強烈的反差，吸引學習者的注意力。同時，利用冷、暖色在視覺上的距離感，營造出豐富的鏡頭空間。

在實際的創(chuàng)作過程中，只有恰當?shù)剡\用上述設計理論來指導三維動畫的藝術(shù)性設計，才能夠設計出既符合教學目標，又具有視覺美感的三維動畫資源，更好地為學習者服務。

(二)交互設計

學習者是虛擬學習環(huán)境中的主動探究者，而不是信息的被動接受者。交互性反映了學習者在虛擬環(huán)境中進行操作及獲取反饋的程度。交互設計應以學習者為中心，引導學習者主動參與。合理有效的交互設計能夠激發(fā)學習者的情感反映和學習動機，優(yōu)化學習者的體驗，有效達到學習者的期望。

交互的方式有多種，常見的是利用鍵盤、鼠標實現(xiàn)交互功能，另外還可以使用觸摸屏、控制手柄等。因此在交互設計時應根據(jù)所需實現(xiàn)的功能選擇合適的交互方式。

虛擬學習環(huán)境中的交互設計包括對信息傳遞的控制，如三維動畫的暫停、播放；對內(nèi)容的控制，如虛擬實驗中的參數(shù)輸入；對三維模型的控制，如旋轉(zhuǎn)、縮放、平移、改變顏色等。

目前，在多媒體學習中常用的交互設計原則有：內(nèi)容可控性原則、分段原則、學習者控制進度原則、引導發(fā)現(xiàn)原則、任務適當性原則[18][19]等。在虛擬學習環(huán)境的交互設計中，可以運用這些原則，通過交互界面及菜單，在程序中點擊相應按鈕來觸發(fā)相應的操作。

現(xiàn)有的許多虛擬學習環(huán)境僅能提供簡單的三維漫游功能，因此有必要加強三維模型交互功能的設計，為學習者提供操控三維對象的可視化反饋。交互功能的實現(xiàn)一般包括選擇、操控、判斷和反饋等四個步驟。其中，“選擇”即是選定操控對象；“操控”可以更改被選擇對象的屬性；“判斷”是根據(jù)具體的教學任務對操控的結(jié)果進行評價；“反饋”則是根據(jù)評價結(jié)果給學習者及時、恰當?shù)貍鬟f教學提示，讓學習者利用這些反饋信息實現(xiàn)知識意義的建構(gòu)。

此外，在交互設計過程中還要考慮其趣味性，虛擬學習環(huán)境不單是呈現(xiàn)知識，游戲化的設計可以增加學習內(nèi)容的趣味性，有利于讓學習者全身心地沉浸到學習情境中，使學習者體會到探究的樂趣，實現(xiàn)樂中學、學后思的學習效果。

三、設計實例

下面以高二物理“原子彈與核裂變原理”這一部分內(nèi)容為例描述其三維動畫資源及交互的設計，該部分知識點要求學習者了解原子彈的結(jié)構(gòu)、掌握核裂變原理。

(一)三維模型/動畫的設計

三維模型/動畫由3ds Max 2012軟件設計。在虛擬學習環(huán)境中設計了“展示結(jié)構(gòu)型”動畫，用于展示原子彈的外觀和內(nèi)部構(gòu)造，以及“闡釋原理型”動畫，通過模擬核裂變的過程來闡釋核裂變原理。在“原子彈”三維模型的制作中，為了使學習者的焦點始終集中在原子彈外部造型和內(nèi)部構(gòu)造上，去除了現(xiàn)實場景中不必要的元素，通過簡潔的場景設計來襯托實物模型，這里體現(xiàn)了設計的“相關(guān)性原則”。在“核裂變”動畫中，為了讓學習者對核能釋放過程中產(chǎn)生的中子、氪、鋇等加以區(qū)分，分別在各自相鄰的位置添加了對應的提示語，有利于實現(xiàn)突出重點、簡明呈現(xiàn)的視覺效果，這樣的設計體現(xiàn)了“空間鄰近原則”。在鏡頭畫面中，無論攝像機鏡頭與物體如何運動變化，畫面中主體物“氪、鋇”與陪體的“中子”，始終處于畫面相對的中心位置，并保持視覺上的平衡，這是對畫面構(gòu)圖“平衡法則”的運用。此外，在設計時依據(jù)“色彩編碼原則”有意識地用暖色系的紅、黃兩色表現(xiàn)主體物“氪、鋇”，同時采用冷色系的深藍色表現(xiàn)背景，這樣不僅營造了良好的空間縱深感，還可通過突出主體物來更好地引導學習者學習重難點，而采用醒目的白色提示語起到了突出重點的作用。通過這種以學習者為中心的藝術(shù)設計方法，給學習者以視覺美感，使其在愉悅的狀態(tài)下分析、理解教學內(nèi)容，增強學習者的學習興趣，提高學習效率。

(二)交互功能的設計

交互功能由Virtools 5結(jié)合Visual Studio 2010軟件開發(fā)實現(xiàn)。后臺采用C#程序設計語言，在交互界面中，當學習者提交某個請求命令時，后臺程序?qū)⑼ㄟ^調(diào)用相應函數(shù)來實現(xiàn)與對象的交互。為了讓交互方式更直觀、便捷，采用觸摸屏的操控方式，實現(xiàn)學習者與場景中虛擬物體的互動。

在交互操作界面中，學習者通過點擊觸摸屏中的按鈕實現(xiàn)所需功能。在虛擬學習環(huán)境中創(chuàng)設了原子彈外觀、內(nèi)部構(gòu)造、結(jié)構(gòu)詳解、核裂變及原子彈拼裝游戲等五個場景，并在界面右側(cè)根據(jù)不同場景設置了相應的功能按鈕，學習者可以對學習內(nèi)容自主選擇。以“原子彈外觀”場景為例，其交互功能可描述為：學習者進入該虛擬學習場景后，點擊“頂視圖”“側(cè)視圖”“俯視圖”按鈕可以多維度地觀察模型的外觀。點擊“動畫”按鈕，屏幕會出現(xiàn)模型的展示動畫，在動畫展示過程中，學習者可點擊動畫下方的“播放”或“暫?！卑粹o來控制播放的進度。在點擊“控制”按鈕后，學習者可在觸摸屏上實現(xiàn)對三維模型的操作，而點擊“復位”按鈕則可還原為初始場景。這種由學習者控制信息的呈現(xiàn)方式和呈現(xiàn)內(nèi)容的設計是多媒體交互設計原則的具體體現(xiàn)，也是學習者與虛擬學習環(huán)境交互的重要方式，實現(xiàn)了自主學習，能夠促進個體主動建構(gòu)知識、積極地加工信息，并且這種簡潔易用的操作設計可以提高學習者的學習興趣。

在虛擬環(huán)境中，學習者可以對原子彈三維模型進行360°旋轉(zhuǎn)、平移、縮放等基本交互操作，從不同的觀察視角對其進行認知。此外,所設計的交互游戲通過建立虛擬的實驗場景供學習者模擬拼裝原子彈，加深了學習者對原子彈構(gòu)造的印象。學習者將所需部件圖標拖拽至場景中的合適位置后，該部件以三維形式呈現(xiàn)，然后逐步完成原子彈模型的模擬拼裝，其程序?qū)崿F(xiàn)包括外部事件的捕獲、三維對象的定位及移動、外部事件的循環(huán)檢測等多個環(huán)節(jié)。在拼裝過程中，若拼裝不正確，畫面中會有文字信息提示給予及時的反饋。這種游戲化、反饋式的交互設計體現(xiàn)了以學習者為中心，激發(fā)學習者的學習積極性的設計理念，讓學生在愉悅的情境中獲取經(jīng)驗和體驗。

四、應用實踐

基于本文三維動畫資源與交互設計的方法和理念，筆者參與設計了“高中物理虛擬學習系統(tǒng)”。該虛擬系統(tǒng)配合人教版高中物理新課標教材，目前已在武漢市某中學投入試用。物理任課教師采取了傳統(tǒng)課堂教學與虛擬系統(tǒng)相結(jié)合的混合式教學方式，將傳統(tǒng)的“以教促學”的學習方式逐步轉(zhuǎn)變?yōu)閷W習者通過自身與虛擬環(huán)境的交互獲取知識、技能的學習方式，從而豐富了學習者的感性認識，加深了對教學內(nèi)容的理解。特別是對于學習者在實際中難以觀察到的各種自然現(xiàn)象或事物變化過程，例如原子核裂變等復雜的物理現(xiàn)象，任課教師借助虛擬系統(tǒng)讓學習者獲得了有效的感知，同時游戲化的設計也能促進學習者對知識的掌握。

試用期間，筆者與有關(guān)師生進行了多次交流溝通，并對其中48名學生開展了調(diào)查問卷以獲取應用評價信息，評價選項包括非常贊同、比較贊同、一般、不太贊同、很不贊同，調(diào)查結(jié)果的人數(shù)百分比統(tǒng)計如下表所示。

調(diào)查問卷統(tǒng)計結(jié)果

調(diào)查結(jié)果顯示該虛擬學習系統(tǒng)取得了良好的應用效果，絕大部分學生認為這種新穎的學習方式提高了他們對物理課程的學習興趣，相對于其他傳統(tǒng)的學習方式，使用該系統(tǒng)獲得了更好的學習成效，并希望嘗試其他學科的虛擬系統(tǒng)。對于該系統(tǒng)的動畫效果和交互操作方面的設計，學生們也給出了非常積極的評價，并且認為設計的趣味性較強，但是在內(nèi)容安排上還有待進一步加強。

實踐表明，虛擬學習環(huán)境提供了直觀的教學情境，讓學習者在觀察中認識、發(fā)現(xiàn)，在發(fā)現(xiàn)中運用歸納，提高了學習者對知識點的記憶和專注程度，為學習者加強科學知識的認知創(chuàng)造了條件。將本文提出的設計方法運用于虛擬學習環(huán)境的構(gòu)建對于教育資源的建設將起到積極的作用。

五、結(jié)束語

虛擬學習環(huán)境能夠彌補教學情境的不足，幫助學習者跨越時空的觀察障礙，為學習者呈現(xiàn)立體的視覺形象，模擬運動變化過程，并通過學習者與虛擬三維對象間的互動，培養(yǎng)學習者的空間思維能力、觀察能力，有效地促進學習者對知識點的理解與掌握，是輔助學習者學習的有力工具，但其設計理念和設計開發(fā)都還處于探索階段。本文探討了如何借鑒多媒體學習領域的設計理論研究成果，實現(xiàn)虛擬學習環(huán)境構(gòu)建中三維動畫資源的藝術(shù)性設計以及合理有效的交互設計，旨在更好地輔助師生的教與學，同時希望對數(shù)字化教育資源的建設提供有益的研究思路和參考意義。如何進一步充分利用已有的設計理論并探索更有效的設計方法來指導設計實踐，獲得更好的教育教學效果，還有待繼續(xù)深入研究。

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劉俐利：講師，碩士，研究方向為數(shù)字化教育資源設計(whll82@163.com)。

凌毓?jié)褐v師，博士，研究方向為信息技術(shù)與教育應用。

王艷鳳：高級工程師，研究方向為現(xiàn)代教育技術(shù)(wangyanfeng@mail.ccnu.edu.cn)。

2013年12月4日

責任編輯：馬小強

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1006—9860(2014)02—0123—06

* 本文得到國家“十二五”科技支撐計劃課題“數(shù)字學習內(nèi)容公共服務關(guān)鍵支撐技術(shù)研究”(課題編號：2013BAH18F02)資助。

① 凌毓?jié)秊楸疚耐ㄓ嵶髡摺?/p>