鄧敏杰　馬源穎

摘要：隨著信息技術的不斷發(fā)展，虛擬現(xiàn)實技術被廣泛應用于軍事、醫(yī)學、娛樂、教育等領域。三維學習課件作為虛擬現(xiàn)實技術在教育領域的應用典范，以其數(shù)字化、可視化等特征得到人們的持續(xù)關注。使用VRP和3Ds Max等工具，設計和開發(fā)三維學習型課件，具體介紹了其詳細過程及相關技術問題，并以《文字的起源與發(fā)展》歷史課件開發(fā)為例，展示了三維學習課件在自主學習中的應用優(yōu)勢。

關鍵詞：虛擬現(xiàn)實；三維課件；VRP；3Ds Max

DOIDOI：10.11907/rjdk.151445

中圖分類號：TP319

文獻標識碼：A 文章編號文章編號：16727800（2015）008016004

作者簡介作者簡介：鄧敏杰（1985-），女，河南項城人，碩士，河南師范大學教育技術系助教，研究方向為教育技術理論與應用；馬源穎（1993-），女，河南安陽人，河南師范大學教育技術系學生，研究方向為數(shù)字媒體技術、虛擬現(xiàn)實。

0 引言

目前，我國傳統(tǒng)課堂教學的不足主要體現(xiàn)在：課堂教學環(huán)節(jié)老套，課程講解枯燥與現(xiàn)實脫節(jié)，造成學生知識掌握較少；學生參與度低，整個課堂通常完全由教師控制調配時間，學生無法很好地參與到教師設定的教學環(huán)節(jié)中，難以實現(xiàn)師生、生生間的充分交互與反饋；擴展補充較少，學生的知識層面還大多局限于課本，課外拓展知識少，只能應付日?？荚嚕@使得學生的發(fā)展受到較大限制。三維學習課件以其交互性和沉浸性縮短了學生與所學內容的距離，讓學生更好地與學習內容進行交互，為學生學習知識提供了良好幫助。

1 虛擬現(xiàn)實技術與三維學習課件

1.1 虛擬現(xiàn)實技術

虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，VR）是由計算機和多媒體技術結合而產生的一種具有交互性、沉浸性、想象性的技術，能夠逼真地模擬人在某種環(huán)境中的視、聽、動等人機交互方式，使用者能夠及時、沒有限制地觀察三維空間內的事物[12]。虛擬現(xiàn)實在教育領域的應用，改變了傳統(tǒng)“以教促學”的學習方式，營造了“自主學習”氛圍，使學習者可以通過與信息環(huán)境的交互作用學習到知識與技能，同時也

促進了教育技術的發(fā)展。

1.2 三維學習課件

三維學習型課件是基于虛擬現(xiàn)實技術的一種三維學習空間，它拓展了二維課件的交互性，使學習者能夠身臨其境地感受學習氛圍，自主掌握學習知識，培養(yǎng)自主學習能力，提升學習效率。同時，三維學習課件以節(jié)省成本、規(guī)避風險、打破時空限制等特性而得到迅速發(fā)展，并應用于教學中。

2 三維課件總體設計

2.1 場景構建

根據(jù)課程需要，選取合適內容并構建場景。在三維學習課件場景構建中，應用3Ds Max的操作步驟一般包括模型制作、UV處理、貼圖材質處理等環(huán)節(jié)[3]，最終生成虛擬場景，如圖1所示。

圖1 三維場景制作步驟

2.2 交互功能設計

在三維學習課件構建的場景中，因為各部分的主題和學習內容不同，學習者需要知道自己現(xiàn)在處于什么位置，學習到哪個階段，有時還需要進行展廳和學習內容的切換，因而要設置一個實時導航來幫助學習者找到自己的位置和明確學習主題[4]。在三維學習課件中，插入了許多關于學習內容的音頻文件，包括內容講解和背景音樂兩部分。對于學習內容的講解匯總，采用距離式觸發(fā)的交互方式，學習者可以根據(jù)需求控制學習過程和多媒體的使用。

3 課件開發(fā)流程和具體實現(xiàn)

3.1 開發(fā)工具選取

（1）3Ds Max。3Ds Max（3D Studio Max ）是由Autodesk公司出品的一款基于PC系統(tǒng)的三維動畫制作和渲染軟件，現(xiàn)階段主要應用于游戲、廣告、影視、三維動畫、多媒體制作、工業(yè)建筑設計等領域。Max具有基于PC系統(tǒng)的低配置要求、可供插件的安裝、強大的動畫角色制作能力、可堆疊的建模步驟等顯著特點，具有良好的發(fā)展前景，并將朝智能化、多元化方向發(fā)展。

（2）VRP。VRP（Virtual Reality Platform）是由中視典數(shù)字科技有限公司設計開發(fā)的一款面向三維美工的虛擬現(xiàn)實軟件，在我國虛擬現(xiàn)實領域中應用較廣。VRP具有適用性強、操作簡單、功能強大、高度可視化等優(yōu)勢，廣泛應用于城市規(guī)劃、室內設計、旅游教學、工業(yè)仿真、地質災害、道路橋梁設計等領域。

（3）Photoshop。Photoshop（Adobe Photoshop）是由Adobe公司出品的用于處理位圖圖像及圖形的軟件，被廣泛用于界面設計、后期修飾、影像創(chuàng)意、平面設計、廣告攝影等領域，支持圖層技術，為處理貼圖等圖像效果提供了一個便捷途徑。

（4）CrazyBump。CrazyBump主要用于調整貼圖和導出貼圖，CrazyBump可導出法線、置換、高光、OA貼圖，在軟件中也可對相應的參數(shù)進行調整，使導出的貼圖更符合需求，從而達到簡化和美化模型的效果。

（5）AutoCAD。AutoCAD（Auto Computer Aided Design）是由Autodesk公司開發(fā)的自動計算機輔助設計軟件，操作較為簡單，具有良好的適用性。AutoCAD具有完善的圖形繪制功能、強大的圖形編輯能力、可供二次開發(fā)、較強的數(shù)據(jù)交換能力、多硬件設備支持、多操作平臺等顯著優(yōu)勢，被廣泛應用于土木建筑、裝飾裝潢、城市規(guī)劃、園林設計、機械設計、服裝鞋帽、航天航空等領域。所用工具及功能如表1所示。

3.2 場景構建

（1）建模。在模型構建過程中，主要用到的三維建模方法有：①多邊形建模；②樣條線建模；③基礎幾何體建模。在模型構建中，模型的制作方法不是唯一的，也不是一成不變的，需要根據(jù)具體情況使用相應的建模方法，以達到高效快速構建模型的目的。在構建主體建筑時，對于一些對稱性模型，可先以1/4或1/2等建筑建模后再對稱，進而完成整體模型的構建。前期模型整體構建完成后需要精簡模型，刪去重復面和閃爍面，同時刪除冗余的點或線，以減輕后期交互引擎的負擔，使其順暢運行。

（2）UV處理。對于模型的UV處理主要用到兩個修改器：UVW貼圖和UVW展開。為提高貼圖的利用效率，在UVW展開修改器中，相同貼圖通道的UV要求紋理相同的模型面UV最大限度的重疊。同時要使展開的UV具有調理性，相同大小、紋理的面可進行重合對齊，紋理復雜的面可以適當增大其在整張UVW貼圖中所占面積，相反，紋理簡單、單一的面可以縮小其在UVW貼圖中所占面積，然后使展開的面緊湊排列在UV框中，從而使繪制的貼圖能夠充分表現(xiàn)模型的紋理。將展好的UVW貼圖以圖片的形式導出，導出格式為PNG。UVW貼圖指利用UVW坐標定位貼圖的位置和平鋪數(shù)量，用長、寬、高調整貼圖大小，從而達到使用一張貼圖即可貼大塊面積的紋理，如地板、天花板、草地等都可以使用UVW貼圖修改器。以《文字的起源與發(fā)展》歷史課件為例，其主建筑的UVW展開貼圖如圖2所示。

圖2 主體建筑UVW展開貼圖

（3）貼圖。貼圖是物體表面的紋理，利用貼圖可以在不增加模型面數(shù)的情況下，表現(xiàn)出更多的細節(jié)，以增加模型質感，完善模型造型，使創(chuàng)建的三維場景更接近現(xiàn)實。貼圖的處理主要包括兩部分：繪制貼圖和烘焙貼圖。繪制貼圖在Photoshop中進行，將UVW展開貼圖導出后，在Photoshop中打開，以其邊框線為基準繪制相應的紋理，將繪制好的漫反射貼圖保存成PSD格式文件后，在UVW展開面板中拾取紋理，根據(jù)實際情況對UV進行細微調整。烘焙貼圖在CrazyBump中完成，根據(jù)在Photoshop中處理好的漫反射貼圖，在CrazyBump中調整相應的參數(shù)，生成法線貼圖、高光貼圖等。該課件的漫反射貼圖如圖3所示。

圖3 使用Photoshop處理的漫反射貼圖

（4）材質。場景模型構建所用材質主要為標準材質，此外也用到玻璃材質等具有反射效果的材質。將貼圖繪制好后，在3Ds Max材質編輯器中選擇一個空白材質球，材質將用CrazyBump導出的高光、置換等貼圖賦給對應部分的材質貼圖。需要注意的是，導出的法線貼圖需要賦給材質編輯器的凹凸貼圖，以模擬真實場景材質的凹凸效果。玻璃類的材質需要調節(jié)反射值或直接使用Architectural（建筑）材質中的“玻璃—半透明”模板，調節(jié)相應參數(shù)。

3.3 交互功能實現(xiàn)

將在3Ds Max中制作的模型導入到VRP中需要注意的是，在導出模型前要對其進行分組和組合以避免在VRP中出現(xiàn)場景模型分布散亂而且部分分離的現(xiàn)象。同時，在導入過程中需要對貼圖進行控制和調整，否則會出現(xiàn)貼圖無法顯示的情況，對于此問題的解決辦法為：①在烘焙貼圖時檢查是否有重名的模型；②檢查模型是否存在破面、重面現(xiàn)象；③烘焙前用層來管理物體，將需要烘焙和不需要烘焙的物體放置到不同的層中；④將多維材質一次性打散成標準材質；⑤在VRP中重新加載、替換貼圖；⑥烘焙好貼圖后在Photoshop中改變色相、飽和度等以匹配顏色，調整銳化、曲線等命令增強貼圖色調的明暗對比，或在VRP中對貼圖進行色彩調整。將該課件的Max主建筑場景導入VRP，效果如圖4所示。

圖4 將主建筑場景導入到VRP中的效果

將在Max制作的場景導入到VRP中時可以使用Max中的VRP插件，此插件可以將場景中的模型及貼圖保存成VRP場景文件或者直接導入到VRP中，但此插件只支持Max 2011及其以下版本，若使用高版本3Ds Max則需將其另存為合適版本，再使用插件導出模型即可。

在制作交互功能時首先要對課件包含內容進行教學設計，需要明確課程內容和把握整體課程進度，也要了解三維學習課件中不同模塊對應的相關學習內容，然后才能進行交互設計步驟[5]。將賦過材質的場景整合后導入VRP，進行交互功能設計，主要包括導航圖設計、多媒體嵌入和視音頻交互設計。

（1）導航圖設計。導航圖是對整個學習課件進行反饋與控制，對學習者的學習起著導向作用，能使初學者更快進入學習狀態(tài)，幫助學習者學習課件內容。

在控制導航的過程中，學習者可以很清楚地知道自己當前正處于什么位置，并控制行走或將要行走的方向。導航圖上有背景音樂、解說音量等控制按鈕供學習者使用，學習者可以根據(jù)導航圖對自己的學習進度有一個整體把握。使用VRP中自帶的抓圖功能，抓圖整個場景，并導入Photoshop，設置Alpha透明通道，同時要將其添加到新建的導航空間中。將在Max中獲得的世界坐標X、Y的最值分別對應于VRP中導航圖貼圖左邊的上下左右值，即可將導航圖貼到VRP中加以使用。

（2）多媒體嵌入。在VRP中，多媒體的嵌入主要有兩種方式：內部嵌入和外部鏈接。內部嵌入方式主要通過ATX貼圖、Flash控件和渲染到貼圖3種方式，將視頻媒體嵌入到VRP中，可以加載到三維模型上也可以加載到界面元素上。外部鏈接則需要使用腳本控制，在“視頻”按鈕上添加“腳本文件”中的“打開任意文件”腳本，再選擇所要鏈接到課件中的視頻。外部鏈接式的多媒體嵌入在播放時需要加載外部組件以實現(xiàn)視頻播放。音頻媒體的控制均采用內部嵌入方式，添加“音頻”相應腳本，進而實現(xiàn)對音頻的播放控制。

（3）視音頻交互設計。視頻主要是關于部分學習知識和文字學習背景的講解。通過直觀、高效的視頻學習，學習者可以快速掌握所觀看的知識，同時配合三維學習課件主建筑內部相關場景或物件，學習者對所學內容會有更深刻的印象，從而促進學習者二次記憶。音頻分為背景音樂和解說詞兩部分，解說詞主要是對一些不適合用視頻呈現(xiàn)或內容不精煉的學習內容的呈現(xiàn)，學生可以根據(jù)需要自行實現(xiàn)背景音樂的播放及音量控制。

視音頻交互均采用距離式觸發(fā)交互方式，距離式觸發(fā)交互方式即當學習者進入到設定的距離范圍內時，系統(tǒng)自動觸發(fā)系統(tǒng)設置的內容，三維學習課件中有講解學習內容的視頻或音頻，當學習者退出設定的交互范圍時，系統(tǒng)自動識別，停止先前觸發(fā)內容即視音頻的播放。

4 課件測試

整體調整好交互功能后，即可通過VRP進行發(fā)布，發(fā)布文件為EXE格式，可以脫離VRP的開發(fā)環(huán)境獨立運行。

測試環(huán)節(jié)主要分兩部分：開發(fā)人員測試和學習者測試。開發(fā)人員測試內容主要是對場景漫游和交互功能的測試。由于開發(fā)人員把握了整個三維學習課件的場景構建和學習內容的交互，因而可以運行課件以檢測場景運行是否正常或交互是否實現(xiàn)，并及時進行調整。

測試調整后，則需要學習者對課件進行測試，包括對教學內容、學習過程、學習效果的測試。因學習者對三維課件各方面的功能處于未知狀態(tài)，這樣更能體現(xiàn)學習課件的效果，學習者通過課件的學習可以了解并掌握該部分知識，同時也能發(fā)現(xiàn)課件中的不足，并反饋給開發(fā)人員，再進行修改、完善。

5 結語

三維學習課件因其可視化、直觀化、形象化等特點使其在學習過程中的作用日益顯著，因而開發(fā)三維學習課件的重要性也愈加凸顯。本文開發(fā)的三維學習型課件對文字起源與發(fā)展方面的知識加以有效整合，為學習者提供了良好的基于學習內容的學習環(huán)境，使學習者能夠更高效地投入學習，并快速地掌握相應知識。

三維學習課件作為虛擬現(xiàn)實在教育領域應用的一類產品，對提高學習者興趣、增強學習者學習的趣味性及自主性等起著積極作用。其在三維場景中的互動演示彌補了二維課件，擴大了知識容量，增強了學習者的學習技能，值得深入研究。

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[5] 杜麗，林筑英，尹兵.網(wǎng)絡課程教學游戲開發(fā)中的VR技術應用[J].中國遠程教育，2011（7）：7680.

（責任編輯：孫 娟）