劉亞豐，余龍江，盧群偉，蘇 莉，吳元喜

(華中科技大學(xué) 生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430074)

虛擬仿真教學(xué)利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和仿真模擬技術(shù)，構(gòu)建虛幻的條件與場(chǎng)景、逼真的操作對(duì)象與學(xué)習(xí)內(nèi)容及靈活多樣的互動(dòng)環(huán)節(jié)，使得高效、安全、經(jīng)濟(jì)、完全開(kāi)放的教與學(xué)成為可能[1－3]，有望成為除理論教學(xué)、實(shí)踐教學(xué)之外的第三種教學(xué)模式，將成為信息時(shí)代教育改革的發(fā)展方向和實(shí)踐教育信息化的重要舉措[4－6]。

信息技術(shù)的快速發(fā)展推動(dòng)各類教學(xué)資源如Word文檔、PowerPoint課件、微課及動(dòng)畫(huà)等廣泛應(yīng)用，這些資源的文件格式、展現(xiàn)形式和執(zhí)行方式不同，有些屬于虛擬仿真教學(xué)資源，有些屬于一般數(shù)字化教學(xué)資源。面對(duì)專業(yè)知識(shí)更新速度快及個(gè)性化學(xué)習(xí)需求，虛擬仿真教學(xué)資源開(kāi)發(fā)與建設(shè)要考慮成本、擴(kuò)展、兼容、共享及更新等問(wèn)題[7－10]，并協(xié)調(diào)與其他教學(xué)資源的融合，以提升教學(xué)質(zhì)量并促進(jìn)其可持續(xù)發(fā)展，使之能夠運(yùn)行于不同操作系統(tǒng)上或運(yùn)行于不同終端設(shè)備上。

1 教學(xué)資源分類

教室、實(shí)驗(yàn)室、機(jī)房、儀器設(shè)備、器具耗材、藥品試劑、動(dòng)植物標(biāo)本及教案、教具甚至教師都可歸屬于傳統(tǒng)實(shí)體教學(xué)素材。計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，推動(dòng)電子文檔、圖片、音頻、視頻及試卷題庫(kù)等形式多樣的信息化資源的涌現(xiàn)，為教師的教和學(xué)生的學(xué)提供了多種選擇，有力地促進(jìn)教育信息化和推動(dòng)教學(xué)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)。這些資源以不同展現(xiàn)形式向用戶提供信息、知識(shí)或技能，但缺乏交互環(huán)節(jié)或互動(dòng)節(jié)點(diǎn)，不屬虛擬仿真教學(xué)資源，而是常規(guī)數(shù)字化教學(xué)素材。

為推動(dòng)虛擬仿真教學(xué)模式實(shí)施，促進(jìn)個(gè)性化、自主學(xué)習(xí)與實(shí)驗(yàn)操作，可借助虛擬現(xiàn)實(shí)、多媒體、人機(jī)交互、數(shù)據(jù)庫(kù)和網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)構(gòu)建高度仿真的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)對(duì)象，開(kāi)發(fā)可滿足新時(shí)期教學(xué)大綱要求的、功能強(qiáng)大、信息量大、交互性強(qiáng)的虛擬仿真教學(xué)資源，它包括靜態(tài)模型和動(dòng)畫(huà)程序兩類素材。

靜態(tài)模型素材包含分子細(xì)胞結(jié)構(gòu)庫(kù)、動(dòng)植物標(biāo)本庫(kù)、儀器設(shè)備庫(kù)、器具耗材庫(kù)、藥品試劑庫(kù)及實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景庫(kù)。通過(guò)計(jì)算機(jī)建模軟件，將現(xiàn)實(shí)中的儀器設(shè)備如顯微鏡、器具耗材如燒杯、藥品試劑如酒精及實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景如操作間等進(jìn)行建模，建立不同精度、屬性可配置的二維或三維模型，用于結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)與功能認(rèn)知。重要的是，這些資源易共享、可減少開(kāi)發(fā)周期和節(jié)約成本，方便不同高校及公司構(gòu)建具有交互環(huán)節(jié)的動(dòng)畫(huà)程序。

動(dòng)畫(huà)程序素材是利用程序開(kāi)發(fā)軟件如Unity3D，通過(guò)一定的流程和交互接口將相關(guān)靜態(tài)模型素材連接起來(lái)，形成特定知識(shí)點(diǎn)傳播的具有動(dòng)畫(huà)效果的一段程序代碼。由于是程序代碼，它可以順序結(jié)構(gòu)和星狀結(jié)構(gòu)等多種形式運(yùn)行，方便添加各種交互接口，其達(dá)到的功能與效果也將超出常規(guī)數(shù)字化素材，可用于實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景漫游、安全實(shí)訓(xùn)操作、儀器設(shè)備操作、試劑制備操作、虛擬實(shí)驗(yàn)操作和仿真實(shí)驗(yàn)操作，可通過(guò)2D或3D方式展現(xiàn)。

虛擬仿真教學(xué)模式順利開(kāi)展，同樣也離不開(kāi)其他教學(xué)資源建設(shè)，因此在當(dāng)前教育信息化背景下，需要整合、優(yōu)化原有各類教學(xué)資源，建立有層次、可配置、方便擴(kuò)展及有利共享的教學(xué)資源體系，如圖1所示。

圖1 教學(xué)資源分類

2 虛擬仿真教學(xué)資源需求分析

相對(duì)常規(guī)數(shù)字化資源，虛擬仿真教學(xué)資源所需技術(shù)多，制作周期長(zhǎng)，開(kāi)發(fā)費(fèi)用高，交互環(huán)節(jié)特別是涉及人機(jī)交互硬件及軟件開(kāi)發(fā)等方面的尤為復(fù)雜，其建設(shè)要從多方面考慮論證。

2.1 建設(shè)必要性

首先應(yīng)考慮虛擬仿真教學(xué)資源建設(shè)的必要性。如果傳統(tǒng)實(shí)體教學(xué)資源或常規(guī)數(shù)字化資源可滿足教學(xué)大綱需求，則無(wú)需建設(shè)虛擬仿真教學(xué)資源。應(yīng)本著 “能實(shí)不虛”“以虛促實(shí)”“以虛補(bǔ)實(shí)” “虛實(shí)互補(bǔ)”的建設(shè)原則，對(duì)于現(xiàn)實(shí)情況不具備或難以達(dá)到教學(xué)效果，或涉及高危、極端環(huán)境不可及、不可逆的教學(xué)與操作，或涉及高成本、高消耗的教學(xué)與操作，可考慮建設(shè)虛擬仿真教學(xué)資源[2－3]。

2.2 功能展現(xiàn)形式

虛擬仿真教學(xué)資源通常有兩種功能展示形式，一種是借助電腦屏顯示及鼠標(biāo)與鍵盤(pán)交互的一般功能展示，這里定義平面展示；一種是需要借助投影系統(tǒng)、數(shù)據(jù)手套數(shù)據(jù)服、頭盔顯示器、位置跟蹤定位裝置及三維語(yǔ)音系統(tǒng)或觸覺(jué)反饋系統(tǒng)等的特效功能展示，這里定義為立體展示。立體展示是多維度的，不僅給用戶提供身臨其境的場(chǎng)景，也提供溫度、位置及力量等多參數(shù)反饋信息，因而比平面展示更逼真，效果也更好，但所需技術(shù)較多，開(kāi)發(fā)更復(fù)雜。

2.3 開(kāi)發(fā)周期與成本

模型的精度和交互程度決定了虛擬仿真教學(xué)資源的建設(shè)周期，也決定了開(kāi)發(fā)成本。真實(shí)物體的復(fù)雜度及精細(xì)度決定模型制作的前期工作量，制作二維模型和三維模型及它們的精細(xì)度決定了后期工作量。交互節(jié)點(diǎn)數(shù)、交互執(zhí)行結(jié)構(gòu)及是否需要軟硬件接口與反饋等決定了交互程度。以實(shí)驗(yàn)室漫游場(chǎng)景為例，目前市場(chǎng)上的價(jià)格是每秒400～2 000元，這對(duì)于一般高校而言都是非常大的開(kāi)支，因此在規(guī)劃建設(shè)虛擬仿真教學(xué)資源時(shí)，應(yīng)理性考慮制作周期、開(kāi)發(fā)成本及可持續(xù)發(fā)展。

3 虛擬仿真教學(xué)資源建設(shè)

虛擬仿真教學(xué)資源開(kāi)發(fā)一般包括原始素材獲取、模型素材構(gòu)建、動(dòng)畫(huà)程序開(kāi)發(fā)及測(cè)試發(fā)布等環(huán)節(jié)，如圖2所示。

圖2 虛擬仿真教學(xué)資源開(kāi)發(fā)流程

3.1 原始素材獲取

經(jīng)過(guò)虛擬仿真教學(xué)資源需求分析，確定制作質(zhì)量與效果后，就要獲取原始素材，它包括靜態(tài)素材和程序腳本的獲取。

3.1.1 靜態(tài)素材

靜態(tài)素材包括場(chǎng)景設(shè)施、儀器設(shè)備、試劑耗材、藥品試劑及動(dòng)植物標(biāo)本等，要采用高清相機(jī)拍攝，攝制前應(yīng)協(xié)調(diào)溝通好靜態(tài)素材的主體與功能，以使模型制作有針對(duì)性和側(cè)重點(diǎn)。拍攝中，要有針對(duì)性的選取光圈大小、曝光時(shí)間及感光度，凸顯素材之間的差別。如果素材老舊或受拍攝限制及光照條件影響等，可利用Photoshop等圖像處理軟件進(jìn)行技術(shù)處理或修復(fù)，去除圖片中雜景和扭曲，調(diào)整色階或進(jìn)行濾波處理等。

3.1.2 程序腳本

程序腳本是所開(kāi)發(fā)教學(xué)資源要達(dá)到教學(xué)效果及實(shí)施的設(shè)計(jì)思路、目標(biāo)要求及執(zhí)行結(jié)構(gòu)，它是專業(yè)知識(shí)與信息技術(shù)融合的基礎(chǔ)，也是在教育信息化時(shí)代傳統(tǒng)教案在內(nèi)容上的延伸。要開(kāi)發(fā)出高質(zhì)量的虛擬仿真教學(xué)資源，需要在程序腳本上下功夫。專業(yè)知識(shí)通過(guò)什么樣的形式可更有效展現(xiàn)？如何鍛煉學(xué)生綜合設(shè)計(jì)及創(chuàng)新能力？交互環(huán)節(jié)如何設(shè)計(jì)？教學(xué)質(zhì)量與效果如何達(dá)到等，只有專任教師才熟悉這些專業(yè)知識(shí)及存在的問(wèn)題，因而程序腳本通常應(yīng)由專業(yè)老師親自撰寫(xiě)或主導(dǎo)編寫(xiě)。

3.2 模型素材制作

在獲得靜態(tài)素材圖片及尺寸后，可采用3DSMax或Maya軟件構(gòu)建實(shí)物模型。模型線數(shù)、面數(shù)、貼圖及紋理等參數(shù)決定模型的真實(shí)度。如圖3所示，顯示了3種不同精度要求制作的研缽模型，其效果差別明顯。如果靜態(tài)素材復(fù)雜而制作精度又高，將會(huì)使模型文件過(guò)大，降低軟件運(yùn)行速率，則需要優(yōu)化處理模型制作。模型優(yōu)化有建模優(yōu)化與貼圖材質(zhì)優(yōu)化，可采取二次建模優(yōu)化技術(shù)、動(dòng)態(tài)生成三維實(shí)體技術(shù)、代碼重用及封裝技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化。另外，盡量減少點(diǎn)、面及多邊形，刪除不用或看不到的面與區(qū)域，控制建模數(shù)據(jù)的小數(shù)點(diǎn)位數(shù)等。

圖3 不同精度的研缽模型

貼圖材質(zhì)制作是一個(gè)模型的靈魂，它在模型制作過(guò)程中占較大比重。貼圖類型包括漫反射貼圖、高光貼圖和法線貼圖。漫反射貼圖即物體本身顏色紋理制作，開(kāi)發(fā)要求低的可采用這種貼圖方法；高光貼圖反映了一個(gè)物體在光照下的真實(shí)屬性，開(kāi)發(fā)出更真實(shí)的高模，這種方法需要計(jì)算機(jī)多次優(yōu)化運(yùn)算；法線貼圖可以讓低模繼承高模的凹凸紋理，用最少資源產(chǎn)生與高模同樣的真實(shí)立體效果。

模型貼圖文理制作后，通常還需要封裝賦予運(yùn)動(dòng)元素，讓模型按照流程要求動(dòng)起來(lái)，注意幀速及預(yù)留幀等待時(shí)間，動(dòng)作必須自然流暢，符合運(yùn)動(dòng)規(guī)律，避免丟失動(dòng)畫(huà)幀。

3.3 動(dòng)畫(huà)程序開(kāi)發(fā)

模型構(gòu)建完成后可一起或分批導(dǎo)入虛擬現(xiàn)實(shí)軟件中，進(jìn)行后期程序編寫(xiě)制作，主要包含以下兩個(gè)方面。

3.3.1 開(kāi)發(fā)軟件選取

目前流行的虛擬現(xiàn)實(shí)開(kāi)發(fā)軟件有Virtools公司的Virtools、荷蘭Act3D公司Quest3D、Unity Technologies公司的Unity3D、Cycore公司的Cult3D及國(guó)內(nèi)中視典公司的VR－Platform等。這些開(kāi)發(fā)軟件擁有人機(jī)界面的設(shè)計(jì)能力、3D場(chǎng)景和模型渲染展示能力及腳本交互控制能力。目前采用Unity3D開(kāi)發(fā)的居多，主要在于它有強(qiáng)大的3D渲染能力，支持PC、Android、IOS、網(wǎng)頁(yè)及XBox等平臺(tái)，并提供多種接口運(yùn)行腳本語(yǔ)言，如基于C＃和JavaScript腳本程序可將模型及多媒體元素整合，滿足交互環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)需求，從而提高開(kāi)發(fā)速度，并能保證平臺(tái)后期的拓展。

3.3.2 流程制作

流程制作通常包括UI功能制作、場(chǎng)景功能交互制作、特效制作、屏幕渲染及優(yōu)化處理等幾個(gè)環(huán)節(jié)。UI功能制作通過(guò)代碼邏輯和UI函數(shù)的調(diào)用來(lái)實(shí)現(xiàn)用戶與系統(tǒng)的UI界面的功能交互，實(shí)現(xiàn)用戶的輸入、選擇、點(diǎn)擊及拖拽等操作，可進(jìn)行實(shí)驗(yàn)流程設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)參數(shù)選取設(shè)定等。Unity3D用代碼邏輯控制UI布局、大小及不同分辨率下的自適應(yīng)、字體特效、圖片大小與動(dòng)態(tài)顯示和圖片特效等。

Unity3D中的場(chǎng)景功能交互制作，是用C＃語(yǔ)言編寫(xiě)腳本實(shí)現(xiàn)用戶與場(chǎng)景中對(duì)象交互，通過(guò)一定的形式觸發(fā)動(dòng)作、響應(yīng)、反饋，或進(jìn)行參數(shù)選取、屬性配置和流程組合等。這一部分是虛擬仿真教學(xué)資源建設(shè)的重點(diǎn)，可以說(shuō)該環(huán)節(jié)的復(fù)雜度、豐富度決定了虛擬仿真教學(xué)資源的建設(shè)質(zhì)量及所能達(dá)到的教學(xué)效果。如圖4所示，是本文基于Unity3D軟件開(kāi)發(fā)的細(xì)胞膜片鉗虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，它包含鏡頭更換、載物臺(tái)移動(dòng)、電極裝載、微操三維移動(dòng)、正負(fù)壓給氣系統(tǒng)、焦平面調(diào)節(jié)和電子放大器等功能模塊及多界面窗口，方便實(shí)現(xiàn)參數(shù)設(shè)置、條件選取及人機(jī)交互等功能，對(duì)于學(xué)生掌握復(fù)雜的細(xì)胞膜片鉗實(shí)驗(yàn)步驟和操作技能是非常有必要的。

圖4 膜片鉗虛擬仿真實(shí)驗(yàn)操作界面

Unity3D中的特效制作是調(diào)用軟件中的插件，實(shí)現(xiàn)對(duì)指定對(duì)象形狀、行為、功能的特效烘托。如圖5所示，為更逼真地顯示玻璃器皿中培養(yǎng)細(xì)胞生存的水環(huán)境，本文采用Shader著色器并編寫(xiě)腳本控制其屬性，從而可動(dòng)態(tài)控制水分子隨機(jī)閃爍。

圖5 Shader控件實(shí)現(xiàn)水分子特效展示

在流程制作后期，可調(diào)整實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景視角、光影效果、天空顯示及顏色修正，對(duì)屏幕進(jìn)行后期渲染。另外，還可利用Unity3D內(nèi)部分析軟件對(duì)場(chǎng)景中模型和交互代碼進(jìn)行分析，查找過(guò)于繁瑣的代碼或面數(shù)過(guò)多的模型進(jìn)行后期處理。

3.4 軟件測(cè)試發(fā)布

軟件測(cè)試是教學(xué)資源修正、優(yōu)化和完善的重要環(huán)節(jié)，應(yīng)組織學(xué)生試用并和相關(guān)老師、專業(yè)技術(shù)人員討論、評(píng)估及修改。軟件發(fā)布階段主要是將制作好的虛擬仿真教學(xué)資源以可執(zhí)行方式或網(wǎng)頁(yè)播放方式進(jìn)行發(fā)布，以便在本地機(jī)運(yùn)行或遠(yuǎn)程在線訪問(wèn)。由于虛擬仿真教學(xué)資源開(kāi)發(fā)對(duì)專業(yè)知識(shí)要求高、對(duì)開(kāi)發(fā)技術(shù)要求高，通常涉及教師、高校及合作公司的知識(shí)產(chǎn)權(quán)而需保護(hù)，為此在軟件發(fā)布前，應(yīng)進(jìn)行程序代碼加密、注冊(cè)碼保護(hù)及用戶管理等處理。

4 結(jié)束語(yǔ)

虛擬仿真教學(xué)模式是教育信息化發(fā)展趨勢(shì)下出現(xiàn)的新教學(xué)方式，它的出現(xiàn)將積極推動(dòng)教學(xué)改革和提升教育質(zhì)量。本文結(jié)合華中科技大學(xué)國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，從需求分析、原始素材獲取、模型素材制作及動(dòng)畫(huà)程序開(kāi)發(fā)等幾個(gè)方面詳細(xì)介紹了虛擬仿真教學(xué)資源的建設(shè)原則、建設(shè)內(nèi)容、實(shí)施過(guò)程及技術(shù)需求，以期在教案設(shè)計(jì)和資源建設(shè)方面建立統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)[11－12]，推動(dòng)教學(xué)模式順利實(shí)施，彰顯虛實(shí)結(jié)合的教學(xué)特色和提升學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力。

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