郝思晨，邊琦

摘要：本文以初中信息技術課中的貪心算法為例，利用虛擬現實技術沉浸感和實時交互性的特征及優(yōu)勢，從模型搭建到動畫設計階段，再到交互設計階段和最終項目的發(fā)布，論述了算法案例中虛擬現實技術的實現過程。案例的實現也將為之后的虛擬現實技術在信息技術課中其他教學內容方面的應用提供參考，讓虛擬現實技術能夠發(fā)揮更重要的作用。

關鍵詞：算法思維;貪心算法;虛擬現實

中圖分類號：G434? 文獻標識碼：A? 論文編號：1674-2117（2021）21-0043-03

引言

2018年，教育部正式發(fā)布《普通高中信息技術課程標準（2017年版）》，普通高中信息技術課程發(fā)生重大變化，這必然會給初中信息技術課程帶來深遠的影響。初中階段的算法學習屬于入門階段，內容相對簡單，但是會對學生之后的學習產生深遠的影響。初中階段的學習，相比于在技術層面實現編程，更注重學生對算法本身的理解和在生活情境中的應用，而虛擬現實技術特有的交互性和沉浸性等特征有助于學生對算法在情境中的理解和應用。

貪心算法

貪心算法通過把一個大問題分解成若干小問題的方式來解決問題，針對每個小問題給出當前看來最好的決策。貪心算法在生活中很常見，如在背包中盡可能裝不超過總容量的物品，新醫(yī)院、新學校、新快遞站的最優(yōu)選址、路徑的選擇問題中都蘊含著貪心算法，其理解難度也更符合初中學生的現有水平和認知能力。通過貪心算法的學習，學生分解問題的能力將會進一步提高，同時，貪心算法所蘊含的優(yōu)化思想也能幫助學生合理地規(guī)劃個人的學習和生活。

VR特征及其優(yōu)勢

虛擬現實（Virtual Reality，VR）是綜合利用計算機圖形系統(tǒng)和各種顯示及控制等接口設備，在計算機上生成的、可交互的三維環(huán)境中提供沉浸的感覺，具有構想性、沉浸感和實時交互性的特征。[1]沉浸感和交互性被認為是虛擬現實技術最為重要的兩個特征。

1.沉浸感

虛擬現實技術通過模擬與現實相似的真實環(huán)境，給人一種身臨其境的感覺，使其獲得沉浸式的學習體驗。它可以進一步激發(fā)學生的學習動機，提高學生的學習興趣，讓學生更輕松地理解學習內容。虛擬現實技術營造的學習環(huán)境本身能夠給學生帶來一種“一對一”的關注感，這種心理體驗也會在一定程度上調動學生的積極性。[2]

2.實時交互性

學生在虛擬現實技術構建的三維環(huán)境中，能夠利用傳感器和相關硬件設備與虛擬環(huán)境發(fā)生交互作用。學生不僅可以使用鼠標、鍵盤，在硬件設備允許的條件下還可以使用VR頭盔、VR眼鏡、手柄與虛擬環(huán)境實現交互并獲得及時的反饋，在此過程中可以反復地操作和體驗，實現個性化學習。

虛擬現實的這樣特征，也讓大眾看到了它在教育領域應用的優(yōu)勢。虛擬實驗室、漫游校園等虛擬現實技術與教育的結合，為學生創(chuàng)設了一個真實的情境并使學生集中精力投入其中，這也為利用虛擬現實技術把抽象的算法具體化，與信息技術課的貪心算法結合提供了新思路。

案例內容分析

在案例的選擇和設計上應充分考慮學生的特點，并與現實生活中的問題相聯系。案例改編的內容來源于國際計算思維挑戰(zhàn)賽（Bebras）測試題，知識維度包含算法與編程、通信與網絡等多個維度，題目情境化的特征符合初中信息技術課的教學要求。改編的題目是貪心算法下最短路徑的相關測試題。

阿吉泰、安娜和李華住在呼和浩特——一個有良好地鐵網絡的城市，圖1為城市網絡的地圖，地圖顯示了地鐵站及其連接線，數字顯示了在兩個相鄰車站之間旅行的成本。

阿吉泰住在呼和浩特火車站附近，安娜住內蒙古藝術學院附近，李華住在回中附近，他們想在地圖上的某個車站見面。然而，他們每個人在地鐵上的花費不能超過15元，也不能步行，那么他們可以在哪里見面？

通過虛擬現實技術呈現出該城市的三維立體環(huán)境，學生扮演這三個角色，體驗在任意車站會面的路徑并得出每次會面所需要的費用，最終選擇出一條滿足每個人需求的路線。

虛擬現實技術實現

1.模型搭建

首先，案例實現的第一步是利用建模軟件搭建場景，使二維的平面題目變成三維立體環(huán)境。模型搭建對整個案例的實現至關重要，后續(xù)過程中動畫和交互的設計都將在模型的基礎上完成。打開建模軟件C4D，使用幾何體建模的方法搭建出場景的基本組成架構，使用多邊形建模的方法，將幾何體分段后轉變?yōu)榭删庉媽ο?，在點、線、面模式下通過滑動、筆刷等操作對畫面層次、幾何體的起伏特征進行更為細致的刻畫。模型搭建的過程即先構建模型的整體輪廓，再細化到局部，采用從整體到局部建模的過程。模型的搭建不一定非得是現實的精準復現，可以根據實際需求，對一些細節(jié)進行適當的修改，或將無關細節(jié)刪減，或將重要細節(jié)放大。

在搭建模型的過程中要建立合適的層級關系，將一個物體的其他組成部分進行組合并編寫模型的名稱，這樣不僅方便編輯和修改，而且有利于給物體賦予材質，最重要的是利用模型的名稱提高在交互設計過程中事件觸發(fā)節(jié)點的準確性，以此根據意圖實現交互任務。

場景搭建完成之后要賦予幾何體材質，在賦予材質過程中只對物體的顏色進行設置，對反射、紋理的設置可能會因為與虛擬現實引擎軟件之間不兼容而不能保留最終設置，因而不能通過紋理來表現幾何體的細節(jié)。最后為場景添加物理天空，模擬現實光線，補充細節(jié)。將最終模型保存為3D模型通用格式FBX文件后導入到IdeaVR軟件中，IdeaVR還包括系統(tǒng)自帶的一些場景環(huán)境，可以選擇與本次主題相符的場景進一步完善場景。

2.動畫設計

建模軟件的動畫設計與引擎之間不兼容，但是二者設置動畫的原理一致，在虛擬現實引擎中也使用關鍵幀動畫的設置方法。案例以攝像機視角作為第一視角，可以使學生產生沉浸感。

在正式進入動畫設置之前要提前規(guī)劃，寫出動畫制作的腳本，在動畫設計中，運動節(jié)奏的好壞對動畫的最終效果產生直接影響[3]，所以要根據動畫腳本厘清動作發(fā)生的前后順序，之后還可以根據實際情況調整動畫，確定開始幀和結束幀，即確定攝像機的運動路徑，計算攝像機的運動時間及速度，拖動時間軸記錄關鍵幀，控制好整體的運動節(jié)奏。在后續(xù)交互設計時，還要根據交互指令觸發(fā)事件、調動動畫，所以要將動畫切割分段后進行保存。

3.交互設計

交互設計的目的是實現三維動畫的播放、漫游、操控虛擬場景中三維模型等各種交互功能。[4]IdeaVR取代了傳統(tǒng)代碼編輯器，通過拖拽邏輯單元模塊和連線即可定義場景交互邏輯。打開交互編輯器，可以使用手柄、鼠標、鍵盤等硬件接入實現交互，也可以使用空間觸發(fā)器實現交互，考慮到教學實際情況使用的交互方式為鼠標和鍵盤。首先，如圖2所示，新建一個畫布，激活任務并選擇觸發(fā)方式，選擇左擊鼠標的方式觸發(fā)交互，而節(jié)點是實現交互的媒介，把在模型搭建階段命名好的相關幾何體即節(jié)點拖動進來，與鼠標建立連接，之后再將動畫設計階段保存的分段動畫拖動進來，這是一個完整的交互設計，將其保存為ITR格式工程文件，最后把設計好的多個交互拖動到一個新的畫布，保存為MGR格式，這樣才能保證所有交互正常觸發(fā)。

在交互的設計過程中還可以對場景事件的顯隱性、顏色、亮暗等屬性進行改變。一條路線走過之后環(huán)境事物顏色變暗，突出顯示當前路線及周圍物體，以此降低學生的認知負荷，適應學生的認知歷程，在此過程添加相關音效、聲音增強沉浸感，營造空間感和距離感，提升學習效果。

在案例使用的過程中，學生可以根據自己的喜好與要求及操作使用的環(huán)境條件，以人機對話的方式對要素屬性及重組方式進行選擇[5]，學生選擇哪條路徑，都是探究的過程，也將體現相應的教學策略，以實現最終的教學目的。

4.場景導出

IdeaVR支持多種導出方式，包括導出到自帶播放器、導出到VR眼鏡或LED大屏、桌面運行程序（.exe）格式文件，可以根據實際的硬件條件及需求導出相應格式。

學生在體驗過程中，可以以每個站點為終點，從三個人各自的地點出發(fā)，依次通過所選路徑，計算最終費用，判斷三個人的花費是否都不超過十五元，選擇出合適的方案。

結語

利用虛擬現實技術實現貪心算法的教學是一個全新的嘗試，交互的實現雖然依賴硬件設備，但更為重要的是交互設計中所蘊含的策略對學生學習過程產生的影響。本次案例的實現也將為之后虛擬現實技術在信息技術課中其他教學內容方面的應用提供參考，讓虛擬現實技術能夠發(fā)揮更重要的作用。

參考文獻：

[1]何偉.VR+虛擬現實構建未來商業(yè)與生活新方式[M].北京：人民郵電出版社，2016.

[2]丁楠，汪亞珉.虛擬現實在教育中的應用：優(yōu)勢與挑戰(zhàn)[J].現代教育技術，2017，27（02）：19-25.

[3]吳磊.基于虛擬現實技術（VR）的動畫交互性設計分析[J].信息技術，2019（07）：125-128，132.

[4]劉俐利，凌毓?jié)?，王艷鳳.虛擬學習環(huán)境中構建三維動畫資源與交互設計研究[J].中國電化教育，2014（02）：123-128.

[5]李小平，陳建珍，趙豐年，等.AR/VR學習情境設計問題的研究[J].現代教育技術，2017，27（08）：12-17.

作者簡介：郝思晨（1997—），內蒙古農業(yè)大學，內蒙古師范大學教育學院，碩士，研究方向為現代教育技術;邊琦，教授，內蒙古師范大學教育技術學系碩士。

基金項目：內蒙古自治區(qū)2021自然科學基金項目（項目編號：2021LHMS0611），項目名稱為“開放課程中虛擬教學情境關鍵技術研究與實踐”。