二十世紀(jì)六十年代興起的認(rèn)知心理學(xué)在教育教學(xué)領(lǐng)域提出了～ 些新思想、新觀念，給今天的教學(xué)方式帶來(lái)了一場(chǎng)新的革命。現(xiàn)代認(rèn)知心理學(xué)主要研究人們對(duì)知識(shí)的獲得、儲(chǔ)存、提取和運(yùn)用的過(guò)程，認(rèn)為人在信息加工時(shí)是主動(dòng)的，不是被動(dòng)的I11。因此，它對(duì)現(xiàn)代教學(xué)有著極其深刻的影響，尤其對(duì)變革傳統(tǒng)的教學(xué)方式有著指導(dǎo)性作用。
在當(dāng)今的信息時(shí)代，教育面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。新知識(shí)、新技術(shù)不斷產(chǎn)生，舊知識(shí)快速老化并被淘汰。因而我們迫切需要對(duì)現(xiàn)有的、傳統(tǒng)的教學(xué)方式進(jìn)行改革，以提高教學(xué)效率 。
利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行教學(xué)貝U是提高教學(xué)效率、改善教學(xué)環(huán)境和提升教學(xué)質(zhì)量的行之有效的重要途徑。
虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)是2O世紀(jì)末才興起的一門嶄新的綜合性信息技術(shù)。它實(shí)時(shí)的三維空間表現(xiàn)能力、自然的人機(jī)交互式操作環(huán)境以及給人帶來(lái)的身臨其境感受，將從根本上改變?nèi)伺c計(jì)算機(jī)之間枯燥、生硬和被動(dòng)的現(xiàn)狀，為人機(jī)交互技術(shù)開(kāi)創(chuàng)新的研究領(lǐng)域。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展，它在教學(xué)中得到了越來(lái)越多的應(yīng)用。它的交互、沉浸和多感知的特點(diǎn)給學(xué)生帶來(lái)了濃厚的學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生沉浸在虛擬環(huán)境中，大大提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性。
據(jù)了解，已有國(guó)內(nèi)外學(xué)者利用Flash、VRML、OpenGL等軟件做過(guò)類似的案例，但Flash做出的動(dòng)畫是二維的，缺乏立體形象的感覺(jué)；而VRML和OpenGL雖然可以做出三維的模型，但它們?nèi)狈梢暬_(kāi)發(fā)環(huán)境，并且需要較高的編程技術(shù)，所以在實(shí)際開(kāi)發(fā)過(guò)程中存在難度大、實(shí)現(xiàn)復(fù)雜、輔助功能不強(qiáng)等諸多問(wèn)題，易用性和實(shí)用性不甚理想。
一、基于PCS(Product—Context—Scenario)技術(shù)的Virtools體架構(gòu)
(一)架構(gòu)目的
虛擬太陽(yáng)系架構(gòu)的根本目的是：改變傳統(tǒng)“教師教學(xué)生學(xué)”的單一教學(xué)方式，采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)、多媒化的探究性教學(xué)方式，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和想象力，使其利用網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行實(shí)際操作、搜索資料和進(jìn)行討論，提出自己的看法和建議，從而提高他們的創(chuàng)造性思維。
虛擬太陽(yáng)系把虛擬現(xiàn)實(shí)、多媒體和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)與教育教學(xué)理論有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，為學(xué)生呈現(xiàn)了一個(gè)豐富精彩的虛擬世界，虛擬太陽(yáng)系網(wǎng)站如圖1所示。
圖1 虛擬太陽(yáng)系網(wǎng)站
其主要特點(diǎn)有六個(gè)方面：其一，利用3ds max對(duì)太陽(yáng)系的主要成員(太陽(yáng)和行星)進(jìn)行三維建模，并根據(jù)它們?cè)谔?yáng)系中的空間位置來(lái)設(shè)置其相對(duì)位置；其二，具有豐富的交互功能， 如果點(diǎn)擊左側(cè)的菜單或頁(yè)面中的物體，此物體會(huì)自動(dòng)放大并飛到你的眼前，從而使你可以更加仔細(xì)地觀察它，再點(diǎn)擊它又回到原來(lái)的位置；其三，支持多媒體信息輔助，可以設(shè)置3D音效、背景音樂(lè)等；其四，具有文本解釋功能，可以通過(guò)點(diǎn)擊“使用幫助”菜單來(lái)獲取操作方法，當(dāng)點(diǎn)擊虛擬環(huán)境中某個(gè)具體物體時(shí)，會(huì)自動(dòng)彈出文本介紹；其五，具有討論反饋的功能，通過(guò)點(diǎn)擊“BBS討論”鏈接，可以在BBS上留言或討論問(wèn)題；其六，具有知識(shí)拓展的功能，通過(guò)點(diǎn)擊“相關(guān)資料”鏈接，可以獲得關(guān)于太陽(yáng)系知識(shí)的豐富資料，包括網(wǎng)站、文本、視頻、圖片等。
(二)組織結(jié)構(gòu)
根據(jù)學(xué)生的實(shí)際需要與思維拓展，虛擬太陽(yáng)系主要由操作區(qū)域、使用幫助、BBS討論區(qū)、相關(guān)資料四個(gè)模塊組成。這四個(gè)模塊雖然功能各不相同，但都是為了同一個(gè)教學(xué)目的，而且彼此相互聯(lián)系和補(bǔ)充。其組織結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2 虛擬太陽(yáng)系組織結(jié)構(gòu)
操作區(qū)域模塊主要包括太陽(yáng)、行星、軌道、彈出菜單和物體動(dòng)畫，虛擬太陽(yáng)系主界面的設(shè)計(jì)如圖3所示：
圖3 主界面設(shè)計(jì)圖
當(dāng)把鼠標(biāo)放在左側(cè)物體菜單上時(shí)，會(huì)彈出此物體的英文名稱，用鼠標(biāo)左鍵單擊時(shí)，會(huì)播放物體的動(dòng)畫(地球動(dòng)畫播放演示如圖4所示)，使學(xué)生更清楚地觀測(cè)星球。當(dāng)點(diǎn)擊界面上的某個(gè)星球時(shí)，同樣會(huì)播放它的動(dòng)畫和運(yùn)動(dòng)軌跡，這樣就可以更生動(dòng)形象地把物體表面和運(yùn)動(dòng)呈現(xiàn)到觀測(cè)者面前，使其更容易tB,G和發(fā)散思維。幫助模塊主要幫助使用者更簡(jiǎn)單、快速地操作此虛擬系統(tǒng)，上面有文本介紹和圖片演示，包括如何操作和提示信息；BBS討論區(qū)模塊是讓學(xué)生進(jìn)行操作和體驗(yàn)后， 討論有關(guān)太陽(yáng)系的疑問(wèn)和想法，從而和其他同學(xué)交流，如：星球的大小、位圖4 地球動(dòng)畫播放演示圖
圖4 地球動(dòng)畫播放演示圖
二、虛擬太陽(yáng)系的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方法
(一)VIRTOOLS軟件概述
Virtools是由法國(guó)全球交互三維開(kāi)發(fā)解決方案公司VIRTOOLS開(kāi)發(fā)，其三維引擎已經(jīng)成為微軟XBox認(rèn)可系統(tǒng)。其特點(diǎn)是方便易用，應(yīng)用領(lǐng)域廠泛 。
1.Vrtools成分
Virtools在3D 互動(dòng)展示方面是一種強(qiáng)大的技術(shù) ]l7I。Virtools有很完善的組成：一個(gè)創(chuàng)作應(yīng)用程序、一個(gè)動(dòng)作引擎、一個(gè)渲染引擎、一個(gè)Web播放器、一個(gè)軟件開(kāi)發(fā)工具包(SDK)。
Virtools Dev是一個(gè)創(chuàng)作應(yīng)用程序，一款允許你快速簡(jiǎn)單建立3D 內(nèi)容的應(yīng)用程序。Virtools Dev不是一款建模軟件，但是，類似攝影機(jī)、燈光、曲線、界面組件和3D結(jié)構(gòu)等簡(jiǎn)單的媒體能通過(guò)點(diǎn)擊一個(gè)圖標(biāo)建立一個(gè)動(dòng)作引擎。Virtools是一個(gè)動(dòng)作引擎、Virtools是一個(gè)渲染引擎，那是因?yàn)閂irtools處理動(dòng)作。有一個(gè)渲染引擎來(lái)繪制你在Virtools Dev 3D 設(shè)計(jì)中的圖像。Virtools是一個(gè)Web播放器。提供一個(gè)免費(fèi)的Web播放器，能被任何人下載使用。Virtools Dev是一個(gè)軟件開(kāi)發(fā)工具包，包括一個(gè)能訪問(wèn)動(dòng)作的某個(gè)部分和渲染過(guò)程的軟件開(kāi)發(fā)工具包。
2．Virtools模塊
Virtools除了自身的3D／VR 開(kāi)發(fā)平臺(tái)Virtools Dev以外， 還有五個(gè)可選模塊： 物理屬性模塊(Virtoo1 sPhysics Pack for Dev)、沉浸式平臺(tái)((Virtoo1 s vR Packfor Dev))、人工智能模塊(Virtoo1 s AI Pack for Dev)、Xbox開(kāi)發(fā)模塊(VirtooI s Xbox Kit for Dev)和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器模塊(Virtoo1 s Se~er)。
3．Virtools特征
Virtools能用來(lái)制作具有沉浸感的虛擬環(huán)境， 它能幫助參與者生成諸如視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)、味覺(jué)等各種感官信息，給參與者一種身臨其境的感覺(jué)，是一種新發(fā)展的、具有新含義的一種人一機(jī)交互系統(tǒng)，可以制作出不同用途的3D產(chǎn)品，如：網(wǎng)際網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算機(jī)游戲、多媒體、建筑設(shè)計(jì)、交互式電視、教育訓(xùn)I練、仿真與產(chǎn)品展示等等 。相對(duì)于其他相關(guān)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)， 采用Virtools還具有減小開(kāi)發(fā)難度、降低開(kāi)發(fā)周期、真實(shí)性好、交互性強(qiáng)等特點(diǎn)，因此，此構(gòu)建虛擬太陽(yáng)系采用了Virtools技術(shù)。
(二)構(gòu)建虛擬太陽(yáng)系的主要流程
1．建立三維模型和Virtools資源庫(kù)
由于Virtools本身沒(méi)有建模的功能，所以一般建模方法是采用建模軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，如：3DMAX 或Maya等。筆者采用的是3DStudio Max。通過(guò)三維建模、設(shè)定材質(zhì)、賦予貼圖、添加動(dòng)畫、渲染、烘焙后借助Max Exporter插件導(dǎo)出為NMO 格式文件并保存(導(dǎo)出NMo 格式文件需要安裝相應(yīng)的Max Exporter廟件)，然后在Virtools中導(dǎo)入所生成的NMO 文件，從而產(chǎn)生了場(chǎng)景物體的原始檔，原始檔內(nèi)存儲(chǔ)有物體的相關(guān)屬性，如：基本的形狀、面片和顏色等，同時(shí)也存儲(chǔ)有相應(yīng)紋理材質(zhì)，最終保證物體的逼真性。
在Virtools Dev 中用Resources／Create New DataResource命令創(chuàng)建新的資源庫(kù)， 把準(zhǔn)備好的各種NMO格式文件拷貝到資源庫(kù)相應(yīng)的文件夾中，Virtools Dev將自動(dòng)分類并加載。這部分工作旨在為在Virtools中進(jìn)行拖放操作做好前期準(zhǔn)備。需注意的是對(duì)每個(gè)不同的虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目應(yīng)建立單獨(dú)的資源庫(kù)，這樣更便于后期的修改更新及文件管理。
2．交互行為控制
利用Virtools Dev對(duì)虛擬太陽(yáng)系進(jìn)行交互行為控制，就是將物體演示步驟分解成具體行為， 并與鍵盤的操控和鼠標(biāo)的拖曳、點(diǎn)擊等動(dòng)作構(gòu)成映射。交互設(shè)定是通過(guò)Virtools中內(nèi)置行為模塊實(shí)現(xiàn)的，能夠?qū)ΧS或三維模型進(jìn)行各種基本操作(如：平移、旋轉(zhuǎn)、縮放、顏色和透明度變化、二維貼圖等)復(fù)雜操作(如：投影、燃燒、行走、奔跑、后退等)。
在Virtools Dev中主要是通過(guò)行為模塊(BBs)來(lái)進(jìn)行交互行為控制的。Virtools自帶有500多個(gè)BBs， 每個(gè)BBs具有特定的作用和功能，而且BBs本身有參數(shù)設(shè)定，從而可以把功能不同的BBs相互連接起來(lái)并且進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，以達(dá)到想要實(shí)現(xiàn)的目的。
Virtools自帶的BBs基本能滿足設(shè)計(jì)的要求。另外，還有兩種方法可以設(shè)計(jì)出具有特殊功能的BBs來(lái)滿足交互設(shè)計(jì)的要求：一種是通過(guò)VC++編程[91；另一種是利用Virtools的軟件開(kāi)發(fā)工具包SDK。通過(guò)SDK 可以創(chuàng)建一個(gè)新的動(dòng)作(BBs)、修改現(xiàn)有動(dòng)作的運(yùn)行，通過(guò)給輸入和輸出文件寫B(tài)Bs可實(shí)現(xiàn)一些特殊格式的模型文件的導(dǎo)入導(dǎo)出、修改替換或擴(kuò)充Virtools Dev的渲染引擎。
3．成品發(fā)布
虛擬太陽(yáng)系經(jīng)過(guò)場(chǎng)景建模、交互行為設(shè)定、測(cè)試正確后，可以采用三種方式進(jìn)行發(fā)布：一種是通過(guò)“Export toVirtools Player”命令直接保存為 ．vmo格式；第二種是通過(guò)“Create Web Page”命令將文件保存為htm 格式，這樣，客戶端只需下載并安裝插件“3D Life Play”即可進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)[101；第三種是利用Virtools打包器生成 ．exe?？蓤?zhí)行文件上傳到網(wǎng)站上，用戶直接下載到本地主機(jī)上來(lái)使用。
三、虛擬太陽(yáng)系實(shí)例分析
虛擬太陽(yáng)系模型能讓學(xué)生從三維空間對(duì)太陽(yáng)系進(jìn)行立體的、全方位的觀察和操作，從而對(duì)太陽(yáng)系的組成、概貌、大小、和尺寸等有更深的體會(huì)和理解，提高學(xué)習(xí)的效率和樂(lè)趣。下面通過(guò)實(shí)例來(lái)說(shuō)明利用Virtools制作虛擬太陽(yáng)系的主要步驟：
(一)整體場(chǎng)景的調(diào)入及設(shè)置
1．模型庫(kù)場(chǎng)景調(diào)入與設(shè)置
首先， 導(dǎo)入NMo 模型文件到Virtools的三維編輯區(qū)，設(shè)置它的大小與位置，并且設(shè)定初始值，建立燈光與攝像機(jī)；其次，從模型庫(kù)中調(diào)入所需的實(shí)體、圖形或視頻文件到三維編輯區(qū)，并設(shè)置它們的屬性；最后從模型庫(kù)中調(diào)入需要的動(dòng)畫文件到相應(yīng)的角色上，從而完成基本場(chǎng)景的調(diào)入和設(shè)置。
2．彈出菜單的制作與設(shè)置
彈出菜單都是用2D Sprites(二維精靈)來(lái)制作與實(shí)現(xiàn)的，所以要把2D Sprites從文件夾中拖放到三維編輯區(qū)，并按照順序排列和擺放它們，設(shè)定初始值，以方便恢復(fù)已調(diào)整好的位置，為后期添加BBs模組、實(shí)現(xiàn)交互行為做準(zhǔn)備。
(二)鼠標(biāo)觸發(fā)動(dòng)作的設(shè)置
1．鼠標(biāo)點(diǎn)選軌道圖標(biāo)
因?yàn)槊總€(gè)行星都按一定的軌道在運(yùn)轉(zhuǎn)，所以我們根據(jù)行星的運(yùn)行軌跡設(shè)計(jì)了它們的軌道，使之更加形象；當(dāng)用鼠標(biāo)點(diǎn)擊軌道圖標(biāo)時(shí)軌道出現(xiàn)5秒鐘，然后自動(dòng)消失，用到的BBs有Wait Message、Group Iterator、Show、Hide和Delayer。該行為交互的腳本流程如圖5所示。
圖5 軌道流程圖
2．鼠標(biāo)觸發(fā)彈出菜單
當(dāng)把鼠標(biāo)拖放到左側(cè)星球或軌道圖標(biāo)上時(shí)，會(huì)自動(dòng)彈出一個(gè)帶有該星球名字的菜單，鼠標(biāo)移走它即消失，這個(gè)彈出菜單的作用就是顯示此星球的名字，從而使學(xué)生更容易識(shí)別記憶。這個(gè)腳本流程用到了兩個(gè)封裝的BBs、Roll On與Roll Of，封裝的BBs就是把許多基本的BBs按一定順序連接起來(lái)，然后把它們包裹起來(lái)，重新命名。
它的好處是使腳本流程看起來(lái)更簡(jiǎn)潔清晰，并且可以在以后用到的時(shí)候重新調(diào)用，減少了開(kāi)發(fā)腳本的工作量。具體腳本流程如圖6。Roll On展開(kāi)如圖7。
圖6 彈出菜單流程圖
圖7 封裝模塊展開(kāi)圖
3．標(biāo)點(diǎn)選圖標(biāo)或星球?qū)嶓w
當(dāng)用鼠標(biāo)點(diǎn)擊左側(cè)圖標(biāo)或星球?qū)嶓w時(shí)，星球會(huì)變大，并且飛翔到操作者的眼前，再點(diǎn)擊又恢復(fù)到原來(lái)狀態(tài)。當(dāng)星球變大并飛到操作者眼前時(shí)， 右側(cè)會(huì)彈出一個(gè)幫助菜單，上面會(huì)顯示此星球的名字、半徑、軌道、密度和衛(wèi)星等情況，以利于操作者在觀察的同時(shí)獲得更多的知識(shí)。這個(gè)過(guò)程比較復(fù)雜，它包括星球變大、顯示和隱藏幫助菜單、星球狀態(tài)轉(zhuǎn)換等幾個(gè)分支，這些效果主要是通過(guò)設(shè)置攝像機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)閿z像機(jī)相當(dāng)于我們的眼睛，當(dāng)攝像機(jī)變化時(shí)，我們看到的東西也會(huì)發(fā)生變化。具體腳本流程如圖8、圖9、圖10、圖11。
(三)星球自轉(zhuǎn)與公轉(zhuǎn)的設(shè)定
虛擬太陽(yáng)系是模擬真實(shí)太陽(yáng)系而設(shè)計(jì)的， 所以與現(xiàn)實(shí)中的自然規(guī)律一樣，行星繞著太陽(yáng)公轉(zhuǎn)，衛(wèi)星繞著行星公轉(zhuǎn)，而太陽(yáng)、行星和衛(wèi)星本身還在自轉(zhuǎn)，因?yàn)閹讉€(gè)行星的公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)是一樣的設(shè)置， 所以這里就用行星地球和衛(wèi)星月球作為代表， 這里用到的BBs有Rotate、cu—eFollow等。具體腳本流程如圖12、圖13所示。
圖12 地球公轉(zhuǎn)自轉(zhuǎn)流程圖
圖13 月球公轉(zhuǎn)自轉(zhuǎn)流程圖
(四)星球表面效果的設(shè)定
我們知道太陽(yáng)表面有耀斑和黑子活動(dòng)，所以在太陽(yáng)的表面要設(shè)置像閃耀的火焰的效果，對(duì)于這些效果在Virtools Dev中實(shí)現(xiàn)非常容易， 用一個(gè)粒子系統(tǒng)模塊就可以實(shí)現(xiàn)。這里我們用球狀粒子系統(tǒng)模塊SphericalParticleSystem 來(lái)模擬太陽(yáng)表面的火焰效果。具體腳本流程如圖14所示。
圖14
(五)后期整合
利用3ds max和Virtools完成建模交互設(shè)計(jì)后，虛擬太陽(yáng)系的工作已經(jīng)完成了大部分，后面就是結(jié)合網(wǎng)站設(shè)計(jì)軟件Dreamweaver、Asp和Photoshop來(lái)完成虛擬太陽(yáng)系網(wǎng)站的其他模塊， 最后通過(guò)前面提到的三種發(fā)布方式， 把虛擬太陽(yáng)系成品發(fā)布到網(wǎng)站上， 以提供學(xué)習(xí)者使用。
四、結(jié)論
《基礎(chǔ)教育課程改革綱要》明確指出：“大力推進(jìn)信息技術(shù)在教學(xué)過(guò)程中的普遍應(yīng)用， 促進(jìn)信息技術(shù)與學(xué)科課程的整合，逐步實(shí)現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容的呈現(xiàn)方式、學(xué)生的學(xué)習(xí)方式、教師的教學(xué)方式和師生互動(dòng)方式的變革，充分發(fā)揮信息技術(shù)的優(yōu)勢(shì)， 為學(xué)生的學(xué)習(xí)和發(fā)展提供豐富多彩的教育環(huán)境和有力的學(xué)習(xí)工具。 筆者認(rèn)為，技術(shù)的應(yīng)用最終是為了更好地優(yōu)化學(xué)習(xí)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以生動(dòng)形象地為學(xué)生展現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容， 讓學(xué)生對(duì)所學(xué)內(nèi)容產(chǎn)生濃厚的興趣，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可以讓學(xué)生在線協(xié)作學(xué)習(xí)、相互討論、及時(shí)反饋；而虛擬太陽(yáng)系正是兩種技術(shù)在教育應(yīng)用中的一次嘗試和探索，它改變了傳統(tǒng)的教學(xué)方式，提高了教學(xué)效率，改善了教學(xué)環(huán)境，提升了教學(xué)質(zhì)量，不僅能使學(xué)生掌握知識(shí)，還能使學(xué)生學(xué)會(huì)如何學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考的能力和自主學(xué)習(xí)的能力，有利于學(xué)生的個(gè)性發(fā)展。雖然虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育中的應(yīng)用剛剛興起， 與其他領(lǐng)域相比還不太成熟，但相信它在教育系統(tǒng)中一定會(huì)有美好的未來(lái)！
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