基于仿真技术的虚拟学习环境建设研究

黄乐辉 桂斌

摘要：虚拟仿真技术不断发展，在教育教学领域中的应用也日益广泛。本文探讨了利用这项技术对虚拟学习环境的建设，总结了开发的理论方法和技术支持，并予以虚拟摄影平台实例展开论述。

关键词：虚拟仿真；学习环境；虚拟摄影

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）30-0070-02

一、概述

虚拟仿真是近年来新兴发展的一项技术，自出现以来迅猛发展且一直炙手可热，利用相关技术手段对真实世界物体对象进行模拟，以求在虚拟环境中达到真实环境一般的效果。该技术在军事、医疗、物理、化学、机械、制造、教育等方面均有研究与应用，受到众多行业研究者的亲睐。

仿真技术特点丰富而多样，物理效果真实，物体的贴图、光线、立体显示效果显著，可以建立更为逼真的场景，带给学习者更为丰富的体验，能够大范围地进行普及应用。这增添了信息资源传播与共享的渠道，全方位满足学习者学习方式的需要。用户操作使用简单方便，能够优化学习过程，提高学习效率，对今后的教育有实际的帮助。

虚拟学习环境建设正是当下虚拟教学、虚拟实验等教学手段和方式改革的推动，也是为了适应时下信息化教育的大环境。开发需要一系列技术支持：建模技术、图片处理技术、贴图技术、编程技术等。在本文的虚拟摄影平台实例开发中，使用的是3Ds Max软件建模、Photoshop处理图片、Unity3D游戏引擎、Visual Studio软件编程。发布的成品能在PC、Web、Android等多平台上运行。

现有教学环境的缺陷与不足，促使人们将眼光转向虚拟学习环境建设，这对教育教学的提升也不止一星半点，将会全面改观当下教育教学面貌。不仅加速推动了教育信息化，为实现信息化教育指明新的方向和开辟新的道路，而且合理安排了教学资源，实现了教学信息资源的传递与共享，促进了教育公平与平等，又解决了教学设备落后与不足的窘境，同时提升了学习者的学习兴趣，还实现了教育方式和学习方式的改革，满足了教师和学生的教学需求。这些都将改善现有的教学环境，对教育的未来有实际的帮助。

二、虚拟环境中的情境认知

情境认知，用于解决学习者在记忆、归纳知识时存在的阻碍。通过记忆和归纳，才能完成知识在不同情境下的迁移，让学习者在需要的时候能复述相关的信息或是操作有关的技能。虚拟学习环境让学习者在虚拟情境中完成知识和技能的学习，同时能够在真实情境中展示在虚拟情境中的所学。

情境认知尤为在意学习的情境性，认为应当结合情境化的行为活动来进行学习，知识不能脱离相关情境而单独存在的。情境认知给学习者体验现实生活，丰富了学习，使得所学知识能够在学习者日常生活中得以运用，这样的学习才更加具有现实意义。

情境认知的主要作用就是将学习者所学的新知识运用于现实生活中，解决实际问题。因此，人与环境的联系具有很强的重要性。确实，许多学习者都有将所学知识或技能运用于日常生活的体验，这让人感到兴奋，觉得有意义，这也是情境认知的意义：去做解决某种问题的事情，而不仅仅是谈论某种事情。

三、虚拟环境中的学习体验

虚拟学习环境下的认知体验属于虚拟体验理论范畴。虚拟体验理论，于2001年由Li、Daughterty和Biocca提出，意图说明构成认知、广告、设计等学科理论要素之间的相互关系。该理论阐述了虚拟功效、临场感、交互性等方面的观点。

1.虚拟功效。虚拟功效在广告行业的体现较为明显，随着科学技术的进步，消费者检验产品的需求不断提升，产品的互动性需要不断增强，以前的纸质、旗帜、牌匾等平面广告早已无法满足消费者的需求，效果得不到多角度的验证。而在三维广告中，消费者能够随意检视产品，还可以观察到实物检验时看不到的内部结构和细节，如汽车发动机的内部构造等，而这在检验产品实物时是无法实现的。虚拟学习环境中学习者的真实体验就是虚拟功效，这只能在三维虚拟环境中才能体会得到。

2.临场感。临场感是由传播媒介的丰富性和交互性触发的用户在传播媒介环境中形成的仿佛置身于该环境中的主观感受。临场感存在于用户和虚拟环境与虚拟产品的交互过程中，并且随着交互性增强，产生的临场感也越强，比如学习者在学习汽车内部构造时，可以随心所欲地挑选汽车的品牌和样式，通过拆解、旋转、缩放等各项操作仔细观察和检验产品，在学习者心里就产生了“汽车维修员”的感觉，甚至比真实生活中拆解车辆的感觉还要强烈。在虚拟环境中的用户或主体，我们称之为“虚拟替身”。虚拟替身可以有效地模拟网络环境中的人们的交流行为。在虚拟学习环境中，可以选择替身代替自己去学习。

3.交互性。交互性广泛存在于教育教学、系统软件、广告、游戏等方面，计算机网络加速了它的发展。交互传播的方式分为三种：（1）人—人模式，即人与人面对面地交流；（2）人—机—人模式，指人与人之间通过手机、电话、网络应用等第三方工具进行交流；（3）人—机模式，是人们通过网络浏览或数据库搜索等与计算机进行交互。虚拟学习环境中可以同时存在以上三种交互，丰富了学习体验。

四、虚拟摄影平台的建设

1.场景。

虚拟摄影平台为摄影实践教学提供虚拟拍摄场地，本例中主场景是一个虚拟简易版校园，包括一栋行政楼、两栋教学楼、两栋宿舍楼、一个篮球场、一个足球场、一条护校河。模型的创建用3Ds Max软件，场景的搭建在Unity3D软件中完成。

创建天空：在Unity中创建一个材质球，将材质球的着色器改为“天空球”，分别给前、后、左、右、上、下六个面赋上天空切图。天空贴图可以使用图片处理工具制作，也可以利用照相机设备拍摄完成。最后，要想在场景中显示天空的效果，必须将主摄像机的摄像机组件的“清除标识”属性改为“天空球”。

创建地形：在Unity层次面板下创建一个地形，调整地形在世界坐标系中的位置，一般将地形的中心点与世界坐标系原点对齐。合理设置地形的长宽，设置地形的视距、投影和材质，设置树和细节物体的显示，设置风力。升高或降低地形，绘制高度，平滑高度，绘制纹理，栽种树木，绘制细节。

建筑模型：场景中的建筑有一栋行政楼、两栋教学楼和两栋学生宿舍，模型均通过3Ds Max软件制作完成。在3Ds Max软件中先在顶视图中运用顶点捕捉勾勒出建筑模型的轮廓线，然后用挤出工具拉伸出模型，再进行贴图，最后导出FBX模型，导入Unity3D中调整位置、方向和大小。

水资源：场景中有一条护校河，环绕学校四周，系统采用Unity3D自带的水资源。首先将水资源包导入场景，在资源菜单下通过导入资源包找到水资源包，弹出的水资源窗口中将资源包导入场景，系统便可使用此资源包。鼠标拖动资源包中水资源预制物体进场景面板，调整好位置和水的深度，护校河便制作完成。

2.功能。

第一人称视角漫游：简称“第一视角”。“第一视角”模拟场景中主角的视角观察场景，更为直观，也更具沉浸感，可观察操作者每个细微的动作，但看不见角色的全身。该视角尤其适合人物技巧性强的操作，更利于学习者跟踪学习。在虚拟摄影平台的场景拍摄中，将视角切换至第一人称视角，利用键盘按键实现人物的移动。这可以模拟学习者的视角浏览场景，捕捉到精彩瞬间进行虚拟摄影拍摄。

第三人称视角漫游：简称“第三视角”。“第三视角”是以场景中非主角的视角观察整个场景，观察较为纵观，可体现场景的恢宏、人物的绚丽，可看见操作角色的全身。该视角则适合策略技巧性的操作，利于学习者对学习过程的宏观把控。在虚拟摄影平台的场景中，将视角切换至第三人称视角，可跟随主角漫游整个场景，更为快速地找到适宜的拍摄地点完成拍摄。

视角切换：此场景中支持用户的多视角切换。连续点击视角切换按钮可持续循环切换镜头。提供四个观察视角：主视角，模拟第二人称视角，跟随主角；第三人称视角，纵观场景，可以看清楚主角的各种动作；CCTV视角，实时直播，在主角的前侧方，跟随主角；相机设置视角，可以对照相机进行相关的设置。

相机设置：视角切换至相机设置，可对照相机进行基本的设置：开关、快门、光圈。将光标移至照相机模型的开关装置上，通过滚动鼠标的滚轮，可控制照相机的开和关。同样，将光标移至照相机模型的快门或光圈上装置上，滚动鼠标滚轮，可对照相机的快门或光圈进行设置。

照片拍摄：打开照相机开关，设置好相关参数，切换至取景器视角，聚焦拍摄对象，按下快门进行拍摄，完成后切换回原视角。

照片查看：拍摄完照片，由取景器视角返回，在主界面会显示照片缩略图，点击缩略图可放大照片进行查看，再次点击缩略图可返回。

五、总结与展望

本文探讨了利用虚拟仿真技术结合情境认知和虚拟体验理论，对虚拟学习环境的建设研究，试图弥补现有教学手段的缺陷与不足，脱离实践教学课程中设备匮乏的困境，改善现有教学环境，为教学改革谋求新的出路，更是为虚拟仿真技术在学科教学中的应用展开了新的尝试，为以后的深入研究奠定基础。

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