基于Unreal Engine 4 虚拟引擎模拟《数据结构》最短路径问题

王家伟 雷茵宁 张锦鹏 李 攀

（防灾科技学院 信息工程学院，北京101601）

1 概述

目前高校教师授课的积极性不高，一部分原因就是学生的学习状态了影响教师授课的积极性。现在的大学生普遍存在着浮躁的心态，学习的热情不太高，学习的自觉性也不太强。上课迟到、早退、旷课现象比较严重。有些学生即使人在教室，却是“人在曹营心在汉”，没有把注意力放在听课上。

学生学习热情不高的一方面原因与老师上课所使用的教学课件有关，传统的PPT 课件无法再提高学生的学习兴趣。因此我们团队通过虚拟现实技术来辅助老师课堂教学，以此增强学生的上课积极性。

近几年随着计算机设备端的不断地发展与创新，虚拟现实技术开始受到社会重点关注与发展，并逐渐成为了成熟的信息化技术之一。人们开始将虚拟现实技术应用到生活当中，比如现在从一些医院、旅游景点等地方，我们就可以看到VR 项目。虚拟现实技术可以生动逼真的还原场景及过程，给人以真实感。

Unreal Engine 4 是由Epic Games 开发的，具有成熟的虚拟现实模拟技术的引擎。是目前大多数的VR 项目开发的首选引擎。Unreal Engine 4 可以与在3dMax、Maya 中构建的模型完美结合，给人以真实感，从而增强学生的学习兴趣。Unreal Engine 4 所具有的强大的物理模拟能力，可以很好的模拟出教学课件所需要的场景、建筑、路径以及它们之间的变化过程。演示开始时，每个建筑之间的路径及其距离长度将会自动显示。当比较选择不同路径时相应距离大小的变化时，Unreal Engine 4 还可以实现通过不同动画显示出其路径距离比较过程的效果。除此之外，Unreal Engine 4 还具有强大的画面渲染能力，其优秀的粒子系统与材质系统可以模拟出真实的场景及其特效变化，这是目前其他软件所无法比拟的。通过更加生动有趣的课件，可以帮助同学们更加充分的了解《数据结构》课程最短路径的计算过程，增加其学习兴趣。

本项目通过使用3Ds Max 制作场景三维模型，使用Unreal Engine 4 制作场景及其动画，来实现计算机专业课程中《数据结构》课程最短路径的计算过程。从而实现辅助老师课堂教学的目的。

2《数据结构》课程最短路径演示项目总体设计

2.1 选择合适场景模型

我们团队运用了大数据的方法，分析了大多数高校学生较为感兴趣的课件表现方式，最终选择用3Ds Max 对城市房屋建筑与公路进行建模，真实地还原城市场景，这样可以给学生以代入感，以实际情况为例帮助学生更好的学习专业知识。

2.2 功能设计

《数据结构》课程最短路径演示项目包括了模型、动画演示、材质、蓝图等系统。模型是用于还原教学内容，动画演示则是用于老师讲解教学内容，蓝图则是用于实现教学内容各个机制。

2.3 整体实现

《数据结构》课程最短路径演示项目主要是通过Unreal Engine 4 引擎进行功能实现，3Ds Max 实现场景构建，演示动画、建筑材质则是用Unreal Engine 4 中的动画、材质系统实现的。同时，通过Unreal Engine 4 引擎中的蓝图功能进行教学内容的底层机制实现。

3《数据结构》课程最短路径演示项目的详细设计

首先对于课件表现方式，我们选取了城市房屋建筑与公路作为模型，尽可能的还原一种真实感，当学生在学习该部分知识时，这种更加贴近实际的方式往往能激起学生的学习兴趣。然后我们对《数据结构》课程最短路径的计算过程进行了解和分析，确定具体演示步骤的实现方式。

当教师开始使用课件进行教学时，课件上将会显示出所有的建筑以及连接建筑之间的公路，在公路上方会显示出路径的距离大小，同时在另一侧会出现一张表，表的作用是记录起始点到每其他一点的最短距离大小。在课件开始演示后，根据《数据结构》课程最短路径的计算方法，第一步，从规定的起始点开始，每条与起始点相连的路径都会依次高亮显示出来，其距离大小将会记录进表中，从中选择距离最短的一点开始进行下一步操作，并将到每一点的最短距离进行标注。第二步，从下一点开始，重复第一步操作，但要与上一步记录的最短距离相加进行计算，如果该点与其相邻点相加得到的距离小于表中原有距离，那么表中数据将进行更新，反之则顺延上一步表中数据，直到不重复走完所有点，此时表中所标记的数据就是起始点到其他每一点相应的最短距离。

3.1 建模

项目中的所有模型，除了所有城市房屋建筑与公路，还包括交通载具，花草树木的模型，我们团队均采用了3Ds Max 进行建模。并将完善后的模型导入Unreal Engine 4 中进行搭建。

3.2 UI 设计

为方便教师教学使用，我们简化了课件的UI，教师只需点击课件中的“开始演示”按键，课件将通过蓝图控制自动进行演示，并且可以随时暂停，方便教师对重要知识点进行教学。

3.3 动画演示

Unreal Engine 4 引擎具有优秀的动画演示系统，在演示中，在进行每一步演示时，被选择做比较的路径都播放会相应的动画，并配以相应文字解释，同时表中数据将会同步计算结果进行更新，全新的课件表现方式配合教师的教学，既可以激起学生的学习兴趣，又可以帮助学生更好地理解专业知识。

结束语

虽然现在科学技术的水平在不断提高，但目前许多高校的课堂教学方式仍然较为单一，使用PPT 课件进行课堂教学仍然是目前许多高校所采用的主流方式。过于单一的教学方式成为了学生上课积极性不高的原因之一。在近几年里，虚拟现实技术的不断发展，给了高校课堂教学一种新方式，那就是利用虚拟现实技术，将专业知识以另一种形式生动、真实地展现在学生面前，不再局限于书本，从而让学生能更直观、更深入地了解专业知识，提高学生学习专业知识的积极性。虚拟现实技术与课堂教学的结合不只是局限于计算机专业，经过进一步实践后将来还可以应用于其他专业，服务于非计算机专业的教师与学生。