虚拟现实技术在3DSMAX课程教学中的应用研究

邹昌

（湖南工程学院设计艺术学院）

3DSMAX是3D Studio Max的简称，是Discreet公司开发（后被Autodesk公司合并）的三维动画渲染及制作软件[1]。目前，在国内的建筑设计、室内设计等行业3DSMAX被广泛应用于动画漫游、效果图渲染等工作，鉴于它出色的渲染表现效果，在市场有着极高的占有率，设计公司在招聘时往往会把应聘者是否熟练掌握3DSMAX软件作为重要的考察内容，因此，现在许多高校的环境设计专业几乎都会开设3DSMAX相关课程，可以说3DSMAX软件的学习对于想要从事相关设计行业的学生来说是至关重要的。

现代社会信息技术迅猛发展，互联网普及到千家万户，由此对大众的生活学习也产生了巨大的影响，信息传播从二维文字图像到三维场景构建以至于现在的计算机虚拟环境的模拟交互的发展变化，接踵而至的各种新兴科技变革不断冲击着人们接受信息时的观念与方式，而如何将数字化的科技理念与设备融入教育课堂，对现行教学的方式方法变革也提出了新的课题。

一、虚拟现实技术的发展

我们现在常说的虚拟现实（VR）是使用电脑计算机对各种现实场景进行三维空间构建，借助于计算机强大的计算与展示能力，为用户提供可与机器进行人机交互的环境，在近似真实的模拟环境中进行工作、学习、娱乐等活动。目前虚拟现实技术在教学课堂上的应用已成为一个新的趋势，利用计算机建模和展示交互技术来模拟不同学科的知识环境，为学生提供直观可互动的体验场景和模式，可以极大地提升学生对所学知识的兴趣与学习效果。在传统的课堂教学中，教学情境单一，交互模式只存在于教师与学生的肢体与语言互动，缺乏科技技术手段的介入，新时代的大学生往往对计算机电脑技术有浓厚的兴趣，并且大多具有网络虚拟环境的交互体验，那种传统的缺乏视知觉感官体验与刺激的教学在一定程度上对于学生来说是枯燥和乏味的，而利用虚拟现实技术（VR）的课堂介入，可以丰富课堂教学手段，提升教学效果。

虚拟现实技术在比如历史、地理等其他基础理论课程中都可以发挥巨大的作用，在历史课堂上，通过VR技术对曾经发生过历史事情场景的视觉感官体验，能更好地帮助学生理解历史事件、场景、人物等等重要知识要点，而在地理课上，对不同地域环境的交互观察，会极大地提升学生探索现实世界的好奇心与兴趣。在本课程中，我将利用3DSMAX建模完成的可视化室内空间场景，使学生可以在课堂上利用电脑、手机桌面或虚拟眼镜设备，实时操作场景并互动，以便观察场景里各个部分节点效果，从而加强学生对3DSMAX软件的理解以及实操能力，同时对自身空间想象力与方案设计水平的提高也有极大的帮助。

目前在虚拟现实技术的教学上，美国的技术水平是最高的，普遍应用在包括基础科学、军事训练、体育医学等领域，而且VR技术最早是在美国发源并发展而来。二十世纪九十年初，美国东卡罗琳那大学成立的虚拟现实技术教育实验室（VREL）揭开了虚拟现实技术在教育方面应用的大幕[2]，自此开始每年都会有大学与科学基金会提供相关的研究资金为学生能在三维空间场景里更直观、形象地参与学习过程提供支持。在欧洲，VR技术的开发应用主要集中在英国，比如诺丁汉大学的VIRART（Virtual Reality Application Research Team）的研究项目，其着眼点是如何运用虚拟现实技术帮助残疾儿童提高学习效率。

国内VR技术的应用研究主要是在高校中进行，比如清华大学的临场感研究、浙江大学在建筑学科领域内的虚拟规划与设计、北京航空航天大学的分布式飞行模拟等等。除此以外，其他科研院校都有立足于自身特色的相关虚拟科学技术研究，总结起来，VR技术在教育方面的应用主要包括以下两个方向：①虚拟仿真校园，即对校园环境的仿真模拟，学生利用计算机浏览虚拟的校园环境，加深归属感；②虚拟教学，即在理工学科方面的教学中大量采用设备对城市建筑、物理结构等教学需要的环节进行虚拟技术仿真模拟，使学生获得全新的学习体验。本课题以虚拟现实的全景式照片在课程中融入为出发点，与3D仿真模型场景稍有区别，但更符合学校目前的实际教学情况，且依然能做到虚拟现实三个基本特性，即：交互性、沉浸感与想象。

二、3DSMAX课程教学目前存在的问题

为了适应社会的发展和技术的进步，目前国内许多高校中的环境设计专业都会开设3DSMAX软件类的课程，并且是作为核心类课程来设置，这也说明了它在设计教学中的重要性，但由于各院校间设备水平、师资力量等因素的影响，3DSMAX课程的教学会面临一些问题。

①计算机软硬件设备老旧。3DSMAX软件之所以能在市场上受到追捧，很大部分原因是其真实的后期渲染效果，在一些网络媒体上我们经常看到的出色的三维效果图与动画视频几乎都是在3DSMAX中建模渲染完成，这也正是它能够吸引许多初学者想要学习的动力来源，但是在现行的一些教学中，受制于教学设备老旧的问题，教师所讲授的案例往往不能渲染出最好的效果，众所周知，在教学的开始阶段如果不展示出吸引人眼球和高质量的作品，学生学习的热情就会大打折扣。以笔者所在的湖南工程学院设计艺术学院环境设计专业为例，目前院内能够满足3DSMAX软件教学的机房只有3间，且其中能够流畅运行3DSMAX软件2012版本的机房只有1间，在实际的教学中，如果软件模型文件稍微过大，电脑就会非常卡顿，这就造成教师在上课的时候只能讲授一些文件比较小、内容相对简单的内容，学生能够学习的知识十分有限。另外，机房中3DSMAX软件安装的版本过低，不能满足学习需求，我们都知道3DSMAX软件开发公司每隔一段时间就会推送最新的版本，增加和优化原有的功能，如果学校的教学设备长期安装较低版本的软件，那么教师教授的内容就是已经过时的功能和命令，试想学生学习阶段使用的都是远远落后于时代的软件版本，那么工作以后在学校曾经所学习的内容就更加无法满足工作的需要。

②教学内容针对性不强。3DSMAX软件自身所包含的命令、功能十分复杂多样，因此它能满足许多设计行业，比如建筑、动画、产品等设计的应用需求，但如果在实际的学习中我们想要把所有的命令全部掌握是不太现实的，也是没有必要的，并且在教学的过程中如果教师单纯讲解命令知识点而没有专业方面的应用，学生就很容易产生抵触情绪，从而降低学习课程的兴趣，因此，在软件课程的教学内容与方式方面，教师就必须根据专业方向进行设置，以湖南工程学院设计艺术学院环境设计专业为例，笔者在教学时与同学们交流的过程中发现，他们往往更渴望学习完整的、在实际中落地建成的设计作品（见图1）的渲染方法，并且对于现在虚拟现实的网页漫游效果技术十分感兴趣，但在学院内目前的教学中，初阶的模型制作占据了大部分课时，并且有一些模型的创建并不是与环境设计专业相关，可能是一些产品或者动漫的三维模型，实际上它们的教学对于本专业的学生来说，在以后的工作中会用到的概率是十分低的，因此3DSMAX的教学不仅仅要集中在软件本身，更多的应考虑专业的需求，以未来工作的社会需求为导向，让学生学习到真正有用的知识。目前，一些院校仍然存在着授课内容与专业相关度不高、授课效果不佳的现象。

图1 室内空间效果图

③教学方式因循守旧。我们在最初学习3DSMAX软件的时候都会有这种体会，老师在课堂上讲解完一个内容后，如果单靠课堂练习，课后自己不反复理解、重复操作运用一个命令，可能就无法完全掌握所学习的内容，因此这就需要教师在教学中放弃传统的那种课堂上讲解示范完成之后学生操作，然后讲解下一个知识点的方式，为了让学生能够有多次的学习课堂教学内容的机会，达到让学生真正能够融会贯通的目的，教师在课堂上可以通过录屏软件将操作步骤记录下来，将视频文件拷贝发送给学生，增加学生复习所学内容的途径，不至于被复杂的命令和操作步骤所劝退。

不同的院校在教学中由于所面临的条件差异还会遇到其他种种情况，有的是学校、学院层面的，有的是授课教师在教学方式和内容上的，但无论是哪方面的问题，只要始终坚持以学生掌握理解知识为导向，各种问题都会找到相应的解决办法和途径。

三、虚拟现实技术在3D课程教学中的应用

在虚拟现实技术应用到3DSMAX课程教学的过程中，为了给学生创造一个能身临其境与沉浸其中的环境，必须做的就是利用计算机技术构建一套逼真的仿真场景。一套虚拟环境的观感好坏常常决定着使用者体验的最终评价，因此虚拟空间的建模是整个虚拟现实技术系统实现的基础。构成虚拟现实的基本条件有三要素：沉浸感、互动性、想象力。由于沉浸感的程度不同，虚拟现实可分为桌面现实虚拟系统、沉浸式虚拟现实系统、分布式虚拟现实系统和遥感式虚拟现实系统，虚拟现实的教学实施必须根据学校课堂的实际情况，否则无法进行相应的教学计划。

根据日常教学情况与实际条件，依托湖南工程学院设计艺术学院教学改革项目，笔者组建项目课题组，对虚拟现实技术在3DSMAX课程教学中的应用进行尝试，其中最核心的计划是构建虚拟现实照片式全景展示方案教学案例，包含单个场景与多个场景的空间模拟方案。本套方案的实践技术构建流程为在电脑中由AutoCAD软件导入二维平面图纸、3DSMAX软件进行三维模型制作，并对虚拟场景进行材质赋予、灯光搭建，VRAY插件引擎进行图纸渲染，PHOTOSHOP软件对图纸进行后期处理，最终输出虚拟场景，并在交互平台配合后期音频实现预想效果，将其置入课堂的教学环节中，增强学生对新技术的理解以及3D课程的兴趣。AutoCAD是由AutoDesk公司开发的一款主要用于二维绘图的软件，由于它操作简便，容易上手，被广泛应用于建筑、园林、室内设计行业。3DSMAX中的VRAY插件（见图2）是近年来被业界普遍使用的一款渲染引擎，它能根据参数的调节模拟现实中的各种材质，如玻璃、陶瓷、织物等效果，最终的渲染效果十分逼真。PHOTOSHOP是一款由Adobe公司开发的设计软件，它的主要功能是对图像进行编辑和处理，在本次项目中它的使用主要用于后期图像的优化。综上所述，本次项目是运用AutoCAD软件绘图、3DSMAX三维建模软件等技术，构建的不同空间的照片式全景虚拟现实案例，对目前3DSMAX效果图课程在教学方式创新上进行的尝试，最终的图纸上传到720云VR网站上的展示效果如图3和图4所示。

图2 Vray3.6渲染器界面

图3 在线室内客餐厅VR设计方案

图4 在线室内卧室VR设计方案

本课题在实际教学中实现的交互方式包括桌面现实、沉浸式与分布式虚拟显示系统，即以课堂上的计算机的屏幕与PicoG2VR眼镜VR头盔显示器以及学生自己携带的智能手机等设备实现人与机器的交互。笔者通过一个学期两个班的教学，将具有可交互性、动态选择的效果页面展示给初学3DSMAX软件课程的环境设计专业学生后，大部分同学的反馈是感到新颖和有趣，并且有很大的意愿学习这样的制作方法，相较于以往的教学方式效果显著。

四、结语

虚拟现实技术是通过最新的计算机技术构建仿真的虚拟场景，使进入该系统的用户能在相对安全的空间中体验类似现实的环境，随着虚拟技术的不断发展与进步，它已经在各行各业发挥着巨大的作用，在可见的未来，虚拟现实的方法融入现行的教育教学中是非常具有价值的尝试，其潜力也十分巨大。

在设计行业越来越注重技术的更新与实践能力应用的背景下，对于学习者来说能否掌握相关专业内的各种技术本领显得愈发重要，3DSMAX软件作为目前环境设计专业中应用最为广泛的三维软件，开发公司每隔一段时间都会根据新的使用需求进行更新、优化，对于一些新的功能、新的设置，在校学生能否快速地掌握和学习，高校和教师就承担着非常关键的角色，为了让学生能够在未来的社会中迅速站稳脚跟、满足工作需求，我们就必须在教学中及时发现问题、解决问题，适时融入新的教学方式、方法，以期培养能够适应新时代社会需求的设计人才。