1、1三维演示课件的设计与开发摘要：文章讨论了虚拟现实技术及其在教育中的应用，提出了三维虚拟演示型课件的概念和优势，并以几何体三维交互演示系统为例，介绍了该类型课件的设计要素和基于 Quest3D 开发的关键技术。 关键词：虚拟现实课件制作Quest3D 中图分类号：G622 文献标识码：A 文章编号：1674-2117（2014）12-00-02 1虚拟现实及其教育应用 计算机三维建模和 3D 虚拟交互技术的不断发展，使得虚拟现实的应用已逐步深入到社会各个领域，利用虚拟现实技术研发教学课件成为教育技术领域关注的又一热点。 虚拟现实技术是利用三维图形生成技术、多传感交互技术以及高分辨显示技术，生成
2、逼真的三维虚拟环境，使用者利用键盘、鼠标等输入设备，便可以进入虚拟空间，成为虚拟环境的一员，进行实时交互，感知和操作虚拟世界中的各种对象，从而获得身临其境的感受和体会。虚拟现实技术的基本特征是沉浸性、交互性、构想性、动作性和自主性。虚拟现实技术的发展将逐步改变人们的生活方式。 在国外，虚拟现实技术已广泛应用于课堂教学，国内关于虚拟现实技术的教育应用研究也已经有了成果。作为新的教学媒体，虚拟现实技2术的出现无疑会对教学产生深远的影响。 虚拟现实应用于教育是教育技术发展的一个飞跃。它营造了“自主学习”的环境，由传统的“以教促学”的学习方式代之为学习者通过自身与信息环境的相互作用来得到知识、技能的新
3、型学习方式，符合建构主义学习理论。虚拟现实在教育中的应用主要在以下几个方面： （1）利用虚拟现实技术进行教学研究。例如，浙江大学在建筑方面进行虚拟规划、虚拟设计的应用，清华大学对临场感的研究等都颇具特色。 （2）建立虚拟学习环境。如建造人体模型、太空环境模拟、化合物分子结构显示等。 （3）建立虚拟实验室。大到宇宙天体，小至原子粒子，学生都可以进入这些物体的内部进行观察。一些需要几十年甚至上百年才能观察的变化过程，可以在很短的时间内呈现给学生。 （4）建立虚拟实训基地。可以解决实训时危险性大、费用高、小概率事件再现和个性化导训等问题。 2虚拟现实演示型课件的界定及其优势 三维虚拟演示型课件是指利
4、用三维建模技术和虚拟现实技术开发的可以在三维空间中展示物体形状、构造以及运动规律的一种课件类型。三维空间中的互动演示和运动模拟的引入，弥补了常规媒体所不能呈现的多感官体验，与平面图像、视频、动画等媒体类型相比，虚拟型课件交互性高、信息量大、表现效果强、投入成本低。在展示常规方式无法呈现的物体结构和运动规律时，三维虚拟技术可使演示对象处在虚拟的3三维环境中，并与学生产生互动，这便增加了学生身临其境的体验，使学习过程更加形象化和趣味化，提高了学生的学习兴趣。亲身的经历、亲身的感受比空洞抽象的说教更具说服力，从而使得学生可以快速接受和掌握所学知识和技能。 虚拟学习环境具有良好的沉浸性、信息的多维表征
5、、良好的交互性、以学习者为中心、无时空限制等特点。许多实际经验告诉我们，做比听和说更能接受更多的信息。使用具有交互功能的 3D 课件，学生可以在实际的动手操作中得到更深的体会，对计算机远程教育系统而言，引入Web3D 内容必将达到很好的在线教育效果。 3虚拟现实项目开发工具 国外开发的虚拟现实产品的工具主要有 3DVIA Virtool 和 Quest3D，以及一些著名的大型游戏开发引擎。 3DVIA Virtools 是一套完整的开发平台，以创新的可视化模式让用户轻松建构互动体验，可同时满足无程序背景的设计人员以及高阶程序设计师的需要，轻松建构出身临其境的完美体验。 Quest3D 的编程方
6、式非常独特，开发者只需要调用并连结大量的像积木一样的信道元件，而不用编写复杂的程序代码，这些信道元件不仅易于使用，而且还有强大的扩展性。Quest3D 拥有大量的专题图集、大量的动漫角色模型、令人信服的植被、阴影、火焰、粒子以及逼真的水面特效等，都可以轻易地添加到场景中。其高级特性还包括物理仿真、勘寻路线、数据库连接和网络支持等。 国内开发的虚拟现实开发工具主要有虚拟现实 P、Webmax 和 4Converse3D 三个软件。 4基于 Quest3D 的几何体三维交互演示课件的设计 几何体三维交互演示课件是一个简化了的虚拟演示型课件制作的模板，其设计思路和实现技术可以推广到任何三维物体和产品
7、的虚拟演示项目的开发中。 4.1整体功能需求设计 学生通过点击名称按钮切换几何体，通过自动旋转和手动旋转两种方式从不同视角观察几何体，同时可以改变视距远近，自由地观察三维物体。课件打包成直接运行的 EXE 可执行文件运行后，界面如图 1 所示。图 1 系统界面 学习者可以进行如下操作：点击左侧按钮可以切换相应的几何体形状；点击“自动旋转”复选框，可以切换几何体是否自动旋转；拖拽右下角的颜色滑块，可以改变物体的颜色；滚动鼠标滚轮，可以缩放物体；按下右键拖拽，可以自由旋转物体。 4.2系统功能设计 （1）三维物体的空间展示：学习者既可以从不同角度观察物体，又可以进入物体内部或剖析其截面，甚至可以对
8、模型进行拆解和组装。 （2）可以通过点击按钮、热区或者 GUI 中的文字等方式切换一个或一组物体模型的显示。 （3）通过特定参数的调整，可以实时看到模型形状、颜色等属性的变化。 5（4）清晰的操作提示功能：可以对虚拟摄像机进行推、拉、摇、移操作，或对物体进行移动、旋转和缩放的操作，并对以上操作都有简明的操作提示。 4.3用户界面（GUI）设计 本系统的 GUI 包括软件的背景图、系统名称、几何体名称按钮、自动旋转复选框、几何体颜色调整滑块、操作说明文字和英文系统标志 7个部分。设计体现以人为本，适用为先，乐用为上，虚拟环境的设计应简单、明了，易于识别，方便操作。 5 系统开发的关键技术 5.1
9、三维模型的制作 本系统主要是向学生展示基本几何体，三维模型比较简单，在此，笔者精选了立体几何教学中涉及的 14 个几何体。几何体的模型在 3dsmax中建立，然后以 DAE 格式导出，在 Quest3D 中，将模型导入即可。 5.2程序模块架构 程序的主体结构包含背景图、3D 场景和 GUI 三个主模块组成，如图2 所示。 5.3几何体切换功能的实现 三维场景渲染模块由一架旋转摄像机、两个点光源和一个 3D 物体组成。3D 物体使用了相同的 motion 节点和材质节点，surface 表面属性通过 ChannelSwitch 切换 14 种不同的几何体模型数据。其中，通过一个“KeyValu
10、e”数值决定切换到哪一个几何体，若值为 1，则 3D 场景将渲染通道 1 对应的立方体，若值为 2，则渲染通道 2 对应的球体，以此类推。6这里，关键的就是变量“KeyValue”的值如何确定。 如图 3 所示，这里是通过点击用户界面（GUI）中不同的按钮以赋予KeyValue 对应的值。这个操作通过一个触发器完成：当用户输入信息满足 A 和 B 两个条件时，则将该按钮对应的序号值赋予 KeyValue。条件 A是 DetectMouseCollision，探测光标是否和其下输入的按钮发生碰撞；条件 B 是 UserInput 信道，探测鼠标左键是否按下。当两个条件同时满足（即就是在该按钮上方
11、按下左键）时，SetValue Channel 将按钮对应的序号值赋予 KeyValue，于是系统渲染按钮所对应的几何体。 5.4自动旋转功能开关的实现 该模块由两个 3D 物体和一个触发器模块组成，其中的两个 3D 物体分别是 CheckBox 的自身方块物体和一个说明文字物体。触发器主要实现当鼠标在 CheckBox 物体上点击时，将 CheckBox State 的值改为相反的值，从而实现每点击一次 ，CheckBox State 值就切换一次。 5.5改变物体颜色 RGB Slides ChannelCaller 中主要有 3 个滑块组成，要用 3 个滑块的 X 轴向位置控制几何体材质
12、的 Diffuse 固有色的 RGB 值，每个滑块 X轴的 position 值通过一个封套定义其取值范围。 5.6GUI 制作 图形化用户界面的制作比较简单，主要是在 GUI Render ChannelCaller 下建立 GUI 摄影机和界面元素，并对界面元素进行必要的布局和贴图设置。本系统的用户界面可以使用 primitive 下的 square 制作，然后在动画模块中设置适当的大小和位置，在物体模块中设置贴图、7透明等参数。 6结语 虚拟现实是近来计算机信息技术领域的热点之一，在社会生活的许多方面都有广阔的发展前景，从某种意义上说，虚拟现实与网络通信特征的结合将改变人们对时空的看法，
13、改变传统的思维方式和生活方式。另一方面，虚拟现实又是一项发展中的、具有深远潜在应用领域的新技术，深入研究虚拟现实的教育应用，为教师和学生插上科技的翅膀，可以让学生学得更快更好。 参考文献： 1恽如伟.中学物理虚拟现实教学软件的设计与思考J.中国电化教育,2003(04):54. 2万宁.基于虚拟场景的实验教学课件设计与开发D.成都:四川师范大学,2007:24-25 3张建武,孔红菊.虚拟现实技术在实践实训教学中的应用J.中国电化教育,2010(04):111. 4黄作维,周政权.浅谈虚拟学习环境及其在当代教育中的应用J.高等教育研究,2010(02):21-22. 5徐辉,马秀峰.虚拟现实教育应用探析J.山西师范大学学报(自8然科学版),2010(6):97. 基金项目：本文系河南省教育厅科学技术研究重点项目“基于三维互联技术的河南省虚拟景点研发与应用研究” （项目编号：12A520023）的部分成果。 作者简介：高蓉蓉（1980-） ，女，金塔汽修中专，二级教师。
