摘? 要? 目前虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在我國高等教育教學(xué)中的廣泛應(yīng)用已逐漸成為當(dāng)下的熱點(diǎn)話題。利用Unity 3D和3D Max等開發(fā)軟件，設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)基于IVR的學(xué)習(xí)環(huán)境，利用IVR的交互特點(diǎn)設(shè)計(jì)可視化空間線索，協(xié)助學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)，以期能在一定程度上促進(jìn)學(xué)習(xí)者空間想象力的提升，提高學(xué)習(xí)質(zhì)量，并為IVR應(yīng)用于學(xué)科教學(xué)實(shí)踐提供一種新的思路。

關(guān)鍵詞? Unity 3D;3D Max;沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng);空間想象力;高中立體幾何

中圖分類號(hào)：G434? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2022）06-0030-03

0? 前言

虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，以下簡稱“VR”）最早于1989年由美國VPL Research公司的創(chuàng)始人Jaron Lanier提出[1]。隨著新一代計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、人工智能技術(shù)等新興技術(shù)的高速進(jìn)步，VR技術(shù)的發(fā)展也呈現(xiàn)突飛猛進(jìn)的態(tài)勢(shì)，并表現(xiàn)出多樣性，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于醫(yī)療培訓(xùn)、軍事航天、工業(yè)培訓(xùn)、教育教學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域。

研究者深入研究VR技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用時(shí)發(fā)現(xiàn)，根據(jù)用戶沉浸程度的高低和交互程度不同，VR系統(tǒng)可分為桌面式虛擬現(xiàn)實(shí)（Desktop VR）系統(tǒng)、沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)（Immersion VR）系統(tǒng)、增強(qiáng)式虛擬現(xiàn)實(shí)（Augmented VR）系統(tǒng)和分布式虛擬現(xiàn)實(shí)（Instributed VR）系統(tǒng)等四種模式[2]。其中，沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)（以下簡稱“IVR”）系統(tǒng)是一種高級(jí)的、比較成熟的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，不僅能提供給用戶一種完全沉浸的體驗(yàn)，還可滿足用戶實(shí)時(shí)交互的需求，而可交互是虛擬現(xiàn)實(shí)最為關(guān)鍵的三大特征之一。

在學(xué)科教學(xué)領(lǐng)域，大多數(shù)研究者開發(fā)的IVR系統(tǒng)旨在探究沉浸和多通道感知對(duì)提高學(xué)科教學(xué)的潛在效能。目前，IVR技術(shù)在學(xué)科教學(xué)領(lǐng)域仍處于探索階段，實(shí)證研究相對(duì)較少。因此，本研究通過將IVR技術(shù)與學(xué)科教學(xué)進(jìn)行融合，分析IVR技術(shù)在學(xué)科教學(xué)中的作用，深入挖掘IVR技術(shù)與學(xué)科教學(xué)之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，充分發(fā)揮IVR技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，有效地利用新技術(shù)促進(jìn)學(xué)科教學(xué)改革，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，增強(qiáng)教學(xué)成效。

1? IVR系統(tǒng)開發(fā)背景

空間想象力作為空間能力重要的組成部分與主要類型之一[3]，是研究者關(guān)注的重點(diǎn)。在中國知網(wǎng)數(shù)據(jù)總庫，主題精確檢索“空間想象力”（期刊、碩士、博士、報(bào)紙），搜索文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)：國內(nèi)關(guān)于空間想象力的研究集中在與其相關(guān)的空間理論（想象力、空間觀念等）的研究，幾何數(shù)學(xué)、制圖教學(xué)的研究。在中小學(xué)教育對(duì)空間想象力的相關(guān)研究中，空間想象力多與數(shù)學(xué)、物理、地理等學(xué)科相聯(lián)系，而其在數(shù)學(xué)學(xué)科中的研究最多。回顧數(shù)學(xué)教學(xué)大綱不難發(fā)現(xiàn)，自1952年依據(jù)蘇聯(lián)教學(xué)大綱編譯的《中學(xué)數(shù)學(xué)教學(xué)大綱（草案）》中提到教學(xué)中應(yīng)當(dāng)努力發(fā)展學(xué)生的空間想象力后，空間想象力就一直出現(xiàn)在我國中學(xué)數(shù)學(xué)教學(xué)大綱中，也一直是立體幾何知識(shí)教學(xué)的主要培養(yǎng)目標(biāo)之一，同時(shí)是立體幾何教學(xué)的重難點(diǎn)[4]。

對(duì)于立體幾何知識(shí)，學(xué)生掌握得參差不齊。為研究學(xué)生在立體幾何學(xué)習(xí)上的差異性，以及如何通過計(jì)算機(jī)技術(shù)幫助學(xué)生促進(jìn)對(duì)立體幾何知識(shí)的學(xué)習(xí)，筆者根據(jù)虛擬現(xiàn)實(shí)的三大特點(diǎn)，選擇高中立體幾何內(nèi)容作為研究內(nèi)容，基于Unity 3D和3D Max等軟件設(shè)計(jì)與開發(fā)IVR系統(tǒng)，提升學(xué)生立體幾何成績，促進(jìn)學(xué)生空間想象力的發(fā)展。

2? IVR系統(tǒng)的三大教學(xué)優(yōu)勢(shì)

2.1? 真實(shí)體驗(yàn)，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣

IVR系統(tǒng)充分利用了虛擬現(xiàn)實(shí)的特點(diǎn)之一——沉浸感。在傳統(tǒng)的學(xué)習(xí)環(huán)境中，學(xué)生通過課本、多媒體課件等教學(xué)材料學(xué)習(xí)課本上的理論知識(shí)，平面化視角的學(xué)習(xí)往往使得學(xué)習(xí)枯燥、乏味。而在IVR環(huán)境下，學(xué)生可成為虛擬世界的一部分，能夠真實(shí)地感受自己在虛擬世界中的主動(dòng)性，突破被動(dòng)的觀察者的限制，沉浸在VR環(huán)境中，積極投身虛擬世界，并與之進(jìn)行互動(dòng)。換句話說，IVR環(huán)境下，學(xué)生的視覺、觸覺、聽覺等感官受到一定的刺激，他們沉浸其中，易引起學(xué)習(xí)興趣，有效縮短與知識(shí)之間的距離。

2.2? 多重交互，促進(jìn)空間想象力提升

沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)最為關(guān)鍵的一個(gè)特點(diǎn)就是交互性。利用IVR技術(shù)進(jìn)行學(xué)習(xí)，使得學(xué)生置身于真實(shí)情境中，參與不同的互動(dòng)，鍛煉學(xué)生的動(dòng)手操作能力。在傳統(tǒng)教學(xué)中，部分知識(shí)點(diǎn)需要學(xué)生通過自身建構(gòu)完成學(xué)習(xí)，在利用IVR技術(shù)開發(fā)的虛擬環(huán)境中進(jìn)行學(xué)習(xí)，有助于幫助學(xué)生建立空間觀念，進(jìn)而促進(jìn)認(rèn)知。本系統(tǒng)中，學(xué)生可通過手柄實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵交互，交互設(shè)計(jì)合理，操作簡單方便，并通過逐步加強(qiáng)難度，幫助學(xué)生合理提升空間想象力。

2.3? 可視化空間線索，促進(jìn)深層認(rèn)知

IVR技術(shù)為人們認(rèn)識(shí)世界提供了一種全新的方法和手段，學(xué)生通過觀察虛擬世界中形象地呈現(xiàn)出的現(xiàn)實(shí)生活中不存在的現(xiàn)象或事物，對(duì)先前的知識(shí)內(nèi)容重新進(jìn)行建構(gòu)，深化對(duì)知識(shí)的理解與認(rèn)知。本系統(tǒng)中，通過將立體幾何的教學(xué)內(nèi)容與VR技術(shù)有效地結(jié)合，使用Unity 3D和3D Max等軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)模型，將現(xiàn)實(shí)生活中不可見的幾何內(nèi)容可視化，如點(diǎn)在幾何體內(nèi)移動(dòng)的軌跡等，并動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)、立體地呈現(xiàn)于學(xué)生的視野中，利用空間線索表征現(xiàn)實(shí)事物，有效促進(jìn)學(xué)生對(duì)幾何內(nèi)容的深層次理解。

3? 基于Unity 3D和3D Max的IVR系統(tǒng)的制作

IVR系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)主要包括三個(gè)環(huán)節(jié)：前期準(zhǔn)備、中期實(shí)現(xiàn)、后期調(diào)整（如圖1所示）。本研究以高中數(shù)學(xué)必修二“立體幾何”中的“異面直線”相關(guān)內(nèi)容為例，制作交互性好、沉浸感強(qiáng)的IVR系統(tǒng)。IVR系統(tǒng)的制作主要包括四個(gè)方面：教學(xué)內(nèi)容分析、用戶需求分析、開發(fā)環(huán)境搭建、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)（如圖2所示）。下面詳細(xì)介紹系統(tǒng)的制作流程。

3.1? 教學(xué)內(nèi)容分析5C20E85C-ED34-46EE-93CB-23EEA324A53C

該IVR系統(tǒng)主要選擇立體幾何中的“異面直線”知識(shí)點(diǎn)作為教學(xué)內(nèi)容，該內(nèi)容對(duì)于學(xué)生而言難理解，不易在平面教學(xué)中掌握異面直線的精髓;對(duì)于教師而言難教學(xué)，不易通過簡單的數(shù)學(xué)語言傳授異面直線的特色。所以，從異面直線的概念出發(fā)，通過設(shè)計(jì)不同程度的模式來鍛煉學(xué)生對(duì)異面直線概念的理解與掌握程度，讓學(xué)生能夠在實(shí)際模型中找到異面直線，體悟空間圖形與平面圖形的聯(lián)系與區(qū)別，感悟轉(zhuǎn)化思想，形成數(shù)學(xué)抽象。

3.2? 用戶需求分析

基于3D Max和Unity 3D制作IVR系統(tǒng)的目的是促進(jìn)學(xué)生空間想象力的提升。在傳統(tǒng)教學(xué)中，學(xué)生的空間想象力是建立在教師的語言和教具的輔助之上的，學(xué)生不能真切地感受到空間。因此，為了學(xué)生能夠更好地掌握點(diǎn)、線、面之間的聯(lián)系，強(qiáng)化對(duì)立體幾何知識(shí)點(diǎn)的理解和認(rèn)知，通過設(shè)計(jì)IVR系統(tǒng)幫助他們有效地提高學(xué)習(xí)成績，提升空間想象力。

3.3? 開發(fā)環(huán)境搭建

目前，支持虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境搭建的軟件平臺(tái)和腳本語言較多，經(jīng)過系統(tǒng)的理論分析與實(shí)踐探索，最終選擇3D Max作為建模軟件，選擇Unity 3D用于系統(tǒng)的交互與整合。除此之外，還利用Photoshop CC 2019作為模型貼圖處理軟件。所選擇的軟件兼容性相對(duì)較好，在實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)相互協(xié)作，有利于進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)。

3.4? 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

IVR系統(tǒng)是根據(jù)用戶的需求分析，設(shè)計(jì)相對(duì)應(yīng)的功能，內(nèi)容簡單，操作易上手。

3.4.1? 為了學(xué)生便于觀察點(diǎn)線面運(yùn)動(dòng)的變化? 高中立體幾何教學(xué)過程中無法觀察到幾何物體通過移動(dòng)點(diǎn)之后在空間內(nèi)的變化，該系統(tǒng)則充分利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能將現(xiàn)實(shí)生活中無法觀察到的現(xiàn)象可視化的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)點(diǎn)移動(dòng)的動(dòng)態(tài)虛光軌跡，便于學(xué)生在大腦中構(gòu)建幾何變化過程。

3.4.2? 為了促進(jìn)學(xué)生加深對(duì)“異面直線”概念的理解層面? 利用IVR技術(shù)的交互特性，使得學(xué)生可以利用手柄在由六個(gè)面片、12條棱、12條對(duì)角線的立方體中進(jìn)行兩次選擇：首先利用手柄隨意選擇一條棱或者一條對(duì)角線，之后選擇一條認(rèn)為能與之成為異面直線的棱或?qū)蔷€，觀察兩條線所在面是否有重疊，若重疊，則會(huì)觀察到重疊面顏色的變化。

3.4.3? 為了便于學(xué)生在幾何體內(nèi)找到“異面直線”所成角? 利用IVR技術(shù)的可視化和交互兩大特征，結(jié)合平移的思想，使得學(xué)生能夠通過手柄一步步操作，觀察異面直線所成的角是如何找到的，并引申思考在非立方體結(jié)構(gòu)的幾何體中異面直線所成角如何找到。

總之，該系統(tǒng)的一大亮點(diǎn)即為設(shè)計(jì)IVR系統(tǒng)時(shí)將可視化空間線索結(jié)合到幾何教學(xué)內(nèi)容中，并根據(jù)教學(xué)內(nèi)容的難易程度合理地設(shè)計(jì)可視化空間線索。除此之外，學(xué)生在視覺、觸覺和聽覺三方面都能得到相應(yīng)的反饋，如每次利用手柄進(jìn)行移動(dòng)或選擇時(shí)給予一定的震動(dòng)反饋，而在關(guān)鍵點(diǎn)將給予聽覺反饋，等等。

4? 結(jié)語

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的初衷是通過將傳統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容與VR技術(shù)有效結(jié)合，使用Unity 3D和3D Max等軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)模型，將現(xiàn)實(shí)生活中不可見的事物或現(xiàn)象可視化，并動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)、立體地呈現(xiàn)于學(xué)生的視野中，有效地利用空間線索表征現(xiàn)實(shí)事物，為IVR技術(shù)運(yùn)用到學(xué)科教學(xué)中提供新的視角，合理的動(dòng)態(tài)交互功能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，促進(jìn)學(xué)生的空間想象力發(fā)展，進(jìn)而進(jìn)一步了解IVR技術(shù)對(duì)學(xué)科教學(xué)實(shí)際應(yīng)用的價(jià)值所在。本系統(tǒng)還有很多不足之處，后續(xù)探索將本系統(tǒng)應(yīng)用到實(shí)際教學(xué)中，探究本系統(tǒng)是否能夠促進(jìn)學(xué)生空間想象力發(fā)展，并對(duì)本系統(tǒng)作出改進(jìn)?！?/p>

參考文獻(xiàn)

[1] Fuchs P， Moreau G， Guitton P. Virtual Reality：?Concepts and Technologies[M].Boca Raton： CRC?Press，2011.

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[3] 伍巧.3D打印促進(jìn)初中生空間想象力發(fā)展的實(shí)證研究[D].上海：上海師范大學(xué)，2020.

[4] 課程教材研究所.20世紀(jì)中國中小學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)·教學(xué)大綱匯編：數(shù)學(xué)卷[M].北京：人民教育出版社，2001：356.

作者：魏玉蒙，浙江師范大學(xué)碩士研究生，主要從事數(shù)字化學(xué)習(xí)資源的設(shè)計(jì)與開發(fā)（321004）。5C20E85C-ED34-46EE-93CB-23EEA324A53C