基于3D可视化技术的教学资源设计开发研究

    摘要：随着3D可视化技术的发展和VR技术在教育行业中的应用，教学资源的形式也在逐渐更新换代，教学资源的呈现形式已经由普通的书面教材、多媒体课件向3D可视化教学资源方向发展。3D可视化教学资源弥补了传统课堂不能提供立体视角和空间体验的不足，使得教学课程资源实现三维化、媒体化、丰富化展现。本文将3D可视化技术引入教学资源的设计和开发，迎合了信息化学习发展的潮流，革新了传统教学资源，使得课堂教学更具趣味性和创新性。

    关键词：3D可视化技术;教学资源;3D建模;仿真案例

    中圖分类号：G40-057 ?文献标识码：A ?论文编号：1674-2117（2019）13/14-0169-05

    博物馆中的文物和非物质文化遗产作为活态文化产生并存在于民间，随着时间的流逝，这些璀璨的民族文物通常只存放于博物馆内，有的甚至已经逐渐淡出人们的视野。对于这类课程知识的学习，若采用传统的媒体教学手段，难以营造一个真实的三维空间学习环境，学生学起来抽象且不易理解，更容易失去学习兴趣。因此，可在教学活动中，充分利用3D可视化教学资源作为学生学习辅助的资料，从具体画面入手，营造跨越时空限制的教学环境，为抽象不易理解的知识点搭建学习环境。同时，学生能身临其境感受真实文物，便于将具体的场景与抽象的描述结合构建知识体系。● 3D可视化教学资源概述

    3D可视化教学资源本质上是一种数字化的立体交互资源，具体指利用三维场景、动画、立体化模型结合可视化等技术来制作的教学资源库，目的是使教学中抽象的二维平面教学内容实现直观化和立体化。目前3D教学资源多为虚拟实验平台、全息教室和3D打印等。[1]教师引入3D可视化技术可以使学习内容更具情境化，方便学生理解和内化知识。

    3D可视化教学资源应用于教育教学中具有创新教学理念、提升教学质量和提高教学效率的价值，但在其建设的过程中，存在成本高、投资大以及技术要求高和实践方面困难的问题，现有的3D可视化教学资源的建设正处于实验探索阶段，3D可视化教学资源库的数量较少，普及度极低。[2]因此，在未来课堂教学中，建设符合学生学习需求的3D可视化教学资源，以及促进3D资源与教育的无缝融合是当前教育亟待解决的问题。● 3D可视化教学资源设计开发方案

    设计开发3D可视化教学资源是为了给学习者创设虚拟教学环境，因而，在设计开发时要充分考虑资源的三维立体化和教学需要。为了避免制作的3D可视化教学资源与教学实际脱节，在制作之前要进行必要的模型方案设定。本文从教学实践和学生角度出发，制订出可以直观、形象地呈现教材内容的设计开发方案（如图1）。

    前期准备：在3D可视化教学资源的设计和开发过程中，需要借助三维可视化教学虚拟工具，前期准备应从制作工具的选择、制作脚本的设计和制作素材的收集三方面进行考虑，并按一定的流程进行制作。

    模型建构：3D模型建构过程是整个教学资源开发的核心环节，该环节要求能够建立起实物三维模型数据库。在绘制过程中，模型的精确度和逼真性决定了教学实际应用中的教学效果，同时也对后续的交互衔接工作有一定的影响。因此，需遵循三维可视化资源设计思想与原则进行开发。

    交互虚拟展示：交互虚拟展示是3D可视化教学资源设计开发的最后一个环节，应尽可能对交互场景中的图片、文字、声音进行合理设计布局，依据人机学标准，实现学习者与虚拟环境良好交互的功能，能够身临其境，进而营造一种自主学习的环境。● 3D可视化教学资源设计开发过程

    3D可视化教学资源最终是投入教学活动中供师生教学使用，因此在制作过程中，始终要遵循直观方便、快捷高效、交互性强原则，所制作的资源要便于用户体验，提高教学效率。[3]

    1.文物与博物馆学课程教学背景

    文物与博物馆学是人文社会科学下的一门重点课程，也是理论与实践联系最为紧密的课程，旨在培养具备文物学、博物馆学及文化遗产学的系统知识的高素质学生。[4]在现有的授课环节中，该课程无论是理论课还是实践课，都是以传统的教师讲授方式展开，利用PPT教学、视频资源手段辅助完成。然而，教师若没有很好的情境模拟、空间描述能力，现有的视听媒体只能帮助学生建立二维平面结构，并不能营造一个虚拟空间学习环境，此类学习模式不能将教材中生涩难懂的学习内容进行直观、立体化的展示，不利于学生的理解和运用。

    

    2.前期准备

    （1）选择制作工具

    3D可视化教学资源在开发过程中需要灵活选用合适的建模软件，当前比较常用的建模软件主要有3Ds Max、Maya、Blender等，这类软件可以用于现实生活中常见实物的模型创建、灯光渲染、材质编辑等。本设计是针对文物与博物馆学课程，使用群体为高校授课教师和学生，根据教学需求，拟选用操作性强、融合性好的3Ds Max软件。在后期交互过程中，为使教学资源更加形象化和立体化，并能够与3Ds Max软件无缝合成，逼真还原三维场景的功能，最终选择VR-Platform虚拟现实软件进行交互仿真平台的开发。

    （2）设计脚本

    脚本设计是3D可视化教学资源制作的有效步骤之一，包括文字脚本的设计和制作脚本的设计。文字脚本是为了将教授过程中的教学思想反映出来，对设计的3D可视化资源所要传递的内容进行编写，提高课堂效率。制作脚本是以文字脚本为基础，对3D可视化资源的具体制作和功能进行设计，涉及的细化梳理类似于分镜头脚本，主要内容包括模型绘制的流程设计、交互模块的界面设计和教学资源交互功能的设计等。这一过程性设计作为下一阶段的资源开发依据，是教学资源制作的关键环节。

    （3）收集素材

    3D可视化教学资源的制作是一个系统化的工程，而3D资源库素材的收集是一个长期且艰巨的工作，在开发之前需要对所需的素材资源进行反复的搜索、下载、拍摄和修改处理。[5]在制造过程中通常需要准备制作软件、图形图像素材、音视频素材、动画素材和模型素材。本设计将选取青铜文物为制作素材，并从网上和青铜器博物馆获取相应青铜器文物素材，将其修改处理后待后期开发使用。

    3.3D模型建构

    （1）模型的制作

    青铜器文物具有历史性和复杂性特点，在建模工作之前，需要按照建模流程确定好模型场景的几何尺寸，这是建模最重要的环节之一。值得注意的是，单位设置对话框中，可以设置系统单位、显示单位和光照单位的相应参数。通常情况下，系统单位决定了物体的实际比例，显示单位和光照单位方便对模型的观察。因此，为方便使用习惯，笔者将系统单位设置为毫米。

    由于滇青铜器的种类、样式繁多，不同的模型具有不同的几何特征，在使用3Ds Max绘制模型时，需以3D Max提供的基本体为基础进行编辑和创建，并根据博物馆展厅和青铜器的不同样式，采用不同的建模方法。

    ①基础建模：对于规则的展厅模型和青铜器模型，采用基础建模的方式进行绘制，利用规则几何体，在几何体面板下创建包括长方体、圆锥体、平面等的规则几何体，将其转化为可编辑多边形。在多边形层级下，通过对顶点、边、面进行调整，制作出合适大小的几何体模型。在实际操作过程中，规则、无曲面或少曲面的几何体可以利用修改器面板，经过一系列工具得到規则三维对象，最终对初步绘制好的三维对象进行相应的精细加工，即可得到需求的三维模型。

    ②高级建模：高级建模是3Ds Max中一些复杂性建模技术的统称，在绘制过程中，主要针对外观不规则、拥有复杂细节的一类模型。高级建模是绘制复杂和不规则模型比较常用的建模方法，在模型绘制前，需将模型进行分割处理，再通过图形合并命令工具将绘制好的模型进行组合。在这一过程中，通常会利用布尔、放样、二维线条创建复合对象，转化为可编辑多边形，对可编辑的多边形对象进行系列变换操作即可得到相应三维模型。[6]本文以“青铜农具”的绘制说明高级建模的方法，首先对模型进行分割处理，将其分为刀身和手柄两部分，刀身采用复合建模方法中的样条线进行绘制，在“修改器列表”中加载一个“壳”命令，接着在“参数”卷展栏下适当调节参数，便可绘制出具有立体感效果的刀面。而手柄部分采用多边形建模，将其转化为可编辑多边形，加载“挤出修改器”命令，由相应比例调整参数，得到模型，最终通过对其命令，将其组合，得到真实青铜农具的模型。青铜农具的绘制如下页图2所示。

    （2）模型优化处理

    在利用3Ds Max软件进行模型绘制过程中，为了满足所建构模型的逼真性和立体性，提高后期烘焙和交互的文件渲染速度，需要从模型的简化和模型的精细处理两方面优化3D模型。

    ①模型的简化处理。在3D可视化技术中，3Ds Max可以建立复杂且立体的三维场景，但在设置交互漫游场景时，要考虑场景大小和教学过程中使用的流畅度。因此，在模型简化过程中，在保证外观的前提下减少不必要的面的片数，将不会在场景中显示的消隐面进行消除。[7]另外，模型的网格分布要合理，通过焊接命令将模型的点面进行焊接对齐，减少模型接缝，使得模型更加精简。

    ②模型的精细化处理。由于青铜器文物年代久远，每一种青铜器的纹理材质、锈斑腐蚀的程度会呈现不一样的特点。为了精化模型，凸显模型的逼真度，在制作时，通常对青铜器凹凸花纹进行绘制，并在青铜器上加上锈斑的渲染，使模型更加高度仿真。

    （3）模型的烘焙

    完成模型绘制后，在3Ds Max软件中将模型合并到一个场景中。为了后期能在VR-Platform平台软件上进行交互，在整个场景导出之前，需要进行模型烘焙操作，将3Ds Max软件里的光照效果渲染成贴图方式，目的是得到逼真自然的效果。[8]在烘焙过程中，为了使灯光效果更接近真实灯光，采用外部Lightscape插件烘培3Ds Max模型。此过程对计算机的配置要求非常高，烘焙个数不宜过多，制作过程中要注意硬件要求。

    （4）模型的导出

    虚拟现实平台软件只能导出“*vrp”格式的文件，因而，烘焙好的模型导出时要注意导出方式。在开发过程中主要用到一个介于虚拟现实平台软件与3Ds Max软件之间的VRP-for-Max插件，操作过程中先设置VRP导出选项相对应的参数，为了提高后期作品运行速度，这里引入“Dxt3压缩格式”进行贴图设置，目的是进一步提高导出速度。

    

    4.交互虚拟展示

    在虚拟现实平台软件下，学习者可以在三维场景自主漫游和手动漫游，实现人机交互，为方便教育教学，还需进一步对交互界面、人物动画和交互菜单进行设计开发。

    （1）交互界面设计

    交互界面是教学交互信息传达的载体，合理的交互界面设计，更有利于教师和学生的学习[9]，交互场景主要包括三维模型、图片、声音、文字和人物动画，需要考虑场景布局、交互层次设计和视觉等元素，而这些元素的设计不仅要准确表达教学信息，还要尽可能使交互变得简单易用。3D教学资源交互界面的整体设计如图3所示。

    （2）人物动画制作

    虚拟现实平台最大的交互功能就是可以通过鼠标、键盘在VR里实现自主漫游、手动漫游，可以让学习者通过数字媒体的手段身临其境地感受青铜文物。为简化三维模型制作流程，通常使用虚拟现实平台软件自带的人物动画，通过体型、服装、外貌、发型选择适合教学的三维动画人物，并利用软件自带的脚本语言，开发出人物角色面部表情和肢体动作，使得人物更加形象立体，细节更加丰富，精度更加准确，更贴近真实教学环境。

    （3）交互菜单制作

    在教学资源开发过程中，为了实现更好的人机交互，会设计一系列交互菜单，主要包括按钮交互、键盘响应、鼠标控制等。在交互过程中，几个交互菜单配合使用，对控制界面进行不同的转换，通过键盘上的方向键及鼠标共同控制人物运动方向，更好地实现人物漫游，使学习者在漫游中不断了解重要青铜文物，并通过操纵虚拟场景中的事物，多角度观察事物形状、材质和特征，更好地促进学习者的学习。

    （4）交互场景编译运行

    完成所有模型的交互功能后，在VRP-Platform平台软件下进行相应测试、运行、修改和调试，并预览效果，最终选择菜单栏中的编译独立执行的.exe文件选项，输出可独立执行文件，保证在普通计算机上能正常运行，这样即可完成关于该课程的3D可视化教学资源库。● 总结

    本文以具体的课程知识为例，阐明了3D可视化教学资源的设计开发方案，并结合实际教学提出了基于3D可视化技术开发制作三维可视化教学资源的详细流程。笔者认为，3D技术的引入革新了传统教学资源，弥补了传统课堂缺陷，增强了课堂教学资源的多样性和情境性。但当前，3D可视化教学资源稀少，软件开发和制作技术不够成熟，因此，对3D可视化教学资源的设计与开发研究是大势所趋。

    参考文献：

    [1]闫春霞.面向课堂教学的3D教学资源设计研究[D].武汉：华中师范大学，2016.

    [2]李蕾，王健，曹俊.3D影像资源在教育中的应用探析[J].中国电化教育，2011（02）：77-80.

    [3]王洪梅，王运武，丁超，等.3D视频资源：数字化教育资源的新形态[J].现代教育技术，2017（04）：20-25.

    [4]陆建松.博物馆专业人才培养和学科发展[J].中国博物馆，2014（02）.

    [5]刘可.教学场景中三维可视化资源的设计与应用[D].武汉：华中师范大学，2017.

    [6]王正盛，陈征.VRP11/3ds Max虚拟现实制作标准教程[M].北京：印刷工业出版社，2011：260.

    [7]郑付联.3D MAX建模技术及其优化的研究[J].大众科技，2010（02）：43-44.

    [8]董红娟，龚萍，和耀丽，等.面向滇王国青铜器的3D可视化研究——以李家山青铜器博物馆为例[J].中国信息技术教育，2017（07）：79-83.

    [9]JTM Concepts Develops 3D Educational Software for K-12 Education Using EON Realitys Development Software[DB/OL].http：//www.eonreality.com/news_Release-s.php？ref=news/news_releases&sid=460.

    作者簡介：董红娟（1994.9—），女，汉族，云南玉溪人，硕士研究生，研究方向为教育信息化、信息技术教育。

    基金项目：2017年度云南大学职业与继续教育学院一般项目“基于3D可视化教学资源的设计开发研究”（项目编号：YK1706ZJ）。