二十世紀六十年代興起的認知心理學在教育教學領域提出了～ 些新思想、新觀念，給今天的教學方式帶來了一場新的革命。現代認知心理學主要研究人們對知識的獲得、儲存、提取和運用的過程，認為人在信息加工時是主動的，不是被動的I11。因此，它對現代教學有著極其深刻的影響，尤其對變革傳統的教學方式有著指導性作用。
在當今的信息時代，教育面臨著嚴峻的挑戰。新知識、新技術不斷產生，舊知識快速老化并被淘汰。因而我們迫切需要對現有的、傳統的教學方式進行改革，以提高教學效率 。
利用虛擬現實技術和計算機網絡進行教學貝U是提高教學效率、改善教學環境和提升教學質量的行之有效的重要途徑。
虛擬現實(VR)是2O世紀末才興起的一門嶄新的綜合性信息技術。它實時的三維空間表現能力、自然的人機交互式操作環境以及給人帶來的身臨其境感受，將從根本上改變人與計算機之間枯燥、生硬和被動的現狀，為人機交互技術開創新的研究領域。隨著虛擬現實技術的發展，它在教學中得到了越來越多的應用。它的交互、沉浸和多感知的特點給學生帶來了濃厚的學習興趣，使學生沉浸在虛擬環境中，大大提高了學生學習的主觀能動性。
據了解，已有國內外學者利用Flash、VRML、OpenGL等軟件做過類似的案例，但Flash做出的動畫是二維的，缺乏立體形象的感覺；而VRML和OpenGL雖然可以做出三維的模型，但它們缺乏可視化開發環境，并且需要較高的編程技術，所以在實際開發過程中存在難度大、實現復雜、輔助功能不強等諸多問題，易用性和實用性不甚理想。
一、基于PCS(Product—Context—Scenario)技術的Virtools體架構
(一)架構目的
虛擬太陽系架構的根本目的是：改變傳統“教師教學生學”的單一教學方式，采用虛擬現實技術和計算機網絡技術構建網絡、多媒化的探究性教學方式，提高學生學習的主動性和想象力，使其利用網絡進行實際操作、搜索資料和進行討論，提出自己的看法和建議，從而提高他們的創造性思維。
虛擬太陽系把虛擬現實、多媒體和計算機網絡等技術與教育教學理論有機地結合起來，為學生呈現了一個豐富精彩的虛擬世界，虛擬太陽系網站如圖1所示。
圖1 虛擬太陽系網站
其主要特點有六個方面：其一，利用3ds max對太陽系的主要成員(太陽和行星)進行三維建模，并根據它們在太陽系中的空間位置來設置其相對位置；其二，具有豐富的交互功能， 如果點擊左側的菜單或頁面中的物體，此物體會自動放大并飛到你的眼前，從而使你可以更加仔細地觀察它，再點擊它又回到原來的位置；其三，支持多媒體信息輔助，可以設置3D音效、背景音樂等；其四，具有文本解釋功能，可以通過點擊“使用幫助”菜單來獲取操作方法，當點擊虛擬環境中某個具體物體時，會自動彈出文本介紹；其五，具有討論反饋的功能，通過點擊“BBS討論”鏈接，可以在BBS上留言或討論問題；其六，具有知識拓展的功能，通過點擊“相關資料”鏈接，可以獲得關于太陽系知識的豐富資料，包括網站、文本、視頻、圖片等。
(二)組織結構
根據學生的實際需要與思維拓展，虛擬太陽系主要由操作區域、使用幫助、BBS討論區、相關資料四個模塊組成。這四個模塊雖然功能各不相同，但都是為了同一個教學目的，而且彼此相互聯系和補充。其組織結構如圖2所示。
圖2 虛擬太陽系組織結構
操作區域模塊主要包括太陽、行星、軌道、彈出菜單和物體動畫，虛擬太陽系主界面的設計如圖3所示：
圖3 主界面設計圖
當把鼠標放在左側物體菜單上時，會彈出此物體的英文名稱，用鼠標左鍵單擊時，會播放物體的動畫(地球動畫播放演示如圖4所示)，使學生更清楚地觀測星球。當點擊界面上的某個星球時，同樣會播放它的動畫和運動軌跡，這樣就可以更生動形象地把物體表面和運動呈現到觀測者面前，使其更容易tB,G和發散思維。幫助模塊主要幫助使用者更簡單、快速地操作此虛擬系統，上面有文本介紹和圖片演示，包括如何操作和提示信息；BBS討論區模塊是讓學生進行操作和體驗后， 討論有關太陽系的疑問和想法，從而和其他同學交流，如：星球的大小、位圖4 地球動畫播放演示圖
圖4 地球動畫播放演示圖
二、虛擬太陽系的設計和實現方法
(一)VIRTOOLS軟件概述
Virtools是由法國全球交互三維開發解決方案公司VIRTOOLS開發，其三維引擎已經成為微軟XBox認可系統。其特點是方便易用，應用領域廠泛 。
1.Vrtools成分
Virtools在3D 互動展示方面是一種強大的技術 ]l7I。Virtools有很完善的組成：一個創作應用程序、一個動作引擎、一個渲染引擎、一個Web播放器、一個軟件開發工具包(SDK)。
Virtools Dev是一個創作應用程序，一款允許你快速簡單建立3D 內容的應用程序。Virtools Dev不是一款建模軟件，但是，類似攝影機、燈光、曲線、界面組件和3D結構等簡單的媒體能通過點擊一個圖標建立一個動作引擎。Virtools是一個動作引擎、Virtools是一個渲染引擎，那是因為Virtools處理動作。有一個渲染引擎來繪制你在Virtools Dev 3D 設計中的圖像。Virtools是一個Web播放器。提供一個免費的Web播放器，能被任何人下載使用。Virtools Dev是一個軟件開發工具包，包括一個能訪問動作的某個部分和渲染過程的軟件開發工具包。
2．Virtools模塊
Virtools除了自身的3D／VR 開發平臺Virtools Dev以外， 還有五個可選模塊： 物理屬性模塊(Virtoo1 sPhysics Pack for Dev)、沉浸式平臺((Virtoo1 s vR Packfor Dev))、人工智能模塊(Virtoo1 s AI Pack for Dev)、Xbox開發模塊(VirtooI s Xbox Kit for Dev)和網絡服務器模塊(Virtoo1 s Se~er)。
3．Virtools特征
Virtools能用來制作具有沉浸感的虛擬環境， 它能幫助參與者生成諸如視覺、聽覺、觸覺、味覺等各種感官信息，給參與者一種身臨其境的感覺，是一種新發展的、具有新含義的一種人一機交互系統，可以制作出不同用途的3D產品，如：網際網絡、計算機游戲、多媒體、建筑設計、交互式電視、教育訓I練、仿真與產品展示等等 。相對于其他相關虛擬現實技術， 采用Virtools還具有減小開發難度、降低開發周期、真實性好、交互性強等特點，因此，此構建虛擬太陽系采用了Virtools技術。
(二)構建虛擬太陽系的主要流程
1．建立三維模型和Virtools資源庫
由于Virtools本身沒有建模的功能，所以一般建模方法是采用建模軟件來實現，如：3DMAX 或Maya等。筆者采用的是3DStudio Max。通過三維建模、設定材質、賦予貼圖、添加動畫、渲染、烘焙后借助Max Exporter插件導出為NMO 格式文件并保存(導出NMo 格式文件需要安裝相應的Max Exporter廟件)，然后在Virtools中導入所生成的NMO 文件，從而產生了場景物體的原始檔，原始檔內存儲有物體的相關屬性，如：基本的形狀、面片和顏色等，同時也存儲有相應紋理材質，最終保證物體的逼真性。
在Virtools Dev 中用Resources／Create New DataResource命令創建新的資源庫， 把準備好的各種NMO格式文件拷貝到資源庫相應的文件夾中，Virtools Dev將自動分類并加載。這部分工作旨在為在Virtools中進行拖放操作做好前期準備。需注意的是對每個不同的虛擬實驗項目應建立單獨的資源庫，這樣更便于后期的修改更新及文件管理。
2．交互行為控制
利用Virtools Dev對虛擬太陽系進行交互行為控制，就是將物體演示步驟分解成具體行為， 并與鍵盤的操控和鼠標的拖曳、點擊等動作構成映射。交互設定是通過Virtools中內置行為模塊實現的，能夠對二維或三維模型進行各種基本操作(如：平移、旋轉、縮放、顏色和透明度變化、二維貼圖等)復雜操作(如：投影、燃燒、行走、奔跑、后退等)。
在Virtools Dev中主要是通過行為模塊(BBs)來進行交互行為控制的。Virtools自帶有500多個BBs， 每個BBs具有特定的作用和功能，而且BBs本身有參數設定，從而可以把功能不同的BBs相互連接起來并且進行參數設定，以達到想要實現的目的。
Virtools自帶的BBs基本能滿足設計的要求。另外，還有兩種方法可以設計出具有特殊功能的BBs來滿足交互設計的要求：一種是通過VC++編程[91；另一種是利用Virtools的軟件開發工具包SDK。通過SDK 可以創建一個新的動作(BBs)、修改現有動作的運行，通過給輸入和輸出文件寫BBs可實現一些特殊格式的模型文件的導入導出、修改替換或擴充Virtools Dev的渲染引擎。
3．成品發布
虛擬太陽系經過場景建模、交互行為設定、測試正確后，可以采用三種方式進行發布：一種是通過“Export toVirtools Player”命令直接保存為 ．vmo格式；第二種是通過“Create Web Page”命令將文件保存為htm 格式，這樣，客戶端只需下載并安裝插件“3D Life Play”即可進行虛擬實驗[101；第三種是利用Virtools打包器生成 ．exe。可執行文件上傳到網站上，用戶直接下載到本地主機上來使用。
三、虛擬太陽系實例分析
虛擬太陽系模型能讓學生從三維空間對太陽系進行立體的、全方位的觀察和操作，從而對太陽系的組成、概貌、大小、和尺寸等有更深的體會和理解，提高學習的效率和樂趣。下面通過實例來說明利用Virtools制作虛擬太陽系的主要步驟：
(一)整體場景的調入及設置
1．模型庫場景調入與設置
首先， 導入NMo 模型文件到Virtools的三維編輯區，設置它的大小與位置，并且設定初始值，建立燈光與攝像機；其次，從模型庫中調入所需的實體、圖形或視頻文件到三維編輯區，并設置它們的屬性；最后從模型庫中調入需要的動畫文件到相應的角色上，從而完成基本場景的調入和設置。
2．彈出菜單的制作與設置
彈出菜單都是用2D Sprites(二維精靈)來制作與實現的，所以要把2D Sprites從文件夾中拖放到三維編輯區，并按照順序排列和擺放它們，設定初始值，以方便恢復已調整好的位置，為后期添加BBs模組、實現交互行為做準備。
(二)鼠標觸發動作的設置
1．鼠標點選軌道圖標
因為每個行星都按一定的軌道在運轉，所以我們根據行星的運行軌跡設計了它們的軌道，使之更加形象；當用鼠標點擊軌道圖標時軌道出現5秒鐘，然后自動消失，用到的BBs有Wait Message、Group Iterator、Show、Hide和Delayer。該行為交互的腳本流程如圖5所示。
圖5 軌道流程圖
2．鼠標觸發彈出菜單
當把鼠標拖放到左側星球或軌道圖標上時，會自動彈出一個帶有該星球名字的菜單，鼠標移走它即消失，這個彈出菜單的作用就是顯示此星球的名字，從而使學生更容易識別記憶。這個腳本流程用到了兩個封裝的BBs、Roll On與Roll Of，封裝的BBs就是把許多基本的BBs按一定順序連接起來，然后把它們包裹起來，重新命名。
它的好處是使腳本流程看起來更簡潔清晰，并且可以在以后用到的時候重新調用，減少了開發腳本的工作量。具體腳本流程如圖6。Roll On展開如圖7。
圖6 彈出菜單流程圖
圖7 封裝模塊展開圖
3．標點選圖標或星球實體
當用鼠標點擊左側圖標或星球實體時，星球會變大，并且飛翔到操作者的眼前，再點擊又恢復到原來狀態。當星球變大并飛到操作者眼前時， 右側會彈出一個幫助菜單，上面會顯示此星球的名字、半徑、軌道、密度和衛星等情況，以利于操作者在觀察的同時獲得更多的知識。這個過程比較復雜，它包括星球變大、顯示和隱藏幫助菜單、星球狀態轉換等幾個分支，這些效果主要是通過設置攝像機來實現的，因為攝像機相當于我們的眼睛，當攝像機變化時，我們看到的東西也會發生變化。具體腳本流程如圖8、圖9、圖10、圖11。
(三)星球自轉與公轉的設定
虛擬太陽系是模擬真實太陽系而設計的， 所以與現實中的自然規律一樣，行星繞著太陽公轉，衛星繞著行星公轉，而太陽、行星和衛星本身還在自轉，因為幾個行星的公轉和自轉是一樣的設置， 所以這里就用行星地球和衛星月球作為代表， 這里用到的BBs有Rotate、cu—eFollow等。具體腳本流程如圖12、圖13所示。
圖12 地球公轉自轉流程圖
圖13 月球公轉自轉流程圖
(四)星球表面效果的設定
我們知道太陽表面有耀斑和黑子活動，所以在太陽的表面要設置像閃耀的火焰的效果，對于這些效果在Virtools Dev中實現非常容易， 用一個粒子系統模塊就可以實現。這里我們用球狀粒子系統模塊SphericalParticleSystem 來模擬太陽表面的火焰效果。具體腳本流程如圖14所示。
圖14
(五)后期整合
利用3ds max和Virtools完成建模交互設計后，虛擬太陽系的工作已經完成了大部分，后面就是結合網站設計軟件Dreamweaver、Asp和Photoshop來完成虛擬太陽系網站的其他模塊， 最后通過前面提到的三種發布方式， 把虛擬太陽系成品發布到網站上， 以提供學習者使用。
四、結論
《基礎教育課程改革綱要》明確指出：“大力推進信息技術在教學過程中的普遍應用， 促進信息技術與學科課程的整合，逐步實現教學內容的呈現方式、學生的學習方式、教師的教學方式和師生互動方式的變革，充分發揮信息技術的優勢， 為學生的學習和發展提供豐富多彩的教育環境和有力的學習工具。 筆者認為，技術的應用最終是為了更好地優化學習。虛擬現實技術可以生動形象地為學生展現教學內容， 讓學生對所學內容產生濃厚的興趣，網絡技術可以讓學生在線協作學習、相互討論、及時反饋；而虛擬太陽系正是兩種技術在教育應用中的一次嘗試和探索，它改變了傳統的教學方式，提高了教學效率，改善了教學環境，提升了教學質量，不僅能使學生掌握知識，還能使學生學會如何學習，培養學生獨立思考的能力和自主學習的能力，有利于學生的個性發展。雖然虛擬現實技術在教育中的應用剛剛興起， 與其他領域相比還不太成熟，但相信它在教育系統中一定會有美好的未來！
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