二十世纪六十年代兴起的认知心理学在教育教学领域提出了～ 些新思想、新观念，给今天的教学方式带来了一场新的革命。现代认知心理学主要研究人们对知识的获得、储存、提取和运用的过程，认为人在信息加工时是主动的，不是被动的I11。因此，它对现代教学有着极其深刻的影响，尤其对变革传统的教学方式有着指导性作用。

在当今的信息时代，教育面临着严峻的挑战。新知识、新技术不断产生，旧知识快速老化并被淘汰。因而我们迫切需要对现有的、传统的教学方式进行改革，以提高教学效率 。

利用虚拟现实技术和计算机网络进行教学贝U是提高教学效率、改善教学环境和提升教学质量的行之有效的重要途径。

虚拟现实(VR)是2O世纪末才兴起的一门崭新的综合性信息技术。它实时的三维空间表现能力、自然的人机交互式操作环境以及给人带来的身临其境感受，将从根本上改变人与计算机之间枯燥、生硬和被动的现状，为人机交互技术开创新的研究领域。随着虚拟现实技术的发展，它在教学中得到了越来越多的应用。它的交互、沉浸和多感知的特点给学生带来了浓厚的学习兴趣，使学生沉浸在虚拟环境中，大大提高了学生学习的主观能动性。

据了解，已有国内外学者利用Flash、VRML、OpenGL等软件做过类似的案例，但Flash做出的动画是二维的，缺乏立体形象的感觉；而VRML和OpenGL虽然可以做出三维的模型，但它们缺乏可视化开发环境，并且需要较高的编程技术，所以在实际开发过程中存在难度大、实现复杂、辅助功能不强等诸多问题，易用性和实用性不甚理想。

一、基于PCS(Product—Context—Scenario)技术的Virtools体架构

(一)架构目的

虚拟太阳系架构的根本目的是：改变传统“教师教学生学”的单一教学方式，采用虚拟现实技术和计算机网络技术构建网络、多媒化的探究性教学方式，提高学生学习的主动性和想象力，使其利用网络进行实际操作、搜索资料和进行讨论，提出自己的看法和建议，从而提高他们的创造性思维。

虚拟太阳系把虚拟现实、多媒体和计算机网络等技术与教育教学理论有机地结合起来，为学生呈现了一个丰富精彩的虚拟世界，虚拟太阳系网站如图1所示。

 
图1 虚拟太阳系网站

其主要特点有六个方面：其一，利用3ds max对太阳系的主要成员(太阳和行星)进行三维建模，并根据它们在太阳系中的空间位置来设置其相对位置；其二，具有丰富的交互功能， 如果点击左侧的菜单或页面中的物体，此物体会自动放大并飞到你的眼前，从而使你可以更加仔细地观察它，再点击它又回到原来的位置；其三，支持多媒体信息辅助，可以设置3D音效、背景音乐等；其四，具有文本解释功能，可以通过点击“使用帮助”菜单来获取操作方法，当点击虚拟环境中某个具体物体时，会自动弹出文本介绍；其五，具有讨论反馈的功能，通过点击“BBS讨论”链接，可以在BBS上留言或讨论问题；其六，具有知识拓展的功能，通过点击“相关资料”链接，可以获得关于太阳系知识的丰富资料，包括网站、文本、视频、图片等。

(二)组织结构

根据学生的实际需要与思维拓展，虚拟太阳系主要由操作区域、使用帮助、BBS讨论区、相关资料四个模块组成。这四个模块虽然功能各不相同，但都是为了同一个教学目的，而且彼此相互联系和补充。其组织结构如图2所示。

 
图2 虚拟太阳系组织结构

操作区域模块主要包括太阳、行星、轨道、弹出菜单和物体动画，虚拟太阳系主界面的设计如图3所示：

 
图3 主界面设计图

当把鼠标放在左侧物体菜单上时，会弹出此物体的英文名称，用鼠标左键单击时，会播放物体的动画(地球动画播放演示如图4所示)，使学生更清楚地观测星球。当点击界面上的某个星球时，同样会播放它的动画和运动轨迹，这样就可以更生动形象地把物体表面和运动呈现到观测者面前，使其更容易tB,G和发散思维。帮助模块主要帮助使用者更简单、快速地操作此虚拟系统，上面有文本介绍和图片演示，包括如何操作和提示信息；BBS讨论区模块是让学生进行操作和体验后， 讨论有关太阳系的疑问和想法，从而和其他同学交流，如：星球的大小、位图4 地球动画播放演示图

 
图4 地球动画播放演示图

二、虚拟太阳系的设计和实现方法

(一)VIRTOOLS软件概述

Virtools是由法国全球交互三维开发解决方案公司VIRTOOLS开发，其三维引擎已经成为微软XBox认可系统。其特点是方便易用，应用领域厂泛 。

1.Vrtools成分

Virtools在3D 互动展示方面是一种强大的技术 ]l7I。Virtools有很完善的组成：一个创作应用程序、一个动作引擎、一个渲染引擎、一个Web播放器、一个软件开发工具包(SDK)。

Virtools Dev是一个创作应用程序，一款允许你快速简单建立3D 内容的应用程序。Virtools Dev不是一款建模软件，但是，类似摄影机、灯光、曲线、界面组件和3D结构等简单的媒体能通过点击一个图标建立一个动作引擎。Virtools是一个动作引擎、Virtools是一个渲染引擎，那是因为Virtools处理动作。有一个渲染引擎来绘制你在Virtools Dev 3D 设计中的图像。Virtools是一个Web播放器。提供一个免费的Web播放器，能被任何人下载使用。Virtools Dev是一个软件开发工具包，包括一个能访问动作的某个部分和渲染过程的软件开发工具包。

2．Virtools模块

Virtools除了自身的3D／VR 开发平台Virtools Dev以外， 还有五个可选模块： 物理属性模块(Virtoo1 sPhysics Pack for Dev)、沉浸式平台((Virtoo1 s vR Packfor Dev))、人工智能模块(Virtoo1 s AI Pack for Dev)、Xbox开发模块(VirtooI s Xbox Kit for Dev)和网络服务器模块(Virtoo1 s Se~er)。

3．Virtools特征

Virtools能用来制作具有沉浸感的虚拟环境， 它能帮助参与者生成诸如视觉、听觉、触觉、味觉等各种感官信息，给参与者一种身临其境的感觉，是一种新发展的、具有新含义的一种人一机交互系统，可以制作出不同用途的3D产品，如：网际网络、计算机游戏、多媒体、建筑设计、交互式电视、教育训I练、仿真与产品展示等等 。相对于其他相关虚拟现实技术， 采用Virtools还具有减小开发难度、降低开发周期、真实性好、交互性强等特点，因此，此构建虚拟太阳系采用了Virtools技术。

(二)构建虚拟太阳系的主要流程

1．建立三维模型和Virtools资源库

由于Virtools本身没有建模的功能，所以一般建模方法是采用建模软件来实现，如：3DMAX 或Maya等。笔者采用的是3DStudio Max。通过三维建模、设定材质、赋予贴图、添加动画、渲染、烘焙后借助Max Exporter插件导出为NMO 格式文件并保存(导出NMo 格式文件需要安装相应的Max Exporter庙件)，然后在Virtools中导入所生成的NMO 文件，从而产生了场景物体的原始档，原始档内存储有物体的相关属性，如：基本的形状、面片和颜色等，同时也存储有相应纹理材质，最终保证物体的逼真性。

在Virtools Dev 中用Resources／Create New DataResource命令创建新的资源库， 把准备好的各种NMO格式文件拷贝到资源库相应的文件夹中，Virtools Dev将自动分类并加载。这部分工作旨在为在Virtools中进行拖放操作做好前期准备。需注意的是对每个不同的虚拟实验项目应建立单独的资源库，这样更便于后期的修改更新及文件管理。

2．交互行为控制

利用Virtools Dev对虚拟太阳系进行交互行为控制，就是将物体演示步骤分解成具体行为， 并与键盘的操控和鼠标的拖曳、点击等动作构成映射。交互设定是通过Virtools中内置行为模块实现的，能够对二维或三维模型进行各种基本操作(如：平移、旋转、缩放、颜色和透明度变化、二维贴图等)复杂操作(如：投影、燃烧、行走、奔跑、后退等)。

在Virtools Dev中主要是通过行为模块(BBs)来进行交互行为控制的。Virtools自带有500多个BBs， 每个BBs具有特定的作用和功能，而且BBs本身有参数设定，从而可以把功能不同的BBs相互连接起来并且进行参数设定，以达到想要实现的目的。

Virtools自带的BBs基本能满足设计的要求。另外，还有两种方法可以设计出具有特殊功能的BBs来满足交互设计的要求：一种是通过VC++编程[91；另一种是利用Virtools的软件开发工具包SDK。通过SDK 可以创建一个新的动作(BBs)、修改现有动作的运行，通过给输入和输出文件写BBs可实现一些特殊格式的模型文件的导入导出、修改替换或扩充Virtools Dev的渲染引擎。

3．成品发布

虚拟太阳系经过场景建模、交互行为设定、测试正确后，可以采用三种方式进行发布：一种是通过“Export toVirtools Player”命令直接保存为 ．vmo格式；第二种是通过“Create Web Page”命令将文件保存为htm 格式，这样，客户端只需下载并安装插件“3D Life Play”即可进行虚拟实验[101；第三种是利用Virtools打包器生成 ．exe。可执行文件上传到网站上，用户直接下载到本地主机上来使用。

三、虚拟太阳系实例分析

虚拟太阳系模型能让学生从三维空间对太阳系进行立体的、全方位的观察和操作，从而对太阳系的组成、概貌、大小、和尺寸等有更深的体会和理解，提高学习的效率和乐趣。下面通过实例来说明利用Virtools制作虚拟太阳系的主要步骤：

(一)整体场景的调入及设置

1．模型库场景调入与设置

首先， 导入NMo 模型文件到Virtools的三维编辑区，设置它的大小与位置，并且设定初始值，建立灯光与摄像机；其次，从模型库中调入所需的实体、图形或视频文件到三维编辑区，并设置它们的属性；最后从模型库中调入需要的动画文件到相应的角色上，从而完成基本场景的调入和设置。

2．弹出菜单的制作与设置

弹出菜单都是用2D Sprites(二维精灵)来制作与实现的，所以要把2D Sprites从文件夹中拖放到三维编辑区，并按照顺序排列和摆放它们，设定初始值，以方便恢复已调整好的位置，为后期添加BBs模组、实现交互行为做准备。

(二)鼠标触发动作的设置

1．鼠标点选轨道图标

因为每个行星都按一定的轨道在运转，所以我们根据行星的运行轨迹设计了它们的轨道，使之更加形象；当用鼠标点击轨道图标时轨道出现5秒钟，然后自动消失，用到的BBs有Wait Message、Group Iterator、Show、Hide和Delayer。该行为交互的脚本流程如图5所示。

 
图5 轨道流程图

2．鼠标触发弹出菜单

当把鼠标拖放到左侧星球或轨道图标上时，会自动弹出一个带有该星球名字的菜单，鼠标移走它即消失，这个弹出菜单的作用就是显示此星球的名字，从而使学生更容易识别记忆。这个脚本流程用到了两个封装的BBs、Roll On与Roll Of，封装的BBs就是把许多基本的BBs按一定顺序连接起来，然后把它们包裹起来，重新命名。

它的好处是使脚本流程看起来更简洁清晰，并且可以在以后用到的时候重新调用，减少了开发脚本的工作量。具体脚本流程如图6。Roll On展开如图7。

 
图6 弹出菜单流程图

 
图7 封装模块展开图

3．标点选图标或星球实体

当用鼠标点击左侧图标或星球实体时，星球会变大，并且飞翔到操作者的眼前，再点击又恢复到原来状态。当星球变大并飞到操作者眼前时， 右侧会弹出一个帮助菜单，上面会显示此星球的名字、半径、轨道、密度和卫星等情况，以利于操作者在观察的同时获得更多的知识。这个过程比较复杂，它包括星球变大、显示和隐藏帮助菜单、星球状态转换等几个分支，这些效果主要是通过设置摄像机来实现的，因为摄像机相当于我们的眼睛，当摄像机变化时，我们看到的东西也会发生变化。具体脚本流程如图8、图9、图10、图11。

(三)星球自转与公转的设定

虚拟太阳系是模拟真实太阳系而设计的， 所以与现实中的自然规律一样，行星绕着太阳公转，卫星绕着行星公转，而太阳、行星和卫星本身还在自转，因为几个行星的公转和自转是一样的设置， 所以这里就用行星地球和卫星月球作为代表， 这里用到的BBs有Rotate、cu—eFollow等。具体脚本流程如图12、图13所示。

 
图12 地球公转自转流程图

 
图13 月球公转自转流程图

(四)星球表面效果的设定

我们知道太阳表面有耀斑和黑子活动，所以在太阳的表面要设置像闪耀的火焰的效果，对于这些效果在Virtools Dev中实现非常容易， 用一个粒子系统模块就可以实现。这里我们用球状粒子系统模块SphericalParticleSystem 来模拟太阳表面的火焰效果。具体脚本流程如图14所示。

 
图14

(五)后期整合

利用3ds max和Virtools完成建模交互设计后，虚拟太阳系的工作已经完成了大部分，后面就是结合网站设计软件Dreamweaver、Asp和Photoshop来完成虚拟太阳系网站的其他模块， 最后通过前面提到的三种发布方式， 把虚拟太阳系成品发布到网站上， 以提供学习者使用。

四、结论

《基础教育课程改革纲要》明确指出：“大力推进信息技术在教学过程中的普遍应用， 促进信息技术与学科课程的整合，逐步实现教学内容的呈现方式、学生的学习方式、教师的教学方式和师生互动方式的变革，充分发挥信息技术的优势， 为学生的学习和发展提供丰富多彩的教育环境和有力的学习工具。 笔者认为，技术的应用最终是为了更好地优化学习。虚拟现实技术可以生动形象地为学生展现教学内容， 让学生对所学内容产生浓厚的兴趣，网络技术可以让学生在线协作学习、相互讨论、及时反馈；而虚拟太阳系正是两种技术在教育应用中的一次尝试和探索，它改变了传统的教学方式，提高了教学效率，改善了教学环境，提升了教学质量，不仅能使学生掌握知识，还能使学生学会如何学习，培养学生独立思考的能力和自主学习的能力，有利于学生的个性发展。虽然虚拟现实技术在教育中的应用刚刚兴起， 与其他领域相比还不太成熟，但相信它在教育系统中一定会有美好的未来！

[参考文献]

[1j范利，白建国，张华从认知心理学看变革传统教学方式的必然Uj．科技信息(学术研究)，200B，(O8)．

[2]裴衣非计算机在教学方式改革中的作用uJ．科技信息(学术研究)，2008，(O5)

[3]Southwest．Virtools~ [DB／OL]． http：／／www．86vr．corn／ware／software／200210／421．html，2007-08-20．

[4]李昌国，朱福全，谭良，杨春．基于3D 和Virtools技术的虚拟实验开发方法研究U1_计算机T程与应用，2006，(31)．

[5]http：ltwww．virtools．com．cn／bbs／index．asp．

[6]刘明昆编著．三维游戏设计师宝典～Virtools开发工具篇．四川：四川出版集团．四川I电子音像出版中心，2005

[7]刘明昆编著．三维游戏设计师宝典一Virtools技术实战篇．汕头：汕头大学出版社，2006．

[8]李昌国．基于3D 和Virtools技术的虚拟实验室架构设计[D]．四川I师范大学，2007．

[9]http：／／blog．hxsd．com．cn／blog／huangsixian／arficle／i19882．html，2007-7-10．

[1O]李欣《现代教育技术》虚拟实验室的设计与开发UJ．现代教育技术，2008，(O2)．

>>相关产品