基于Unity3D的VR特色教室的设计与实现
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作者:赵锋
摘要：虚拟教室是网络空间中创建的一个虚拟的可交互的教学系统，现代教育对虚拟教室的认识和创新应用已经发生翻天覆地的变化。文章以多媒体展厅素材为基础，利用Unity3D作为综合开发平台，创建了VR特色教室模型和交互功能开发，并利用自动寻路导航系统构建了伴随AI智能教师，在创新教育模式、提高教学质量、加强主题教育和业务融合等方面具有重要参考价值。
关键词：Unity3D;VR教室;虚拟教室;创新教育
中图分类号：TP311 文献标识码：A
文章编号：1009-3044（2020）33-0222-02
开放科学（资源服务）标识码（OSID）：
VR是虚拟现实技术的简称。虚拟现实技术是一种计算机仿真体验技术，利用该技术形成一种可以体验的虚拟仿真环境，通过沉浸式的手段，结合声音、图像以及触觉感知等传感系统，让用户可以体验到身临其境的感觉[1]。VR教室又称虚拟教室，在传统的认识中，虚拟教室是通过电子白板、聊天室和其他音视频交流工具为主要途径，以二维界面为主要交互接口，模拟传统课程教学功能的一种远程辅助教育系统。随着社会的发展和技术的进步，目前人们对虚拟教室的认识发生了颠覆性变化，新的虚拟教室融合了人工智能、实时跟踪、高清通讯、大数据应用和全息图谱等多项先进技术，通过实时模拟真实的教室环境，为学生和老师打造一种跨时空、可交互、带情感的三维智慧虚拟空间。利用虚拟现实技术搭建专题教育的特色教室，能够有效调动学员们的听觉、视觉和触觉感官，通过全方位的图像、视频展示，借助有效的沟通交流和全覆盖的教学讲解，在虚拟现实和增强现实的教学环境中，将教学体验提升到新的水平。
1 VR教室的特点与发展现状
伴随着科技的进步和社会的发展，众多的新兴技术被应用到现代教育各个环节中来，衍生出远程教育、数字课堂、虚拟教室、智慧教室等概念。虚拟教室，顾名思义就是在网络空间中建立一个虚拟的可交互的教学系统，一个具有传统教室功能的虚拟空间[2]。早期的虚拟教室多以校园网为载体，为学员提供文本交互、白板展示和资源共享，形式上比较单一，功能上比较简单。近年来，基于虚拟现实技术构建的虚拟教室越来越受到重视，利用虚拟教室系统的学员可以在场景中选择自己的角色，在一个共同的虚拟教室空间中相互沟通，也可以与场景中三维对象进行交互，自动切换、自动漫游，通过语言和文本与虚拟教师进行交流，虚拟教师会做出相应的反馈回答学员疑问或开展课程内容的讲解，帮助学员理解学习内容。
VR教室不同于一般的网络教室，它是网络时代教学方式变革的一个产物，解决了传统多媒体教室和电子阅览室无法解决的问题[3]。根据虚拟教室开发技术的不同，我们可以将虚拟教室划分为基于虚拟现实技术的虚拟教室、基于计算机协作学习技术的虚拟教室、基于网络视频会议系统的虚拟教室和基于流媒体技术的虚拟教室，比较典型的应用有基于CSCL技术开发的爱康虚拟教室、基于视频会议系统开发的视维虚拟教室等。
美国普渡大学图形实验室开发的一个基于虚拟3D技术的虚拟教室系统，借助将远程学生的视频实时投影在教室后墙的虚拟桌椅上的方法，实现了对现实教室的虚拟扩展[2]。2017年10月，牛津大学赛德商学院启用了一间全新的虚拟教室——牛津国际虚拟教育中心（Oxford Hub for Intemational Virtual Edu-cation，简称Oxford HIVE牛津蜂巢），它融合了多项尖端科技，包括机器人学、人脸识别以及4D高清投影等，为使用虚拟教室的师生打造独特的沉浸式教学体验，实现了全球同步教学。2020年疫情期间，西班牙马德里的IE商学院利用欧洲第一间虚拟教室WOW ROOM开展授课，能通过面部识别和情感识别系统关注学员们的表情变化，进行实时互动，课程参与性强，师生表现从容，线上线下教学无缝衔接。
目前，我国的虚拟教室的建设工作受到各方教育部门和高校的投入和支持正如火如荼开展。虚拟教室的出现促使传统教育理念发生革命性的变化，虚拟教室对传统教室的延伸，跨越了物理空间的限制，提供了一个物理空间和虚拟空间无缝连接的开放的教学环境，随着教学资源的不断丰富和网络资源的不断更新，虚拟教室已经成为全球化教育环境下的新型教育媒介，正在不断发展和走向逐步完善[4]。VR与教育的结合，势必会引起教育领域一场新的变革发展。
2 VR特色教室需求分析与开发过程
课题组所开发的VR特色教室，初衷并非用于实时的在线课程教学和师生互动交流，主要规划是想通过新型的虚拟现实技术手段挖掘基层党建工作的数字资源，模拟传统的主题教育工作展览实景，在盘活基层组织主题教育工作素材的基础之上，推动虚拟现实技术与主题教育工作的深度融合，从而促进主题教育和业务能力的磨合，提升党员们主题教育的参与热情。面对党的十九大提出的加强党性锻炼新要求，作为战斗堡垒的各基层党组织更需要把主题教育放在更突出的位置上，积极探索主题教育新模式，挖掘主题教育新途径新资源，开创主题教育新技术新方法。项目以虚拟现实技术应用为支撑，以实践创作为主、理论研究为辅，在主题教育、党风廉政建设中融人技术力量，通过结合相关软件引擎和硬件体验设备，点对点的构建虚拟化特色教室和漫游交互系统。
VR特色教室的开发设计主要包括两大部分：一是对虚拟教室场景和AI教师的建模设计，二是对场景交互组件和主题教育素材讲解内容的设计。项目研究采用Unity3D作為综合开发平台，通过合理布局教室空间和漫游交互组件，应用Photo-shop对教室照片进行处理生成贴图，应用MAYA构建虚拟教室三维仿真模型、AI智能教师角色建模等，最后将完成的场景和模型导出为FBX文件格式导人到Unity3D进行场景组件的触发控制和交互设计，添加光照和材质效果，再通过VR套件实现虚拟教室中的音视频播放和图文展示，以C#语言实现手柄和键盘操纵交互。项目开发所涉及的软件主要包括Photoshop、Ma-ya、Unity3D、Photo Scan、PT GUI PRO、Steam等，交互是本课题研究的关键技术之一，借助虚拟现实设备改革传统主题教育学习浏览方式，拓宽浏览者视野，创新沉浸式教学体验。 3 VR特色教室设计与实现
3.1 VR特色教室模型制作
模型的制作主要包括虚拟教室的布局结构、天花板、墙体和地面的材质、窗户、黑板、室内装饰灯具造型、桌椅和投影平台设计、音影播放设备模型以及教室廊道展品的贴图设计。项目开发选择了普通的多媒体教室作为原型，但对虚拟场景建模时做了适度的移位和简化处理，仅完成了一个近似模型。虚拟场景模型采用分散单独设计，然后再导入场景中组合的方式，先利用MAYA建立三维模型，然后将这些三维模型分别摆放到教室内合适位置，再利用多维材质贴图方式尽可能展示原貌，以减少模型面数，降低系统运行负载，加快了系统运行速度。为了保证建立的模型与真实世界的尺寸一致，且需要保证多个场景组合出来的项目单位一致，对MAYA进行正确的单位设置就很重要了，项目设置MAYA默认为毫米单位，在Unity3D中默认为米单位。
在模型创建过程中，贴图的作用至关重要，需要针对模型的内容选择合适的纹理贴图赋予不同的教室环境组件。项目中绝大部分贴图均来自多媒体教室的实地拍摄，但都经过了裁剪、调色、优化处理，统一采用标准图文格式保存。模型建立完成后，还对模型进行了二次优化，适当减小了文件大小，保证系统的流畅度。
3.2 VR特色教室交互功能开发
利用Unity3D自带的自动寻路导航系统，我们将学员挑选的角色模型设置成AI自动跟随目标，从而实现AI角色自动跟随讲解功能。在具体实现中，借助Unity3D自带的寻路导航系统通过烘焙，将场景中除学员和讲解教师之外的其他对象信息记录并存储在Nav Mesh网格文件中，再创建导航代理NavMesh Agent组件以实现让AI教师跟随指导的功能，导航代理组件附着在跟踪寻路的AI教师身上。
在虚拟教室中进行深度学习过程中，学员也可以随时利用鼠标、文本或者按钮和伴随的AI教师进行沟通，交互的内容包括有关墙面展品深度的文字或音频讲解、多媒体投影设备开关和控制、电视影像组件中教学内容的播放和停止控制、相关学习内容的链接选择、AI教师的肢体语言动作等。多媒体投影内容主要采用贴图替换的方法，通过将图像贴图逐帧连续替换模拟动态影像，并同步播放贴图配套音频，按照学员在教室学习的常规模式进行仿真，AI伴随教师对于学员有疑惑的问题能做出回应，通过文本或者音频的形式进行解答，但在遇到无法解答的问题时也会配合一定的肢体动作进行交互。
4 VR特色教室应用的成效
VR特色教室基于虚拟现实功能设计，以沉浸感作为视听体验学习的典型特征，无疑能为学科教育带来巨大变革。课题组将VR特色教室与主题教育相结合，颠覆了传统主题教育中观花浏览、被动灌输的教育模式，替换为沉浸学习、主动认知的教育方法，对于提升党员党性素养、增强党建与技术的融合方面成效显著。
4.1 创新主题教育活动模式，提升学员主题教育学习主动性
项目打破了传统的虚拟教室使用习惯，将技术引入到主题教育主题中来，改变了过去浏览参观、驻足打卡式的主题教育活动模式，借助新兴的虚拟现实技术开展专题教学和主题教育活动。通过创建虚拟教室平台，配合相应的教学体验设备，让学员能仔细观察作品细节，体验作品产生的时代背景，感受作品的启迪效果。同时，VR身临其境的特点又能满足学员个性化的需求，对学什么内容、学多长时间、怎样深化学习可以由学员自己决定，沉浸式场景为学员探究式学习提供了可能，极大增强了学员主题教育学习主动性，提升了主题教育教学质量。
4.2 抢占技术高地，弥补了主题教育场地资源上的不足
随着新时代各地红色教育资源和爱国主义基地的不断挖掘和开发，可供各级党组织开展主题教育学习的场地选择也越来越多，各种拓展红色教育的途径也应该更加丰富，但事实却是相反，当前各级基础组织能够集中所有党员亲赴教育场地的时间和次数却捉襟见肘，在这种情况下，借助新兴技术打造主题教育资源的线上基地，用普通虚拟教室这种仪式感的学习方式开展党员主题教育活动，正好弥补了主题教育场地资源和时间安排上的不足，同时抢占了新技术高地，顺应时代潮流打造互联网思维模式的主题教育平台，盘活各基层组织自己的主题教育素材，打造个性化的培训虚拟教室。
4.3 组建技术型队伍，破解了党建和业务两张皮的难题
虚拟教室有效地解决了以往远程教学中缺少课堂气氛，缺乏人文关怀，学员学习归属感差，学习自觉性和积极性无法调动的缺陷，教学内容可以和传统的实地场景组织学习相结合，通过图文并茂、音视频同步的教学方式，既达到了震撼的教学效果，又有利于及时更新教学内容，锻炼技术队伍，降低教育成本，更好地提升主题教育效果，真正意义上实现了党建与教学、科研的深入融合。
5 结语
由于采用MAYA和Unity3D创建了特色虚拟教室的建模，并利用C#语句实现了类似真实教室空间中的组件交互和师生交流功能，学员在虚拟教室空间如同置身真实的学习实景，可以借助手柄或键盘展开交互，也可以与虚拟AI教师实时沟通交流。项目组巧妙地将教学展览内容替换为基层党组织的主题教育素材，将学科建设中应用较多的VR虚拟教室应用到主题教育工作中来，达到提升党员学习积极性、锻炼党员技术骨干力量、增强党建和业务深度融合的目的。项目实施中也存在较多不足，如对虚拟AI教师的人形模型设计、对教室模型的艺术化渲染处理以及教学素材的形式多样化建设等都有较大的提升空间，因此，下一步工作将继续完善模型，进一步拓展交互形式，丰富教学内容。
参考文献：
[1]刘扬.初探逆向與虚拟现实技术在非物质文化遗产上的应用[J].当代图书馆，2020（2）：19-21.
[2]王麒，刘军.虚拟教室研究现状与未来展望[J]，计算机与教育：新技术、新媒体的教育应用与实践创新——全国计算机辅助教育学会第十五届学术年会论文集，2012：486-493.
[3]尹国斌，虚拟教室系统的设计与实现[D].重庆：西南大学，2009.
[4]王胜清，面向智慧校园的虚拟教室设计与大学教法创新[J].中国教育信息化，2013（15）：54-56.
【通联编辑：朱宝贵】
作者简介：赵锋（1980-），男，硕士，副教授，主要研究方向为虚拟增强现实艺术。
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