利⽤unity3D快速开发虚拟现实（VR）教学课件
1.引⾔
1.1撰写⽬的
近年来，各种信息技术飞速发展，给教育教学带来了新思路，VR作为⼀种展⽰技术，可以帮助⽼师改变教学⽅法，优化教学。本⽂介绍了⼀种使⽤unity3D快速开发VR教学课件的⽅案，适⽤于⼀线教育⼯作者开发虚拟现实相关教育资源时使⽤。⽬前市⾯上有较多的虚拟现实开发资料，但这些资料存在着⼀些问题，⼀⽅⾯⼤量的资料都是零散的，不适合于没有软件开发经验的初学者直接学习，另⼀⽅⾯成体系的资料都以讲解虚拟现实游戏的开发⽅法为主较少有讲解虚拟现实教育资源开发的资料。
新⼿开发者可以通过本⽂了解 VR 教育资源的简易开发流程并尝试开发， 本⼿册中使⽤的 VR 设备属于分离式设备，分离式设备造价便宜并且便于携带⼗分适合于教育场景中应⽤，开发者只需要将开发好的资源打包成⼿机应⽤程序安装包就可以发布给学习者使⽤。但分体式设备也存在交互⼿段匮乏，显⽰效果不佳，不是⽆缝体验等问题。
1.2⽂档说明
本⽂中提到的 VR 教育资源特指沉浸式虚拟环境下的教育课件，⽂中讲到的开发流程也仅适⽤于该类型
资源的开发。开发过程中需要⽤到⼀些辅助软件， 可以在⽹络上⾃⼰寻下载链接。本⽂是国家级双创项⽬（编号：201710065036）的研究成果，是本团队成员通⼒合作的结果，未经允许不得私⾃转载。⽂中有部分图⽚来⾃⽹络，未到完整版权信息，如有侵权，可联系作者删除，谢谢。
1.3参考资料
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2.虚拟现实技术简介
2.1 虚拟现实是什么
虚拟现实技术另称为“计算机模拟显⽰技术”或“沉浸式多媒体”，涉及到计 算机图形学，传感器技术，多媒体技术，⼈机接⼝技术等多领域知识的综合。[5] 虚拟现实技术可以构造真实的三维⽴体空间，并利⽤⼀些辅助设备，使参与者获 得听觉、视觉、触觉等多种感觉的沉浸式体验。⽤户借⽤必要的设备还可以与这 个三维仿真虚拟环境进⾏全⽅位交互，从⽽产⽣“虚拟”的现实体验。实际上， 具有⾼度沉浸感的虚拟现实技术的出现可以追溯到⼆⼗世纪六⼗年代娱乐业中 的传感影院，其⽬的是吸引观众的注意。
2016 年虽然被称作虚拟现实的“元年”，这并不意味着虚拟现实是⼀门新兴 的研究领域，我国对于虚拟现实技术的研究⾃从上世纪 90 年代就开始了。近年 来，虚拟现实以及增强现实产业⼜呈现爆发式增长，⼯业与信息化部 2016 年公 布的《虚拟现实产业⽩⽪书》中展⽰，2015 年中的的虚拟现实⾏业规模接近 15.4 亿元，到 2020 年预计可超过 550 亿元。⼤量资本的涌⼊，使虚拟现实技术在各 ⾏各业都被⼤量应⽤，其中
军事训练，⼯业建筑，医疗卫⽣，游戏娱乐等⾏业的 应⽤较为成熟，这也为虚拟现实应⽤于教育事业提供了宝贵的经验。
虚拟现实技术为传统的中⼩学教育出版打开了⼀扇⼤门，其与教育游戏的结 合有可能改变传统的教育⽅式-通过提供虚拟现实内容体验层，让中⼩学学⽣更 快、更好地吸收⽂化知识。近⼏年我们可以看到 VR 虚拟现实技术不断的冲击着 教育领域这块⼟壤，把经过时间考证⽽证明优秀的技术与现有的传统教育⼿段相 结合，会为教育领域带来更多的可能性。
在这个信息技术越来越发达的时代，传统的教育模式已经不能满⾜社会对⼈ 才培养的需求。国家⼀直⾮常重视教育信息化的建设，发布⼀系列政策推动教育信息化的完善。在宏观政策上，国家对教育信息化的⽀持是 VR 与教育相结合前 景光明的有⼒保证。虚拟现实和在教学中的应⽤潜⼒巨⼤、前景⼴阔，主要体现 在运⽤虚拟现实具有激发学习动机、创设学习情境、增强学习体验、感受⼼理沉浸、跨
越时空界限、动感交互穿越和跨界知识融合等多⽅⾯的优势。虚拟现实的应⽤，能够为教育⼯作者提供全新的教学⼯具，同时能激发学⽣学习新知识的兴趣，让学⽣在动⼿体验中迸发出创新的⽕花。符合⽴⾜于学⽣的发展观，通过学⽣利⽤ VR 技术对知识的⾃我探索，在掌握基础知识的同时，培养了学⽣的能⼒，使对现实世界保持充分的好奇⼼，有助于促进学⽣良好学习态度的养成。
2.2虚拟现实技术的表现形式
1. 利⽤计算机屏幕画⾯展⽰的虚拟现实技术(⾮浸⼊式)
计算机屏幕显⽰
单纯利⽤计算机屏幕展⽰三维虚拟环境的虚拟现实技术应⽤最为⼴泛，使⽤代价也最为低廉，产品制
作也较为简单。典型的应⽤是对⽬标、场景、环境等的漫游时虚拟仿真实训，例如虚拟演播室等。M.Travassos Valdez 等⼈将桌⾯式虚拟现实技术⽤在远程教育当中，为学⽣提供了⾜够的学习空间，并使他们能更好的与设备进⾏交互
2.偏振式 3D ⽴体虚拟现实技术(半浸⼊式)
偏光式显⽰原理
根据光线的“振动⽅向”原理来组织原始图像，并且利⽤偏振显⽰器，向体验者展⽰两幅偏振⽅向有差异的图像，图像经过偏振眼镜后会在体验者的⼤脑中合成为⽴体图像，3D 电影就是其典型应⽤，现在⼤部分 AR(增强现实)技术也利⽤了该原理。
3.使⽤可穿戴设备的虚拟现实技术(浸⼊式)
可穿戴设备
使⽤可穿戴头盔加上辅助性控制设备，可以真正达到真实的“沉浸性”效果，体验者的代⼊感，现实感也会更强，利⽤辅助性控制设备可以实现全新的交互效果，代替传统电脑的⿏标键盘交互效果。这种技术也是本⽂的⽅案中将要使⽤的。
2.3虚拟现实技术的主要教学应⽤情境
1. ⽤于知识本体的学习
教师可利⽤ VR 的信息呈现功能，将⼀些难以利⽤传统教学⼯具表现的⾃然
现象、运动现象等通过 VR 技术转化为⾁眼可见的动态变化过程展⽰给学习者。 例如学习外国建筑⽂化时⽆法带领学习者真正出国观察，则可利⽤ VR 将外国建 筑建模后给予学习者观察，使学习者产⽣初步的直观体验。
2. 实验环境搭建
VR 特有的沉浸与交互特性可以将搭建虚拟的实验环境，以此作为真实实验 的预备或某些危险实验的模拟。例如《虚拟驾驶系统》可以使学⽣在学习初期不 必要在真实车辆上操作，也可利⽤系统模拟驾驶过程。此外，还可利⽤ VR 对某 些危险实验进⾏预演，例如⼴西⼤学的《⽆机化学虚拟实验实》允许学⽣在进⾏ 真实实验前⾸先利⽤虚拟实验室进⾏⼀次实验，这样可使学⽣更加熟悉实验流程， 减少实验事故的发⽣。
3. 虚拟环境的构造
该种形式通常⽤于构造虚拟的环境，常⽤于远程教育⽹络教育或减少环境构造的成本。例如使⽤ VR 技术搭建虚拟教室，可以使地理位置分离的师⽣同时登录虚拟教室，进⾏实时教学，或是搭建虚拟演播室减少实际演播室的使⽤成本。Bertram 等对警务⼈员在虚拟显⽰环境中和真实情境相⽐较，观察到警务⼈员在虚拟模拟场景中习得的知识与技能在真实场景应⽤中的迁移情况与传统的现场培训结果是⼀样的，充分显⽰了构造实验环境的作⽤。
3.课件的教学设计
3.1传统多媒体教育资源与 VR 教育资源⽐较
多媒体课件与VR课件⽐较
VR 课件与传统课件相⽐开发难度⼤，耗费时间长，修改困难。但之所以⼤量的教育⼯作者还投⼊⼤量的时间与精⼒在虚拟现实教育应⽤的研究，是因为其特有的技术特性，即沉浸性，交互性以及环境的创设能⼒。这些特性给教育变⾰带来了新的机会，也⿎舞着⼈们不断去研究它，优化它。
3.2教学设计流程
教学设计流程
在开发VR教育课件前⾸先需要对其中的内容进⾏教学设计，教学设计的任务是完成图3-1设计流程图中的前两个部分，即前端分析和学习设计。前端分析中需要确定教育资源所承载的学习内容，接着确定具体的学习⽬标，同时还需要对使⽤这⼀课件的潜在学⽣的特点进⾏调查，了解他们的情况，包括预备知识的掌握情况及认知能⼒的发展程度。前端分析部分VR课件的教学设计和传统课程的教学设计很类似。⽽学习设计模块是对VR 课件进⾏教学设计时需要重点关注的。内容设计部分主要是需要将学
习内容进⾏合理的分类并且设计相应的学习步骤，明确学⽣在使⽤课件每⼀部分时应达成的⽬标。学习情景设计指的是为不同类型的学习内容设计不同的学习情境以帮助学习者对知识内容进⾏建构，例如学习医学就需要设计医院或具体⼿术室的情境，学习机械制造则需要设计相应车间或⼯⼚的情境。学习评价也需要提前设计，通常来说需要设置形成性评价和总结性评价两种，形成性评价是在使⽤VR课件的过程中记录学习者的学习情况，活动完成情况等数据来进⾏评价，总结性评价是在学习结束后以测试的⽅式来对学习者进⾏评价。接下来课件的界⾯和交互也需要根据教学设计的情况来进⾏考虑和设计，要使⽤合适的界⾯和交互⽅式来表现教学设计的结果。
3.3VR教育资源中的界⾯和交互设计策略
3D虚拟环境下的学习界⾯需要遵循⼈机交互的界⾯设计相关原则，⼈机交互界⾯经历了⼏个阶段从最早的CLI命令⾏界⾯到现在通⽤的GUI图形⽤户界⾯以及最新也是⽬前效果最好的NUI⾃然⽤户界⾯。
图形交互界⾯不同的使⽤情况下有各异的呈现⽅式，就VR⽽⾔也不仅仅只存在⼀种交互⽅式，理论上来说VR可以提供⽐GUI更加丰富⾃然地交互形式，但受限于硬件设备的功能原因，本⽂开发⽅案中只会采⽤较为普遍的交互形式，现在介绍相关VR⼈机交互形式。
1)动作捕捉式交互
该交互形式可以通过设备传感器以及相应的可穿戴设备以及协同算法，计算出使⽤者动作改变在虚拟情境中产⽣中的影响，例如使⽤者在现实世界进⾏物理位移，则虚拟环境中⽤户视⾓也会产⽣成⽐例位移。。但是这种交互形式，⽤户需要耗费⼤量的时间进⾏初始校准，不便于使⽤，辅助设备的价格也过⾼。总体来说该交互技术使⽤不⼴泛，技术难度也较⾼，所以本课件不采⽤。
2)触觉反馈式交互
触觉反馈式交互通过辅助设备例如⼿柄，头盔等提供点击式触感和振动式触感，技术原理不复杂，应⽤成本也较低，⼤多数VR⼚商都提供该交互功能的编程借⼝，其反馈效果也适⽤于⼤多数需要反馈的情境，例如在虚拟环境中进⾏菜单选项选择时产⽣震动感。本课件采⽤此交互作为主要交互⽅式。
3)⼿势跟踪交互
⽬前⾏业内成熟的⼿势跟踪交互解决⽅案包括两种，第⼀种是使⽤光学的⼿势跟踪传感器例如leapmotion。这种⽅式的好处是不需要使⽤者穿戴复杂的跟踪设备，利⽤⼀体式VR头盔的光学追踪功能记录⼿部操作，⽤户可以像真实世界⼀样进⾏交互，不⾜在于光学设备的稳定性较差，有识别盲区，⽽且实验证明没有触感反馈的交互⽤户易于疲劳。
第⼆种是使⽤实体数据追踪⼿套，优点在于没有视场限制提供触感反馈以及较为精准的⼿势追踪，该
⽅式缺点也很明显，设备沉重，校准复杂。未来的发展趋势是两种⽅案的融合即光学传感器和物理传感器的结合使⽤，⽣产出更为轻便、灵活准确的设备。因为该交互形式对于硬件要求过⾼，所以本课件也不使⽤该种交互。
4)⽅向追踪交互
该交互形式是让使⽤者可以720度全⽅位控制视⾓的⽅向，这⼀特性也是VR设备沉浸性最好的体现。也是VR交互功能的核⼼所在。在⽅向追踪的情况下，还可以提供定时瞄点的功能，定时瞄点是操作者穿戴设备后视⾓有⼀个圆形瞄点，也被成为注视点，该点固定在⽤户视⾓的中⼼，⽤户可以通过⼀定时间的瞄点实现交互，例如在VR课件中提供跳转链接，学习者可以通过3到5秒对该链接的凝视实现交互，就像计算机操作中⿏标的单击操作。本课件主要使⽤此交互⽅式。
5)语⾳交互
语⾳可以作为学习者操作的提⽰⾳，⽽VR既然作为真实世界的虚拟技术，⾃然世界中本来就具有⼤量的⾳频信息所以在VR课件中也应该提供语⾳交互。真正意义上的语⾳交互要求系统不仅能够播放提前设计好的声⾳，还要能够识别⽤户的语⾳同时做出及时的响应，例如Siri。但由于这其中⽤到了语⾳识别技术、⼈⼯智能算法等技术，技术难度过⼤。本课件不采⽤双向的语⾳交互，只采⽤单向的语⾳提⽰功能。
6)真实场景碰撞
作为现实的虚拟，场景构建要尽量真实，同时场景中的物体也要符合现实的逻辑，所以本课件把系统内出现的所有物体都设计为“刚性”即和真实物体⼀样会产⽣碰撞，挤压。⽽不会产⽣重叠，降低真实性。
4.课件开发流程
4.1 课件开发整体流程

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