论文部分内容阅读
摘要：本文以初中信息技术课中的贪心算法为例，利用虚拟现实技术沉浸感和实时交互性的特征及优势，从模型搭建到动画设计阶段，再到交互设计阶段和最终项目的发布，论述了算法案例中虚拟现实技术的实现过程。案例的实现也将为之后的虚拟现实技术在信息技术课中其他教学内容方面的应用提供参考，让虚拟现实技术能够发挥更重要的作用。
关键词：算法思维;贪心算法;虚拟现实
中图分类号：G434 文献标识码：A 论文编号：1674-2117（2021）21-0043-03
引言
2018年，教育部正式发布《普通高中信息技术课程标准（2017年版）》，普通高中信息技术课程发生重大变化，这必然会给初中信息技术课程带来深远的影响。初中阶段的算法学习属于入门阶段，内容相对简单，但是会对学生之后的学习产生深远的影响。初中阶段的学习，相比于在技术层面实现编程，更注重学生对算法本身的理解和在生活情境中的应用，而虚拟现实技术特有的交互性和沉浸性等特征有助于学生对算法在情境中的理解和应用。
贪心算法
贪心算法通过把一个大问题分解成若干小问题的方式来解决问题，针对每个小问题给出当前看来最好的决策。贪心算法在生活中很常见，如在背包中尽可能装不超过总容量的物品，新医院、新学校、新快递站的最优选址、路径的选择问题中都蕴含着贪心算法，其理解难度也更符合初中学生的现有水平和认知能力。通过贪心算法的学习，学生分解问题的能力将会进一步提高，同时，贪心算法所蕴含的优化思想也能帮助学生合理地规划个人的学习和生活。
VR特征及其优势
虚拟现实（Virtual Reality，VR）是综合利用计算机图形系统和各种显示及控制等接口设备，在计算机上生成的、可交互的三维环境中提供沉浸的感觉，具有构想性、沉浸感和实时交互性的特征。[1]沉浸感和交互性被认为是虚拟现实技术最为重要的两个特征。
1.沉浸感
虚拟现实技术通过模拟与现实相似的真实环境，给人一种身临其境的感觉，使其获得沉浸式的学习体验。它可以进一步激发学生的学习动机，提高学生的学习兴趣，让学生更轻松地理解学习内容。虚拟现实技术营造的学习环境本身能够给学生带来一种“一对一”的关注感，这种心理体验也会在一定程度上调动学生的积极性。[2]
2.实时交互性
学生在虚拟现实技术构建的三维环境中，能够利用传感器和相关硬件设备与虚拟环境发生交互作用。学生不仅可以使用鼠标、键盘，在硬件设备允许的条件下还可以使用VR头盔、VR眼镜、手柄与虚拟环境实现交互并获得及时的反馈，在此过程中可以反复地操作和体验，实现个性化学习。
虚拟现实的这样特征，也让大众看到了它在教育领域应用的优势。虚拟实验室、漫游校园等虚拟现实技术与教育的结合，为学生创设了一个真实的情境并使学生集中精力投入其中，这也为利用虚拟现实技术把抽象的算法具体化，与信息技术课的贪心算法结合提供了新思路。
案例内容分析
在案例的选择和设计上应充分考虑学生的特点，并与现实生活中的问题相联系。案例改编的内容来源于国际计算思维挑战赛（Bebras）测试题，知识维度包含算法与编程、通信与网络等多个维度，题目情境化的特征符合初中信息技术课的教学要求。改编的题目是贪心算法下最短路径的相关测试题。
阿吉泰、安娜和李华住在呼和浩特——一个有良好地铁网络的城市，图1为城市网络的地图，地图显示了地铁站及其连接线，数字显示了在两个相邻车站之间旅行的成本。
阿吉泰住在呼和浩特火车站附近，安娜住内蒙古艺术学院附近，李华住在回中附近，他们想在地图上的某个车站见面。然而，他们每个人在地铁上的花费不能超过15元，也不能步行，那么他们可以在哪里见面？
通过虚拟现实技术呈现出该城市的三维立体环境，学生扮演这三个角色，体验在任意车站会面的路径并得出每次会面所需要的费用，最终选择出一条满足每个人需求的路线。
虚拟现实技术实现
1.模型搭建
首先，案例实现的第一步是利用建模软件搭建场景，使二维的平面题目变成三维立体环境。模型搭建对整个案例的实现至关重要，后续过程中动画和交互的设计都将在模型的基础上完成。打开建模软件C4D，使用几何体建模的方法搭建出场景的基本组成架构，使用多边形建模的方法，将几何体分段后转变为可编辑对象，在点、线、面模式下通过滑动、笔刷等操作对画面层次、几何体的起伏特征进行更为细致的刻画。模型搭建的过程即先构建模型的整体轮廓，再细化到局部，采用从整体到局部建模的过程。模型的搭建不一定非得是现实的精准复现，可以根据实际需求，对一些细节进行适当的修改，或将无关细节删减，或将重要细节放大。
在搭建模型的过程中要建立合适的层级关系，将一个物体的其他组成部分进行组合并编写模型的名称，这样不仅方便编辑和修改，而且有利于给物体赋予材质，最重要的是利用模型的名称提高在交互设计过程中事件触发节点的准确性，以此根据意图实现交互任务。
场景搭建完成之后要赋予几何体材质，在赋予材质过程中只对物体的颜色进行设置，对反射、纹理的设置可能会因为与虚拟现实引擎软件之间不兼容而不能保留最终设置，因而不能通过纹理来表现几何体的细节。最后为场景添加物理天空，模拟现实光线，补充细节。将最终模型保存为3D模型通用格式FBX文件后导入到IdeaVR软件中，IdeaVR还包括系统自带的一些场景环境，可以选择与本次主题相符的场景进一步完善场景。
2.动画设计
建模软件的动画设计与引擎之间不兼容，但是二者设置动画的原理一致，在虚拟现实引擎中也使用关键帧动画的设置方法。案例以摄像机视角作为第一视角，可以使学生产生沉浸感。
在正式进入动画设置之前要提前规划，写出动画制作的脚本，在动画设计中，运动节奏的好坏对动画的最终效果产生直接影响[3]，所以要根据动画脚本厘清动作发生的前后顺序，之后还可以根据实际情况调整动画，確定开始帧和结束帧，即确定摄像机的运动路径，计算摄像机的运动时间及速度，拖动时间轴记录关键帧，控制好整体的运动节奏。在后续交互设计时，还要根据交互指令触发事件、调动动画，所以要将动画切割分段后进行保存。 3.交互设计
交互设计的目的是实现三维动画的播放、漫游、操控虚拟场景中三维模型等各种交互功能。[4]IdeaVR取代了传统代码编辑器，通过拖拽逻辑单元模块和连线即可定义场景交互逻辑。打开交互编辑器，可以使用手柄、鼠标、键盘等硬件接入实现交互，也可以使用空间触发器实现交互，考虑到教学实际情况使用的交互方式为鼠标和键盘。首先，如图2所示，新建一个画布，激活任务并选择触发方式，选择左击鼠标的方式触发交互，而节点是实现交互的媒介，把在模型搭建阶段命名好的相关几何体即节点拖动进来，与鼠标建立连接，之后再将动画设计阶段保存的分段动画拖动进来，这是一个完整的交互设计，将其保存为ITR格式工程文件，最后把设计好的多个交互拖动到一个新的画布，保存为MGR格式，这样才能保证所有交互正常触发。
在交互的设计过程中还可以对场景事件的显隐性、颜色、亮暗等属性进行改变。一条路线走过之后环境事物颜色变暗，突出显示当前路线及周围物体，以此降低学生的认知负荷，适应学生的认知历程，在此过程添加相关音效、声音增强沉浸感，营造空间感和距离感，提升学习效果。
在案例使用的过程中，学生可以根据自己的喜好與要求及操作使用的环境条件，以人机对话的方式对要素属性及重组方式进行选择[5]，学生选择哪条路径，都是探究的过程，也将体现相应的教学策略，以实现最终的教学目的。
4.场景导出
IdeaVR支持多种导出方式，包括导出到自带播放器、导出到VR眼镜或LED大屏、桌面运行程序（.exe）格式文件，可以根据实际的硬件条件及需求导出相应格式。
学生在体验过程中，可以以每个站点为终点，从三个人各自的地点出发，依次通过所选路径，计算最终费用，判断三个人的花费是否都不超过十五元，选择出合适的方案。
结语
利用虚拟现实技术实现贪心算法的教学是一个全新的尝试，交互的实现虽然依赖硬件设备，但更为重要的是交互设计中所蕴含的策略对学生学习过程产生的影响。本次案例的实现也将为之后虚拟现实技术在信息技术课中其他教学内容方面的应用提供参考，让虚拟现实技术能够发挥更重要的作用。
参考文献：
[1]何伟.VR+虚拟现实构建未来商业与生活新方式[M].北京：人民邮电出版社，2016.
[2]丁楠，汪亚珉.虚拟现实在教育中的应用：优势与挑战[J].现代教育技术，2017，27（02）：19-25.
[3]吴磊.基于虚拟现实技术（VR）的动画交互性设计分析[J].信息技术，2019（07）：125-128，132.
[4]刘俐利，凌毓涛，王艳凤.虚拟学习环境中构建三维动画资源与交互设计研究[J].中国电化教育，2014（02）：123-128.
[5]李小平，陈建珍，赵丰年，等.AR/VR学习情境设计问题的研究[J].现代教育技术，2017，27（08）：12-17.
作者简介：郝思晨（1997—），内蒙古农业大学，内蒙古师范大学教育学院，硕士，研究方向为现代教育技术;边琦，教授，内蒙古师范大学教育技术学系硕士。
基金项目：内蒙古自治区2021自然科学基金项目（项目编号：2021LHMS0611），项目名称为“开放课程中虚拟教学情境关键技术研究与实践”。
关键词：算法思维;贪心算法;虚拟现实
中图分类号：G434 文献标识码：A 论文编号：1674-2117（2021）21-0043-03
引言
2018年，教育部正式发布《普通高中信息技术课程标准（2017年版）》，普通高中信息技术课程发生重大变化，这必然会给初中信息技术课程带来深远的影响。初中阶段的算法学习属于入门阶段，内容相对简单，但是会对学生之后的学习产生深远的影响。初中阶段的学习，相比于在技术层面实现编程，更注重学生对算法本身的理解和在生活情境中的应用，而虚拟现实技术特有的交互性和沉浸性等特征有助于学生对算法在情境中的理解和应用。
贪心算法
贪心算法通过把一个大问题分解成若干小问题的方式来解决问题，针对每个小问题给出当前看来最好的决策。贪心算法在生活中很常见，如在背包中尽可能装不超过总容量的物品，新医院、新学校、新快递站的最优选址、路径的选择问题中都蕴含着贪心算法，其理解难度也更符合初中学生的现有水平和认知能力。通过贪心算法的学习，学生分解问题的能力将会进一步提高，同时，贪心算法所蕴含的优化思想也能帮助学生合理地规划个人的学习和生活。
VR特征及其优势
虚拟现实（Virtual Reality，VR）是综合利用计算机图形系统和各种显示及控制等接口设备，在计算机上生成的、可交互的三维环境中提供沉浸的感觉，具有构想性、沉浸感和实时交互性的特征。[1]沉浸感和交互性被认为是虚拟现实技术最为重要的两个特征。
1.沉浸感
虚拟现实技术通过模拟与现实相似的真实环境，给人一种身临其境的感觉，使其获得沉浸式的学习体验。它可以进一步激发学生的学习动机，提高学生的学习兴趣，让学生更轻松地理解学习内容。虚拟现实技术营造的学习环境本身能够给学生带来一种“一对一”的关注感，这种心理体验也会在一定程度上调动学生的积极性。[2]
2.实时交互性
学生在虚拟现实技术构建的三维环境中，能够利用传感器和相关硬件设备与虚拟环境发生交互作用。学生不仅可以使用鼠标、键盘，在硬件设备允许的条件下还可以使用VR头盔、VR眼镜、手柄与虚拟环境实现交互并获得及时的反馈，在此过程中可以反复地操作和体验，实现个性化学习。
虚拟现实的这样特征，也让大众看到了它在教育领域应用的优势。虚拟实验室、漫游校园等虚拟现实技术与教育的结合，为学生创设了一个真实的情境并使学生集中精力投入其中，这也为利用虚拟现实技术把抽象的算法具体化，与信息技术课的贪心算法结合提供了新思路。
案例内容分析
在案例的选择和设计上应充分考虑学生的特点，并与现实生活中的问题相联系。案例改编的内容来源于国际计算思维挑战赛（Bebras）测试题，知识维度包含算法与编程、通信与网络等多个维度，题目情境化的特征符合初中信息技术课的教学要求。改编的题目是贪心算法下最短路径的相关测试题。
阿吉泰、安娜和李华住在呼和浩特——一个有良好地铁网络的城市，图1为城市网络的地图，地图显示了地铁站及其连接线，数字显示了在两个相邻车站之间旅行的成本。
阿吉泰住在呼和浩特火车站附近，安娜住内蒙古艺术学院附近，李华住在回中附近，他们想在地图上的某个车站见面。然而，他们每个人在地铁上的花费不能超过15元，也不能步行，那么他们可以在哪里见面？
通过虚拟现实技术呈现出该城市的三维立体环境，学生扮演这三个角色，体验在任意车站会面的路径并得出每次会面所需要的费用，最终选择出一条满足每个人需求的路线。
虚拟现实技术实现
1.模型搭建
首先，案例实现的第一步是利用建模软件搭建场景，使二维的平面题目变成三维立体环境。模型搭建对整个案例的实现至关重要，后续过程中动画和交互的设计都将在模型的基础上完成。打开建模软件C4D，使用几何体建模的方法搭建出场景的基本组成架构，使用多边形建模的方法，将几何体分段后转变为可编辑对象，在点、线、面模式下通过滑动、笔刷等操作对画面层次、几何体的起伏特征进行更为细致的刻画。模型搭建的过程即先构建模型的整体轮廓，再细化到局部，采用从整体到局部建模的过程。模型的搭建不一定非得是现实的精准复现，可以根据实际需求，对一些细节进行适当的修改，或将无关细节删减，或将重要细节放大。
在搭建模型的过程中要建立合适的层级关系，将一个物体的其他组成部分进行组合并编写模型的名称，这样不仅方便编辑和修改，而且有利于给物体赋予材质，最重要的是利用模型的名称提高在交互设计过程中事件触发节点的准确性，以此根据意图实现交互任务。
场景搭建完成之后要赋予几何体材质，在赋予材质过程中只对物体的颜色进行设置，对反射、纹理的设置可能会因为与虚拟现实引擎软件之间不兼容而不能保留最终设置，因而不能通过纹理来表现几何体的细节。最后为场景添加物理天空，模拟现实光线，补充细节。将最终模型保存为3D模型通用格式FBX文件后导入到IdeaVR软件中，IdeaVR还包括系统自带的一些场景环境，可以选择与本次主题相符的场景进一步完善场景。
2.动画设计
建模软件的动画设计与引擎之间不兼容，但是二者设置动画的原理一致，在虚拟现实引擎中也使用关键帧动画的设置方法。案例以摄像机视角作为第一视角，可以使学生产生沉浸感。
在正式进入动画设置之前要提前规划，写出动画制作的脚本，在动画设计中，运动节奏的好坏对动画的最终效果产生直接影响[3]，所以要根据动画脚本厘清动作发生的前后顺序，之后还可以根据实际情况调整动画，確定开始帧和结束帧，即确定摄像机的运动路径，计算摄像机的运动时间及速度，拖动时间轴记录关键帧，控制好整体的运动节奏。在后续交互设计时，还要根据交互指令触发事件、调动动画，所以要将动画切割分段后进行保存。 3.交互设计
交互设计的目的是实现三维动画的播放、漫游、操控虚拟场景中三维模型等各种交互功能。[4]IdeaVR取代了传统代码编辑器，通过拖拽逻辑单元模块和连线即可定义场景交互逻辑。打开交互编辑器，可以使用手柄、鼠标、键盘等硬件接入实现交互，也可以使用空间触发器实现交互，考虑到教学实际情况使用的交互方式为鼠标和键盘。首先，如图2所示，新建一个画布，激活任务并选择触发方式，选择左击鼠标的方式触发交互，而节点是实现交互的媒介，把在模型搭建阶段命名好的相关几何体即节点拖动进来，与鼠标建立连接，之后再将动画设计阶段保存的分段动画拖动进来，这是一个完整的交互设计，将其保存为ITR格式工程文件，最后把设计好的多个交互拖动到一个新的画布，保存为MGR格式，这样才能保证所有交互正常触发。
在交互的设计过程中还可以对场景事件的显隐性、颜色、亮暗等属性进行改变。一条路线走过之后环境事物颜色变暗，突出显示当前路线及周围物体，以此降低学生的认知负荷，适应学生的认知历程，在此过程添加相关音效、声音增强沉浸感，营造空间感和距离感，提升学习效果。
在案例使用的过程中，学生可以根据自己的喜好與要求及操作使用的环境条件，以人机对话的方式对要素属性及重组方式进行选择[5]，学生选择哪条路径，都是探究的过程，也将体现相应的教学策略，以实现最终的教学目的。
4.场景导出
IdeaVR支持多种导出方式，包括导出到自带播放器、导出到VR眼镜或LED大屏、桌面运行程序（.exe）格式文件，可以根据实际的硬件条件及需求导出相应格式。
学生在体验过程中，可以以每个站点为终点，从三个人各自的地点出发，依次通过所选路径，计算最终费用，判断三个人的花费是否都不超过十五元，选择出合适的方案。
结语
利用虚拟现实技术实现贪心算法的教学是一个全新的尝试，交互的实现虽然依赖硬件设备，但更为重要的是交互设计中所蕴含的策略对学生学习过程产生的影响。本次案例的实现也将为之后虚拟现实技术在信息技术课中其他教学内容方面的应用提供参考，让虚拟现实技术能够发挥更重要的作用。
参考文献：
[1]何伟.VR+虚拟现实构建未来商业与生活新方式[M].北京：人民邮电出版社，2016.
[2]丁楠，汪亚珉.虚拟现实在教育中的应用：优势与挑战[J].现代教育技术，2017，27（02）：19-25.
[3]吴磊.基于虚拟现实技术（VR）的动画交互性设计分析[J].信息技术，2019（07）：125-128，132.
[4]刘俐利，凌毓涛，王艳凤.虚拟学习环境中构建三维动画资源与交互设计研究[J].中国电化教育，2014（02）：123-128.
[5]李小平，陈建珍，赵丰年，等.AR/VR学习情境设计问题的研究[J].现代教育技术，2017，27（08）：12-17.
作者简介：郝思晨（1997—），内蒙古农业大学，内蒙古师范大学教育学院，硕士，研究方向为现代教育技术;边琦，教授，内蒙古师范大学教育技术学系硕士。
基金项目：内蒙古自治区2021自然科学基金项目（项目编号：2021LHMS0611），项目名称为“开放课程中虚拟教学情境关键技术研究与实践”。