信息技术（第2版）（拓展模块）拓展模块12 虚拟现实技术

课题名称授课类型授课对象授课课时所授课程授课地点所授教材一、学情分析本课程授课对象为高职各专业大一学生，课程开设在大一第二学期，学生情况在知识储备、学习特点和信息素养的情况如下。1.知识储备学生在高职或高中已经学习了信息技术课程，并且在大一第一学期已经完成了高职信息技术（基础模块）的学习，具备了基础的信息技术知识和技能。2.学习特点授课对象都是零零后的学生，在学习方面表现出如下特点。（1）喜欢实践动手操作，厌烦枯燥乏味的理论讲解；（2）喜欢任务式引导，情境设定，参与其中，厌烦平淡无极的说教；（3）乐于接受可视化教学资源，反感静态纸质学习材料；（4）偏爱颗粒化、模块化的学习过程，排斥时间冗长的教学过程；（5）对挑战性的题目感兴趣，对基础性题目求知欲偏低；（6）喜好电脑与互联网的应用，线上操作所见即所得可以引发学习兴趣。3.信息素养学生通过高职或高中信息技术课程的学习，具备了基础的信息技术学科素养，有一定的信息意识和信息社会责任，但是在数字化学习与创新方面仍需加强。二、教学内容教材分析：《信息技术》涵盖信息的获取、表示、传输、存储、加工、应用等各种技术。信息技术已成为经济社会转型发展的主要驱动力，是建设创新型国家、制造强国、网络强国、数字中国、智慧社会的基础支撑。提升国民信息素养，增强个体在信息社会的适应力与创造力，对个人的生活、学习和工作，对全面建设社会主义现代化国家具有重大意义。本节课选自单元11虚拟现实技术，主要讲解关于虚拟现实技术基础知识，可采用知识讲解、小组讨论、案例教学等形式，配合图片、视频等教学资源，介绍虚拟现实的基本概念、发展历程、应用场景、未来趋势等，并可通过使用虚拟现实设备体验虚拟现实应用，加深学生对虚拟现实技术的直观认识，了解虚拟现实的应用场景和价值。遵循《高等职业教育专科信息技术课程标准》，公共基础课教学应与培养目标相适应，部分单元可以考虑与专业结合。基于以上几点，我对教学内容做了以下处理：1.关于虚拟现实应用开发流程和工具，可采用知识讲解、小组讨论等形式，配合图片、视频等教学资源，使学生了解虚拟现实应用开发的整个流程，包括策划设计、美术素材设计与制作、交互功能开发、应用程序发布等，并了解各阶段的常用工具。2.关于简单虚拟现实应用程序开发，可采用案例教学、小组讨论、项目实践等形式，采用一种主流虚拟现实引擎开发工具并辅以详细的项目辅助资料，要求学生完成一个简单虚拟现实应用程序的开发，通过实际项目的开发，使学生进一步熟悉虚拟现实应用开发的整个流程，并掌握虚拟现实引擎开发工具的使用方法。3.课程以学生理解虚拟现实为基础，尝试使用虚拟现实软件。1.知识目标2.能力目标3.素养目标四、教学重难点八、教学环节教学环节教学内容教学活动策略与意图环节一课程导入与学习任务(10分钟)向学生提问：同学们是否了解虚拟现实？虚拟现实技术(英文名称：VirtualReality，缩写为VR)，是20世纪发展起来的一项全新的实用技术。虚拟现实技术囊括计算机、电子信息、仿真技术，其基本实现方式是计算机模拟虚拟环境从而给人以环境沉浸感。随着社会生产力和科学技术的不断发展，各行各业对VR技术的需求日益旺盛。VR技术也取得了巨大进步，并逐步成为一个新的科学技术领域。虚拟现实技术受到了越来越多人的认可，用户可以在虚拟现实世界体验到最真实的感受，其模拟环境的真实性与现实世界难辨真假，让人有种身临其境的感觉；同时，虚拟现实具有一切人类所拥有的感知功能，比如听觉、视觉、触觉、味觉、嗅觉等感知系统；最后，它具有超强的仿真系统，真正实现了人机交互，使人在操作过程中，可以随意操作并且得到环境最真实的反馈。正是虚拟现实技术的存在性、多感知性、交互性等特征使它受到了许多人的喜爱。【学习任务】通过本节内容的学习，完成下列学习任务：

1.在学习过程中认真复习，梳理记录好学习笔记；2.了解虚拟现实；3.了解虚拟现实发展历程；4.了解虚拟现实未来发展行业；5.了解虚拟现实涉及行业；6.了解虚拟现实未来趋势；了解虚拟现实应用场景了解虚拟现实简单制作流程9.通过小组学习，培养与人沟通、协同工作、口才表达等能力；10.完成单元考核评价中的相关任务。教师活动1.向学生提问，进行课程导入。2.介绍虚拟现实技术小节的学习任学生活动1.积极思考，回答问题。3.明确本小节的学习任务4.思考记录1.问题教学法，通过提问引到学生进入到课程主题2.讲授教学法，介绍虚拟现实技术概述、本节知识图谱及学习任务，使学生了解本节教学内容的全貌教学环节教学内容教学活动策略与意图环节二认知虚拟现实技术(20分钟)12.1认知虚拟现实技术虚拟现实涉及学科众多，应用领域广泛，系统种类繁杂，这是由其研究对象、研究目标和应用需求决定的。从不同角度出发，可对VR系统做出不同分类。发展初期根据沉浸式体验角度和系统功能功能角度进行分类；应用领域包含游戏、影视与现场活动、建筑工程与施工、产品设计制造等四个区域块进行分类。12.1.1虚拟现实技术的基本概念1.根据沉浸式体验角度分类沉浸式体验分为非交互式体验、人——虚拟环境交互式体验和群体——虚拟环境交互式体验等几类。该角度强调用户与设备的交互体验，相比之下，非交互式体验中的用户更为被动，所体验内容均为提前规划好的，即便允许用户在一定程度上引导场景数据的调度，也仍没有实质性交互行为，如场景漫游等，用户几乎全程无事可做；而在人——虚拟环境交互式体验系统中，用户则可用过诸如数据手套，数字手术刀等的设备与虚拟环境进行交互，如驾驶战斗机模拟器等，此时的用户可感知虚拟环境的变化，进而也就能产生在相应现实世界中可能产生的各种感受。2.根据系统功能角度分类系统功能分为规划设计、展示娱乐、训练演练等几类。规划设计系统可用于新设施的实验验证，可大幅缩短研发时长，降低设计成本，提高设计效率，城市排水、社区规划等领域均可使用，如VR模拟给排水系统，可大幅减少原本需用于实验验证的经费；展示娱乐类系统适用于提供给用户逼真的观赏体验，如数字博物馆，大型3D交互式游戏，影视制作等，如VR技术早在70年代便被Disney用于拍摄特效电影；训练演练类系统则可应用于各种危险环境及一些难以获得操作对象或实操成本极高的领域，如外科手术训练、空间站维修训练等。3.虚拟现实技术的基本概念12.1.2虚拟现实技术的发展历程虚拟现实技术像大多数技术一样,不是突然出现的,它经过军事､企业界及学术实验室长时间研制开发后才进入民用领域｡虽然它在20世纪80年代后期被世人关注,但其实早在20世纪50年代中期就有人提出这一构想｡教师活动1.讲授虚拟现实技术的定义、虚拟现实技术的起源、虚拟现实技术的基本特征、虚拟现实技术与其他信息技术的融合；2.通过学校教学楼智能控制的案例，分析智慧建筑的应用场景及所用技术3.组织学生讨论及分析智能家居、智能交通等应用场景。学生活动2.积极思考案例，回答问题。3.参与互动讨论，理解物联网的应用场景。1.讲授教学法，介绍虚拟现实技术的定义、虚拟现实技术的起源、虚拟现实技术的基本特征、虚拟现实技术与其他信息技术的融合，使学生了解虚拟现实技术的概念。2.案例分析法，介绍学校教学楼智能控制的案例3.讨论法，互动讨论物联网的应用，促进学生对虚拟现实技术的理解。教学环节教学内容教学活动策略与意图环节三了解虚拟现实应用开发流程和工具(15分钟)12.2了解虚拟现实应用开发流程和工具本节介绍虚拟现实开发应用开发流程和工具，2020年9月召开第二十届中国虚拟现实大会，此次大会由中国计算机学会、中国图像图形学学会、中国仿真学会等三个国家一级科技学会共同主办。如何利用数字化的模式展现虚拟场景，让人们感受到真实的世界并与之交互，是业界追求的终极目标。虚拟现实，是一门集成多产业串联的庞大产业链，2021年人力资源社会保障部、工业和信息化部共同制定了多个国家职业技术技能标准；覆盖物联网、大数据、云计算、人工智能、工业互联网、集成电、数字化等领域为基础服务链；覆盖智慧医疗、智慧城市、数字贸易、技术服务、文化贸易等领域为中级行业链。12.2.1虚拟现实应用开发流程统设计与资料的收集与整理通过PS和3DSMAX等三维软件来处理纹理和构建真实场景的三维模型，然后导入到引擎构效，图形界面，插件，灯光设置渲染，编写交互代码，后发布设置制作三维模型构建三维模型，在虚拟场景中看到的任何物品或者模型都是真实场景中实物的再现绘制模型贴图展开模型的贴图坐标；PS软件中利用已有素材合成模型的固有色贴图；在三维软件中赋予材质和贴图并调整贴图测试灯光并烘焙贴图测试渲染并不断调整灯光参数，达到满意的渲染效果；烘焙光照效果贴图，并在PS中对烘焙出的贴图做进一步的修改调整虚拟交互制作除了场景模型的优化之外，交互技术也是虚拟现实项目的关键。引擎负责整个场景中的交互功能开发，是将虚拟场景与用户链接在一起的开发纽带，协调整体虚系统的工作和运转。环境灯光制作基本渲染都是通过插件来实现，在需要高亮的地方设置灯光，效果就是看到台灯真正可以感受到发亮的效果，地面倒影的效果和太阳光折射的效果发布输出通过UI设计、动效设计、VR测试、界面设计、接口设计流程，引擎工程编译为EXE可执行文件；将工程发布成IE可浏览的网络文件，并上传至网站服务器；项目与网站的后续调整与维护。12.2.2常见的虚拟现实开发工具UnrealEngine4UnrealEngine4是由EpicGames公司推出的一款游戏开发引擎，相比其他引擎，虚幻引擎不仅高效、全能，还能直接预览开发效果，赋予了开发商更强的能力。虚幻引擎4在大约2分半的Demo演示中，将其强大的功能发挥得淋漓尽致。与之相关的游戏有《连线》《绝地求生：刺激战场》等。Unity3dUnity是实时3D互动内容创作和运营平台。包括游戏开发、美术、建筑、汽车设计、影视在内的所有创作者，借助Unity将创意变成现实。Unity平台提供一整套完善的软件解决方案，可用于创作、运营和变现任何实时互动的2D和3D内容，支持平台包括手机、平板电脑、PC、游戏主机、增强现实和虚拟现实设备。美术工具Blender是一款免费开源三维图形图像软件，提供从建模、动画、材质、渲染、到音频处理、视频剪辑等一系列动画短片制作解决方案；Houdini，是创建高级视觉效果的有效工具，因为它有横跨公司的整个产品线的能力；3DStudioMax，常简称为3dMax或3dsMAX，是Discreet公司开发的（后被Autodesk公司合并）基于PC系统的三维动画渲染和制作软件；Cinema4D应用广泛，在广告、电影、工业设计等方面都有出色的表现；VR交互工具HTCVive是由HTC与Valve联合开发的一款VR头显（虚拟现实头戴式显示器）产品，于2015年3月在MWC2015上发布。由于有Valve的SteamVR提供的技术支持，因此在Steam平台上已经可以体验利用Vive功能的虚拟现实游戏。2016年6月，HTC推出了面向企业用户的Vive虚拟现实头盔套装—ViveBE，其中包括专门的客户支持服务。HoloLensHoloLens眼镜，它曾是前微软离职工程师Hoffman创造，而现在微软的这款HoloLens眼镜有了单独的专用工作室，名为ObjectTheory。它的主要用途是增强现实，举个例子当设计人员利用3Dmax或MAYA进行建模或动画制作时，如果佩戴此眼镜将能从第一视角更加立体的在眼镜中投射出三维效果，便于设计师、建筑师进行创作。沉浸式投影沉浸式投影最主要的设备就是投影仪。按照投影原理，市场上的投影仪主要分为LCD投影和DLP投影。LCD投影仪主要是利用液晶的光电效应，通过影响液晶单元的透光率或反射率，影响其光学性质，从而产生具有不同灰度层次及颜色的图像，主要成像器件是液晶板或液晶光阀。DLP投影主要使用数字光处理器作为成像器件，主要原理是先把文字、图像等影像信号经过数字处理，再通过光学透镜将影像投射出来。沉浸式投影与以上两种投影技术有所不同，它是一种基于全息立体投影技术扩展出来的投影系统，是通过光的衍射原理来记录、再现物体原本状态的一种3D图像展示技术，能够在空气中或特殊材质的三维镜片上呈现出3D影像效果，所以又被称为虚拟图像技术。它可以将影像投射到墙壁上、屏幕上、地板上甚至是屋顶上，参观者坐着、站着甚至躺着都可以欣赏到其中的景象，有置身其中的感觉。教师活动讲授虚拟现实的体系结构，包括感知层、网络层、应用层等各层技术。学生活动2.积极思考，回答问题。3.了解虚拟现实的体系结构。4.思考记录。讲授教学法，通过介绍虚拟现实应用开发流程和工具，使学生了解虚拟现实应用开发流程和工具结构中的各层技术教学环节教学内容教学活动策略与意图环节四虚拟现实应用程序(50分钟)12.3开发简单的虚拟现实应用程序开发简单的校园虚拟展示虚拟现实涉及学科众多，应用领域广泛，系统种类繁杂，这是由其研究对象、研究目标和应用需求决定的。从不同角度出发，可对VR系统做出不同分类。发展初期根据沉浸式体验角度和系统功能功能角度进行分类；应用领域包含游戏、影视与现场活动、建筑工程与施工、产品设计制造等四个区域块进行分类。VR作为一个新的产业目前在很多行业已经开始应用了，尽管还没有进一步的普及开来，现在比较热门的除了内容外就是VR应用和VR游戏。对于一款VR应用来说根据难易程度至少需要1个月，长一点的甚至可达几年的时间，一个简单的VR游戏，玩家通过某种运动，比如飞行、跑步等，并且绕过一些游戏里的障碍。这种游戏被认为是一个最简单的虚拟现实应用程序，不管是在iOS或Android里，可以由一个开发人员在一个月内创建（不包含美术创作）。12.3.1策划设计在引擎中，用引擎提供的工具搭建场景VR游戏场景的制作方法，在于场景的拓展性，包括行走路线、阻挡、空间、可玩性、节奏等，简单来说是这个场景的游戏性，每一种游戏类型都会不一样，检验的标准是设计师自己玩这个场景，可以流畅运行。在引擎中，导入专业建模软件中制作的模型重新制作并且替换引擎中的场景模型，在重新制作中，需要考虑非常多的因素，这些因素会因引擎、工具以及设计因素等等会有非常大的差异，核心是资源管理，考虑优化、视觉设计、工具限制等。在引擎中，搭建场景光照改善光照和后期，添加灯光、粒子、然后修改整体环境，如果前面的工作完成准确，光照部分设计会相对简单，如果前面的操作出现问题，修改BUG会十分复杂。在引擎中，衔接物件的融合度添加特效、声音、调整场景，配合项目组长，磨合画面上所有的元素。12.3.1策划设计智慧校园是指以促进信息技术与教育教学融合、提高学与教的效果为目的，以物联网、云计算、大数据分析等新技术为核心技术，提供一种环境全面感知、智慧型、数据化、网络化、协作型一体化的教学、科研、管理和生活服务，并能对教育教学、教育管理进行洞察和预测的智慧学习环境。智慧校园=1个数据中心+智慧校园基础设施+八类智慧校园应用系统+智慧性资源。八类智慧校园应用系统分别是：学生成长类智慧应用系统、教师专业发展类智慧应用系统、科学研究类智慧应用系统、教育管理类智慧应用系统、安全监控类智慧应用系统、后勤服务类智慧应用系统、社会服务类智慧应用系统、综合评价类智慧应用系统。1.模型创建通过参考图案例制作，校园场景庞大，选取其中一个小品进行讲解，需要完成模型制作，使用矩形工具创建基础物体，使用多边形建模工具制作模型。对多边形模型的建立主要是依靠点线面子元素的选择-移动、缩放、旋转等操作实现，快捷键分别是Q、W、E、R。而这四项操作都有各自的快捷键，熟练掌握和使用快捷键可以给建模带来效率。按建筑物效果，创建长椅模型制作。贴图创建材质ID设置通过创建完成的模型，完成物体贴图制作，使用物体ID记录模型编号，这也是虚幻与MAX互通最重要一部分。确定材质ID和模型ID相同，为模型赋予材质。UVW设置在确定材质ID和模型ID一致的基础上，为模型赋予UVW展开，再次确认UVID、材质ID和模型ID统一，为模型赋予UV材质。贴图材质制作来源于《次世代模型制作》专业课程，作为贴图材质制作的基础模块，学生们需多加制作练习，达到虚拟现实基础实训要求。教师活动3.积极思考，回答问题。4.了解物联网感知层关键技术。5.思考记录。1.讲授教学法，通过介绍的各项关键技术环节五交互功能开发（50分钟