基于 3D 建模的线上课堂教学探索

摘要：线上课堂是在线教育未来发展的重要方向，基于 3D 建模的线上课堂继承传统课堂的优点，结合远程教育的优势，为师生打造包含 3D 动画学生模型的模拟动画教室，极大地促进了线上教学的发展，为疫情下当代教育的转变起着十分重要的作用。

关键词：线上课堂；3D 建模；远程教育；3D 动画学生模型

中图分类号：G4 文献标识码：A doi：10.19311/j.cnki.16723198.2021.23.072

所谓 3D 建模技术，是指使用三维绘图软件，通过构建三维数据空间，建立具有三维数据的空间模型。在 3D 建模所构建的动画模型基础上，结合三维动画技术构建出一个仿实的三维课堂模拟空间，在此空间中建立与传统教室教学相仿教学环境，形成线上课堂教学新模式，打造新型的远程教学教育系统，为教师和学生提供异地同维的线上课堂氛围。3D 线上课堂主要通过模拟传统课堂环境，运用 3D 建模技术、「互联网 +」技术、大数据分析技术、数据库技术等建立起完整的课堂模拟系统、知识库系统、乐学课堂系统三大系统，为远程线上教育提供真实、便捷、高效的教学服务。

1 线上教育的研究背景和发展现状

1.1 线上教育的研究背景

线上教育（Online education）也叫远程教育、在线教育学习，是利用信息互联网技术和科技实现跨时空内容传授的学习方法。线上教学不是一种新型的教学方法，随着科学技术的发展和传统教学模式的不断改善，在我国「现代远程教育工程」的引导下，线上教学开始逐渐融合到线下教学的模式中，作为一种辅助教育方法被各大高校及小学、初中、高中学校加入传统教学教育系统中。突如其来的新冠肺炎疫情给传统教学开展带来严重阻碍，在教育部「停课不停教，停课不停学」的号召下，线上教学成了疫情期间主要教学方法。一大批线上教学软件如雨后竹笋般倾涌而出，为线上教育提供了丰富多彩的内容，线上教育也因此得到了极大发展，但传统教学模式在此期间也受到巨大冲击。疫情之后，传统教学模式的逐渐恢复，线上教育和传统教学模式的融合发展问题急需解决。

1.2 线上教育的发展现状

伴随着科技的进步和社会的发展，众多的新兴技术被运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。线上教育具有异地、便捷、耗费低等特点，在众多教学方法中优缺点突出。线上课堂因其突破时空的特性，聚合优质资源、打破地区限制，在疫情期间对学生教育发挥着重要作用。在国外，新冠肺炎疫情全球流行期间，许多国家的传统教育教学模式深受打击。据联合国教科文组织调查表明，全世界大约有 200 多个国家被迫停止传统学校教学。美国、英国、日本等发达国家采用各种方式的线上教学继续对本国学生进行远程授课，但一些落后的发展中国家因设备、资金等问题无法对大部分学生进行线上教育，学生日常教学基本属于停滞状态。为了让学生在疫情期间继续接受教育，英国教育部极其重视疫情之下的学生教学，及时采取各种措施、颁布一系列政策，指导和规范本国学生的在线教育。为保证教育公平，英国教育向所有学校提供在线教育资源，向师生推荐奥克国家学院、线上学习 APP 等教育网站资源。英国的在线教育资源众多，没有指定唯一的在线教育资源，所以大部分学校根据师生不同需求，采用有利可行的在线资源，使用熟悉平台和模式，确保学生能最大化获取教学知识。另外，为保证学习任务和检测学习效果，学校还采取快递的方式为学生提供学习资料和课堂作业，学生通过短信或电子邮件等方式提交给教师，以便教师及时掌握学生学习状况以调整或改善教学计划。在国内，在线教育的还处于发展初期，各大互联网公司开始重视发展在线教育领域，特别是疫情大环境背景下，在线教育得到极大发展，学校师生使用网络教学人数比之前急剧上升，互联网教育被看作未来教育教学的发展趋势，传统教育机构受到一定的冲击影响。对于师生而言，线上教育是一种新型教学方式，同时也是一种挑战，有些师生迅速适应这种新教育方式，而一部分师生还无法适应从线下到线上的这种转变，线上教育还需很长时间的发展才能真正融入现代教育教学系统中。在我国还因一些考核和证书的影响下线上教育也得到部分动力支持，考研中的各大网校和网络教师成为网络教育的代言人和传播者。基于 3D 建模的线上课堂在线教育会在此现状基础上，与传统教学相结合，形成新的教育教学模式，促进我国教育系统的发展和完善。

2 3D 建模线上课堂需求分析

传统课堂教学是在固定学校环境中，教师和学生通过黑板和课本进行面对面的知识交流和探讨。这种教学模式可以营造浓厚的学习氛围，便于激发学生的学习兴趣，使学生更容易掌握教师传授的知识；教师也能有效监督学生学习状况，对学生的错误行为及时纠正，也能够及时解决学生的知识疑惑，得到学生的受教反馈，更好的调整教学计划和教学进度。但传统教学易于受陈旧教学思维影响，过多重复前人的工作，会造成思维墨守成规，一定程度上会干扰学生对知识的理解和掌握，限制学生的思维创新和知识探索。在新冠肺炎疫情期间，这种传统教学也只能处于停滞状态。而疫情间新兴起的线上课堂教学，可以在异地空间下实现师生远程教育教学，使学生教育并没有因疫情这种突发状况得到中止，教师和学生可以利用各式各样的软件和教育网站进行继续教育。在线上课堂受教后，学生也可以通过各种免费的教育资源解决自己的知识疑惑，对课堂知识进行及时的巩固，可以通过查询教育资源在多方面角度对比中阐发自己对知识的理解和拓展，从而激发浓厚的学习兴趣。但面对如此多的线上教学软件，教师和学生不知道哪种更有利于线上教学，而且大部分软件存在死板、单调，无法带动学生学习兴趣、形成良好的课堂学习氛围。而且疫情之后，大多数学校师生重新回归到传统课堂教学模式中，在线教学又一次受到冷落，发展速度开始变缓。线下线上课堂教学的正确分配是当代教育面临的一项难题，合理使用二者之间的互补互利的关系也是未来教育趋势的重要方向。在此需求下，项目组开展了基于 3D 建模的线上课堂教学探索。

3 3D 建模线上课堂的系统设计与实现

3.1 3D 建模线上课堂的系统设计

3D 建模线上课堂的设计包括课堂模拟系统、知识库系统、乐学课堂系统。课堂模拟系统主要包括 3D 动画学生模型、模拟动画教室两大部分。通过对学生的信息采集，运用 3D 建模软件塑造与学生相符合的 3D 动画模型，使学生模型具有上课签到、课堂提问、课堂在线显示等模拟课堂内容，同时学生模型还可以显示出学生的主要信息，包括个人隐私信息和个人数据信息。个人隐私信息显示有：学生姓名、年龄、班级和年级、班主任、任课老师、家庭住址和家长联系方式等，当然，这些私人信息和官方网站学生信息相关联，会进行严格程序加密，除个人及学生家长和学校老师之外，其他人无可信任担保人一般无法获得。个人数据信息较个人隐私信息更为公开，同班学生和任课老师可通过安全操作获得，个人也可以快速查询得到；个人数据信息包括：课堂作业检验数据分析信息、个人各种各科考试成绩数据分析信息、个人学分累积数据分析信息等。模拟动画教室将会以 3D 学生动画模型为中心，分为学生端视角和教师端视角。在学生端视角，模拟教室充分完整还原传统教室的主要设施，学生可以体会到与真实教室的同等氛围。模拟动画教室的黑板是隐藏的直播链接，学生可以通过黑板链接进入教师的直播教学。在教师端视角，任课教师可以通过 3D 学生动画模型的在线信息显示和课堂数据信息分析整合快速便捷地了解到学生的签到信息、缺课和在课学生信息、随堂检验数据分析信息，帮助教师及时了解学生课堂状态，以准确把握课堂教学方向。知识库系统为学生提供各种知识信息查询服务，学生在课堂上的问题和疑惑可以在这里通过查询相关知识获得解答。乐学课堂系统包含一些知识小游戏，学生课后可以通过玩知识游戏来缓解学习疲劳和压力，既巩固了课堂知识，又获得了学习乐趣。课堂模拟系统是程序的主系统，包含线上课堂的主要功能。知识库系统和乐学课堂系统将会作为课堂模拟系统的辅助系统，为课堂模拟系统提供各种支持和服务。

3.2 3D 建模线上课堂的系统实现

3D 建模线上课堂的系统实现的关键在于课堂模拟系统中的 3D 学生动画模型和模拟动画教室的实现。3D 学生动画模型的实现用 3D 建模市面上常见的建模软件完成。先用底模软件制作学生模型的基础搭建，在利用高精模软件模型对学生模型的细节进行处理，在学生模型制作的同时还需要 Photoshop、Bodypain 3D 等辅助工具用来构建更立体的学生模型。运用基于 3D 建模的三维动画制作技术则可塑造良好的三维动画教室。先使用 3D 建模软件构造出三维动画教室空间，在构建出三维动画教室前先制作出二维平面图形，使用公式对二维图像所有节点进行检测，再通过一系列节点调整制作出三维动画教室。在三维空间中通过 3D 建模技术和各种建模、调色软件调整三维教室空间中的座椅、黑板等各种物体。最后，通过光像处理技术调节图像，融合节点、校正图像色层，完成三维动画教室的制作。线上直播和线上交流的搭建通过实时视频串流技术和「互联网 +」技术等实现。知识库系统中的知识信息查询通过搜索引擎技术和数据库技术来完成。搜索引擎有很多技术模块构成，学生对知识信息的查询和最终得到查询结果可以简单这样描述，学生通过搜索框输入知识信息-程序进行数据分析判断-数据库进行查找-反馈到查询页面，整个过程需要多种技术相互配合实现。知识库系统的正常运转和学生数据分析都需要强大的数据库来支撑。数据库技术实现了对知识和学生信息的数据组织和管理，最终使各种数据清晰完整的展现在教师和学生面前。乐学课堂系统的知识小游戏实现则采用 WXML+WXSS+JS 的网页开发技术完成。

4 结语

基于 3D 建模的线上课堂是不同于传统课堂教学和普通线上教学的线上教育新探索。这种新型教学探索融合传统教学和线上教学的各自优势，为师生提供了更真实高效的教育平台，也为在线教育提供未来发展方向。这种线上课堂也许在未来会面临更多问题与挑战，但在线教学会在此基础上得到一定的启发和思考，从而不断改善线上课堂的教学模式，使线上教学得到进一步提高。

参考文献

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作者刘珂珂