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“贪心算法”VR教学案例设计研究

郝思晨，边琦

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。

中图分类号：G434?文献标识码：A?论文编号：1674-2117（2021）21-0043-03

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（VirtualReality，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。

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，