MOOC環(huán)境下虛擬實驗平臺的開發(fā)與應(yīng)用研究

梁智杰 朱東鳴

(西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院 四川綿陽 621010)

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MOOC環(huán)境下虛擬實驗平臺的開發(fā)與應(yīng)用研究

梁智杰 朱東鳴

(西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院 四川綿陽 621010)

針對國內(nèi)MOOC缺乏真正的實踐引導(dǎo)這一現(xiàn)狀，圍繞MOOC理念下高校實驗教學(xué)如何擴大開放共享，探討當(dāng)前實驗教學(xué)方法在MOOC環(huán)境中面臨的困境和改進(jìn)手段，提出以虛擬現(xiàn)實技術(shù)為支撐進(jìn)行開放式實驗平臺建設(shè)的思路。

MOOC 開放教育 虛擬實驗

1 MOOC背景、挑戰(zhàn)與機遇

大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)開放課程(Massive Open Online Courses，MOOC)是繼移動學(xué)習(xí)、泛在學(xué)習(xí)、微課程等學(xué)習(xí)方式之后近兩年風(fēng)靡教育領(lǐng)域的一種新興在線學(xué)習(xí)模式。在國內(nèi)，MOOC已逐步成為我國目前教育教學(xué)改革的研究熱點和教育信息化資源建設(shè)的重點，并伴隨著“可汗學(xué)院”、“翻轉(zhuǎn)課堂”、“電子書包”、“混合學(xué)習(xí)”等教學(xué)改革項目的開展受到廣大師生的高度關(guān)注[1]。但是，目前不論是高校還是企業(yè)，對MOOC都缺乏真正的實踐和探索，學(xué)術(shù)領(lǐng)域的理論探討多于實踐層面的耕耘。MOOC浪潮要求我們在仔細(xì)研究的基礎(chǔ)上，在邊探索邊感知中去多方面實踐MOOC理念[2]。

2 虛擬實驗教學(xué)的研究現(xiàn)狀和必要性

虛擬實驗系統(tǒng)的概念提出僅有十幾年的時間，但國外實踐探索和成果卻豐富多樣，特別是在一些國際知名高校，已有很多自主設(shè)計開發(fā)并投入使用虛擬實驗系統(tǒng)的實例。比較有代表性的國外虛擬實驗系統(tǒng)當(dāng)屬牛津大學(xué)開發(fā)的化學(xué)學(xué)科虛擬實驗系統(tǒng)和麻省理工學(xué)院(MIT)的WebLab虛擬實驗系統(tǒng)，學(xué)習(xí)者可以通過開放的互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程訪問站點進(jìn)行在線實驗，雖然實驗界面是二維的，但涉及的功能非常強大，因此普遍反映良好[3]。

與國外相比，國內(nèi)高校在該領(lǐng)域的研究起步較晚，與發(fā)達(dá)國家高校相比尚存在一些差距。2005年，大連理工大學(xué)與美國麻省理工學(xué)院合作，建成了國內(nèi)第一個遠(yuǎn)程實驗系統(tǒng)“iLab實驗室”，該虛擬實驗系統(tǒng)將微電子器件遠(yuǎn)程實驗(Micro electronics webLab)運用于大學(xué)課堂實驗教學(xué)，取得了非常好的教學(xué)效果。

當(dāng)前，面對MOOC的沖擊，高校的實驗教學(xué)界也開始探索實驗教學(xué)的創(chuàng)新之路。然而，受到場地、設(shè)備、人員和制度等多方面的限制，實驗教學(xué)的MOOC化面臨著特殊的困境。

開放式教育不應(yīng)該僅為學(xué)習(xí)者單向提供優(yōu)質(zhì)的理論教學(xué)資源，也應(yīng)該提供高品質(zhì)的實踐環(huán)節(jié)教學(xué)資源。如若不探索MOOC環(huán)境下傳統(tǒng)實驗室的應(yīng)對方法，一方面不利于實驗教學(xué)本身在新環(huán)境下的發(fā)展，另一方面也會影響到理論教學(xué)在MOOC環(huán)境中的開展。有研究者[4]經(jīng)過對MOOC上的學(xué)習(xí)者進(jìn)行學(xué)習(xí)跟蹤，發(fā)現(xiàn)在MOOC上學(xué)習(xí)文史、管理類通識類課程往往比較容易，但是對于工程、機械、生物等學(xué)科，實驗教學(xué)為必備環(huán)節(jié)，如果僅僅提供線上視頻理論課程教學(xué)，學(xué)習(xí)者往往很容易放棄，只有少部分學(xué)習(xí)者能夠堅持下來，導(dǎo)致MOOC學(xué)習(xí)者高輟學(xué)率，與開放共享理念背道而馳。由此可見，探索MOOC環(huán)境開放共享的實驗平臺解決方案，不僅是實驗教學(xué)應(yīng)對MOOC沖擊的創(chuàng)新與變革[5]，同時，對于輔助在線理論課程的教學(xué)也有非常重要的意義。

3 基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬實驗的實踐探索

3.1 《家庭影院技術(shù)》課程對虛擬實驗的需求

西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院與北京交通大學(xué)、中國石油大學(xué)(華東)、福建師范大學(xué)、華南師范大學(xué)組成了資源研發(fā)中心。目前，聯(lián)合開展的“課程互選、學(xué)分互認(rèn)”的項目工作已正式啟動。本著出精品的目標(biāo)，對課程的選題研究、內(nèi)容結(jié)構(gòu)、教學(xué)方法、拍攝和后期制作、評價體系等多方面進(jìn)行了創(chuàng)新改革。

目前，網(wǎng)絡(luò)教育資源研發(fā)中心已經(jīng)搭建課程資源共享平臺，成員單位已經(jīng)建設(shè)了30門學(xué)分互認(rèn)課程。這批課程以生動的案例和現(xiàn)實情景為教學(xué)切入點來激發(fā)學(xué)習(xí)者自主學(xué)習(xí)的熱情。在知識點的講解部分，摒棄了以往三分屏課程的形式，而對全部章節(jié)的教學(xué)視頻重新以還原真實課程的方式高清錄制，在后期編輯階段加入豐富的圖片、視頻和動畫，制作出類似“百家講壇”的視頻講座。通過教師講授、生動且緊扣知識點的媒體素材讓學(xué)生真正愿意去看、高效率的去學(xué)。

《家庭影院技術(shù)》是面向普通全日制本科和網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)生的一門通識課程，旨在通過這種新型公開課培養(yǎng)學(xué)習(xí)者實踐操作能力、陶冶生活情操。課程注重動手能力的培養(yǎng)，學(xué)完本課程后，學(xué)習(xí)者最終能夠設(shè)計出一套滿足自己需求的家庭影院系統(tǒng)。本課程的內(nèi)容包括家庭影院的基本組成、當(dāng)前用于家庭影院的技術(shù)要求及標(biāo)準(zhǔn)、家庭影院的設(shè)計方法和相關(guān)實例、家庭影院安裝完成后對設(shè)備進(jìn)行調(diào)試時的基本要求和方法。其中，家庭影院的基本組成、技術(shù)要求及標(biāo)準(zhǔn)部分包含了大量的動手實踐內(nèi)容。實驗是該課程的靈魂，是課程的魅力所在和激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的主要源泉，更是培養(yǎng)和發(fā)展學(xué)生思維能力和創(chuàng)新能力的重要方法和手段。

由于在線公開課師生空間分離的特點，課程目前采用了二維結(jié)構(gòu)圖演示配合教師講解的方式進(jìn)行引導(dǎo)教學(xué)，課后由學(xué)生自主尋求相關(guān)實驗設(shè)備進(jìn)行動手安裝，加之實驗設(shè)備短缺等客觀因素，學(xué)習(xí)者往往很難達(dá)到課程實踐部分的能力要求。基于此，筆者采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)(Virtual Reality)，以“學(xué)習(xí)者為中心”的教學(xué)設(shè)計理念為指導(dǎo)，以《家庭影院技術(shù)》虛擬實驗交互系統(tǒng)開發(fā)為目標(biāo)，從網(wǎng)絡(luò)三維虛擬實驗設(shè)計與開發(fā)的具體開發(fā)策略入手完成《家庭影院技術(shù)》虛擬實驗平臺的開發(fā)。具體包括：情景式實驗環(huán)境構(gòu)建、實驗功能的設(shè)計實現(xiàn)、虛擬實驗平臺的后期包裝設(shè)計等一系列完整的設(shè)計思路與開發(fā)流程。

3.2 關(guān)鍵技術(shù)與系統(tǒng)實現(xiàn)

3.2.1 虛擬儀器和場景的制作

浸沒感是虛擬現(xiàn)實的主要特征之一。這就要求虛擬實驗的場景及實驗儀器有較強的真實感，即在它們的物理特征方面(長、寬、高、顏色等)要盡可能的真實，對模型的精度和貼圖的大小都要求較高。但是模型精度和貼圖越細(xì)致，對計算機軟硬件的要求越高，模型精度越高，貼圖越大，虛擬實驗的運行就會越慢，甚至?xí)斐伤罊C的現(xiàn)象。這就需要在模型精度、貼圖細(xì)致度與計算機速度之間尋找到一個平衡點，在盡可能的細(xì)致情況下，盡量滿足大多數(shù)計算機軟硬件的要求[6]。

3.2.2 交互性問題

交互性問題一直是虛擬實驗難點問題。在本實驗的建立過程中，交互性的問題更復(fù)雜，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：虛擬實驗場景的交互性，主要是用戶通過計算機對虛擬實驗設(shè)備的操作等；虛擬實驗內(nèi)容的交互性，即在特定的事件發(fā)生時，如何顯示相應(yīng)的事件，實驗過程如何觸發(fā)、如何實現(xiàn)等。

具體的實驗平臺交互功能模塊如下：(1)實驗環(huán)境及操作直觀形象。采用3dsMax軟件進(jìn)行三維建模，實現(xiàn)實驗場景和設(shè)備的三維虛擬化，構(gòu)建一個三維化的“家庭影院教學(xué)實驗室”,讓用戶有一種身臨其境的感覺。創(chuàng)建的所有設(shè)備均基于現(xiàn)實儀器為基準(zhǔn)。(2)提供豐富的虛擬儀器設(shè)備。由于系統(tǒng)是一個虛擬實驗平臺，所以必須滿足用戶對虛擬器件的需求以完成虛擬實驗操作。包括：前置音箱、后置音箱、中置音箱、側(cè)環(huán)繞音箱、頂置音箱、幕布、投影儀、聲波模擬、角度模擬等課程中涉及的所有設(shè)備。(3)系統(tǒng)具有較好的交互功能。實驗設(shè)備的選擇和裝配等通過鼠標(biāo)和鍵盤的點擊、拖動實現(xiàn)。包括通過系統(tǒng)二維界面交互、點擊場景中的設(shè)備進(jìn)行交互、語音交互。(4)用戶可以多角度觀察實驗過程。用鍵盤來控制攝像機，實現(xiàn)多角度觀察，敲擊方向鍵可以讓攝像機做上下左右的旋轉(zhuǎn)。(5)系統(tǒng)運行環(huán)境。既能夠基于C/S模式的單機運行，也允許通過基于B/S模式網(wǎng)絡(luò)訪問實現(xiàn)遠(yuǎn)程實驗和共享。

4 基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬實驗平臺開發(fā)

本課題在研究MOOC及虛擬實驗系統(tǒng)的背景下，運用Virtools及三維建模技術(shù)，開發(fā)出一個具有3D交互式虛擬場景的《家庭影院技術(shù)》虛擬實驗平臺，基本滿足課程實驗要求，能夠有效解決目前《家庭影院技術(shù)》實踐部分存在的問題，并且對虛擬實驗的三維虛擬化進(jìn)行研究，探索基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的實驗平臺開發(fā)的有效方法。

4.1 開發(fā)技術(shù)路線比較分析

當(dāng)前國內(nèi)大部分虛擬實驗平臺系統(tǒng)的開發(fā)采用的主流技術(shù)主要分為Flash技術(shù)、Java、QTVR技術(shù)和ActiveX。采取此類技術(shù)開發(fā)的虛擬實驗系統(tǒng)多存在重大缺陷，即缺乏真實環(huán)境的體驗和良好的交互性。而采用3ds-max加VRML可以開發(fā)出具有沉浸感和交互性俱佳的虛擬實驗系統(tǒng)，但此方案相對難度較大且開發(fā)過程復(fù)雜，用戶使用起來也較為繁瑣。因此，本文選擇了Virtools作為系統(tǒng)開發(fā)平臺。表1是Virtool與其它幾種當(dāng)前主流的虛擬實驗系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)路線的比較。

表1 開發(fā)技術(shù)路線比較Table 1 Comparison of development technical route

利用3ds-max構(gòu)建三維模型加Virtools進(jìn)行虛擬空間中的交互設(shè)計，可以有效避免上述缺陷。比如，實驗者觀察DOLBY音箱的擺位，可以利用鍵盤上的方向鍵控制虛擬替身角色漫游整個場景，讓用戶產(chǎn)生身臨其境的感受，進(jìn)一步進(jìn)行虛擬實驗操作，真正實現(xiàn)良好的人機互動，進(jìn)而有效彌補因各種因素?zé)o法做實驗的客觀局限，提高教學(xué)效率。圖1是虛擬實驗系統(tǒng)開發(fā)流程圖。

4.2 虛擬場景的構(gòu)建

實驗場景建模的主要步驟分為實驗器材信息收集與處理、三維實體建模、紋理貼圖及優(yōu)化處理。這些工作是構(gòu)建虛擬實驗系統(tǒng)的基石，也是整個系統(tǒng)開發(fā)過程中工作量最大的一部分。為了創(chuàng)建一個能讓用戶產(chǎn)生沉浸感的虛擬環(huán)境，需要盡可能細(xì)化實驗器材來達(dá)到逼真的效果，但如果場景中的模型過于精細(xì)，尤其是比較復(fù)雜的場景，數(shù)據(jù)量將十分龐大，會給虛擬實驗系統(tǒng)帶來災(zāi)難。因此，在建模過程中，應(yīng)該在保證模型質(zhì)量的前提下，盡量減少模型的面片數(shù)，以保證系統(tǒng)的運行效率。虛擬實驗場景的構(gòu)建首先是三維模型的創(chuàng)建，由于 Virtools 平臺不包含建模的功能，所以建模一般采用3ds-max軟件進(jìn)行。使用3ds-max制作的3D模型和剛體動畫可以保存成NMO格式，并使用MaxExporter插件導(dǎo)入到Virtools系統(tǒng)中去。圖2是利用3ds-max構(gòu)建完成的實驗平臺模型。

圖1 虛擬實驗系統(tǒng)開發(fā)流程圖Fig.1 The process of system development

圖2 虛擬實景的模型Fig.2 Virtual reality model

4.3 交互功能設(shè)計

虛擬實驗開發(fā)采用的是 Virtools Dev平臺，包括 Virtools Physics Pack，Virtools AI Pack，Virtools VR Pack，Virtools Xbox Kit，Virtools OpenCAD，Virtools Server；輸入設(shè)備主要指控桿、方向盤、3D 滑鼠、3D 手套、位置追蹤器；輸出設(shè)備指立體眼鏡、立體熒幕、頭盔式顯示器、模擬機；展出系統(tǒng)包含立體劇院和展示系統(tǒng)[7]。

4.3.1 三維漫游的實現(xiàn)

漫游是便于用戶對整個虛擬實驗場景有初步的了解，將3ds-max中合成的場景一起導(dǎo)入到Virtools中。

Virtools坐標(biāo)系與3ds-max坐標(biāo)系相同，采用Z軸向上的左手坐標(biāo)系(Z軸代表場景的高度)，同時提供8種不同類型的運動模式：前進(jìn)、后退、左移、右移、垂直上升、垂直下降、俯視、仰視。各種運動的實現(xiàn)原理為：在Y軸上沿著視線方向?qū)⒁朁c平移一段距離D，若D的值大于零(視線是正方向)表示前進(jìn)，D小于零則表示后退；在X軸上，保持視點的方向不變，對視點進(jìn)行平移實現(xiàn)左移和右移；在Z軸上，保持視點的方向不變，增、減視點的高度值，可實現(xiàn)垂直上升和垂直下降；保持視點方向和位置不變，增、減視線與X，Y平面之間的夾角(仰角)，可實現(xiàn)俯視與仰視；按此響應(yīng)方法，通過空間向量分解運算，即可得出新視點的坐標(biāo)，為用戶提供一種自然的交互方式觀察場景，實現(xiàn)自主式漫游。

本文的自主漫游由用戶控制場景中的虛擬人物化身來實現(xiàn)，通過鍵盤上的前進(jìn)(↑)、后退(↓)、轉(zhuǎn)向(←和→)控制人物自由行走。

4.3.2 觀看教程功能的實現(xiàn)

利用Virtools調(diào)用預(yù)先制作完成的演示視頻可以實現(xiàn)用戶觀看教程的功能，也可以使用播放PPT的方式，讓用戶自己翻閱。考慮到動畫視頻反映的更加直觀生動，因此本文選擇二維界面命令按鈕作為開關(guān)，分別控制之前制作完成的“DOLBY5.1聲道的音箱擺位方法”和“DOLBY7.1聲道的音箱擺位方法”兩個3D動畫。當(dāng)用戶點擊二維界面中的“觀看教程”按鈕時，PushButton觸發(fā)后臺的模塊，調(diào)用Sequencer定序器，用來實現(xiàn)各個動畫教程的播放。將三維模型導(dǎo)入到 Virtools 的三維空間編輯區(qū)可以進(jìn)行觀察、控制。而對于高級開發(fā)者也可以自主安裝 SDK 插件，從而獲得更多的 BBs，實現(xiàn)虛擬實驗多種交互功能的設(shè)計。

虛擬實驗系統(tǒng)的功能模塊中，可以選擇《家庭影院技術(shù)》實驗課中的一個實驗“DOLBY音效的音箱擺位方法”進(jìn)行音箱的擺位和觀看動畫教程對所實施的操作進(jìn)行反饋，以3D形式表現(xiàn)，具有較好交互能力。圖3是已經(jīng)完成的虛擬實驗系統(tǒng)的運行界面。

圖3 《家庭影院技術(shù)》虛擬實驗平臺運行界面Fig.3 Virtual experiment platform interface

4.4 虛擬實驗系統(tǒng)的發(fā)布

在完成虛擬實驗對應(yīng)的交互功能設(shè)計后，可以進(jìn)行系統(tǒng)的發(fā)布。主要由兩個模塊構(gòu)成：虛擬空間和模擬交互動畫。虛擬空間由構(gòu)建的三維模型構(gòu)成，比如家庭影院的房間、音箱、電視機、墻、地面、沙發(fā)等等。通過對模型的控制完成虛擬實驗之中的交互動畫。

虛擬實驗系統(tǒng)設(shè)計完畢后，可采取兩種方案來保存，一種是將虛擬實驗系統(tǒng)直接以 CMO文件格式保存，這種方案保存的文件只有載入到Virtools平臺中才可以進(jìn)行單機版的虛擬實驗，即C/S模式。另外一種方案是把整個虛擬實驗用 VMO文件格式保存，此外，以HTML格式文件再對應(yīng)保存一份，這樣則可以發(fā)布到網(wǎng)上，用戶在客戶端安裝播放插件VirtoolsWeb Play進(jìn)行B/S模式的虛擬實驗。

5 結(jié)論

MOOC風(fēng)暴席卷全球，似乎讓我們看到了人們教育方式即將發(fā)生的變革。伴隨著MOOC的急劇擴張，學(xué)術(shù)和在線教育實踐認(rèn)識也針鋒相對提出了許多質(zhì)疑，其中最多的疑問是MOOC仍然是傳統(tǒng)課堂教學(xué)方式在網(wǎng)上的延續(xù)。MOOC能否使未來教育與培訓(xùn)工作發(fā)生革命性的變化，取決于MOOC實踐者能否秉承開放共享的理念將學(xué)習(xí)活動融入到教學(xué)

中去，而虛擬實驗恰恰是開放教育的重要輔助手段，是學(xué)生真正理解理論知識并運用于實踐的重要保證，同時也是以學(xué)習(xí)者為中心進(jìn)行教學(xué)設(shè)計的具體體現(xiàn)。下一步，將結(jié)合理工科課程背景進(jìn)一步挖掘特色虛擬實驗平臺，積極探索面向普通全日制在校生和遠(yuǎn)程學(xué)習(xí)者進(jìn)行資源共享。

[1] 祝智庭，劉明卓. “后MOOC”時期的在線學(xué)習(xí)新樣式[J].開放教育研究,2014,(6):36-43.

[2] 劉明卓，祝智庭.MOOCs教學(xué)設(shè)計樣式研究[J].中國電化教育,2014，(7):19-24.

[3] 方立偉.基于Virtools的三維虛擬實驗室研究與實現(xiàn)[J].實驗技術(shù)與管理,2010,27(5):83-86.

[4] 王栓杰，李華.MOOC教學(xué)模式與虛擬現(xiàn)實技術(shù)在工科教育中的綜合運用淺析[J].無線互聯(lián)網(wǎng)科技,2014，(1):224.

[5] 孫青，艾明晶.MOOC環(huán)境下開放共享的實驗教學(xué)研究[J].實驗技術(shù)與管理,2014，(8):192-195.

[6] 孫愛娟.職教領(lǐng)域虛擬仿真教學(xué)資源建設(shè)與應(yīng)用探析[J].中國電化教育,2012，(11):109-112.

[7] 李昌國，朱福全.基于3D和Virtools技術(shù)的虛擬實驗開發(fā)方法研究[J].計算機工程與應(yīng)用,2006，(31):84-96.

The Development and Application of Virtual Experiment Platform in MOOC Environment

LIANG zhi-jie,ZHU Dong-ming

(SchoolofNetworkEducation,SouthwestUniversityofScienceandTechnology,Mianyang621010,Sichuan,China)

Aiming at the situation that domestic MOOC lacks of real practical guidance on how to expand the opening experimental teaching in Colleges and Universities under the idea of sharing MOOC, the dilemma the current experimental teaching method faced in the MOOC environment and the improvement methods were discussod, finally virtual reality technology as support for construction of the experimental platform of the open thoughts was proposed.

MOOC; Open education; Virtual experiment

2014-11-16

西南科技大學(xué)實驗技術(shù)基金資助項目(14syjs-44)。

梁智杰(1987—)，男，碩士，助理研究員，研究方向為遠(yuǎn)程教育數(shù)字化學(xué)習(xí)資源設(shè)計與開發(fā)。E-mail:254387194@qq.com

G434

A

1671-8755(2015)01-0080-05