基于虛擬現實的教育創(chuàng)新網絡遠程管理系統(tǒng)設計

劉雅婧，王慶鈺，王 英，閆 帆，李景文，張鑫生，楊旭光

（吉林大學，吉林長春 130062）

0 引 言

當今社會，教育創(chuàng)新的主要驅動力為技術創(chuàng)新，其主要原因是科技的發(fā)展帶動了社會生產力的提升，所以對人才提出了更多的要求。因此，需要對原有的舊教育制度進行改革創(chuàng)新，以此培養(yǎng)出能夠滿足社會需求的新型人才，勢必會導致教育創(chuàng)新[1]。教育創(chuàng)新主要是以新思想、新行為以及新事物為載體的，在不斷實踐中實現與教育新方式的融合，最終達到新教育制度以及學習模式的創(chuàng)新及實踐的目的[2]。近些年來，我國對于創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的重視程度不斷提升，傳統(tǒng)的教學模式已經難以滿足當今教學的任務，因此必須要加快教育改革步伐，進而培養(yǎng)一大批實用型創(chuàng)新性人才。通過新技術以實現教育創(chuàng)新已經得到了社會的廣泛關注，也取得了一定的應用成果，例如基于EVE-NG 的虛擬網絡教育管理系統(tǒng)[3]以及基于移動云平臺的教育管理系統(tǒng)[4]等，但是這些系統(tǒng)在設計過程中沒能夠考慮到用戶體驗性，實際應用效果并不好，因此急需引入新技術以及新方案以解決這些問題。

虛擬現實因具有顯著的交互性、沉浸感等多種優(yōu)勢，已經在社會的各個領域得到了廣泛應用。它主要是通過還原某種場景以提升用戶體驗感，充分調動學習者的思維與情感，提升學習者學習過程的交互性[5]，因此該技術在教育領域的應用具有可行性。所以本文引入虛擬現實技術，設計一種新的教育創(chuàng)新網絡遠程管理系統(tǒng)。

1 教育創(chuàng)新網絡遠程管理系統(tǒng)設計

在教育領域，利用虛擬現實技術主要是通過構建虛擬場景來改變學習者的學習模式，利用交互式體驗教育來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的灌輸式教育，使得學習者所面對的不再是書本中的理論知識，而是在具體的實際場景中的應用知識[6]。虛擬仿真場景是異構場景，不受到時間與空間方面的制約，能夠在同一時間為處于不同地域的學習者提供學習服務，可以大幅度提升學習者對于知識的吸收速率[7]。因此，本文引入虛擬現實技術進行教育創(chuàng)新網絡遠程管理設計，該系統(tǒng)由學習模塊、作業(yè)管理模塊、數據分類存儲模塊、數據庫模塊和穩(wěn)定性測試模塊組成。該系統(tǒng)的整體架構如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)整體架構

1.1 基于虛擬現實的學習模塊設計

利用大數據挖掘技術抽取學生教學內容中的知識點，并利用虛擬現實技術對這些知識點進行重現，使得知識點能夠變得更為淺顯易懂的同時，也能夠令學生可以進入到相關的虛擬現實場景中進行體驗式學習。學生可以利用相關查詢手段獲取當前學習內容，并在所構建的虛擬現實場景中更加清晰地了解知識點，將原本枯燥乏味的文字變得更加生動有趣，并利用交互式手段激發(fā)自主探索的學習人群，使得學生潛移默化地就能夠實現知識的吸收，提升學習質量與效果[8]。基于虛擬現實的學習過程如圖2 所示。

圖2 基于虛擬現實的學習過程

按照上述學習過程，能夠使學生完成不同階段的學習目標，并利用多樣化的操作設備使得學生能夠在虛擬現實環(huán)境中變化自身形象，也可以使得學生可以更好更快地融入到學習場景中去。在該場景中能夠充分調動學生的多種感官，并利用引導性的文字及交互模塊，使學生主動完成探究性學習，提升學生對于知識的接受程度[9-10]。虛擬現實場景構建與加載過程如圖3 所示。

圖3 虛擬現實場景構建與加載過程

1.2 作業(yè)管理模塊

作業(yè)管理模塊是教育創(chuàng)新網絡遠程管理系統(tǒng)的一個重要模塊，該模塊管理員以及教師可以根據學生個人信息對已批閱的作業(yè)信息進行查詢。該模塊也能夠支持其他信息的快速查找，學生可以獲取作業(yè)的詳細信息，也可以實現作業(yè)的遠程下載，還能夠支持作業(yè)批閱查看等[11-12]。該模塊也支持優(yōu)秀作業(yè)展示，教師將學生提交的優(yōu)秀作業(yè)發(fā)送至數據庫中，并且可以在系統(tǒng)相關頁面進行展示，以供學生學習優(yōu)秀作業(yè)的解題思路，最終達到提升教育質量的目標。作業(yè)管理模塊如圖4所示。

圖4 作業(yè)管理模塊

1.3 數據分類存儲模塊

假設S描述的是具有n個數據樣本的教育信息資源集合，該集合的數據屬性有m個，即該資源集合中有m個類別Ci(i=1,2,…,m)，數據類屬性值為mi的信息樣本數用ni進行描述，其計算公式如下：

式中：n1,n2,…,nm表示各大數據的存儲模塊；pi表示隸屬度函數。

假設教育信息資源樣本數據屬性A具有k個不同的屬性值，分別用a1,a2,…,ak表示。當A屬于判斷屬性時，則需要將S劃分為k個子集，分別用S1j,S2j,…,Smj表示。在此基礎上可以假設Sj表示S中樣本數據屬性A值為aj的子集，nij表示子集Sj中屬于Ci的樣本數據量，則A的劃分結果可以表示為：

則Sj的計算公式為：

式中pij表示的是Sj中數據隸屬于Ci的概率。

若系統(tǒng)選擇A作為教育信息資源樣本數據的分類判斷屬性[13]，則數據分類存儲結果可以表示為：

若系統(tǒng)不選擇A作為教育信息資源樣本數據的分類判斷屬性，則需要重新設計判斷屬性，并重復上述步驟，直至輸出數據分類結果，并將這些數據分區(qū)存儲至數據庫中[14-15]。

1.4 數據庫模塊

由于MySQL 數據庫具有速度快、空間占用率低以及應用簡單等多種優(yōu)勢，因此本文將MySQL 數據庫作為教育創(chuàng)新網絡遠程管理系統(tǒng)的數據庫。數據庫的設計是以教育創(chuàng)新網絡遠程管理的實際需求為基礎的，并提供不同類型數據的存儲服務。在系統(tǒng)數據庫中利用E-R 圖對實體和屬性之間的連接關系進行描述，具體如圖5 所示。

圖5 E-R 圖

教育創(chuàng)新網絡遠程管理系統(tǒng)的數據庫中包括了多個數據表，例如系統(tǒng)信息表、教師信息子表、管理員信息子表、學生信息子表、課程信息子表等。其中，系統(tǒng)數據表如表1 所示。

表1 系統(tǒng)數據表

學生信息子表如表2 所示。課程信息子表如表3所示。

表2 學生信息子表

表3 課程信息子表

1.5 穩(wěn)定性測試模塊

粒子群算法中粒子位置的一般表示形式如下：

式中：ω表示慣性權重；c1，c2分別表示兩個不同的非負常數；r1，r2分別表示在[]0,1 區(qū)間內的隨機數；表示大數據信息資源庫；表示當前位置，分別表示粒子最優(yōu)歷史位置以及粒子群最優(yōu)歷史位置。

假設在t時刻粒子群中某個粒子的位置用x(t)進行描述，利用p進行粒子群空間搜索，粒子收斂可以用下式進行描述：

因此考慮一維優(yōu)化問題，所以需要對式（5）進行調整，結果表示為：

假設φ1=c1r1,φ2=c2r2,φ=φ1+φ2，表示遠程設計模塊，即離散時間線性系統(tǒng)方程可以表示為：

將該系統(tǒng)方程應用至教育創(chuàng)新網絡遠程管理系統(tǒng)穩(wěn)定性測試中去，將方程結果作為系統(tǒng)穩(wěn)定性判別依據，由于粒子的狀態(tài)與矩陣G的特征值具有相關性，即系統(tǒng)穩(wěn)定需要滿足的條件如下：

G的全部特征值λ1，λ2要比1 小，G的特征值計算公式如下：

當|φ-ω-1 |＞2 時，其特征值為2 個實根，此時教育創(chuàng)新網絡遠程管理系統(tǒng)具有不穩(wěn)定性，需要相關維護人員及時處理。

當|φ-ω-1 |＜2 時，其特征值為2 個復根，當且僅當0 ＜ω＜1 以及1 ≤ω≤2 時，教育創(chuàng)新網絡遠程管理系統(tǒng)具有穩(wěn)定性。

當|φ-ω-1 |=2 時，教育創(chuàng)新網絡遠程管理系統(tǒng)處于臨界狀態(tài)。

根據以上分析，需要系統(tǒng)管理員密切關注系統(tǒng)變化，以便做出應對措施。

2 實驗測試

2.1 實驗設置

為了驗證本文所設計基于虛擬現實的教育創(chuàng)新網絡遠程管理系統(tǒng)的實際應用性能，需要進行測試分析。本次測試采用3.3 GHz Intel Core i3-2120CPU、4 GB 內存機器，操作系統(tǒng)為Windows，仿真軟件為Matlab 7.0。在此基礎上，將文獻[3]所設計的基于B/S 架構的教育管理系統(tǒng)以及文獻[4]所設計的基于移動云平臺的教育管理系統(tǒng)作為實驗對比系統(tǒng)，進一步比較三種系統(tǒng)的綜合應用性能。

2.2 實驗結果分析

采用問卷調查的形式對120 名學生進行系統(tǒng)滿意度問卷調查，滿意度評分滿分為10 分。其中有效回收問卷110 份，有效回收率為91.7%，將有效問卷平均分為10 組，每組取平均分，則三種系統(tǒng)的用戶滿意度對比結果如表4 所示。

表4 用戶滿意度比較結果

由表4 可知，與文獻[3]系統(tǒng)以及文獻[4]系統(tǒng)相比，本文所設計系統(tǒng)的用戶滿意度最高，實際應用效果更好。在上述基礎上進行系統(tǒng)響應時間比較，結果如圖6所示。

圖6 響應時間比較

分析圖6 可知，與文獻[3]系統(tǒng)以及文獻[4]系統(tǒng)相比，本文所設計系統(tǒng)能夠實現快速響應，且響應時間變化較為穩(wěn)定，從側面證明了該系統(tǒng)的穩(wěn)定性更好。

3 結 論

現今教育方式越來越多元化，教育領域正在迎來一場重大革新，因此為促進我國教育行業(yè)的進一步發(fā)展，本文設計了一種基于虛擬現實的教育創(chuàng)新網絡遠程管理系統(tǒng)，并通過仿真實驗驗證了該系統(tǒng)優(yōu)越性，但是仍然存在以下不足：

1）現階段粒子群算法具有一定優(yōu)勢，但仍存在一些問題，因此后續(xù)在研究的過程中，重點針對如何提升算法的速度以及滿意度等方面進行研究。

2）當前模擬實驗存在一定的局限性，且由于時間倉促，并沒有將更多的參數納入到實驗中，后續(xù)將采用大量的時間對整個系統(tǒng)的性能進行進一步驗證。