虛擬現(xiàn)實技術(shù)在遠(yuǎn)程教育平臺中的應(yīng)用

韓桂明

（江蘇省鹽城市特殊教育中等專業(yè)學(xué)校，江蘇 鹽城 224002）

虛擬現(xiàn)實技術(shù)在遠(yuǎn)程教育平臺中的應(yīng)用

韓桂明

（江蘇省鹽城市特殊教育中等專業(yè)學(xué)校，江蘇 鹽城 224002）

本文研究了遠(yuǎn)程教育平臺中虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用途徑以及VR M D EP的實現(xiàn)，提出構(gòu)建VR M D EP的總體框架，設(shè)計虛擬同步與異步教學(xué)系統(tǒng)，構(gòu)建模擬場景以實現(xiàn)用戶之間的交互。

遠(yuǎn)程教育平臺；虛擬現(xiàn)實技術(shù)

1 虛擬現(xiàn)實技術(shù)的概述

傳統(tǒng)模式下，以Web為基礎(chǔ)的遠(yuǎn)程教育平臺在發(fā)展歷程中遭遇了一些瓶頸和局限，因此必須要充分利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，生成更加真實的圖像與三維動畫，借此打造出科學(xué)有效的遠(yuǎn)程教育平臺。

1.1 實物虛化技術(shù)

該技術(shù)指的是實際空間朝著多維信息化空間所投射的映像，其主要包含了基礎(chǔ)模型建設(shè)、空間追蹤、聲音定位、視覺追蹤以及視點感應(yīng)等核心技術(shù)。通過這一系列技術(shù)可以構(gòu)建具有真實感的模擬空間，使得用戶能夠在虛擬環(huán)境下進(jìn)行數(shù)據(jù)操作。其中，基礎(chǔ)模型建設(shè)技術(shù)是計算機技術(shù)構(gòu)建模擬環(huán)境的關(guān)鍵所在，能夠把現(xiàn)實世界中存在的對象重新組建于3D模擬的空間中，并且按照系統(tǒng)所需保留一部分物體的屬性?？臻g追蹤技術(shù)是利用頭盔顯示器、數(shù)據(jù)手套以及數(shù)據(jù)服裝等，在此類交互設(shè)備中安插空間傳感器，從而確定用戶的頭、四肢、軀干或其他部位在3D模擬空間中的具體方位。聲音定位技術(shù)是在模擬環(huán)境中進(jìn)行聲音的追蹤。視覺追蹤及視點感應(yīng)技術(shù)，主要使用從視頻錄像機至X-Y平面陣列，周圍光或追蹤光在圖像投影平面在不同時間段與不同方位上產(chǎn)生的影像，算出追蹤目標(biāo)的所在位置。

1.2 虛物實化技術(shù)

所謂虛物實化技術(shù)，就是要讓用戶在模擬的空間中獲得如同現(xiàn)實當(dāng)中一樣的視覺、聽覺、觸覺等感受，屬于感官認(rèn)知類的核心技術(shù)。該技術(shù)之所以可以讓用戶產(chǎn)生較為真實的感官體驗，其關(guān)鍵在于不僅能使用戶得到視覺與聽覺的感知，還能讓用戶自主操控虛擬物品，從而在反作用力中生成力覺與觸覺的感受。

1.3 智能技術(shù)

該項技術(shù)可以構(gòu)建一個用戶與計算機交互的空間。計算機需從用戶的不同語言、動作甚至表情中獲取對應(yīng)的信息。如果需要準(zhǔn)確分析這些信息，必須借助人工智能技術(shù)進(jìn)行處理。目前智能接口領(lǐng)域正在探究相關(guān)問題，比如人的語音識別、自然語言分析、圖形圖像辨別、文字識別、多媒體技術(shù)虛擬顯示等。

2 遠(yuǎn)程教育平臺中虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用途徑

2.1 構(gòu)建VRMDEP的總體框架

VRMDEP是虛擬現(xiàn)實技術(shù)下現(xiàn)代遠(yuǎn)程平臺的簡稱，其總體框架構(gòu)建如圖1所示，采用MVC（Model-View-Controller)的實現(xiàn)模式，使用J2EE分布式架構(gòu)，以此切合多用戶共同使用虛擬空間的需求。在客戶端，用戶可以用教師、學(xué)生、管理員這3類不同的身份登錄遠(yuǎn)程教育平臺，并依據(jù)不同的身份享受不同的權(quán)限。用戶在模擬環(huán)境當(dāng)中所產(chǎn)生的感受，可以經(jīng)由替身（avatar）來呈現(xiàn)，這種替身屬于展示用戶身份的三維對象。在虛擬遠(yuǎn)程教育平臺中，其結(jié)構(gòu)主要包含了虛擬同步教學(xué)系統(tǒng)、虛擬異步教學(xué)系統(tǒng)以及通用管理這三個版塊。其中虛擬同步教學(xué)系統(tǒng)的功能是共享協(xié)同虛擬環(huán)境下的學(xué)習(xí)，虛擬異步教學(xué)系統(tǒng)的功能是模擬課程的開發(fā)以及模擬教務(wù)的管理，通用管理則負(fù)責(zé)視頻播放、網(wǎng)站運用、模擬空間管理等。當(dāng)布置好開發(fā)環(huán)境之后，可運用以角色為基礎(chǔ)的訪問控制理論，即RBAC，展開訪問控制。并利用計算機協(xié)同理論構(gòu)建起交互式模擬教室，再與信息庫中的數(shù)據(jù)聯(lián)系起來，從而滿足模擬空間內(nèi)的教學(xué)需求。

圖1 總體框架圖

2.2 設(shè)計虛擬同步教學(xué)系統(tǒng)

要實現(xiàn)VRMDEP的功能設(shè)計，首先必須要設(shè)計虛擬同步教學(xué)系統(tǒng)，呈現(xiàn)出科學(xué)而清晰的內(nèi)容劃分，完善網(wǎng)站的導(dǎo)航組合，制作出簡潔、美觀、人性化的操作界面。虛擬同步教學(xué)系統(tǒng)不僅可以為教師構(gòu)建出相對真實的教學(xué)環(huán)境，還能為學(xué)生建立起自主學(xué)習(xí)的理想空間。該系統(tǒng)的重心就是模擬教室、模擬實驗室、模擬工作室以及討論交流室。首先，對于模擬教室的構(gòu)建，要設(shè)計出講臺、黑板、課桌與椅子、門窗、投影儀等。教師采用豐富的虛擬資源展開知識講授，而學(xué)生則需要注冊并登錄，然后進(jìn)入模擬教室學(xué)習(xí)。其功能界面的作用有：（1）安插課程導(dǎo)航。教師可利用課程導(dǎo)航和課件的信息庫完成交互，進(jìn)而科學(xué)運用教學(xué)資源，達(dá)到教學(xué)調(diào)控的目的；（2）安插作業(yè)處理欄。教師可利用這項功能給學(xué)生布置作業(yè)，并進(jìn)行作業(yè)批改，再將改好的作業(yè)發(fā)還給學(xué)生。學(xué)生也可通過這項功能進(jìn)行作業(yè)遞交、獲??；（3）安插電子白板。學(xué)生可利用電子白板向老師提問，而老師也可通過白板進(jìn)行信息通知、公布答案等。

然后，對于模擬實驗室的構(gòu)建，要設(shè)置出相對逼真的實驗環(huán)境，例如實驗臺、儀器設(shè)備、門窗等，讓教師和學(xué)生運用這些設(shè)備展開模擬實驗。其主要功能包括：（1）安插實驗導(dǎo)航。學(xué)生和教師可以利用這一導(dǎo)航完成實驗數(shù)據(jù)交互，并整合實驗資源，科學(xué)進(jìn)行模擬實驗；（2）安插實驗控制臺。對于每個實驗，都能夠提供相應(yīng)的設(shè)備、過程展示、原理講解、自主實驗等功能；（3）安插實驗工具箱。當(dāng)進(jìn)行不同的實驗時，其所需設(shè)備也有所不同，因此需要設(shè)置工具箱，以此裝載實驗設(shè)備。

最后是模擬工作室與討論交流室的構(gòu)建。模擬工作室能夠為教師模擬教學(xué)的開展提供必要的技術(shù)支撐，且教師能夠在模擬工作室內(nèi)采用不同的工具、軟件進(jìn)行教學(xué)，通過人性化的操作界面完成課程介紹、要點講授、信息傳遞等任務(wù)。構(gòu)建討論交流室，則是利用電子郵件、公告欄等，讓學(xué)生和教師、學(xué)生和學(xué)生之間實現(xiàn)多向異步在線溝通，讓學(xué)生獲得自主學(xué)習(xí)與發(fā)言的機會。

2.3 設(shè)計虛擬異步教學(xué)系統(tǒng)

這一教學(xué)系統(tǒng)主要包含了兩個部分，即模擬課程的開發(fā)以及模擬教務(wù)的管理。該功能和傳統(tǒng)遠(yuǎn)程教育當(dāng)中所體現(xiàn)的功能大體相同，而差別則是增添了替身（avatar）在模擬空間內(nèi)起到的效用。進(jìn)行模擬課程開發(fā)，其重點實施的功能有如下幾點：管理模擬資源庫、維護(hù)課件模板、向?qū)Ч芾怼⒛M素材整合、資源連接、模擬課件開發(fā)。而模擬教務(wù)管理則是VRMDEP當(dāng)中為老師、學(xué)生及管理員提供信息查詢和統(tǒng)計功能的平臺，其重點包括以下功能：課程管理、教師管理、學(xué)生管理、考試信息管理、報表統(tǒng)計等。

3 遠(yuǎn)程教育平臺中虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢

3.1 構(gòu)建模擬學(xué)習(xí)環(huán)境與仿真實驗場景，增強真實體驗

在傳統(tǒng)的遠(yuǎn)程教育中，學(xué)習(xí)者與教師無法進(jìn)行面對面的交流，使得學(xué)習(xí)者只能獨立地完成學(xué)習(xí)效果，缺乏互動與交流。而融合了虛擬現(xiàn)實技術(shù)的遠(yuǎn)程教育平臺，能夠利用3D建模技術(shù)構(gòu)建出虛擬的教室與課堂，使學(xué)習(xí)者有如置身真實的課堂中，實現(xiàn)了人機交互，從而有利于增強其真實體驗，能夠增強學(xué)習(xí)的趣味性，并且讓更多的人感受到校園生活。

此外，在應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)之前，遠(yuǎn)程教育很難對學(xué)習(xí)者的實驗技能提供有效的指導(dǎo)，學(xué)習(xí)者無法直接參與到實驗操作的過程中，這也是傳統(tǒng)遠(yuǎn)程教育最大的弊端。而利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)能夠為學(xué)習(xí)者打造一個全面、完善、仿真的虛擬實驗場所，并提供一切相關(guān)的實驗器材，讓學(xué)習(xí)者能夠借助一定的設(shè)備來進(jìn)行實驗操作，直接地體驗實驗過程，從而強化對學(xué)習(xí)內(nèi)容的理解，促進(jìn)實踐技能的提升。

3.2 能夠為多人合作的實現(xiàn)提供虛擬平臺

由于遠(yuǎn)程教育都是學(xué)習(xí)者分散進(jìn)行的，很難進(jìn)行小組之間的合作與交流，而在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中，能夠利用信息技術(shù)以及人機交互的模式將不同物理位置的用戶聯(lián)系在一起，實現(xiàn)模擬場景的共享。并在虛擬的空間中進(jìn)行聯(lián)機操作，讓用戶即使身處異地也能夠“聚”在一起學(xué)習(xí)與交流，其聲音也能夠?qū)崟r地相互傳遞，甚至還可以在仿真的實驗場景中共同完成實驗任務(wù)。這一特點與傳統(tǒng)遠(yuǎn)程教育中學(xué)習(xí)者個體獨立學(xué)習(xí)是完全不一樣的。學(xué)習(xí)者能夠通過與他人之間的協(xié)作獲得啟發(fā)，并增強經(jīng)驗與知識的積累，進(jìn)一步提升自身的學(xué)習(xí)效率。

3.3 實現(xiàn)交互

模擬空間中的交互性主要表現(xiàn)在兩大方面：一是用戶和模擬空間內(nèi)的對象進(jìn)行交互，用戶能夠調(diào)節(jié)其對象的方位、形態(tài)等，還能采取添加、刪除等措施；二是用戶和用戶之間實現(xiàn)交互，即用戶操控替身的行動，如跑、走、跳、舉手、扭頭等。此外還可以看見其余用戶的替身形態(tài)，并和他人溝通、交流，進(jìn)行探討及演示。這樣一來用戶之間便能實現(xiàn)共同開發(fā)、合作試驗等，完成對模擬場景的控制。

4 結(jié)束語

遠(yuǎn)程教育平臺既是一個多元化的綜合應(yīng)用系統(tǒng)，也是一個亟待發(fā)展與完善的開放性系統(tǒng)。在設(shè)計與運用的過程中，一定要全面結(jié)合其延展性、伸縮性、異構(gòu)性等多項特征，并挑選出適當(dāng)?shù)木W(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及通訊協(xié)議等，以便提升模擬場景的實時性與操作效果。

[1]亓傳偉，任艷斐．基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的遠(yuǎn)程教育平臺設(shè)計與研究[J]．濮陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2013(02)：158-16 0．

[2]楊世軍．虛擬現(xiàn)實技術(shù)及其在遠(yuǎn)程教育中的應(yīng)用[J]．三峽大學(xué)學(xué)報(人文社會科學(xué)版)，2009(S1)：288-29 0．

[3]徐武，張婕．虛擬現(xiàn)實技術(shù)在現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育中的應(yīng)用[J]．高等函授學(xué)報(自然科學(xué)版)，2008(03)：34-35．

TheApplication of Virtual Reality Technology in Distance Education Platform

Han Guiming
(Yancheng Special Education Secondary Specialized School,Yancheng 224002,Jiangsu)

This paper studies the application of virtual reality technology and the realization of VRMDEP in the distance education platform.It proposes the general framework of VRMDEP,designs the virtual synchronous and asynchronous teaching system and constructs the simulation scene to realize the interaction between users.

distance education platform;virtual reality technology

TP391.9

A

1008-6609(2016)12-0056-03

韓桂明（1975-），男，江蘇鹽城人，本科，高級講師，研究方向為計算機應(yīng)用與教學(xué)。