基于電子3D虛擬現(xiàn)實(shí)的翻轉(zhuǎn)課堂遠(yuǎn)程教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉紅兵　郭輝

摘 要： 為了提高翻轉(zhuǎn)課堂遠(yuǎn)程教學(xué)的視覺(jué)感官性和智能控制性，提出基于電子3D虛擬現(xiàn)實(shí)的翻轉(zhuǎn)課堂遠(yuǎn)程教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。在Multigen Creator軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境中進(jìn)行教學(xué)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，采用3D虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)場(chǎng)景的遠(yuǎn)程視景仿真，建立三維教學(xué)場(chǎng)景模型，結(jié)合Vega Prime視景開(kāi)發(fā)技術(shù)建立翻轉(zhuǎn)課堂遠(yuǎn)程教學(xué)的可視化仿真程序，并進(jìn)行多線程的程序加載和網(wǎng)絡(luò)控制設(shè)計(jì)。測(cè)試結(jié)果表明，設(shè)計(jì)翻轉(zhuǎn)課堂遠(yuǎn)程教學(xué)系統(tǒng)可視化教學(xué)效果較好，系統(tǒng)可靠穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞： 電子； 3D； 虛擬現(xiàn)實(shí)； 翻轉(zhuǎn)課堂； 遠(yuǎn)程教學(xué)系統(tǒng)

中圖分類號(hào)： TN99?34； TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2017）22?0051?03

Abstract： In order to improve the visual sense and intelligent control of the flipped classroom remote teaching， a design scheme of the remote teaching system based on the 3D virtual electronic is put forward. The software design of the teaching system was carried out in the Multigen Creator software development environment. 3D virtual reality technology is used to simulate the remote flip classroom teaching scene build 3D teaching scene model. In combination with Vega Prime scene developing technology， the visual simulation program of the flipped classroom development technology is established， and the program loading multi thread and network control design is performed. The test results show that the flipped classroom remote teaching system has a good remote teaching effect， and the system is reliable and stable.

Keywords： electronics； 3D； virtual reality； flipped classroom； distance learning system

0 引 言

隨著教學(xué)改革的不斷深入，課堂教學(xué)模式不斷進(jìn)步和發(fā)展，翻轉(zhuǎn)課堂作為一種新的教學(xué)模式，在現(xiàn)代教學(xué)中得到廣泛應(yīng)用，翻轉(zhuǎn)課堂模式下教學(xué)是通過(guò)教學(xué)角色互換，翻轉(zhuǎn)課堂是一種新型的多媒體信息教學(xué)模式，可適應(yīng)各個(gè)學(xué)科的遠(yuǎn)程多媒體互動(dòng)教學(xué)需求[1]。在翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式下，需要設(shè)計(jì)一種計(jì)算機(jī)視覺(jué)模式下的3D遠(yuǎn)程教學(xué)系統(tǒng)，提高教學(xué)環(huán)境和教學(xué)環(huán)節(jié)的跟蹤和掌控能力，為了提高翻轉(zhuǎn)課堂遠(yuǎn)程教學(xué)的視覺(jué)感官性和智能控制性，提出一種基于電子3D虛擬現(xiàn)實(shí)的翻轉(zhuǎn)課堂遠(yuǎn)程教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。首先進(jìn)行系統(tǒng)開(kāi)發(fā)環(huán)境描述和系統(tǒng)總體構(gòu)架設(shè)計(jì)，再進(jìn)行翻轉(zhuǎn)課堂遠(yuǎn)程教學(xué)系統(tǒng)的軟件開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)和測(cè)試分析，得出有效性結(jié)論。

1 總體構(gòu)架模型

1.1 翻轉(zhuǎn)課堂遠(yuǎn)程教學(xué)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)原理

在電子3D虛擬現(xiàn)實(shí)視景仿真環(huán)境下構(gòu)建翻轉(zhuǎn)課堂遠(yuǎn)程教學(xué)系統(tǒng)，首先構(gòu)建教學(xué)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)模型，進(jìn)行開(kāi)發(fā)環(huán)境搭建和體系結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)，在Mutigen Creator和嵌入式開(kāi)發(fā)環(huán)境下進(jìn)行Lynx Prime圖形界面設(shè)計(jì)，對(duì)教學(xué)系統(tǒng)的頂層設(shè)計(jì)采用多線程調(diào)度和場(chǎng)景渲染方法，在靜態(tài)視景模型庫(kù)中，電子3D虛擬現(xiàn)實(shí)的翻轉(zhuǎn)課堂遠(yuǎn)程教學(xué)系統(tǒng)分為三層體系結(jié)構(gòu)[2]。其中，感知控制層是通過(guò)傳感器設(shè)備為用戶提供實(shí)時(shí)流暢的可視化界面，采用無(wú)線射頻識(shí)別和多媒體感知技術(shù)教學(xué)場(chǎng)景的信息化采集和多媒體渲染，調(diào)用由圖形界面Lynx Prime設(shè)計(jì)生成多媒體教學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)，在數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)資源信息采集和調(diào)度?；跇?biāo)準(zhǔn)模板庫(kù)（STL）和C++編程進(jìn)行3D虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)計(jì)，建立翻轉(zhuǎn)課堂的視景仿真模型，定義.acf、配置.acf 和系統(tǒng)運(yùn)行仿真的信息處理程序，結(jié)合多線程技術(shù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信開(kāi)發(fā)[3]。

構(gòu)建翻轉(zhuǎn)課堂遠(yuǎn)程教學(xué)的中間件，基于壓縮感知的魯棒可分離方法進(jìn)行軟件調(diào)度，用戶代理服務(wù)器端通過(guò)雙工通信為用戶提供信息管理服務(wù)，翻轉(zhuǎn)課堂遠(yuǎn)程教學(xué)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)傳輸層建立在異構(gòu)網(wǎng)、移動(dòng)通信網(wǎng)以及校園網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中。系統(tǒng)采用Browser/Server結(jié)構(gòu)進(jìn)行用戶代理服務(wù)器設(shè)計(jì)，SIP代理服務(wù)器的作用是協(xié)商通信雙方的多媒體信息流編碼格式，在SDP協(xié)議中建立3D虛擬現(xiàn)實(shí)視景仿真軟件，實(shí)現(xiàn)對(duì)翻轉(zhuǎn)課堂遠(yuǎn)程教學(xué)系統(tǒng)的界面顯示和業(yè)務(wù)邏輯控制。根據(jù)上述設(shè)計(jì)原理，構(gòu)建翻轉(zhuǎn)課堂遠(yuǎn)程教學(xué)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)框架結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 翻轉(zhuǎn)課堂遠(yuǎn)程教學(xué)系統(tǒng)的功能模塊結(jié)構(gòu)

在Multigen Creator 3.2開(kāi)發(fā)環(huán)境下進(jìn)行翻轉(zhuǎn)課堂遠(yuǎn)程教學(xué)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)。在感知控制層定義用戶行為；基于多樣化top?k shapelets轉(zhuǎn)換方法進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)切換和課堂教學(xué)多媒體切換的遠(yuǎn)程控制；以校園網(wǎng)、局域網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)進(jìn)行遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)。通信協(xié)議將 C/S和B/S模式結(jié)合在一起，基于基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)方法，翻轉(zhuǎn)課堂遠(yuǎn)程教學(xué)的各種設(shè)備的輸入/輸出端口采用統(tǒng)一的接口設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)課堂遠(yuǎn)程教學(xué)系統(tǒng)遠(yuǎn)程開(kāi)機(jī)關(guān)機(jī)，教學(xué)電動(dòng)幕布的啟動(dòng)和數(shù)據(jù)信息檢索等功能[4]。endprint

教學(xué)系統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)部分，其中，硬件模塊采用Prime提供的API函數(shù)直接調(diào)用開(kāi)發(fā)組件進(jìn)行核心控制模塊的集成設(shè)計(jì)，采用3D虛擬技術(shù)進(jìn)行8～16位數(shù)據(jù)線擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)程多媒體教學(xué)信息的集成調(diào)度和輸出控制。在vpApp類中通過(guò)集成封裝方法封裝VP應(yīng)用程序，進(jìn)行DSP控制，對(duì)串口進(jìn)行正確配置，通過(guò)編程和接口調(diào)用vpModule：：initializeModule初始化應(yīng)用程序。在Vega Prime中進(jìn)行應(yīng)用程序加載。初始化內(nèi)存分配，在vpApp類控制終端接收控制程序設(shè)計(jì)[5]，驅(qū)動(dòng)配置程序，完成軟件設(shè)計(jì)。

2 系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)

在電子3D虛擬現(xiàn)實(shí)視景仿真環(huán)境下進(jìn)行翻轉(zhuǎn)課堂遠(yuǎn)程教學(xué)系統(tǒng)的三層體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，基于TCP/IP協(xié)議和C/S模型構(gòu)建多媒體教學(xué)平臺(tái)，進(jìn)行遠(yuǎn)程教學(xué)系統(tǒng)的視景仿真設(shè)計(jì)，視景仿真的軟件設(shè)計(jì)包括網(wǎng)絡(luò)通信模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、界面渲染和3D建模模塊。初始化場(chǎng)景（scene graph）通過(guò)串口接收控制程序設(shè)計(jì)[6]，使用以下句法進(jìn)行3D虛擬現(xiàn)實(shí)仿真模塊的用戶定制：

在驅(qū)動(dòng)配置程序設(shè)計(jì)中裝載 .acf 文件，以計(jì)算機(jī)微處理器的形式控制各個(gè)多媒體教學(xué)設(shè)備，對(duì)于協(xié)議棧中SIP消息通過(guò)指向鏈表路由通道進(jìn)行串行總線控制，SIP消息是由一個(gè)SIP 會(huì)話時(shí)鐘（Start?Line）、一個(gè)或多個(gè)字段（Field）組成的消息頭。遠(yuǎn)程中央控制機(jī)采用4G通信和互聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)向翻轉(zhuǎn)課堂遠(yuǎn)程教學(xué)系統(tǒng)發(fā)送時(shí)鐘訪問(wèn)脈沖，通過(guò)接口訪問(wèn)控制，實(shí)現(xiàn)QoS管理， 提高翻轉(zhuǎn)課堂遠(yuǎn)程教學(xué)的實(shí)時(shí)性和資源互通性，進(jìn)一步進(jìn)行SIP消息控制，利用OpenStack進(jìn)行視景渲染，myApp?>configure（）用來(lái)解析.acf，格式為：

根據(jù)上述分析，將翻轉(zhuǎn)課堂遠(yuǎn)程教學(xué)系統(tǒng)的串行總線控制首址賦給地址指針，在Linux操作系統(tǒng)中建立軟件的開(kāi)發(fā)環(huán)境，通過(guò)Vega Prime中提供的AudioSoundSpatial模塊建立三維教學(xué)場(chǎng)景模型。在接口訪問(wèn)的服務(wù)能力層SCL架構(gòu)下[7]，利用WEB?GIS瀏覽器進(jìn)行信息傳輸和視景開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)電子3D虛擬現(xiàn)實(shí)仿真。

3 仿真實(shí)驗(yàn)

在對(duì)電子3D虛擬現(xiàn)實(shí)視景仿真環(huán)境下的翻轉(zhuǎn)課堂遠(yuǎn)程教學(xué)系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)分析。實(shí)驗(yàn)采用PXI?8155總線傳輸方式進(jìn)行教學(xué)資源調(diào)度，用Socket編程構(gòu)建翻轉(zhuǎn)課堂遠(yuǎn)程教學(xué)系統(tǒng)的狀態(tài)字結(jié)構(gòu)，見(jiàn)表1。

根據(jù)上述仿真場(chǎng)景設(shè)定，采用ActivityGroup軟件進(jìn)行翻轉(zhuǎn)課堂的電子3D虛擬現(xiàn)實(shí)模擬，得到視景仿真結(jié)果如圖2所示。

分析圖2結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的翻轉(zhuǎn)課堂遠(yuǎn)程教學(xué)系統(tǒng)可視化教學(xué)效果較好，系統(tǒng)可靠穩(wěn)定，具有較好的應(yīng)用實(shí)踐性。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文提出基于電子3D虛擬現(xiàn)實(shí)的翻轉(zhuǎn)課堂遠(yuǎn)程教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)的翻轉(zhuǎn)課堂遠(yuǎn)程教學(xué)系統(tǒng)可視化教學(xué)效果較好，系統(tǒng)可靠穩(wěn)定。

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