基于ARUP的桌面虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)軟件 開(kāi)發(fā)模型建構(gòu)

宋芳菲 張冬玉 相鳳華

摘 要：桌面虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)軟件是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用實(shí)例，是多媒體教學(xué)軟件向虛擬化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展的體現(xiàn)。本文以敏捷軟件開(kāi)發(fā)思想為指導(dǎo)，將RUP統(tǒng)一過(guò)程軟件開(kāi)發(fā)模型與Scrum敏捷軟件開(kāi)發(fā)方法相結(jié)合，形成一種ARUP敏捷統(tǒng)一軟件開(kāi)發(fā)框架和管理方法，并基于ARUP框架與教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，結(jié)合桌面虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)特點(diǎn)，建構(gòu)了桌面虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)軟件開(kāi)發(fā)模型，且依據(jù)此模型實(shí)施了攝影虛擬實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)，對(duì)桌面虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)軟件的開(kāi)發(fā)有一定指導(dǎo)作用。

關(guān)鍵詞：桌面虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)軟件；軟件開(kāi)發(fā)模型；ARUP；Scrum；EON Studio

中圖分類號(hào)：G434 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1673-8454（2018）23-0086-07

一、引言

隨著《中國(guó)虛擬現(xiàn)實(shí)產(chǎn)業(yè)白皮書(shū)》的發(fā)布，我國(guó)虛擬現(xiàn)實(shí)產(chǎn)業(yè)進(jìn)入了迅速發(fā)展時(shí)期，[1]虛擬現(xiàn)實(shí)研究也已成為教育技術(shù)的重要研究方向。[2]教育部成立了虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用工程研究中心，[3]啟動(dòng)了國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)工作，計(jì)劃每年產(chǎn)生100個(gè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，[4]以有效推動(dòng)虛擬現(xiàn)實(shí)在教育行業(yè)的發(fā)展。未來(lái)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將在基礎(chǔ)教育、高等教育、成人教育等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，[3]將革新知識(shí)獲取的渠道和學(xué)習(xí)交互的方式，形成一個(gè)全新的教育生態(tài)系統(tǒng)。[5]

虛擬現(xiàn)實(shí)可以分為桌面虛擬現(xiàn)實(shí)、沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)、分布式虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)虛擬現(xiàn)實(shí)四大類，目前限制虛擬現(xiàn)實(shí)在教育中廣泛應(yīng)用的主要因素有兩個(gè)：一是產(chǎn)生和維護(hù)高沉浸感的虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備與環(huán)境價(jià)格昂貴；二是佩戴虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備給學(xué)習(xí)者帶來(lái)的生理和心理的不適感，因此相對(duì)低沉浸感的桌面虛擬現(xiàn)實(shí)顯示出在教育教學(xué)中的良好應(yīng)用前景。[6]

桌面虛擬現(xiàn)實(shí)作為一種低成本的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，因其良好的視聽(tīng)感受、實(shí)時(shí)的人機(jī)交互以及便捷的網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)葍?yōu)勢(shì)，更多地應(yīng)用于中小型教學(xué)軟件開(kāi)發(fā)，形成了多種以桌面虛擬現(xiàn)實(shí)學(xué)習(xí)環(huán)境為核心的教學(xué)應(yīng)用軟件，如虛擬實(shí)驗(yàn)室、虛擬教育游戲、虛擬漫游系統(tǒng)等，可以統(tǒng)稱為桌面虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)軟件。

桌面虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)軟件既是應(yīng)用于教學(xué)的計(jì)算機(jī)程序，又是具有特定教學(xué)功能的教學(xué)材料，還具有沉浸、交互、構(gòu)想三個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)特性，[1]因此其具有程序性、教學(xué)性、[7]虛擬性三重屬性，它的開(kāi)發(fā)是一個(gè)利用桌面虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和教學(xué)設(shè)計(jì)方法對(duì)軟件系統(tǒng)和教學(xué)系統(tǒng)實(shí)施并行設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的過(guò)程，是一個(gè)對(duì)技術(shù)要求較高、相對(duì)復(fù)雜的軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程。

目前虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)多以技術(shù)為主線，大致分為媒體素材與三維模型制作、虛擬場(chǎng)景設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)、交互控制設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)、系統(tǒng)測(cè)試與發(fā)布幾個(gè)階段，開(kāi)發(fā)過(guò)程重視技術(shù)工具的應(yīng)用，缺少教學(xué)設(shè)計(jì)理論和相關(guān)學(xué)科知識(shí)的支持，缺少合理有效的教學(xué)軟件開(kāi)發(fā)模型作為指導(dǎo)。雖然有部分研究體現(xiàn)了教學(xué)設(shè)計(jì)和軟件工程思想，闡述了簡(jiǎn)單的開(kāi)發(fā)流程，[8-10]但未對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)軟件的開(kāi)發(fā)過(guò)程與方法做出系統(tǒng)闡述。因此，為適應(yīng)桌面虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程的復(fù)雜性，規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)、降低成本，同時(shí)保證軟件開(kāi)發(fā)的質(zhì)量和效率，構(gòu)建一個(gè)具有理論指導(dǎo)和實(shí)踐參考價(jià)值的桌面虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)軟件開(kāi)發(fā)模型是虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域中值得研究的課題。

二、桌面虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)軟件開(kāi)發(fā)模型建構(gòu)思路與方法

依據(jù)桌面虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)軟件的三重屬性，可以在厘定其概念范圍的基礎(chǔ)上，結(jié)合桌面虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)特點(diǎn)，參考已有的教學(xué)軟件開(kāi)發(fā)模型，利用軟件工程和教學(xué)設(shè)計(jì)理論與方法來(lái)共同建構(gòu)桌面虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)軟件的開(kāi)發(fā)模型。

1.桌面虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)軟件及其核心技術(shù)分析

（1）桌面虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)軟件定義

桌面虛擬現(xiàn)實(shí)是一種低沉浸感的虛擬現(xiàn)實(shí)，它是利用計(jì)算機(jī)生成一種可交互的三維虛擬環(huán)境，用戶使用標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)，如鼠標(biāo)、鍵盤(pán)等，通過(guò)計(jì)算機(jī)屏幕觀察和操縱虛擬環(huán)境與對(duì)象，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)人機(jī)交互的技術(shù)。[11]

桌面虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)軟件就是利用桌面虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)開(kāi)發(fā)的教學(xué)應(yīng)用軟件，其狹義定義是指根據(jù)教學(xué)目標(biāo)開(kāi)發(fā)的，以多媒體與交互式三維模擬環(huán)境為表現(xiàn)方式，以超媒體結(jié)構(gòu)組織的具有一定沉浸感和實(shí)時(shí)人機(jī)交互，用于呈現(xiàn)特定教學(xué)內(nèi)容、反映特定教學(xué)策略、實(shí)現(xiàn)特定教學(xué)功能的三維模擬程序，也可稱為虛擬現(xiàn)實(shí)程序。其廣義定義是指以桌面虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為核心，并綜合其它支持ActiveX插件的主程序（如Visual Basic、Director等）或其它軟件開(kāi)發(fā)技術(shù)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的除虛擬展示教學(xué)和虛擬實(shí)驗(yàn)外，功能更為全面的教學(xué)軟件系統(tǒng)。

（2）桌面虛擬現(xiàn)實(shí)核心技術(shù)分析

實(shí)現(xiàn)桌面虛擬現(xiàn)實(shí)的方法大致有三種：①基于語(yǔ)言編程，即采用底層圖形開(kāi)發(fā)接口OpenGL或DirectX，或是Java3D技術(shù)、VRML虛擬現(xiàn)實(shí)建模語(yǔ)言等編程實(shí)現(xiàn)三維圖形系統(tǒng)。[12]②基于二維圖像，即對(duì)物體和環(huán)境進(jìn)行實(shí)地的多角度環(huán)視拍攝，將形成的靜止圖像進(jìn)行后期縫合，建立實(shí)景化虛擬空間，并通過(guò)加載播放程序來(lái)完成展示。[13] 常用軟件有QTVR、PixMaker等，主要用于虛擬漫游系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。③基于三維建模，這類虛擬現(xiàn)實(shí)軟件支持多種格式三維模型的導(dǎo)入，可使用已封裝的功能節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)對(duì)三維虛擬環(huán)境的交互操作，可嵌入支持ActiveX插件的其它主程序，實(shí)現(xiàn)多種形式的顯示發(fā)布。[14] 常用軟件有Virtools、EON Studio等，可用于網(wǎng)絡(luò)虛擬展示、網(wǎng)絡(luò)虛擬游戲或其它大型虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。綜上，桌面虛擬現(xiàn)實(shí)的核心技術(shù)主要體現(xiàn)在虛擬環(huán)境建模、人機(jī)交互和實(shí)時(shí)顯示三方面。虛擬現(xiàn)實(shí)程序的開(kāi)發(fā)過(guò)程可以概括為虛擬建模、交互操作、顯示發(fā)布三個(gè)階段，具體如圖1所示。

2.教學(xué)軟件開(kāi)發(fā)模型的相關(guān)研究

目前教學(xué)軟件開(kāi)發(fā)模型主要是基于教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法與軟件工程開(kāi)發(fā)模型來(lái)建構(gòu)的。曾有研究者基于傳統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)模型提出了教學(xué)軟件的瀑布開(kāi)發(fā)模型[15]、原型開(kāi)發(fā)模型[16]、螺旋開(kāi)發(fā)模型[17]，這類模型雖然在一定程度上體現(xiàn)了迭代開(kāi)發(fā)的思想，但仍強(qiáng)調(diào)開(kāi)發(fā)過(guò)程的階段性和順序性，難以適應(yīng)系統(tǒng)需求的快速變化，且對(duì)開(kāi)發(fā)過(guò)程缺乏系統(tǒng)的闡述和規(guī)定。也有研究者提出了基于RUP統(tǒng)一過(guò)程的多媒體課件開(kāi)發(fā)模型[18]和基于RUP改進(jìn)模型的教學(xué)軟件開(kāi)發(fā)模型，[19]這種模型充分體現(xiàn)了迭代增量的開(kāi)發(fā)思想，為教學(xué)軟件開(kāi)發(fā)提供了一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的框架結(jié)構(gòu)，具有較好的通用性，但缺少對(duì)開(kāi)發(fā)過(guò)程管理方法的闡述。

敏捷方法是以代碼為核心的、富于靈活性的新型軟件開(kāi)發(fā)方法，可通過(guò)有效溝通和緊密協(xié)作來(lái)簡(jiǎn)化、管理和控制軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程，以適應(yīng)系統(tǒng)需求的快速變化，為軟件開(kāi)發(fā)提供過(guò)程管理框架，已有研究者提出應(yīng)用XP極限編程敏捷方法管理教育軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程，[20]也有研究將RUP過(guò)程模型與敏捷方法有效結(jié)合，形成兼具二者優(yōu)勢(shì)的ARUP敏捷統(tǒng)一軟件開(kāi)發(fā)方法，[21]因此可以嘗試使用ARUP敏捷統(tǒng)一方法來(lái)更好地指導(dǎo)教學(xué)軟件的開(kāi)發(fā)。

3.RUP與Scrum相結(jié)合的ARUP軟件開(kāi)發(fā)模型

（1）RUP統(tǒng)一過(guò)程軟件開(kāi)發(fā)模型

RUP（Rational Unified Process）統(tǒng)一軟件開(kāi)發(fā)模型綜合了多種軟件開(kāi)發(fā)模型的優(yōu)點(diǎn)，是一個(gè)具有通用性的二維軟件開(kāi)發(fā)模型，如圖2所示。[22]橫軸代表軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程的時(shí)間維度，以初始、細(xì)化、構(gòu)造和交付四個(gè)迭代階段展現(xiàn)軟件開(kāi)發(fā)的生命周期，體現(xiàn)了開(kāi)發(fā)過(guò)程的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)；縱軸代表軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程的內(nèi)容維度，以需求、分析設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)等九個(gè)核心工作流闡明了迭代過(guò)程執(zhí)行的相關(guān)活動(dòng)，體現(xiàn)了開(kāi)發(fā)過(guò)程的靜態(tài)結(jié)構(gòu)。RUP模型是以用例驅(qū)動(dòng)、以基本架構(gòu)為中心、以迭代和增量方式進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)的。

（2）Scrum敏捷軟件開(kāi)發(fā)方法

Scrum是目前應(yīng)用較為廣泛的敏捷軟件開(kāi)發(fā)方法，包括了一系列核心實(shí)踐和預(yù)定義角色，如圖3所示。[23] Scrum開(kāi)發(fā)過(guò)程由多個(gè)Sprint迭代周期組成，每個(gè) Sprint起始首先由產(chǎn)品負(fù)責(zé)人編寫(xiě)產(chǎn)品功能訂單（Product Backlog），再由Scrum開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)討論確定本次Sprint迭代需要完成的開(kāi)發(fā)任務(wù)，并按照優(yōu)先級(jí)排序形成迭代開(kāi)發(fā)任務(wù)列表（Sprint Backlog）。進(jìn)入開(kāi)發(fā)周期后，每個(gè)工作日都要組織每日簡(jiǎn)會(huì)，團(tuán)隊(duì)成員相互通告工作進(jìn)度，并以燃盡圖（Burndown chart）表示剩余工作量。在Sprint末期，將召開(kāi)評(píng)審會(huì)議，將階段性成果展示給產(chǎn)品負(fù)責(zé)人和用戶，獲得反饋意見(jiàn)，最后召開(kāi)回顧會(huì)議，總結(jié)問(wèn)題和經(jīng)驗(yàn)，為下一個(gè)Sprint周期做好準(zhǔn)備。Scrum的工作流程可以體現(xiàn)出4個(gè)重要核心實(shí)踐，即客戶現(xiàn)場(chǎng)、面對(duì)面交流、持續(xù)集成和頻繁發(fā)布。[24]

（3）ARUP敏捷統(tǒng)一過(guò)程軟件開(kāi)發(fā)框架與管理方法

可見(jiàn)，RUP模型可以為教學(xué)軟件開(kāi)發(fā)提供一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的框架結(jié)構(gòu)，但本身過(guò)于復(fù)雜，在實(shí)際應(yīng)用中往往需要進(jìn)行裁剪，缺乏對(duì)中小型項(xiàng)目的支持，而Scrum敏捷方法可以用于簡(jiǎn)化和管理RUP迭代開(kāi)發(fā)過(guò)程。本研究將Scrum敏捷方法與RUP模型相結(jié)合，建立一種ARUP（Agile Rational Unified Process）敏捷統(tǒng)一過(guò)程軟件開(kāi)發(fā)框架和管理方法，即在繼承RUP模型用例驅(qū)動(dòng)和迭代開(kāi)發(fā)思想的基礎(chǔ)上，利用Scrum敏捷方法合理簡(jiǎn)化RUP框架結(jié)構(gòu)，沿用Scrum的預(yù)定角色和各項(xiàng)會(huì)議制度協(xié)調(diào)管理RUP迭代開(kāi)發(fā)過(guò)程，并積極開(kāi)展Scrum的核心實(shí)踐。將用戶作為開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)的成員，通過(guò)用戶與開(kāi)發(fā)人員以及開(kāi)發(fā)人員之間面對(duì)面的有效溝通來(lái)快速獲得用戶需求變化和反饋信息，及時(shí)交流開(kāi)發(fā)情況，提高軟件開(kāi)發(fā)效率，以體現(xiàn)客戶現(xiàn)場(chǎng)和面對(duì)面交流的核心實(shí)踐，同時(shí)在迭代開(kāi)發(fā)中秉持以代碼為核心，持續(xù)進(jìn)行系統(tǒng)功能集成，并通過(guò)積極發(fā)布和測(cè)試軟件系統(tǒng)來(lái)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，修補(bǔ)漏洞，以快速靈活地適應(yīng)系統(tǒng)需求的不斷變化，實(shí)現(xiàn)增量開(kāi)發(fā)，以體現(xiàn)持續(xù)集成和頻繁發(fā)布的核心實(shí)踐。

ARUP綜合了RUP模型與Scrum方法的優(yōu)點(diǎn)，在整體框架上遵循RUP的主要結(jié)構(gòu)，在管理方法上繼承Scrum的核心實(shí)踐，同時(shí)具有通用性和靈活性，更適用于中小型教學(xué)軟件的開(kāi)發(fā)。ARUP既是利用Scrum思想對(duì)RUP過(guò)程的適當(dāng)裁剪，也是利用RUP思想對(duì)Scrum的合理擴(kuò)充，其核心思想是以人為本，用例驅(qū)動(dòng)，增量迭代，擁抱變化的有序開(kāi)發(fā)過(guò)程。[25]

三、桌面虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)軟件開(kāi)發(fā)模型建構(gòu)

依據(jù)上述ARUP敏捷統(tǒng)一過(guò)程軟件開(kāi)發(fā)框架與管理方法，以桌面虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)軟件的廣義定義為標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)模式和桌面虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)特點(diǎn)，本文從教學(xué)設(shè)計(jì)與系統(tǒng)設(shè)計(jì)兩條路徑出發(fā)，提出了桌面虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)軟件開(kāi)發(fā)模型，將其生命周期分為初始、細(xì)化、構(gòu)造、交付4個(gè)階段，包括6個(gè)核心工作流，其中需求建模、分析設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)、測(cè)試、部署為活動(dòng)工作流，項(xiàng)目管理為支持工作流，如圖4所示。

1.桌面虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)軟件開(kāi)發(fā)模型的核心工作流

（1）需求建模

需求建模的目標(biāo)是了解項(xiàng)目處理的問(wèn)題域，以及初步確定解決問(wèn)題的可行方案，主要執(zhí)行在初始階段，經(jīng)過(guò)2次迭代分別完成教學(xué)需求建模和系統(tǒng)需求建模，可以使用自由圖表或UML圖表示。通過(guò)用戶需求分析了解主要的教學(xué)需求和系統(tǒng)需求。根據(jù)教學(xué)需求描述，通過(guò)教學(xué)目標(biāo)分析、教學(xué)內(nèi)容分析和學(xué)習(xí)者分析，建立教學(xué)目標(biāo)的層次關(guān)系，教學(xué)內(nèi)容的邏輯關(guān)系，明確學(xué)習(xí)者的認(rèn)知特點(diǎn)、認(rèn)知水平、學(xué)習(xí)風(fēng)格等智力與非智力因素，形成教學(xué)目標(biāo)模型、領(lǐng)域知識(shí)模型和學(xué)習(xí)者模型，共同構(gòu)成教學(xué)需求模型。

根據(jù)系統(tǒng)需求描述，識(shí)別系統(tǒng)主要用例并以用例圖表示，形成系統(tǒng)用例模型，分析系統(tǒng)核心業(yè)務(wù)流程，識(shí)別重要領(lǐng)域概念，建立表示實(shí)體類型及相互關(guān)系的概念類圖，形成領(lǐng)域?qū)ο竽Ｐ?。根?jù)系統(tǒng)用例建立用戶界面草圖或原型，形成用戶界面模型，通過(guò)可行性分析設(shè)計(jì)系統(tǒng)基本體系結(jié)構(gòu)與開(kāi)發(fā)技術(shù)路線。以上模型共同構(gòu)成了系統(tǒng)需求模型。將由教學(xué)需求模型和系統(tǒng)需求模型提煉出的主要教學(xué)目標(biāo)任務(wù)與系統(tǒng)功能需求按優(yōu)先級(jí)排列，形成教學(xué)任務(wù)表與系統(tǒng)功能表，其作用類似于Scrum的產(chǎn)品功能訂單，即教學(xué)軟件開(kāi)發(fā)的概要任務(wù)列表。

（2）分析設(shè)計(jì)

分析設(shè)計(jì)是對(duì)教學(xué)需求模型和系統(tǒng)需求模型的細(xì)化擴(kuò)展，主要執(zhí)行在細(xì)化階段，通過(guò)2次迭代分別完成教學(xué)設(shè)計(jì)與系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

教學(xué)設(shè)計(jì)主要根據(jù)教學(xué)目標(biāo)模型和領(lǐng)域知識(shí)模型對(duì)教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)內(nèi)容進(jìn)一步分析細(xì)化，明確教學(xué)目標(biāo)與教學(xué)知識(shí)點(diǎn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，形成目標(biāo)-內(nèi)容模型；并為教學(xué)過(guò)程設(shè)計(jì)適合的教學(xué)策略與方法，形成過(guò)程-策略模型；為體現(xiàn)桌面虛擬現(xiàn)實(shí)的優(yōu)勢(shì)，應(yīng)重視探究式教學(xué)策略的使用。根據(jù)以上分析進(jìn)行教學(xué)媒體設(shè)計(jì)，主要包括兩方面：一是媒體選擇與內(nèi)容設(shè)計(jì)，即為各知識(shí)點(diǎn)選擇適合的媒體表現(xiàn)形式及編輯媒體呈現(xiàn)的具體內(nèi)容；二是媒體形象設(shè)計(jì)，包括圖、文、聲、像等媒體元素的形象設(shè)計(jì)，尤其是虛擬現(xiàn)實(shí)元素的視覺(jué)設(shè)計(jì)，即虛擬環(huán)境和對(duì)象的三維模型設(shè)計(jì)，形成內(nèi)容-媒體模型，以上模型共同構(gòu)成了教學(xué)設(shè)計(jì)模型。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要進(jìn)行系統(tǒng)用例模型、領(lǐng)域?qū)ο竽Ｐ?、用戶界面模型的?xì)化，可使用時(shí)序圖描述系統(tǒng)用例的實(shí)現(xiàn)過(guò)程，進(jìn)一步分解、擴(kuò)展系統(tǒng)用例，尤其是虛擬教學(xué)用例的交互行為細(xì)化，明確闡述系統(tǒng)用例，完善用戶界面原型的導(dǎo)航、布局、色彩風(fēng)格等設(shè)計(jì)，將領(lǐng)域模型的概念類圖細(xì)化為設(shè)計(jì)類圖或程序代碼，實(shí)現(xiàn)類與接口的設(shè)計(jì)，并根據(jù)其進(jìn)行后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)，在控制風(fēng)險(xiǎn)的同時(shí)細(xì)化系統(tǒng)組件、功能模塊與網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)，明確系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)。細(xì)化后的各模型構(gòu)成了系統(tǒng)設(shè)計(jì)模型。將由教學(xué)設(shè)計(jì)模型和系統(tǒng)設(shè)計(jì)模型提取出的教學(xué)用例和系統(tǒng)用例分別按照優(yōu)先級(jí)排序，形成教學(xué)用例列表和系統(tǒng)用例列表，其中虛擬現(xiàn)實(shí)功能用例，可以用交互行為列表表示，如表1、2、3所示，其作用類似于Scrum的迭代開(kāi)發(fā)任務(wù)列表，即教學(xué)軟件開(kāi)發(fā)的詳細(xì)任務(wù)列表，通常先開(kāi)發(fā)優(yōu)先級(jí)別高的用例。

（3）實(shí)現(xiàn)

實(shí)現(xiàn)是將設(shè)計(jì)方案轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)，主要包括媒體元素的編輯開(kāi)發(fā)和系統(tǒng)功能的編程實(shí)現(xiàn)，是貫穿整個(gè)開(kāi)發(fā)周期的重要工作流。在初始階段，進(jìn)行開(kāi)發(fā)環(huán)境準(zhǔn)備，包括硬件環(huán)境建設(shè)和軟件工具選擇。在細(xì)化階段，建立Scrum開(kāi)發(fā)小組，并依據(jù)教學(xué)用例和系統(tǒng)用例列表進(jìn)行任務(wù)選擇與分配。

在構(gòu)造階段，各Scrum小組將通過(guò)多次Sprint快速迭代逐步完成系統(tǒng)功能開(kāi)發(fā)。媒體開(kāi)發(fā)小組將進(jìn)行多媒體元素的制作合成，包括虛擬環(huán)境與對(duì)象的建模，并通過(guò)內(nèi)容——媒體測(cè)試判斷媒體元素與教學(xué)內(nèi)容是否吻合，視聽(tīng)質(zhì)量是否合格。虛擬現(xiàn)實(shí)開(kāi)發(fā)小組將基于桌面虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行虛擬現(xiàn)實(shí)程序的開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)虛擬環(huán)境漫游、虛擬對(duì)象操作等人機(jī)交互行為，并通過(guò)人機(jī)交互測(cè)試判斷交互功能是否準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)功能開(kāi)發(fā)小組將編程實(shí)現(xiàn)功能用例，并將通過(guò)單元測(cè)試的功能模塊、組件進(jìn)行集成，形成一次快速迭代的測(cè)試原型，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)增量開(kāi)發(fā)。在交付階段，各Scrum小組將進(jìn)行系統(tǒng)漏洞查找、修復(fù)，并根據(jù)用戶需求的變化進(jìn)行系統(tǒng)升級(jí)與維護(hù)。

（4）測(cè)試

測(cè)試是對(duì)實(shí)現(xiàn)工作的檢驗(yàn)，提供指導(dǎo)和反饋信息以保證系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的質(zhì)量和效率，貫穿軟件開(kāi)發(fā)的各個(gè)階段。在初始階段，可以從科學(xué)性、功能性、藝術(shù)性、教學(xué)性等方面以量規(guī)的方式制定教學(xué)軟件的評(píng)價(jià)體系。在細(xì)化階段，制定教學(xué)評(píng)價(jià)計(jì)劃和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)教學(xué)實(shí)驗(yàn)方案和評(píng)價(jià)用例，編寫(xiě)教學(xué)測(cè)驗(yàn)題目，同時(shí)制定軟件測(cè)試計(jì)劃，設(shè)計(jì)測(cè)試用例。在構(gòu)造階段，通過(guò)多次Sprint快速迭代對(duì)系統(tǒng)原型進(jìn)行集成測(cè)試和系統(tǒng)測(cè)試，在軟件部署之前還需進(jìn)行驗(yàn)收測(cè)試。在交付階段，通過(guò)2次迭代分別完成軟件的Beta測(cè)試和小規(guī)模的教學(xué)效果測(cè)試，查找教學(xué)設(shè)計(jì)和系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中存在的問(wèn)題，以便在軟件正式版中得以解決。

（5）部署

部署的目的是最終使教學(xué)軟件能夠?yàn)橛脩粽Ｊ褂?，其相關(guān)活動(dòng)包括硬件、軟件的安裝、運(yùn)行環(huán)境設(shè)置、提供用戶幫助等。在構(gòu)造階段，可以整理形成源程序清單與注釋，為二次開(kāi)發(fā)提供幫助文檔，并編寫(xiě)軟件安裝使用說(shuō)明和用戶手冊(cè)，為用戶使用、維護(hù)軟件系統(tǒng)提供幫助文檔。

（6）項(xiàng)目管理

項(xiàng)目管理的目的是使軟件開(kāi)發(fā)按照預(yù)定的成本、進(jìn)度、質(zhì)量得以順利完成，包括對(duì)項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)、產(chǎn)品、人員、過(guò)程的管理活動(dòng)，貫穿整個(gè)開(kāi)發(fā)周期。在初始階段，將制定軟件開(kāi)發(fā)計(jì)劃書(shū)，在細(xì)化階段，可在教學(xué)設(shè)計(jì)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上整理形成簡(jiǎn)單的文字腳本和制作腳本，并確定任務(wù)分工與迭代周期規(guī)劃。在構(gòu)造階段，可用Scrum燃盡圖的形式說(shuō)明開(kāi)發(fā)任務(wù)的完成情況，適當(dāng)調(diào)整迭代計(jì)劃。在交付階段，將根據(jù)用戶需求和反饋意見(jiàn)制定軟件維護(hù)和升級(jí)計(jì)劃。

2.桌面虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)軟件開(kāi)發(fā)模型的開(kāi)發(fā)人員與輸出產(chǎn)品

桌面虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)軟件的開(kāi)發(fā)人員中，產(chǎn)品負(fù)責(zé)人、用戶（即教師、學(xué)生、教學(xué)管理人員）將與其它開(kāi)發(fā)人員積極交流合作，參與到軟件開(kāi)發(fā)的各個(gè)階段，主要體現(xiàn)在教學(xué)與系統(tǒng)需求建模、軟件測(cè)試與教學(xué)效果評(píng)價(jià)等活動(dòng)中。此外，學(xué)科專家、教學(xué)設(shè)計(jì)人員主要參與教學(xué)需求建模、教學(xué)設(shè)計(jì)、教學(xué)評(píng)價(jià)等活動(dòng)，軟件開(kāi)發(fā)人員主要參與系統(tǒng)需求建模、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與測(cè)試等活動(dòng)，媒體設(shè)計(jì)人員主要參與媒體元素的設(shè)計(jì)制作。開(kāi)發(fā)過(guò)程將形成多媒體素材庫(kù)、桌面虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用程序和完整的教學(xué)軟件試用版本。

四、攝影虛擬實(shí)驗(yàn)室教學(xué)軟件的開(kāi)發(fā)實(shí)例

為緩解高?！稊z影技術(shù)》課程實(shí)驗(yàn)器材不足的問(wèn)題，項(xiàng)目小組基于上述桌面虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)軟件開(kāi)發(fā)模型完成了攝影虛擬實(shí)驗(yàn)室教學(xué)軟件的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，目的是為高校教育技術(shù)學(xué)和數(shù)字媒體專業(yè)的大學(xué)生，以及攝影愛(ài)好者提供一個(gè)可以在線開(kāi)展攝影虛擬實(shí)驗(yàn)、進(jìn)行自主學(xué)習(xí)的桌面虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)軟件。

項(xiàng)目小組由項(xiàng)目負(fù)責(zé)人、學(xué)科教師與教學(xué)設(shè)計(jì)人員、軟件開(kāi)發(fā)與測(cè)試人員、數(shù)字媒體設(shè)計(jì)人員6人組成，開(kāi)發(fā)周期為4個(gè)月。下文依據(jù)桌面虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)軟件開(kāi)發(fā)模型的生命周期來(lái)闡述具體開(kāi)發(fā)過(guò)程。

1.初始階段

初始階段的主要目標(biāo)是建立需求模型，使用戶與軟件開(kāi)發(fā)人員對(duì)軟件開(kāi)發(fā)目的與任務(wù)有統(tǒng)一明確的認(rèn)識(shí)，確定教學(xué)軟件類型與作用、開(kāi)發(fā)技術(shù)路線與基本體系結(jié)構(gòu)，進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，形成軟件開(kāi)發(fā)計(jì)劃和軟件架構(gòu)文檔。本系統(tǒng)采用B/S結(jié)構(gòu)，以3Ds Max作為三維建模工具，以EON Studio作為虛擬現(xiàn)實(shí)程序開(kāi)發(fā)軟件，以ASP.NET3.5和Visual Studio2010作為網(wǎng)絡(luò)開(kāi)發(fā)技術(shù)與平臺(tái)，以SQL Server2008作為后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)管理工具，以Canon EOS 350D單反數(shù)碼相機(jī)作為虛擬實(shí)驗(yàn)對(duì)象進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，初步建立了教學(xué)需求和系統(tǒng)需求模型。

2.細(xì)化階段

細(xì)化階段的主要目標(biāo)是分析問(wèn)題領(lǐng)域，通過(guò)細(xì)化教學(xué)需求和系統(tǒng)需求模型，使系統(tǒng)需求趨于穩(wěn)定，系統(tǒng)用例更加明確，并規(guī)避開(kāi)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)，建立健全的體系結(jié)構(gòu)，確保軟件系統(tǒng)能夠順利開(kāi)發(fā)。項(xiàng)目小組對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容和系統(tǒng)功能進(jìn)一步分析細(xì)化，形成了教學(xué)用例和功能用例列表，并進(jìn)行了分組和任務(wù)分配。

3.構(gòu)造階段

構(gòu)造階段的主要目標(biāo)是通過(guò)多次Sprint快速迭代實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的集成與增量開(kāi)發(fā)。項(xiàng)目小組通過(guò)快速迭代完成承諾的開(kāi)發(fā)任務(wù)，其中虛擬現(xiàn)實(shí)程序的開(kāi)發(fā)可遵循所選擇的桌面虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，即EON Studio模擬程式的開(kāi)發(fā)流程來(lái)進(jìn)行，如圖5所示[26]，主要包括三維模型導(dǎo)入、交互行為添加、程序優(yōu)化發(fā)布3個(gè)環(huán)節(jié)，本系統(tǒng)采用網(wǎng)頁(yè)形式發(fā)布。

4.交付階段

交付階段的主要目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)維護(hù)與升級(jí)，確保軟件可用，且符合用戶需求。項(xiàng)目小組通過(guò)軟件試用和教學(xué)效果評(píng)價(jià)對(duì)軟件漏洞進(jìn)行了修復(fù)，并根據(jù)用戶需求變化修改擴(kuò)展了部分教學(xué)內(nèi)容和系統(tǒng)功能，形成了功能較為全面的攝影虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)，取得了良好的開(kāi)發(fā)效果，其虛擬實(shí)驗(yàn)程序主要運(yùn)行界面如圖6、7所示。

五、結(jié)束語(yǔ)

本文以軟件工程與教學(xué)設(shè)計(jì)理論為依據(jù)，將Scrum敏捷軟件開(kāi)發(fā)方法的核心實(shí)踐引入RUP統(tǒng)一過(guò)程軟件開(kāi)發(fā)模型，形成一種ARUP敏捷統(tǒng)一軟件開(kāi)發(fā)框架與管理方法，并結(jié)合桌面虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)特點(diǎn)建構(gòu)了桌面虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)軟件的開(kāi)發(fā)模型。在實(shí)際應(yīng)用中，開(kāi)發(fā)者可以根據(jù)項(xiàng)目規(guī)模與所選擇的桌面虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，在對(duì)該模型的工作流程進(jìn)行簡(jiǎn)化、修改或擴(kuò)充的基礎(chǔ)上，形成符合項(xiàng)目本身需求的開(kāi)發(fā)模型，以便更好地指導(dǎo)項(xiàng)目的進(jìn)行，保證項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的效率和質(zhì)量，從而為桌面虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)軟件的開(kāi)發(fā)提供一個(gè)可參考的通用模型，以豐富教學(xué)軟件開(kāi)發(fā)的理論與實(shí)踐，促進(jìn)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育中的有效應(yīng)用。

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（編輯：王曉明）