虛擬現(xiàn)實在智慧課堂中的應用與設計

陸軍裝甲兵學院 王鈺博

1.引言

虛擬現(xiàn)實是一種先進的計算機多媒體處理技術，其利用先進的圖像處理、機器學習和模式識別技術實現(xiàn)人機交互，為人們提供一個沉浸感很強的仿真環(huán)境，具有極強的趣味性和生動性。虛擬現(xiàn)實關鍵技術很多，基本技術包括注冊技術、3D對象建模技術、顯示技術，已經(jīng)在裝配制造、飛行訓練、航空科研、醫(yī)學診斷等領域得到廣泛應用，取得了顯著的應用成效。智慧課堂作為虛擬現(xiàn)實的一個重要應用領域，本文詳細地描述了虛擬現(xiàn)實在智慧課堂中的應用技術及詳細設計情況，能夠進一步創(chuàng)新學習方法，提高學習成效，具有重要的作用和意義[1]。

2.虛擬現(xiàn)實技術及應用

虛擬現(xiàn)實應用過程中，自然交互已經(jīng)成為非常關鍵的事件觸發(fā)技術，該技術能夠利用先進的深度學習等技術采集輸入特征，利用圖像進行實驗標記，實時接收外部的輸入信息，然后采用特征提取、模式識別、事件觸發(fā)等激活系統(tǒng)功能，渲染一個虛擬的操作環(huán)境展現(xiàn)給用戶。虛擬現(xiàn)實應用關鍵技術很多，比如跟蹤注冊技術、3D對象建模技術、顯示技術等[2]。

（1）跟蹤注冊技術

跟蹤注冊技術可以利用標記將虛擬信息與真實環(huán)境信息進行配準注冊，實現(xiàn)虛擬信息和真實場景的無縫融合。跟蹤注冊技術采用機器學習可以針對標記特征進行提取，實時獲取圖像標記的位置信息，觸發(fā)系統(tǒng)的事件，比如輸出3D模型、實現(xiàn)事件處理，具有重要的作用和意義。目前，跟蹤注冊過采用的核心技術為特征提取和特征識別，利用先進的深度學習可以針對圖像標記進行處理，將目標特征從復雜的背景圖像中提取出來，然后將其與數(shù)據(jù)庫的觸發(fā)事件進行對比，目前提取圖像中的目標特征包括自然手勢、激光等，提高智慧課堂的交互性。

（2）3D對象建模技術

3D對象建模可以使用Maya軟件、AUTO CAD軟件、3DS Max軟件、SKETCH UP軟件等準確地仿照外部環(huán)境進行建模，全方位、立體化地展示每一個目標對象，比如可以設計一個數(shù)學原理動畫模型，該模型能夠展示函數(shù)離散函數(shù)的發(fā)生機制以及運算結果，這樣就可以更加生動地展示某一個知識點，具有較強的趣味性。

（3）顯示技術

虛擬現(xiàn)實與用戶進行交互時，其重要的組成部件就是輸出設備，也即是顯示系統(tǒng)。顯示系統(tǒng)為了能夠更加逼真地展示虛實融合景象，可以利用具有高分辨率的頭盔顯示器、自然顯示設備等。顯示設備可以為用戶提供信息輸入、虛擬融合輸出內(nèi)容，與用戶進行交互操作。

3.基于虛擬現(xiàn)實的智慧課堂設計

基于虛擬現(xiàn)實的智慧課堂主要包括四個關鍵組成部分，分別是應用邏輯組件、GUI交互界面、知識實例腳本、虛擬場景渲染。GUI能夠為所有的教師、學生提供一個可視化的交互操作流程，這些用戶輸入交互信息請求之后，可以即時初始化智慧課堂，用戶即可以進入到學習環(huán)境進行操作。應用邏輯組件是一些通信協(xié)議和接口，接收各類型的網(wǎng)絡設備對象，將這些對象利用虛擬現(xiàn)實算法進行實例化，就可以為教學知識點運行提供一個實例環(huán)境。知識實例腳本是開發(fā)人員按照教學大綱設計的課程知識點模型，這些知識點模型都采用了裝配式的動畫模型進行描述，教師和學生可以輸入相關的信息觸發(fā)這些知識點實例，并且能夠保存智慧課堂的上下文信息，實時地記錄教學內(nèi)容。虛擬場景渲染則可以利用聲音、3D場景模型構建一個學習環(huán)境，該虛擬學習環(huán)境與傳統(tǒng)的教室類似，但是更加具備趣味性，能夠提供給教師和學生各類型的導航指示信息[3]。

智慧課堂主要功能是教學直播，也可以實現(xiàn)教學點播和課程內(nèi)容設計，以便能夠根據(jù)實際的教學需求實現(xiàn)個性化、定制化教學，具有重要的作用和意義。智慧課堂相關功能設計如下所述：

（1）教學直播功能設計

智慧課堂直播教學運行中，虛擬現(xiàn)實可以為學生和教師創(chuàng)建一個仿真的環(huán)境，創(chuàng)建一個強大的操作支撐。智慧課堂可以采用云計算、流媒體等功能，實時向?qū)W生終端設備推送教學內(nèi)容，推送消息中包括開課時間、課程內(nèi)容概要、課程耗費時長等，學生獲知這些信息之后，可以做好相關的準備工作，快到開課時登陸智慧課堂聽講。智慧課堂的直播教學功能為教師、學生提供了強大的在線教學支持，可以實現(xiàn)教師、學生課堂互動交流，也可以通過聊天軟件、郵箱、視頻等功能進行交流，解決了學生學習過程中的疑問。另外，如果學生將相關問題輸入到系統(tǒng)中，智慧課堂可以自動檢索問題答案，為學生提供一個更好的答案。

（2）教學點播功能設計

教學點播與直播類似，智慧課堂部署于云平臺，學生可以登錄到云端，直接進入到智慧課堂進行學習，教學點播的案例是預先存儲的，與直播功能存在差別，這些教學案例不可更改和定制，但是可以重新建構和替換，以便保證教學知識的先進性和時代性。

（3）課程設計功能設計

智慧課堂為教師提供了一個可擴展接口，該接口能夠錄制新型的教學實例，能讓每一門課程的老師都可以根據(jù)實際需求進行定制化教學，提高了知識點的個性化講授，及時地將課程最新講授模式或?qū)W習方法錄入到系統(tǒng)中，方便學生學習。

4.結束語

基于虛擬現(xiàn)實的智慧課堂構建了一個虛擬的學習環(huán)境，利用先進的圖像處理、模式識別技術實現(xiàn)人機交互，能夠讓教師和學生在虛擬的學習環(huán)境中實現(xiàn)課程講授，既可以提高講授知識的生動性和趣味性，同時也可以實現(xiàn)跨時空操作，同時該系統(tǒng)部署于云端，不需要學校購置較多的硬件設備就可以讓學生完成課程知識學習，利用動畫模型展示每一個知識點的原理、工作機制，使枯燥抽象的知識學習變得更加形象和直觀，創(chuàng)新了教學方法和模式，具有重要的作用和意義。