基于VR技術(shù)實(shí)現(xiàn)“計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)”課程的交互體驗(yàn)式教學(xué)

張良 李娜 曾志峰 夏平

摘 要：“計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)”是一門理論與實(shí)踐相結(jié)合的課程，但是由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備不足，傳統(tǒng)的教學(xué)方法無法在現(xiàn)有的條件下完成大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)工程的實(shí)訓(xùn)操作。文章介紹了基于VR技術(shù)的體驗(yàn)式教學(xué)，使學(xué)生能夠在虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境下完成“計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)”實(shí)踐項(xiàng)目。在這種沉浸式學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生可以提高學(xué)習(xí)興趣，同時(shí)加深對(duì)“計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)”的理解和掌握。

關(guān)鍵詞：VR；計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)；交互式體驗(yàn)教學(xué)

虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，VR）是一種集三維跟蹤技術(shù)、模式識(shí)別、多媒體技術(shù)等多技術(shù)于一體的綜合技術(shù)。VR利用計(jì)算機(jī)生成一種逼真、可交互的虛擬三維環(huán)境，使得用戶借助頭盔、數(shù)據(jù)手套、操作桿、傳感器等專用設(shè)備便可獲得身臨其境的體驗(yàn)。VR技術(shù)有3個(gè)最突出的特點(diǎn)：交互性、沉浸性和構(gòu)想性[1]。

在教育領(lǐng)域，VR技術(shù)以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，促使教育環(huán)境、教學(xué)過程、教學(xué)形式等要素及相互關(guān)系發(fā)生了重大變化。本文探討基于VR技術(shù)實(shí)現(xiàn)“計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)”課程的交互體驗(yàn)式教學(xué)，通過為學(xué)生構(gòu)建逼真、生動(dòng)、可交互的學(xué)習(xí)環(huán)境，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生的動(dòng)手能力，實(shí)現(xiàn)學(xué)生的高度參與，從而達(dá)到促進(jìn)學(xué)生更好學(xué)習(xí)的目的。

目前“計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)”教學(xué)面臨的挑戰(zhàn)主要有以下3個(gè)方面：首先，“計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)”理論知識(shí)比較抽象晦澀[2]，因此亟需直觀的教學(xué)手段加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解；其次，由于場(chǎng)地、經(jīng)費(fèi)等原因，大多數(shù)學(xué)校無法提供各種網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)設(shè)備，導(dǎo)致部分實(shí)驗(yàn)無法完成；最后，現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)條件很難搭建大規(guī)模的企業(yè)級(jí)的網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)目，學(xué)生只能通過視頻了解大型網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)目的規(guī)劃和設(shè)計(jì)，導(dǎo)致學(xué)生缺乏處理實(shí)際項(xiàng)目的能力。

1 基于VR技術(shù)的虛擬學(xué)習(xí)平臺(tái)體系結(jié)構(gòu)

為了改善“計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)”課程教學(xué)現(xiàn)狀，本文提出利用VR技術(shù)構(gòu)建虛擬交互式學(xué)習(xí)平臺(tái)，讓學(xué)生在沉浸式的學(xué)習(xí)過程中完成“計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)”課程的學(xué)習(xí)。該學(xué)習(xí)平臺(tái)由應(yīng)用層、匯聚層和數(shù)據(jù)層3部分組成（見圖1）。

1.1 應(yīng)用層

應(yīng)用層是虛擬學(xué)習(xí)平臺(tái)的客戶端[3]，通過基于VR技術(shù)構(gòu)建的虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境，借助于設(shè)備終端，學(xué)生可以實(shí)時(shí)地與學(xué)習(xí)環(huán)境中的虛擬元素交互。

本平臺(tái)的應(yīng)用層主要包括基礎(chǔ)理論平臺(tái)、虛擬實(shí)訓(xùn)平臺(tái)和素材管理平臺(tái)3部分：基礎(chǔ)理論平臺(tái)功能是幫助學(xué)生在虛擬的學(xué)習(xí)環(huán)境中直觀地學(xué)習(xí)“計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)”各種交換和路由技術(shù)；虛擬實(shí)訓(xùn)平臺(tái)可以搭建各種網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)環(huán)境，在虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境中讓學(xué)生進(jìn)行實(shí)訓(xùn)操作并跟蹤記錄實(shí)驗(yàn)過程，給予學(xué)生個(gè)性化的評(píng)價(jià)；素材管理平臺(tái)主要是用來管理平臺(tái)涉及的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目和知識(shí)庫的更新。

1.2 匯聚層

匯聚層主要是提供業(yè)務(wù)接口、用戶注冊(cè)管理以及實(shí)訓(xùn)數(shù)據(jù)的反饋等服務(wù)。通過各種項(xiàng)目接口，支持相關(guān)網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)目的接入；通過VR傳感接口，完成系統(tǒng)數(shù)據(jù)和VR系統(tǒng)的對(duì)接；并且在這一層提供平臺(tái)的目錄服務(wù)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理等功能。

1.3 數(shù)據(jù)層

數(shù)據(jù)層提供數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和管理功能?；赩R虛擬學(xué)習(xí)平臺(tái)的數(shù)據(jù)包括用戶數(shù)據(jù)、實(shí)訓(xùn)數(shù)據(jù)、知識(shí)庫數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備數(shù)據(jù)以及學(xué)生操作實(shí)時(shí)追蹤數(shù)據(jù)等，所有數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和管理在這一層實(shí)現(xiàn)。

2 基于虛擬交互式學(xué)習(xí)平臺(tái)在“計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)”教學(xué)中的應(yīng)用

在基于VR技術(shù)的虛擬交互環(huán)境中，學(xué)生可以通過多層次、多角度地觀察網(wǎng)絡(luò)設(shè)備來了解它們的組成和工作原理，也可以重復(fù)地進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)測(cè)試和驗(yàn)證，還可以組隊(duì)進(jìn)行大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)目的實(shí)訓(xùn)操作。此外，VR技術(shù)在“計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)”交互式體驗(yàn)式教學(xué)中的應(yīng)用非常靈活，網(wǎng)絡(luò)模型、實(shí)驗(yàn)參數(shù)、信息和交互模式的配置可以根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行設(shè)計(jì)、擴(kuò)展、補(bǔ)充或組合。

2.1 在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備硬件教學(xué)中的應(yīng)用

首先，在虛擬學(xué)習(xí)平臺(tái)的素材庫中可以添加各種網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，這些設(shè)備的添加不需要增加學(xué)校的經(jīng)濟(jì)成本。然后，在VR技術(shù)構(gòu)建的虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境中，學(xué)生通過佩戴智能眼鏡或頭盔，借助數(shù)據(jù)手套通過手勢(shì)對(duì)虛擬設(shè)備進(jìn)行360°旋轉(zhuǎn)，觀看其物理結(jié)構(gòu)。此外，各個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備在虛擬學(xué)習(xí)平臺(tái)中都可以任意拆卸，學(xué)生可以充分了解內(nèi)部結(jié)構(gòu)；內(nèi)置輔助性的文字信息和音頻信息，幫助學(xué)生了解器件的型號(hào)及作用。

2.2 在網(wǎng)絡(luò)理論教學(xué)中的應(yīng)用

“計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)”教學(xué)中，最難的是如何讓學(xué)生理解各種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和設(shè)備工作原理。借助于VR技術(shù)，學(xué)生可在虛擬交互體驗(yàn)環(huán)境中搭建網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，觀看數(shù)據(jù)在設(shè)備之間的傳輸過程，從而動(dòng)態(tài)和直觀地理解每個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的工作過程。在觀看的過程中，可隨時(shí)暫停交互過程并抓取虛擬生成的3D數(shù)據(jù)包，查看各數(shù)據(jù)包內(nèi)容。通過直觀生動(dòng)的演示，使得原來生澀難懂的“計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)”知識(shí)變得形象具體，既提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，也加深對(duì)了其對(duì)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)知識(shí)的理解。

2.3 在網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

在虛擬交互學(xué)習(xí)平臺(tái)中，學(xué)生可自行選取網(wǎng)絡(luò)工程項(xiàng)目庫中的某個(gè)實(shí)驗(yàn)或項(xiàng)目，在內(nèi)置虛擬機(jī)器人的幫助下完成操作培訓(xùn)。虛擬培訓(xùn)后，在虛擬環(huán)境中學(xué)生可獨(dú)立或者與同學(xué)組隊(duì)協(xié)作完成既定網(wǎng)絡(luò)工程項(xiàng)目的訓(xùn)練。虛擬平臺(tái)將記錄學(xué)生活動(dòng)的所有軌跡，并對(duì)任何學(xué)習(xí)或操作給予一定的評(píng)分[4]。虛擬平臺(tái)還會(huì)定期將學(xué)生的階段性表現(xiàn)在平臺(tái)進(jìn)行展示，幫助學(xué)生分析學(xué)習(xí)中存在的問題并進(jìn)行查漏補(bǔ)缺 。

此外，在虛擬學(xué)習(xí)平臺(tái)學(xué)生可以進(jìn)行大規(guī)模企業(yè)級(jí)的網(wǎng)絡(luò)工程項(xiàng)目，以幫助學(xué)生積累實(shí)際項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)。根據(jù)實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)工程項(xiàng)目案例，在虛擬平臺(tái)中構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)工程項(xiàng)目庫。通過智能穿戴設(shè)備，學(xué)生可選取相關(guān)項(xiàng)目案例，既可“融入”到項(xiàng)目建設(shè)的環(huán)境內(nèi)，以“上帝視角”觀看虛擬網(wǎng)絡(luò)工人如何完成整個(gè)項(xiàng)目；也可以在內(nèi)置虛擬機(jī)器人的帶領(lǐng)下，參觀學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)目實(shí)施的各個(gè)階段，邊學(xué)習(xí)邊模擬操作。

3 結(jié)語

“計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)”是一門理論和實(shí)踐相結(jié)合的課程，基于VR技術(shù)構(gòu)建的虛擬交互式學(xué)習(xí)平臺(tái)使學(xué)生“身臨其境”，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生的動(dòng)手能力，優(yōu)化了“計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)”的教學(xué)過程。未來，VR技術(shù)的互動(dòng)式體驗(yàn)教學(xué)將成為“計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)”教學(xué)中重要的教學(xué)方式[5]。

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