基于虛擬現實技術的虛擬教學平臺的設計與應用研究

黎炫恒

摘要：教育的發(fā)展不僅需要教師和學生的努力，也需要借助一些新技術和新媒體的作用來實現教育自身等發(fā)展。隨著印刷術和紙的出現以及電視、廣播等傳統(tǒng)媒體的發(fā)展，再到近幾年，計算機和網絡技術實現了蓬勃發(fā)展，這些技術和媒體的出現為我國教育領域帶來了巨大的發(fā)展動力，推動著教育領域的變革。當前，隨著虛擬現實技術的出現，這一種新型媒體與教育實現了較為緊密的結合，虛擬現實技術能夠對客觀現實進行較為逼真的模擬，來構建一個虛擬的三維立體的學習環(huán)境，這對于教育的方式和效果都具有重要的促進作用。

1、虛擬教學的概念

虛擬教學是一種在現代人才培養(yǎng)觀的基礎之上，將傳統(tǒng)教學與信息技術相結合的新型教學模式，是一種人類需要進入到虛擬空間中進行教育和教學活動的形式。在虛擬教學中，包括虛擬的教師、教室和實驗室，會在其中進行虛擬的研討等活動。在虛擬的環(huán)境中進行教與學的活動，都可以成為虛擬教學。從狹義上來說，虛擬教學指的就是運用虛擬現實技術，構建出一個虛擬的學習環(huán)境，在這個虛擬環(huán)境之中，將客觀現實進行再現，從而讓學生通過逼真的模擬來更多的掌握知識要點，這樣的教學形式中，學生能夠通過自己的視覺和聽覺等感官感受來獲得知識和信息，逼真的模擬效果更能夠激發(fā)出學生的興趣和學習熱情，不斷調動學生的創(chuàng)新力和想象力，開拓學生的新思維。

（1）教師虛擬化。在虛擬現實系統(tǒng)中，智能Agent 可以作為一個虛擬教師，并開展虛擬教學。這一功能具有導航、解惑等功能，能夠幫之學生通過學習來獲得自己需要的各種學習資源，從而防止出現學習信息過多和資源迷向等現象。

在虛擬教學的情景中，老師可以根據網絡上的教學資源來解決學生的問題，同時也可以對教學的課件、教學方案等運用網絡資源來進行修改與完善，因此虛擬教學更能夠實現較好的因材施教，提高教學的質量。

（2）學生虛擬化。在這個虛擬環(huán)境中，學生不是安排其智力水平、年齡分布來進行分班組織，而是按照學生的個人需求和要求來進行不同團體的學習。在這一虛擬環(huán)境之中，學生并不是生物意義上的課堂中的學生，而是指讓需要獲得學習信息和資源的人進入到虛擬教學環(huán)境之中，然后通過其替身來參與到學習活動之中。

（3）教學資源虛擬化。在虛擬教學情景中，教學資源并不是指的一本專業(yè)書籍、一個教學方案和一個教學視頻等資源，而是指的一種特殊的資源，比如一個多媒體的教學課件、一次虛擬的實驗等等。這些教學資源是無形與有形、無限與有限的結合。虛擬的教學資源能夠解決在實際教學過程中面臨的招生規(guī)模擴大所導致的教學資源和教學設備緊張等問題和不足。

2、基于虛擬教學的平臺設計和實施

要進行虛擬現實教學的實際應用案例的開發(fā)和設計，首先需要對于任務進行必要的分析，從而能夠明確任務的目的和相關的性能指標；然后，需要給系統(tǒng)分配合適的硬件資源，如配上合適的現實裝備與輸入設備，選擇適當性價比的虛擬現實引擎等；再便是建立虛擬資源數據庫，并對虛擬對象與虛擬場景加以各種物理特征、運動約束以及音頻與交互特征等。可分為兩個部分：第一部分提出了一種虛擬教學的案例，初步設計出了這一案例的基本結構，并對其中的各個模塊的功能和關鍵技術進行分析；第二部分是一個虛擬教學在課堂應用中的實際案例，并對其進行了詳細分析。

2.1結構設計

1、虛擬教學環(huán)境平臺的基本組成

虛擬教學平臺采用模塊化可擴展結構，其基本的構成包括管理模塊、虛擬教學與學習資源庫模塊、寫作交流模塊、網上答疑模塊、智能評價模塊等。

（1）管理模塊

主要執(zhí)行系統(tǒng)管理和教學管理。系統(tǒng)管理主要包括注冊登記、權限設置、公告、咨詢等功能，教學管理主要是對授課教師基本情況、學生基本情況、學習情況、課程設置的具體情況進行管理。

（2）虛擬教學資源庫模塊

要確保虛擬教學過程的順利進行，需要建立一個資料豐富、查詢方便且快捷的資源庫。虛擬教學和學習資源庫的組織結構可采用模塊化方式，以適應教學內容不斷拓展的需要。

（3）協作學習模塊

虛擬教學的一個突出優(yōu)勢就是在虛擬教學的情景之中，能夠實現師生之間、學生之前的實時或非實時的交互，也可以進行對話與協作。當采用實時學習方式時，教師和學生以虛擬替身的方式進入虛擬情景中，觀看和操作虛擬物體，獲取親身經歷的體驗，并相互討論和協作學習。

（4）智能評價模塊

教學評價對教學、學習的具體實施起導向作用，只用建立相應的評價方式才能更好服務于教學。虛擬教學的評價與一般教學評價相比更加困難，評價的尺度更為復雜。

2、虛擬教學平臺的技術分析

（1）平臺的結構設計實現方案

本平臺采用了VRML-Java 同步協調技術，系統(tǒng)結構為3 層B/S 結構，用了Web，VRML，Java等主要技術實現。其中，在客戶端采用VRML 與Java Applet結合，Web 瀏覽器采用IE 或NetscapeCommunication6.0，VRML 瀏覽器采用CosmoPlay2.1或BS_Contactse VRML 61 等中的任何一款VRML 插件。虛擬單元作為主體部分，提供不同的設定參數，以Java Apple 形式運行，并通過VRML 編程接口EAI 表現虛擬場景的VRML 瀏覽器通信。VRML 瀏覽器以插件方式實現，VRML 編程接口EAI 的任務是連接VRML 瀏覽器合Java Applet，將VRML 瀏覽器插件封裝位Java 類運行。服務器端采用的是Win2000 server 操作系統(tǒng)下的SQL Server2000 來構建的。Java 的開發(fā)工具位SLTN 公司的JDK 1.3 和Java3Do Web 服務器負責和瀏覽器建立初始連接，服務器對象完成虛擬服務的功能。

（2）系統(tǒng)實現的關鍵技術

VRML 場景模型的構建是平臺應用的基礎。雖然VRML 提供了大量的造型手段，但直接通過VRML 編程來構建VRML 場景模型是非常困難的。虛擬教學平臺在構建時可采用一些可視化造型軟件，如利用CAD應用軟件Pro/E進行造型然后輸人到3DMAX中。3DMAX提供了VRML2.0的接口，具有即時修改和所見即所得的特點，處理方式多樣。在3DMAX中進行材質、紋理等處理后，輸出為VRML文件，再利用編組節(jié)點Group，Transform把它們按照層次體系組織起來，反映情景的空間結構，構成場景圖（Scene Graph）。

3、結論

對基于虛擬現實技術的網絡教學平臺進行認真的研究工作，可以有效地讓教師與學生運用這個平臺提高機械類學生學習的積極性，還可以對其它學科的教學方法改革提供借鑒。

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