基于WebVR的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)

喬振華 黃志超

摘要：隨著虛擬仿真技術(shù)的不斷發(fā)展，Web VR技術(shù)以較強(qiáng)的沉浸感、良好的互動性、無須插件直接瀏覽等優(yōu)勢在豐富教學(xué)手段上越來越發(fā)揮其強(qiáng)大的作用，尤其對傳統(tǒng)枯燥的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)或者遠(yuǎn)程教學(xué)，通過Web VR創(chuàng)造逼真的學(xué)習(xí)環(huán)境，不僅改變學(xué)生的學(xué)習(xí)方式，更能帶動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，達(dá)到提高學(xué)習(xí)效率的目的。

關(guān)鍵詞：Web VR；虛擬仿真；網(wǎng)絡(luò)教學(xué)

中圖分類號：G424 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）09-0102-02

Abstract：With the continuous development of virtual simulation technology， Web VR technology plays a more and more powerful role in enriching teaching means with its advantages of strong immersion， good interaction and no need of plug-in direct browsing. Especially for traditional boring network teaching or distance teaching， it creates a lifelike learning environment through Web VR， not only does it change the learning style of students， but also stimulate the enthusiasm of students， and achieve the purpose of improving learning efficiency.

Key words：Web VR； Virtual simulation； Network teaching

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛快發(fā)展，加速了計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)產(chǎn)品的更新迭代，如今，越來越多的新時代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)產(chǎn)品成為傳統(tǒng)教學(xué)中不可或缺的輔助成分。虛擬現(xiàn)實技術(shù)作為一種仿真技術(shù)，以其強(qiáng)烈的逼真性、沉浸性，互動性，成為當(dāng)下最熱門的一種新型教學(xué)手段[1]。眾所周知，培養(yǎng)專業(yè)知識扎實、并且具有高素質(zhì)的人才，是高職高專教育的最基本的目的，然而，在高職高專教育中，更為重要的是在于對高技能型人才的培養(yǎng)，即要培養(yǎng)有真正實際操作能力的實用性技能人才[2]。動手能力的提高又在于教學(xué)過程中大量的實踐操作環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)的教學(xué)方式往往由于缺少相應(yīng)的設(shè)備、場地，或者實際操作過程中存在的不確定危險，都會給學(xué)生的實踐動手操作帶來一定程度上的困擾，從而無法保證能夠達(dá)到預(yù)期的教學(xué)效果[3]。

虛擬仿真技術(shù)就可以模擬真實世界的場景，為學(xué)生提供一個集視覺、聽覺、觸覺為一體的仿真環(huán)境?；赪eb VR的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)方法可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)教學(xué)模式中存在的很多不足之處，尤其是在那些既耗時、耗錢、又耗力的實訓(xùn)教學(xué)過程，只需要通過仿真技術(shù)，就可以輕松地為學(xué)生提供一個沉浸感極強(qiáng)的實踐場景和學(xué)習(xí)環(huán)境，通過交互技術(shù)、增強(qiáng)技術(shù)的應(yīng)用，為學(xué)生營造一個如臨其境的真實場景，并以聽、視、觸、互動等多種體感方式，讓學(xué)生輕松的參與學(xué)習(xí)活動，從而激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)質(zhì)量和動手能力[1]。

1 Web VR的概念

Web VR即Web + VR，是一種在瀏覽器中渲染3D圖形的JavaScript API，也就是說，如果在3D網(wǎng)站的瀏覽器上進(jìn)行點(diǎn)擊，就會進(jìn)入一個3D空間[4]。

Web VR的實現(xiàn)，就是將我們對VR的體驗，移植到了瀏覽器上，從而可以通過使用瀏覽器，來達(dá)到體驗VR的一種全新方式。它以互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和虛擬現(xiàn)實技術(shù)作為基礎(chǔ)，并在三維圖形生成技術(shù)、計算機(jī)仿真學(xué)，多媒體傳感技術(shù)等基礎(chǔ)上，通過計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)對真實環(huán)境的全面仿真，給學(xué)生創(chuàng)造出如臨其境的體會，以此來達(dá)到一個更加直觀、形象的模擬實踐場景，帶動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。

如今瀏覽器供應(yīng)商正在開發(fā)并增強(qiáng)其瀏覽器，使其能夠使用VR技術(shù)。市面上已經(jīng)出現(xiàn)了安卓版Chrome、火狐Nightly、三星互聯(lián)網(wǎng)、微軟Edge、Chromium、Servo和Oculus Carmel瀏覽器。我們可以通過電腦或手機(jī)，加上網(wǎng)絡(luò)連接就可以用VR頭顯來瀏覽VR網(wǎng)站。

2 Web VR開發(fā)方式

在Web上開發(fā)VR應(yīng)用，有下面三種方式：

1）HTML5+ Java Script + WebGL + WebVR API

WebGL是一種跨平臺的網(wǎng)頁3D繪圖標(biāo)準(zhǔn)，用于基于OpenGL ES的底層3D圖形API，通過HTML 5畫布元素公開給ECMAScript，可以為HTML5 Canvas提供硬件3D加速渲染[5]。使用WebGL與WebVR API結(jié)合，在常規(guī)Web端三維應(yīng)用的基礎(chǔ)上通過API與VR設(shè)備進(jìn)行交互，進(jìn)而得到對應(yīng)的VR實現(xiàn)，把Web帶入3D的時代。

WebVR API目前可用于安裝了Firefox nightly的Oculus Rift、Chrome的實驗性版本和Samsung Gear VR的瀏覽器。

2）傳統(tǒng)引擎 + Emscripten

如今我們所看到的三維城市、虛擬校園等，都是通過傳統(tǒng)引擎如Unity 3D、虛幻引擎等開發(fā)出來的具有交互功能的三維虛擬場景，這些虛擬場景能夠帶給我們?nèi)缗R其境般的體驗[6]。而作為一款編譯工具鏈——Emscripten，它能夠?qū)或C++編譯成JavaScript，并提供很多C或C++所使用的庫函數(shù)，當(dāng)進(jìn)行web編程的時候，就可以輕松地去使用這些庫。

因此，在這些傳統(tǒng)引擎開發(fā)的內(nèi)容的基礎(chǔ)上，就可以使用Emscripten編譯工具，將C或C++代碼移植到Java Script版本中，進(jìn)而實現(xiàn)Web端的VR[6]。

3）Mozilla的A-Frame方案

A-Frame是一個可以在HTML中創(chuàng)建三維場景的框架，通過定制HTML元素即可快速創(chuàng)建VR網(wǎng)頁。它構(gòu)建在WebGL接口之上，內(nèi)置了Three.js開發(fā)框架，采用ECS模式，即實體-組件-系統(tǒng)（Entity Component System， ECS），是三維游戲中常見且理想的設(shè)計模式[7]。A-Frame雖基于游戲領(lǐng)域經(jīng)常使用的實體組件系統(tǒng)，但卻定位于Web開發(fā)，使用標(biāo)記語言以及使用JavaScript語言來進(jìn)行操作，最終達(dá)到在網(wǎng)頁中獲得三維虛擬現(xiàn)實體驗的設(shè)計目標(biāo)。

3 Web VR在教學(xué)系統(tǒng)中的優(yōu)勢

相對于傳統(tǒng)的教學(xué)模式，基于web VR的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)帶來了全新的教學(xué)模式和教學(xué)理念，創(chuàng)新了教學(xué)方法以及實驗手段，變革學(xué)生的受教方式，它以計算機(jī)圖形學(xué)為基礎(chǔ)，利用相關(guān)的軟硬件設(shè)備，創(chuàng)造出一種逼真的現(xiàn)實世界，模仿特定的教學(xué)環(huán)境和實踐場景[8]，具有以下優(yōu)勢：

1）使用的直接性

瀏覽器即可體驗，無須安裝。支持WebVR的瀏覽器，比如Chrome、火狐、Edge和三星網(wǎng)絡(luò)瀏覽器等，都是支持WebVR API參數(shù)的主流瀏覽器。在使用這些瀏覽器進(jìn)行瀏覽時，如果瀏覽的內(nèi)容是我們?nèi)粘Ｋ吹降?D內(nèi)容的時候，并不會產(chǎn)生什么不同的效果，但是如果瀏覽的內(nèi)容是WebVR內(nèi)容，這時，利用瀏覽器，我們就能夠輕松的和3D內(nèi)容進(jìn)行交互，比如通過對位置上的反應(yīng)來響應(yīng)你的移動操作。此時，在瀏覽器上還會出現(xiàn)相應(yīng)的提示按鈕，比如“進(jìn)入VR”的按鈕，來讓你選擇是否要進(jìn)入VR模式，同時可以利用VR設(shè)備，如頭顯，將手機(jī)插入到頭顯中，來達(dá)到更加真實的沉浸感[9]。也就是說，當(dāng)一個用戶從瀏覽2D網(wǎng)站跳到WebVR體驗中時，能夠達(dá)到無縫的銜接，很容易進(jìn)入模擬場景，實現(xiàn)虛擬場景教學(xué)和學(xué)習(xí)。

2）模擬實驗教學(xué)場景

Web VR包含了計算機(jī)虛擬仿真技術(shù)，利用虛擬技術(shù)可以模擬出如物理、化學(xué)、生物等各種實驗室，這種模擬實驗室不僅可以節(jié)省真實實驗室昂貴的儀器設(shè)備的費(fèi)用，而且實驗場景基本接近真實的實驗場景，學(xué)生可以在這樣的模擬環(huán)境中，進(jìn)行學(xué)習(xí)和交流，同樣能夠達(dá)到相應(yīng)的教學(xué)效果。利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)建立起來的虛擬實驗室，無論是實驗設(shè)備，還是其他相關(guān)的實驗部件，全都是虛擬出來的，所以可以根據(jù)實際需要，隨時生成新的設(shè)備，確保模擬實驗室的先進(jìn)性[10]。從而保證了教學(xué)內(nèi)容的不斷更新，進(jìn)而加速和鞏固學(xué)生學(xué)習(xí)知識的過程。

3）通過人機(jī)交互，避免真實操作帶來的危害

虛擬現(xiàn)實所具有的沉浸性和交互性，對學(xué)生的技能訓(xùn)練有著非常重要的實際輔助作用。利用虛擬實驗室，學(xué)生可以通過操作虛擬實驗器材進(jìn)行實驗，就可以不用親身接觸一些危險的環(huán)節(jié)，從而完成技能的實踐。比如，數(shù)控課是一門實踐性非常強(qiáng)的學(xué)科，在實踐操作過程中，可能會因為操作不當(dāng)，或其他不可控因素，給學(xué)生帶來安全隱患。這種情況下，通過VR實現(xiàn)對數(shù)控加工的場景進(jìn)行虛擬仿真，包括操作過程中，使用對金屬材料進(jìn)行切割的刀具等各個模塊，通過鼠標(biāo)操作和相應(yīng)指令的輸入，就可以和仿真系統(tǒng)進(jìn)行交互，從而使學(xué)生掌握數(shù)控知識和操作技能[3]。又如在做化學(xué)實驗時，可以避免危險化學(xué)品帶來的安全問題，同時也可以多次實驗，更深刻地、形象地理解科學(xué)原理。

4）跨平臺性

Web VR本身還具有一個非常強(qiáng)大的優(yōu)勢，它具有能夠跨越網(wǎng)站、移動端和VR平臺來達(dá)到眾多用戶的能力，通過發(fā)布Web VR服務(wù)，并且這些WebVR服務(wù)是可以運(yùn)行在任何瀏覽器上的，就能夠到達(dá)更多的用戶，包括幾乎每一種設(shè)備[9]。也就是說，通過Web VR 可以實現(xiàn)用戶之間的交互，讓VR中的用戶和VR外的用戶進(jìn)行連接，從而很容易實現(xiàn)學(xué)生與學(xué)生之間的互動交流，激發(fā)學(xué)習(xí)熱情，提高學(xué)習(xí)效率。

4 總結(jié)

隨著教育形式的多樣化以及計算機(jī)技術(shù)在教育領(lǐng)域的深入應(yīng)用，VR學(xué)習(xí)環(huán)境對傳統(tǒng)的教學(xué)方式和學(xué)習(xí)方式產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。傳統(tǒng)教學(xué)模式通過簡單的圖片、聲音或者文字達(dá)到傳遞知識的目的，而VR可以通過一系列實時生成的模擬真實場景的信息，如聽覺、觸覺以及感知（未來還會增加嗅覺和味覺）等來創(chuàng)造學(xué)習(xí)場景，其最典型特點(diǎn)就是“如臨其境”，這也正好體現(xiàn)了教育原理中的“情景構(gòu)建”意識，使“情景構(gòu)建”生動化、形象化。將Web VR技術(shù)融入網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的設(shè)計中，必將對傳統(tǒng)的教學(xué)方式和學(xué)習(xí)方式產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響，創(chuàng)建更高效的教學(xué)環(huán)境，提高學(xué)習(xí)效率。

參考文獻(xiàn)：

[1] 魯徐.web VR在網(wǎng)絡(luò)教學(xué)中的應(yīng)用[J] .中國商界，中國商界，2010（11）：394.

[2] 吳敏.計算機(jī)仿真技術(shù)在實踐教學(xué)中的作用[J].岳陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2004，19（4）.

[3] 秦景良.虛擬仿真技術(shù)在大學(xué)物理實驗室教學(xué)中的應(yīng)用[J].廣西民族大學(xué)學(xué)報，2011，17（3）.

[4] 湯兆平.基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)動態(tài)課件設(shè)計與實現(xiàn)[J].科技管理研究所，2010（17）.

[5] Daniel A，Guttentag.Virtual reality：Applications and inplication for tourism[J].Tourism management，2010（1）

[6] 譚云蘭.基于web VR的井岡山虛擬旅游系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計[J].井岡山大學(xué)學(xué)報，2012，3（6）.

[7] 王學(xué)璠.基于A-Frame的虛擬現(xiàn)實應(yīng)用[J].計算機(jī)時代，2018（3）.

[8] 任藝.WEBVR和RIA技術(shù)在新媒體中的應(yīng)用[J].硅谷，2013（2）.

[9] 陳偉娜.WebVR技術(shù)在短期商業(yè)會展中的應(yīng)用研究[J].現(xiàn)代計算機(jī)（專業(yè)版），2017（21）.

[10] 林定.一種基于WebVR的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)三維樹形可視化[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報，2018（7）.

【通聯(lián)編輯：唐一東】