基于虛擬技術(shù)的多媒體英語教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計

馮文奐, 周云飛, 王金策*， 閆婷婷, 梁成君, 趙國飛, 曹亞平

(山西能源學(xué)院 1. 基礎(chǔ)教學(xué)部; 2. 計算機與信息工程系; 3. 安全工程系, 山西 晉中 030600)

0 引言

隨著當(dāng)代信息技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)的普遍運用，多媒體教學(xué)已成為教育領(lǐng)域內(nèi)的必然發(fā)展方向[1]。采用網(wǎng)絡(luò)進行多媒體教學(xué)，不但能夠降低教育成本，可解決教育資源分布不均衡的問題，并能夠有效避免傳統(tǒng)教育方式的缺陷[2-3]。近年來，我國推出了基于網(wǎng)絡(luò)的多媒體教學(xué)計劃，已在各大高校內(nèi)實行多媒體教學(xué)試驗。隨著英語教學(xué)的不斷完善，英語課堂教學(xué)的模式在不斷發(fā)展，多媒體教學(xué)作為一種新型的教學(xué)模式，被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代英語教學(xué)中[4-6]。

3DS MAX虛擬技術(shù)是一種集合了仿真技術(shù)、圖像學(xué)、多媒體技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和數(shù)字處理技術(shù)等的真實模擬技術(shù)，通過計算機等設(shè)備創(chuàng)建仿真模型，提供三維視覺等更逼真的感官感受，實現(xiàn)虛擬動態(tài)交互令用戶更好地融入到虛擬環(huán)境中[7-9]。用戶行為可實時作用到虛擬環(huán)境中即為虛擬動態(tài)交互，當(dāng)前虛擬動態(tài)交互可通過兩種方式實現(xiàn)，分別是典型的程序語言設(shè)計的實現(xiàn)及虛擬現(xiàn)實三維立體網(wǎng)絡(luò)程序語言VRML設(shè)計的實現(xiàn)[10]。

為了提高英語教學(xué)效果，本研究采用3DS MAX虛擬技術(shù)創(chuàng)建多媒體英語教學(xué)系統(tǒng)，并分析了其性能。

2 基于虛擬技術(shù)的多媒體英語教學(xué)系統(tǒng)

2.1 英語教學(xué)課堂遠(yuǎn)程教學(xué)系統(tǒng)開發(fā)原理

采用3DS MAX虛擬現(xiàn)實技術(shù)創(chuàng)建英語遠(yuǎn)程教學(xué)系統(tǒng)，首先創(chuàng)建教學(xué)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)模型，搭建開發(fā)環(huán)境并設(shè)計系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型，通過場景渲染與多線程調(diào)動的方式設(shè)計教學(xué)系統(tǒng)頂層，在嵌入式開發(fā)環(huán)境及Mutigen Creator中完成Lynx Prime圖形界面的設(shè)計，當(dāng)英語遠(yuǎn)程教學(xué)系統(tǒng)處于靜態(tài)視景模型庫時，組成感知控制層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層和業(yè)務(wù)邏輯層等三層體系結(jié)構(gòu)[11-12]。感知控制層采用傳感器設(shè)備為用戶供應(yīng)及時、順暢的可視化界面，通過多媒體感知技術(shù)、無線射頻識別對教學(xué)場景的信息化收集與多媒體渲染，根據(jù)Lynx Prime設(shè)計的多媒體教學(xué)數(shù)據(jù)庫分配課堂的教學(xué)資源信息。通過C++編程與標(biāo)準(zhǔn)模板庫實現(xiàn)3D虛擬現(xiàn)實設(shè)計，并創(chuàng)建英語教學(xué)課堂視景仿真模型，系統(tǒng)運行仿真根據(jù)信息處理次序，通過多線程技術(shù)實現(xiàn)開發(fā)。功能層采用c++軟件，將邏輯編入程序中，基于移動通信網(wǎng)、校園網(wǎng)絡(luò)及易購網(wǎng)環(huán)境內(nèi)創(chuàng)建英語教學(xué)課堂遠(yuǎn)程教學(xué)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)傳輸層模塊；數(shù)據(jù)層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)管理，使用SQL語言將功能層數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)層，并完成數(shù)據(jù)更新和檢索。創(chuàng)建英語教學(xué)課堂的遠(yuǎn)程教學(xué)中間件，軟件調(diào)動時，依據(jù)壓縮感知的魯棒可分離方法實現(xiàn)，根據(jù)雙工通信方式，用戶代理服務(wù)器端對用戶供應(yīng)信息管理服務(wù)，通過移動通信網(wǎng)、校園網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)建系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)傳輸層。通過Browser/Server結(jié)構(gòu)設(shè)計用戶代理服務(wù)器，將通信雙方的多媒體信息流編碼格式用于SIP代理服務(wù)器通信，在SDP協(xié)議內(nèi)創(chuàng)建3D虛擬現(xiàn)實視景仿真軟件，使英語遠(yuǎn)程教學(xué)系統(tǒng)的界面呈現(xiàn)、業(yè)務(wù)邏輯控制得到實現(xiàn)。由于英語教學(xué)課堂教學(xué)系統(tǒng)的軟件是靈魂。其框架結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 英語教學(xué)課堂遠(yuǎn)程教學(xué)系統(tǒng)開發(fā)框架結(jié)構(gòu)

1.2 英語遠(yuǎn)程教學(xué)系統(tǒng)的功能模塊架構(gòu)

在Mutigen Creator3.2開發(fā)環(huán)境中對英語遠(yuǎn)程教學(xué)系統(tǒng)實行整設(shè)計。通過感知控制層對用戶行為進行定義，采用多樣化top-shapelets變換方式遠(yuǎn)程控制課堂教學(xué)的多媒體與網(wǎng)絡(luò)變換。系統(tǒng)遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)通信時通過局域網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)以及校園網(wǎng)實現(xiàn)[13]。為實現(xiàn)英語遠(yuǎn)程教學(xué)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程開機關(guān)機、啟動教學(xué)電動幕布和檢索數(shù)據(jù)信息等功能，利用通信協(xié)議連接C/S與B/S模式，并依據(jù)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)對英語遠(yuǎn)程教學(xué)設(shè)備的輸入與輸出端口實行統(tǒng)一設(shè)計。

由硬件與軟件設(shè)計共同構(gòu)成的英語教學(xué)系統(tǒng)模塊化設(shè)計，其中硬件模塊為完成集成調(diào)動與輸出操控遠(yuǎn)程多媒體教學(xué)信息，以Prime供應(yīng)的API函數(shù)用開發(fā)組件設(shè)計核心控制模塊，通過3D虛擬技術(shù)擴展8-16位數(shù)據(jù)線，用集成封裝的方式于vpApp類中，對VP應(yīng)用程序?qū)嵭蟹庋b，操控DSP并準(zhǔn)確配備串口，編程與接口用vpModule::initialize Module對應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)初始化。根據(jù)Vega Prime實現(xiàn)應(yīng)用程序加載。初始化內(nèi)存分配時，vpApp類控制終端接管操控程序設(shè)計、對配置程序?qū)嵭序?qū)動，最終實現(xiàn)軟件的設(shè)計。

1.3 基于3DS MAX 創(chuàng)建虛擬教室模型

1.3.1 創(chuàng)建模型過程

結(jié)合圖形渲染、三維建模及三維動畫的3DS MAX軟件，不僅能夠創(chuàng)建逼真模型，還可利用渲染性能成功渲染出逼真圖形，依據(jù)路線制成三維動畫，在眾多領(lǐng)域，如游戲設(shè)計、產(chǎn)品設(shè)計及建筑設(shè)計等得以了成功應(yīng)用[14-15]。

采用3DS MAX創(chuàng)建三維模型，若效果高度逼真、精準(zhǔn)度極高時，會造成系統(tǒng)運行速度低、出現(xiàn)延遲現(xiàn)象，無法保障系統(tǒng)的實時交互性；若建模精準(zhǔn)度極低時，用戶操作時的沉浸感會受到干擾，因此在保證模型外觀逼真的前提下，能夠具備順暢的展現(xiàn)效果。模型創(chuàng)建的步驟包括：合適單位的設(shè)定、對應(yīng)模型的創(chuàng)建、對應(yīng)紋理貼圖的設(shè)定和VRML97相符的*.wrl文件的輸出。

(1) 虛擬教學(xué)環(huán)境的3D模型文件創(chuàng)建

以某教學(xué)樓內(nèi)某樓層為模擬對象，包括線編室、錄音間、多媒體教室、辦公室和非編室等空間，依據(jù)現(xiàn)實尺寸，采用AUTOCAD2004將建筑平面圖繪出，根據(jù)文件-輸入命令輸入dwg文字圖紙于3DS MAX內(nèi)，再以線勾勒出并通過extrude修改器創(chuàng)建墻體。采用基礎(chǔ)幾何體創(chuàng)建模型，導(dǎo)出模型成為*.wrl文件。在File文件菜單下Export輸出，選取VRML97(*.wrl)格式，在下拉菜單內(nèi)命名且保存模型。多邊形類別、初始值、位圖及初始背景等的設(shè)置通過VRML97導(dǎo)出器完成。輸出wrl文件應(yīng)注意貼圖問題，拷貝所應(yīng)用的貼圖到場景文件scene目錄的maps內(nèi)，在Bitmap URL Prefix(位圖URL前綴)內(nèi)反選WsePrefix(使用前綴)，設(shè)置導(dǎo)出器，以防止貼圖在導(dǎo)出文件后丟失，wrl文件的完整得以保障。

此外在3DS MAX內(nèi)，可通過創(chuàng)建面板中輔助對象調(diào)出VRML97選項，用戶通過建立接觸性傳感器節(jié)點為對象增添加觸動感應(yīng)器，并且使用者在場景內(nèi)采用錨建立URL鏈接，與此同時也包含各個工具選項。

通過3DS MAX導(dǎo)出*.wrl文件時，應(yīng)匹配單位，設(shè)定以米為默認(rèn)單位。當(dāng)模型多次反復(fù)出現(xiàn)時，若采用單獨創(chuàng)建模型方式，文件代碼將增加，虛擬場景實時性差，因此采用公告牌技術(shù)在所建二維表層或十字交叉面片處粘貼透明紋理，此二維物體在設(shè)置時依據(jù)攝像機位置自動調(diào)動法線方向。

(2) 虛擬教學(xué)設(shè)備3D模型文件的創(chuàng)建

采用3DS MAX創(chuàng)建的教學(xué)設(shè)備模型作為交互文件基礎(chǔ)，將紋理貼圖的圖片轉(zhuǎn)化為位圖格式，并降低圖片精準(zhǔn)度，降低精準(zhǔn)度準(zhǔn)測為：確保貼圖圖片夠小條件下，盡可能保障圖片的清晰度，減少圖片儲存空間。模型創(chuàng)建通過紋理代替，如：系統(tǒng)內(nèi)的天花板、地板及窗戶類的模型，可根據(jù)現(xiàn)實尺寸創(chuàng)建基礎(chǔ)形態(tài)，然后對其紋理實行貼圖，不需要創(chuàng)建繁瑣的集合模型。為避免貼圖后產(chǎn)生與現(xiàn)實不符的狀況，以及于VRML虛擬現(xiàn)實場景內(nèi)無法正常觀看的狀況，根據(jù)現(xiàn)實尺寸創(chuàng)建基礎(chǔ)形態(tài)，通過烘焙貼圖性能表達物體凹凸?fàn)顩r的特點，防止貼圖在3DS MAX內(nèi)呈現(xiàn)出平面化狀態(tài)，提高視覺效果令物體的呈現(xiàn)效果更逼真。

根據(jù)以上步驟實現(xiàn)了可視化編輯器創(chuàng)建模型，不僅可達到視覺的基礎(chǔ)需求，同時可保證虛擬仿真系統(tǒng)運行順暢。視頻展示臺模型，如圖2所示。

圖2 視頻展示臺模型

1.3.2 虛擬教學(xué)場景的創(chuàng)建技術(shù)

根據(jù)3DS MAX創(chuàng)建的模型輸出成*.wrl，在VRAMPad內(nèi)將其打開增加交互。為令場景中物體與用戶可達成交互，應(yīng)該通過過程實現(xiàn)。交互過程示意圖，如圖3所示。

圖3 交互過程示意圖

采用TouchSensor、PositionInterpolater、ViewPoint和TimeSensor創(chuàng)建的線性關(guān)鍵幀動畫，其中使用鼠標(biāo)單擊控制播放，通過PlaneSensor、CylinderSensor、SphereSensor、ProximitySensor、Collision和VisibilitySensor等節(jié)點為對象增加多類別感知器，采用TouchSensor創(chuàng)建點擊、拖拉和移動等對象交互，用戶使用鼠標(biāo)操控物體且完成交互的宗旨得以實現(xiàn)，當(dāng)VRML內(nèi)置節(jié)點不能實現(xiàn)繁瑣的交互時，通過Script節(jié)點嵌入JavaScript或者Java更深入地擴大功效。

1.4 視頻展示臺燈光交互功能的實現(xiàn)

在視頻展示臺兩臂與底板位置設(shè)有燈泡，在展示臺光線較暗的情況下所投射的圖像會較暗，此時應(yīng)打開兩臂處燈光，提升物體光度；在投射幻燈片時打開底板處的燈光，光通過幻燈片底下透射出，提高幻燈片影像的清晰度。用一個按鈕循環(huán)操控此兩組燈泡，燈光沒有開啟之前，單擊按鈕可打開兩臂燈光，第二次單擊可打開底板處燈光、關(guān)閉兩臂燈光，第三次單擊回到起始狀態(tài)，以此循環(huán)操控。制作時應(yīng)將三種狀態(tài)設(shè)定好，分別為無燈狀態(tài)、兩臂燈狀態(tài)及底板燈狀態(tài)。開始制作時，在3DS MAX內(nèi)調(diào)整三種狀態(tài)時燈光所處位置、范圍及強度，然后將其導(dǎo)入VRML內(nèi)設(shè)定交互功能。

3DS MAX內(nèi)設(shè)定三種燈光狀態(tài)：采用VRML語言控制物體材質(zhì)自發(fā)光屬性emissive值，達到兩臂燈與底板燈二者的外觀色彩在狀態(tài)不一致時產(chǎn)生改變的目的。當(dāng)燈光未開啟時，其emissiveColor值是000，幾乎不發(fā)光；當(dāng)開啟燈光時，emissiveColor值是111，光線為白色。將三種燈光狀態(tài)設(shè)定好，并在VRML程序內(nèi)采用JavaScript代碼交互操控。在虛擬實驗過程內(nèi)其運行效果，如圖4所示。

圖4 視頻展示臺兩臂燈打開狀態(tài)的場景效果

2 系統(tǒng)的性能測試

2.1 系統(tǒng)運行效果分析

在校園網(wǎng)中，對本研究所設(shè)計系統(tǒng)實行測試。將虛擬機安裝于機房電腦的XP系統(tǒng)中，并搭建windows2003服務(wù)器，網(wǎng)絡(luò)組件安裝在服務(wù)器中，并分配一個固定的IP地址，然后整合本研究所設(shè)計系統(tǒng)為一個網(wǎng)站并放到服務(wù)器端，并與服務(wù)器端的IP地址對應(yīng)，系統(tǒng)測試時通過IP地址實現(xiàn)用戶訪問服務(wù)器中的網(wǎng)站平臺。

由于使用本研究所設(shè)計系統(tǒng)的用戶主要為在校大學(xué)生，在遠(yuǎn)程教育中，系統(tǒng)測試平臺的用戶端以普通電腦為主，基本配置為：intel(R)Core(TM)2 Duo CPU，2GB的內(nèi)存，NVIDIA GeForee 8400 SE顯卡及校園網(wǎng)絡(luò)。

本研究所設(shè)計系統(tǒng)英語教學(xué)測試結(jié)果為：英語虛擬教學(xué)的全部操作過程中，只是在第一次訪問網(wǎng)站時，會出現(xiàn)一點時間延緩狀況，下載時需等候20秒左右，而進行其它交互操作時，均為沒有出現(xiàn)延緩狀態(tài)，這表明本研究所設(shè)計系統(tǒng)可于校園網(wǎng)內(nèi)實現(xiàn)實時交互，客戶端運行十分流暢。

一般而言，面對面教學(xué)時學(xué)生可隨時咨詢老師，本研究所設(shè)計系統(tǒng)可實現(xiàn)此目標(biāo)，當(dāng)學(xué)生有疑點時，可通過系統(tǒng)隨時將遠(yuǎn)程協(xié)助請求發(fā)向教師端計算機，教師端計算機得到學(xué)生端計算機的請求后，采用遠(yuǎn)程桌面的連接方法操控學(xué)生端計算機，處理疑點后學(xué)生端可實時取消連接操控。操控界面,如圖5所示。

圖5 操控界面圖

2.2 系統(tǒng)教學(xué)效果調(diào)查分析

測試調(diào)查中發(fā)放180份問卷并收回160份，89%的回收率，其中有6份問卷無效，154份有效問卷，測試有效率達到85.6%。調(diào)查問卷的具體狀況，如表1所示。

表1 調(diào)查問卷整體狀況

采用統(tǒng)計學(xué)分析調(diào)查結(jié)果，分析結(jié)果表明，本研究所設(shè)計系統(tǒng)可以幫助學(xué)生展開英語學(xué)習(xí)、提高學(xué)生英語練習(xí)的樂趣，其中教學(xué)功能與系統(tǒng)界面呈現(xiàn)效果都可實現(xiàn)預(yù)估目標(biāo)。通過調(diào)查問卷結(jié)果可以看到，超出一半的學(xué)生對本研究設(shè)計系統(tǒng)認(rèn)知，在虛擬英語教學(xué)實驗練習(xí)后進一步加深，經(jīng)過練習(xí)后的學(xué)生，在實際英語教學(xué)操作時可迅速上手，幾乎無需老師的講解即可單獨完成，且了解英語教學(xué)內(nèi)的投影儀如何開關(guān)機、視頻展示臺所活動的范圍等事項。在英語教學(xué)過程中，使用本研究所設(shè)計系統(tǒng)可以大幅度提升教學(xué)成效，可節(jié)省教學(xué)資源，提高教學(xué)設(shè)備的使用率，學(xué)生可通過本系統(tǒng)實現(xiàn)學(xué)習(xí)的目標(biāo)。

2.3 性能分析

進一步對本研究所設(shè)計系統(tǒng)性能方面展開測試，由于教師端計算機需同時對局域網(wǎng)中全部在線學(xué)生端計算機發(fā)送屏幕與音頻信息，網(wǎng)絡(luò)的傳送信息量大，因此對傳送性能與學(xué)生端接收成效展開測試。在教師端計算機對文檔與視頻實行演示時，分別對比在線60臺學(xué)生端計算機與120臺學(xué)生端計算機的接收順暢情況，學(xué)生端計算機上測試結(jié)果，如表2所示。

表2 本研究所設(shè)計系統(tǒng)的性能測試結(jié)果

從表2可以看出，在教師端計算機屏幕不斷改變的狀況下，本研究所設(shè)計系統(tǒng)運行效果較好，其中當(dāng)教師端計算機進行Word演示時，學(xué)生端計算機數(shù)量不影響接收、顯示效果；當(dāng)教師端計算機進行視頻播出時，學(xué)生端計算機數(shù)量對接收時間及畫面效果略有影響，但影響不大。整體測試結(jié)果表明：本研究所設(shè)計系統(tǒng)接收順暢，畫面效果較為穩(wěn)定，系統(tǒng)性能較高。

3 總結(jié)

采用3DS MAX虛擬技術(shù)，本文設(shè)計了多媒體英語教學(xué)系統(tǒng)，并通過實驗驗證了本研究所設(shè)計系統(tǒng)性能較好，運行效果穩(wěn)定，為學(xué)生的英語學(xué)習(xí)提供一個全新的學(xué)習(xí)渠道，并促進教學(xué)資源的開發(fā)，為提高我國教育事業(yè)信息化水平奠定基礎(chǔ)。但是本研究所設(shè)計系統(tǒng)在未來的發(fā)展過程中，其虛擬環(huán)境的美感與模擬真實性等方面仍需進一步完善。