虛擬現(xiàn)實技術(shù)在計算機網(wǎng)絡(luò)教學(xué)中的應(yīng)用研究

夏 燕

一、引言

光纖網(wǎng)絡(luò)、4G移動網(wǎng)絡(luò)的誕生，有效地提高了互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用領(lǐng)域，覆蓋了物流倉儲、政企辦公、金融證券、交通城管等多個方面，互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)成為社會信息化、智能化和共享化的關(guān)鍵技術(shù)之一，也吸引了很多的高校開展計算機網(wǎng)絡(luò)課程。[1]計算機網(wǎng)絡(luò)教學(xué)需要組建一個功能完善、部署靈活的機房，購置網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器、三層交換機、路由器以及管理軟件，然后利用這些軟硬件設(shè)備構(gòu)成一個健全的網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)信息通信服務(wù)。[2]但是，由于一些高校資金不足，教學(xué)設(shè)備購買不全，同時又需要為學(xué)生提供實踐鍛煉的機會，因此網(wǎng)絡(luò)教學(xué)面臨著許多問題。虛擬現(xiàn)實是一種可創(chuàng)建和體驗的仿真技術(shù)，其可以模擬真實的場景，實現(xiàn)多源信息融合，生成一個交互式的三維動態(tài)視景，可以使用戶沉浸到這個環(huán)境操作對象。虛擬現(xiàn)實技術(shù)為計算機網(wǎng)絡(luò)教學(xué)提供了一個實訓(xùn)環(huán)境，能夠在虛擬的教學(xué)環(huán)境中構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和部署軟硬件設(shè)備，觀察、瀏覽互聯(lián)網(wǎng)運行細(xì)節(jié)流程，同時可以遠(yuǎn)程登錄學(xué)習(xí)，打破傳統(tǒng)教學(xué)模式，因此，研究虛擬現(xiàn)實技術(shù)在計算機網(wǎng)絡(luò)教學(xué)中的應(yīng)用，具有重要的意義。[3]

二、虛擬現(xiàn)實關(guān)鍵技術(shù)

虛擬現(xiàn)實作為當(dāng)前先進的多媒體計算機技術(shù)之一，其集成了很多的先進技術(shù)，比如機器學(xué)習(xí)、模式識別等，以便能夠幫助虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)識別物體，構(gòu)建一個輸入輸出交互系統(tǒng)，因此虛擬現(xiàn)實的關(guān)鍵技術(shù)包括跟蹤注冊技術(shù)、顯示技術(shù)、3D建模技術(shù)，如圖1所示。

圖1 虛擬現(xiàn)實關(guān)鍵技術(shù)

(一)跟蹤注冊技術(shù)

虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)能夠?qū)⑻摂M信息、真實環(huán)境信息進行集成和融合，實現(xiàn)虛實無縫疊加，因此基于跟蹤注冊技術(shù)可以增強物體融合的力度和效果。目前，跟蹤注冊采用的關(guān)鍵技術(shù)包括多種機器學(xué)習(xí)技術(shù)，比如BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機、遺傳算法等，這些算法可以準(zhǔn)確地從復(fù)雜應(yīng)用背景中識別輸入信息特征，將這些特征數(shù)據(jù)傳輸給系統(tǒng)交互模塊，觸發(fā)事件流之后就可以完成跟蹤注冊。[4]

(二)顯示技術(shù)

虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的顯示設(shè)備很多，包括頭盔顯示器和非頭盔設(shè)備。頭盔顯示器需要佩戴到觀察者頭部，能夠為用戶提供一個信息輸出、虛擬融合的鏡像。非頭盔設(shè)備包括3D眼鏡、裸眼3D顯示器等，能夠為用戶提供一個強大的操作處理系統(tǒng)，不需要佩戴頭盔即可瀏覽虛擬現(xiàn)實鏡像。

(三)3D建模技術(shù)

3D建模技術(shù)能夠?qū)陀^世界中的事務(wù)進行建模，利用3dsmax、Maya、Sketch Up和Auto CAD等工具設(shè)計一個模型，以便能夠制作交換機、路由器、服務(wù)器、存儲器等，更好地模仿真實世界的實際物體，幫助虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)實現(xiàn)3D建模。3D建模包括三維模型和動畫模型，三維模型屬于靜態(tài)的，動畫模型屬于動態(tài)的，適用于不同網(wǎng)絡(luò)教學(xué)場景，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸和交換。[5]

三、基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的計算機網(wǎng)絡(luò)教學(xué)模式

(一)模式創(chuàng)新設(shè)計

基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的計算機網(wǎng)絡(luò)虛擬教學(xué)環(huán)境可以突破時空限制，用戶進入到虛擬教學(xué)系統(tǒng)之后，該系統(tǒng)就可以根據(jù)實際需求生成各類型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)備，為用戶提供一個娛樂性十足的學(xué)習(xí)環(huán)境，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造力和學(xué)習(xí)積極性。虛擬現(xiàn)實計算機網(wǎng)絡(luò)教學(xué)系統(tǒng)核心功能包括GUI界面、渲染算法、應(yīng)用邏輯組件、實例腳本和視頻渲染場景。[6]GUI交互界面能夠為學(xué)生和教師提供一個可視化的學(xué)習(xí)向?qū)?，學(xué)生可以通過該向?qū)л斎牒芏嗟男畔?，這些信息包括各類型設(shè)備信息，比如服務(wù)器、路由器、交換機、終端電腦等，還可以利用虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境實現(xiàn)TCP協(xié)議、IP協(xié)議、FTP協(xié)議等內(nèi)容，更加形象地掌握各類型網(wǎng)絡(luò)協(xié)議實際執(zhí)行情況，提高學(xué)生學(xué)習(xí)效率。應(yīng)用邏輯組件作為一個服務(wù)器模型，其可以利用各類型的設(shè)備數(shù)據(jù)進行驅(qū)動，比如可以催化網(wǎng)絡(luò)設(shè)備操作部件，產(chǎn)生一個三層的設(shè)備信息模型，該模型能夠經(jīng)過驅(qū)動之后形成一個良好的設(shè)備模型。[7]

虛擬現(xiàn)實網(wǎng)絡(luò)教學(xué)系統(tǒng)在執(zhí)行時可以劃分三個層次，分別是用戶終端層、虛擬渲染層、后臺資源層，每一個層次之間都可以使用接口進行連接，接口可以實現(xiàn)用戶信息認(rèn)證、組件模型傳輸、應(yīng)用服務(wù)處理，系統(tǒng)需要將服務(wù)器和用戶邏輯業(yè)務(wù)隔離起來，這樣就可以保護每一層的資源是邏輯獨立的，能夠為網(wǎng)絡(luò)教學(xué)提供強大的支撐。虛擬現(xiàn)實網(wǎng)絡(luò)教學(xué)系統(tǒng)的主要功能包括以下幾個方面：

1.直播教學(xué)功能。虛擬現(xiàn)實網(wǎng)絡(luò)教學(xué)系統(tǒng)可以采用云計算、流媒體等功能，為學(xué)生提供一個直播課堂功能。直播教學(xué)能夠?qū)崿F(xiàn)在線直播、在線點播、在線回訪等功能，滿足不同學(xué)生的實際學(xué)習(xí)需求。直播教學(xué)開展時，用戶還可以在嵌入的實時聊天系統(tǒng)內(nèi)溝通、交流，建立一個興趣學(xué)習(xí)小組，相同興趣的學(xué)生可以加入到該小組，探討不同的學(xué)習(xí)問題，保證用戶的良好操作服務(wù)，保證業(yè)務(wù)的實時化管理。

2.課程設(shè)計功能。虛擬現(xiàn)實網(wǎng)絡(luò)教學(xué)系統(tǒng)可以構(gòu)建一個仿真的學(xué)習(xí)、實踐環(huán)境，教師講授一段課程內(nèi)容之后，可以布置實踐操作任務(wù)，學(xué)生登錄仿真實踐環(huán)境，可以根據(jù)任務(wù)需求設(shè)計圖紙，實現(xiàn)邊學(xué)邊練。該功能開發(fā)中采用了虛擬現(xiàn)實、3D建模、自然手勢識別等技術(shù)，可以提高虛擬教學(xué)系統(tǒng)的沉浸感和真實感，確保用戶操作的可靠性。虛擬現(xiàn)實能夠為用戶提供強大的操作支撐，為用戶提供有力的信息管理模式。[8]課程設(shè)計過程中，利用3D建?？梢詷?gòu)建一個強大的操作服務(wù)功能，該功能能夠利用強大的操作管理內(nèi)容，構(gòu)建一個強大的操作支撐，利用3dsmax、Maya、Photoshop等集成化的軟件構(gòu)建一個建模功能，實現(xiàn)信息的操作服務(wù)功能，利用骨骼、蒙皮構(gòu)建動態(tài)的操作處理模式，保證業(yè)務(wù)的實時化開展，實現(xiàn)信息的加工和服務(wù)，進一步提高企業(yè)的良好處理能力。自然手勢識別可以利用數(shù)據(jù)處理、機器學(xué)習(xí)等功能，進一步管理企業(yè)的交互性、透視性和友好性，保證用戶操作的良好體驗，方便用戶交流使用。

3.學(xué)習(xí)中心管理功能。虛擬現(xiàn)實網(wǎng)絡(luò)教學(xué)系統(tǒng)擁有較多的用戶，同時也需要為課程提供一個服務(wù)中心，這樣就可以保存學(xué)生、課程、教師的基本信息，實現(xiàn)課程教學(xué)實時管理，能夠?qū)崿F(xiàn)用戶并發(fā)接入系統(tǒng)、知識點點播、學(xué)生作品保存等功能。學(xué)習(xí)中心利用虛擬現(xiàn)實構(gòu)建教學(xué)系統(tǒng)實現(xiàn)信息加工和服務(wù)，方便用戶接入到系統(tǒng)，實現(xiàn)一個強大的操作管理模式，利用先進的數(shù)據(jù)處理能夠進行知識點的點播，保證知識中心的數(shù)據(jù)處理功能，實現(xiàn)信息的加工和服務(wù)。學(xué)生作品創(chuàng)建過程中，人們可以根據(jù)實際的操作需求，通過先進的管理和具有實時化、沉浸感的操作，利用信息服務(wù)為用戶提供強大的支撐。

(二)應(yīng)用效果分析

虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于計算機網(wǎng)絡(luò)教學(xué)之后，可以有效地提升互聯(lián)網(wǎng)教學(xué)成效，具體的應(yīng)用效果包括以下幾個關(guān)鍵方面：

1.一對一教學(xué)提高教學(xué)專業(yè)化

虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于計算機網(wǎng)絡(luò)教學(xué)之后，計算機網(wǎng)絡(luò)專業(yè)的教師可以為每一個用戶分配一個賬號，同時在腳本實例中設(shè)計網(wǎng)絡(luò)組建、部署、運行案例，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)案例的指導(dǎo)學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)知識，學(xué)生可以在教師教導(dǎo)、鞏固練習(xí)下，掌握互聯(lián)網(wǎng)的相關(guān)知識。因此，虛擬現(xiàn)實環(huán)境下的計算機網(wǎng)絡(luò)教學(xué)可以實現(xiàn)一對一授課、備課，能夠完善教學(xué)資源，保證學(xué)生學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)知識的積極性、主動性，能夠在教學(xué)中渲染網(wǎng)絡(luò)教學(xué)協(xié)議，因此更加專業(yè)。

2.進一步降低網(wǎng)絡(luò)設(shè)備購置費用

虛擬化的教學(xué)環(huán)境中，路由器、交換機、服務(wù)器、光纖等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備均為3D模型，這些模型利用3dsmax、Maya等軟件編輯制作而成，不需要購買，學(xué)校只需要購置一套軟件即可滿足教學(xué)需求，同時這套軟件可以根據(jù)教學(xué)需求動態(tài)化地更新，實現(xiàn)最新的互聯(lián)網(wǎng)教學(xué)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組建，配置最新的互聯(lián)網(wǎng)通信設(shè)備和協(xié)議，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的創(chuàng)新，具有重要的作用和意義。[9]

3.統(tǒng)一部署教學(xué)環(huán)境以提高系統(tǒng)維護效率

基于虛擬現(xiàn)實的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)環(huán)境可以為用戶提供升級、維護的環(huán)境，這個環(huán)境不需要專業(yè)的管理員進行監(jiān)管，系統(tǒng)運行過程中可以時刻統(tǒng)計和分析運行狀態(tài)，如果需要更新和維護，只需要向用戶推動最新的客戶端程序，無需逐臺測試就可以完成運行。[10]

4.寓教于樂以激發(fā)學(xué)生的積極性和主動性

基于虛擬現(xiàn)實的互聯(lián)網(wǎng)教學(xué)平臺可以模擬真實環(huán)境，向用戶展示軟硬件資源的協(xié)議運行情況，定制個性化的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)需求，能夠創(chuàng)造性地展示可視化網(wǎng)絡(luò)通信狀態(tài)數(shù)據(jù)，滿足互聯(lián)網(wǎng)的操作需求，提高了互聯(lián)網(wǎng)教學(xué)的直觀性，寓教于樂，激發(fā)了學(xué)生的興趣。[11]

總之，計算機網(wǎng)絡(luò)教學(xué)是一個動態(tài)的、革新的培訓(xùn)模式，可以為當(dāng)前的政企單位提供實用型、創(chuàng)新型人才，進一步確保高效計算機網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的質(zhì)量。為了解決時空限制、教學(xué)成本等問題，利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)開發(fā)的這一個計算機網(wǎng)絡(luò)教學(xué)系統(tǒng)，能夠為學(xué)生提供一個沉浸式的寓教于樂的學(xué)習(xí)環(huán)境，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。