韓桂明

（江蘇省鹽城市特殊教育中等專業(yè)學(xué)校，江蘇 鹽城 224002）

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在遠(yuǎn)程教育平臺(tái)中的應(yīng)用

韓桂明

（江蘇省鹽城市特殊教育中等專業(yè)學(xué)校，江蘇 鹽城 224002）

本文研究了遠(yuǎn)程教育平臺(tái)中虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用途徑以及VR M D EP的實(shí)現(xiàn)，提出構(gòu)建VR M D EP的總體框架，設(shè)計(jì)虛擬同步與異步教學(xué)系統(tǒng)，構(gòu)建模擬場(chǎng)景以實(shí)現(xiàn)用戶之間的交互。

遠(yuǎn)程教育平臺(tái)；虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的概述

傳統(tǒng)模式下，以Web為基礎(chǔ)的遠(yuǎn)程教育平臺(tái)在發(fā)展歷程中遭遇了一些瓶頸和局限，因此必須要充分利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，生成更加真實(shí)的圖像與三維動(dòng)畫，借此打造出科學(xué)有效的遠(yuǎn)程教育平臺(tái)。

1.1 實(shí)物虛化技術(shù)

該技術(shù)指的是實(shí)際空間朝著多維信息化空間所投射的映像，其主要包含了基礎(chǔ)模型建設(shè)、空間追蹤、聲音定位、視覺追蹤以及視點(diǎn)感應(yīng)等核心技術(shù)。通過這一系列技術(shù)可以構(gòu)建具有真實(shí)感的模擬空間，使得用戶能夠在虛擬環(huán)境下進(jìn)行數(shù)據(jù)操作。其中，基礎(chǔ)模型建設(shè)技術(shù)是計(jì)算機(jī)技術(shù)構(gòu)建模擬環(huán)境的關(guān)鍵所在，能夠把現(xiàn)實(shí)世界中存在的對(duì)象重新組建于3D模擬的空間中，并且按照系統(tǒng)所需保留一部分物體的屬性?？臻g追蹤技術(shù)是利用頭盔顯示器、數(shù)據(jù)手套以及數(shù)據(jù)服裝等，在此類交互設(shè)備中安插空間傳感器，從而確定用戶的頭、四肢、軀干或其他部位在3D模擬空間中的具體方位。聲音定位技術(shù)是在模擬環(huán)境中進(jìn)行聲音的追蹤。視覺追蹤及視點(diǎn)感應(yīng)技術(shù)，主要使用從視頻錄像機(jī)至X-Y平面陣列，周圍光或追蹤光在圖像投影平面在不同時(shí)間段與不同方位上產(chǎn)生的影像，算出追蹤目標(biāo)的所在位置。

1.2 虛物實(shí)化技術(shù)

所謂虛物實(shí)化技術(shù)，就是要讓用戶在模擬的空間中獲得如同現(xiàn)實(shí)當(dāng)中一樣的視覺、聽覺、觸覺等感受，屬于感官認(rèn)知類的核心技術(shù)。該技術(shù)之所以可以讓用戶產(chǎn)生較為真實(shí)的感官體驗(yàn)，其關(guān)鍵在于不僅能使用戶得到視覺與聽覺的感知，還能讓用戶自主操控虛擬物品，從而在反作用力中生成力覺與觸覺的感受。

1.3 智能技術(shù)

該項(xiàng)技術(shù)可以構(gòu)建一個(gè)用戶與計(jì)算機(jī)交互的空間。計(jì)算機(jī)需從用戶的不同語(yǔ)言、動(dòng)作甚至表情中獲取對(duì)應(yīng)的信息。如果需要準(zhǔn)確分析這些信息，必須借助人工智能技術(shù)進(jìn)行處理。目前智能接口領(lǐng)域正在探究相關(guān)問題，比如人的語(yǔ)音識(shí)別、自然語(yǔ)言分析、圖形圖像辨別、文字識(shí)別、多媒體技術(shù)虛擬顯示等。

2 遠(yuǎn)程教育平臺(tái)中虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用途徑

2.1 構(gòu)建VRMDEP的總體框架

VRMDEP是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)下現(xiàn)代遠(yuǎn)程平臺(tái)的簡(jiǎn)稱，其總體框架構(gòu)建如圖1所示，采用MVC（Model-View-Controller)的實(shí)現(xiàn)模式，使用J2EE分布式架構(gòu)，以此切合多用戶共同使用虛擬空間的需求。在客戶端，用戶可以用教師、學(xué)生、管理員這3類不同的身份登錄遠(yuǎn)程教育平臺(tái)，并依據(jù)不同的身份享受不同的權(quán)限。用戶在模擬環(huán)境當(dāng)中所產(chǎn)生的感受，可以經(jīng)由替身（avatar）來(lái)呈現(xiàn)，這種替身屬于展示用戶身份的三維對(duì)象。在虛擬遠(yuǎn)程教育平臺(tái)中，其結(jié)構(gòu)主要包含了虛擬同步教學(xué)系統(tǒng)、虛擬異步教學(xué)系統(tǒng)以及通用管理這三個(gè)版塊。其中虛擬同步教學(xué)系統(tǒng)的功能是共享協(xié)同虛擬環(huán)境下的學(xué)習(xí)，虛擬異步教學(xué)系統(tǒng)的功能是模擬課程的開發(fā)以及模擬教務(wù)的管理，通用管理則負(fù)責(zé)視頻播放、網(wǎng)站運(yùn)用、模擬空間管理等。當(dāng)布置好開發(fā)環(huán)境之后，可運(yùn)用以角色為基礎(chǔ)的訪問控制理論，即RBAC，展開訪問控制。并利用計(jì)算機(jī)協(xié)同理論構(gòu)建起交互式模擬教室，再與信息庫(kù)中的數(shù)據(jù)聯(lián)系起來(lái)，從而滿足模擬空間內(nèi)的教學(xué)需求。

圖1 總體框架圖

2.2 設(shè)計(jì)虛擬同步教學(xué)系統(tǒng)

要實(shí)現(xiàn)VRMDEP的功能設(shè)計(jì)，首先必須要設(shè)計(jì)虛擬同步教學(xué)系統(tǒng)，呈現(xiàn)出科學(xué)而清晰的內(nèi)容劃分，完善網(wǎng)站的導(dǎo)航組合，制作出簡(jiǎn)潔、美觀、人性化的操作界面。虛擬同步教學(xué)系統(tǒng)不僅可以為教師構(gòu)建出相對(duì)真實(shí)的教學(xué)環(huán)境，還能為學(xué)生建立起自主學(xué)習(xí)的理想空間。該系統(tǒng)的重心就是模擬教室、模擬實(shí)驗(yàn)室、模擬工作室以及討論交流室。首先，對(duì)于模擬教室的構(gòu)建，要設(shè)計(jì)出講臺(tái)、黑板、課桌與椅子、門窗、投影儀等。教師采用豐富的虛擬資源展開知識(shí)講授，而學(xué)生則需要注冊(cè)并登錄，然后進(jìn)入模擬教室學(xué)習(xí)。其功能界面的作用有：（1）安插課程導(dǎo)航。教師可利用課程導(dǎo)航和課件的信息庫(kù)完成交互，進(jìn)而科學(xué)運(yùn)用教學(xué)資源，達(dá)到教學(xué)調(diào)控的目的；（2）安插作業(yè)處理欄。教師可利用這項(xiàng)功能給學(xué)生布置作業(yè)，并進(jìn)行作業(yè)批改，再將改好的作業(yè)發(fā)還給學(xué)生。學(xué)生也可通過這項(xiàng)功能進(jìn)行作業(yè)遞交、獲??；（3）安插電子白板。學(xué)生可利用電子白板向老師提問，而老師也可通過白板進(jìn)行信息通知、公布答案等。

然后，對(duì)于模擬實(shí)驗(yàn)室的構(gòu)建，要設(shè)置出相對(duì)逼真的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，例如實(shí)驗(yàn)臺(tái)、儀器設(shè)備、門窗等，讓教師和學(xué)生運(yùn)用這些設(shè)備展開模擬實(shí)驗(yàn)。其主要功能包括：（1）安插實(shí)驗(yàn)導(dǎo)航。學(xué)生和教師可以利用這一導(dǎo)航完成實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)交互，并整合實(shí)驗(yàn)資源，科學(xué)進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)；（2）安插實(shí)驗(yàn)控制臺(tái)。對(duì)于每個(gè)實(shí)驗(yàn)，都能夠提供相應(yīng)的設(shè)備、過程展示、原理講解、自主實(shí)驗(yàn)等功能；（3）安插實(shí)驗(yàn)工具箱。當(dāng)進(jìn)行不同的實(shí)驗(yàn)時(shí)，其所需設(shè)備也有所不同，因此需要設(shè)置工具箱，以此裝載實(shí)驗(yàn)設(shè)備。

最后是模擬工作室與討論交流室的構(gòu)建。模擬工作室能夠?yàn)榻處熌M教學(xué)的開展提供必要的技術(shù)支撐，且教師能夠在模擬工作室內(nèi)采用不同的工具、軟件進(jìn)行教學(xué)，通過人性化的操作界面完成課程介紹、要點(diǎn)講授、信息傳遞等任務(wù)。構(gòu)建討論交流室，則是利用電子郵件、公告欄等，讓學(xué)生和教師、學(xué)生和學(xué)生之間實(shí)現(xiàn)多向異步在線溝通，讓學(xué)生獲得自主學(xué)習(xí)與發(fā)言的機(jī)會(huì)。

2.3 設(shè)計(jì)虛擬異步教學(xué)系統(tǒng)

這一教學(xué)系統(tǒng)主要包含了兩個(gè)部分，即模擬課程的開發(fā)以及模擬教務(wù)的管理。該功能和傳統(tǒng)遠(yuǎn)程教育當(dāng)中所體現(xiàn)的功能大體相同，而差別則是增添了替身（avatar）在模擬空間內(nèi)起到的效用。進(jìn)行模擬課程開發(fā)，其重點(diǎn)實(shí)施的功能有如下幾點(diǎn)：管理模擬資源庫(kù)、維護(hù)課件模板、向?qū)Ч芾怼⒛M素材整合、資源連接、模擬課件開發(fā)。而模擬教務(wù)管理則是VRMDEP當(dāng)中為老師、學(xué)生及管理員提供信息查詢和統(tǒng)計(jì)功能的平臺(tái)，其重點(diǎn)包括以下功能：課程管理、教師管理、學(xué)生管理、考試信息管理、報(bào)表統(tǒng)計(jì)等。

3 遠(yuǎn)程教育平臺(tái)中虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

3.1 構(gòu)建模擬學(xué)習(xí)環(huán)境與仿真實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景，增強(qiáng)真實(shí)體驗(yàn)

在傳統(tǒng)的遠(yuǎn)程教育中，學(xué)習(xí)者與教師無(wú)法進(jìn)行面對(duì)面的交流，使得學(xué)習(xí)者只能獨(dú)立地完成學(xué)習(xí)效果，缺乏互動(dòng)與交流。而融合了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的遠(yuǎn)程教育平臺(tái)，能夠利用3D建模技術(shù)構(gòu)建出虛擬的教室與課堂，使學(xué)習(xí)者有如置身真實(shí)的課堂中，實(shí)現(xiàn)了人機(jī)交互，從而有利于增強(qiáng)其真實(shí)體驗(yàn)，能夠增強(qiáng)學(xué)習(xí)的趣味性，并且讓更多的人感受到校園生活。

此外，在應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)之前，遠(yuǎn)程教育很難對(duì)學(xué)習(xí)者的實(shí)驗(yàn)技能提供有效的指導(dǎo)，學(xué)習(xí)者無(wú)法直接參與到實(shí)驗(yàn)操作的過程中，這也是傳統(tǒng)遠(yuǎn)程教育最大的弊端。而利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠?yàn)閷W(xué)習(xí)者打造一個(gè)全面、完善、仿真的虛擬實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所，并提供一切相關(guān)的實(shí)驗(yàn)器材，讓學(xué)習(xí)者能夠借助一定的設(shè)備來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，直接地體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)過程，從而強(qiáng)化對(duì)學(xué)習(xí)內(nèi)容的理解，促進(jìn)實(shí)踐技能的提升。

3.2 能夠?yàn)槎嗳撕献鞯膶?shí)現(xiàn)提供虛擬平臺(tái)

由于遠(yuǎn)程教育都是學(xué)習(xí)者分散進(jìn)行的，很難進(jìn)行小組之間的合作與交流，而在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中，能夠利用信息技術(shù)以及人機(jī)交互的模式將不同物理位置的用戶聯(lián)系在一起，實(shí)現(xiàn)模擬場(chǎng)景的共享。并在虛擬的空間中進(jìn)行聯(lián)機(jī)操作，讓用戶即使身處異地也能夠“聚”在一起學(xué)習(xí)與交流，其聲音也能夠?qū)崟r(shí)地相互傳遞，甚至還可以在仿真的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景中共同完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)。這一特點(diǎn)與傳統(tǒng)遠(yuǎn)程教育中學(xué)習(xí)者個(gè)體獨(dú)立學(xué)習(xí)是完全不一樣的。學(xué)習(xí)者能夠通過與他人之間的協(xié)作獲得啟發(fā)，并增強(qiáng)經(jīng)驗(yàn)與知識(shí)的積累，進(jìn)一步提升自身的學(xué)習(xí)效率。

3.3 實(shí)現(xiàn)交互

模擬空間中的交互性主要表現(xiàn)在兩大方面：一是用戶和模擬空間內(nèi)的對(duì)象進(jìn)行交互，用戶能夠調(diào)節(jié)其對(duì)象的方位、形態(tài)等，還能采取添加、刪除等措施；二是用戶和用戶之間實(shí)現(xiàn)交互，即用戶操控替身的行動(dòng)，如跑、走、跳、舉手、扭頭等。此外還可以看見其余用戶的替身形態(tài)，并和他人溝通、交流，進(jìn)行探討及演示。這樣一來(lái)用戶之間便能實(shí)現(xiàn)共同開發(fā)、合作試驗(yàn)等，完成對(duì)模擬場(chǎng)景的控制。

4 結(jié)束語(yǔ)

遠(yuǎn)程教育平臺(tái)既是一個(gè)多元化的綜合應(yīng)用系統(tǒng)，也是一個(gè)亟待發(fā)展與完善的開放性系統(tǒng)。在設(shè)計(jì)與運(yùn)用的過程中，一定要全面結(jié)合其延展性、伸縮性、異構(gòu)性等多項(xiàng)特征，并挑選出適當(dāng)?shù)木W(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及通訊協(xié)議等，以便提升模擬場(chǎng)景的實(shí)時(shí)性與操作效果。

[1]亓傳偉，任艷斐．基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的遠(yuǎn)程教育平臺(tái)設(shè)計(jì)與研究[J]．濮陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2013(02)：158-16 0．

[2]楊世軍．虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)及其在遠(yuǎn)程教育中的應(yīng)用[J]．三峽大學(xué)學(xué)報(bào)(人文社會(huì)科學(xué)版)，2009(S1)：288-29 0．

[3]徐武，張婕．虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育中的應(yīng)用[J]．高等函授學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2008(03)：34-35．

TheApplication of Virtual Reality Technology in Distance Education Platform

Han Guiming
(Yancheng Special Education Secondary Specialized School,Yancheng 224002,Jiangsu)

This paper studies the application of virtual reality technology and the realization of VRMDEP in the distance education platform.It proposes the general framework of VRMDEP,designs the virtual synchronous and asynchronous teaching system and constructs the simulation scene to realize the interaction between users.

distance education platform;virtual reality technology

TP391.9

A

1008-6609(2016)12-0056-03

韓桂明（1975-），男，江蘇鹽城人，本科，高級(jí)講師，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)應(yīng)用與教學(xué)。