董凱寧　孟津

摘 要 本文分析了適用于高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源建設(shè)的VR技術(shù)，提出采用兼具網(wǎng)絡(luò)化、輕量級(jí)、沉浸式特征的新型VR技術(shù)krpano制作高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源。它可以較好提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，節(jié)省建設(shè)成本，提升高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源共享的水平。本文給出了VR實(shí)驗(yàn)資源共享平臺(tái)的建設(shè)方案，及VR實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源制作方法。

關(guān)鍵詞 虛擬現(xiàn)實(shí) Krpano 高校 實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源 共享

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0引言

《國(guó)家中長(zhǎng)期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要》中明確指出高等教育要加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)室改革，《國(guó)家教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃》中也明確指出，高等教育信息化是促進(jìn)高等教育改革創(chuàng)新和提高質(zhì)量的有效途徑。因此智能信息化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是如今所有高等院校的必需品。

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)缺乏師生互動(dòng)，每個(gè)學(xué)生在做實(shí)驗(yàn)中獲得的指導(dǎo)不同，實(shí)驗(yàn)教師不能及時(shí)掌握學(xué)生的真實(shí)實(shí)驗(yàn)情況，進(jìn)而無(wú)法高效地對(duì)每個(gè)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)，導(dǎo)致教學(xué)效率不高或者效果不均衡。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容千篇一律，多是分組演示或驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，學(xué)生照著現(xiàn)成的實(shí)驗(yàn)步驟，這不能吸引學(xué)生，也不利于學(xué)生創(chuàng)新思維形成。此外，高校實(shí)驗(yàn)資源的可重用和共享性也很差。

虛擬現(xiàn)實(shí) （VR） 技術(shù)是下一個(gè)信息化學(xué)習(xí)平臺(tái)，VR能充分展示實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，能引起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，能形成個(gè)性化教學(xué)效果。VR整合實(shí)驗(yàn)教學(xué)信息化資源，避免重復(fù)投資，實(shí)現(xiàn)資源共享；使用VR技術(shù)建設(shè)共享的實(shí)驗(yàn)資源庫(kù)，包括講稿、教學(xué)大綱、實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)內(nèi)容、教學(xué)指導(dǎo)、教學(xué)評(píng)價(jià)等信息的VR化。

VR技術(shù)有多種，其中輕量級(jí)VR技術(shù)開(kāi)發(fā)費(fèi)用低、編程模式靈活，輕量級(jí)VR的代表是基于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的Krpano，本文以為，采用Krpano來(lái)建設(shè)高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源是一種創(chuàng)新有價(jià)值的方式。

1 VR技術(shù)

VR由模擬環(huán)境、感知、自然技能和傳感設(shè)備構(gòu)成。沉浸式輕量級(jí)VR使用手機(jī)插入式頭盔，內(nèi)容在手機(jī)上運(yùn)行，它的教學(xué)體驗(yàn)讓學(xué)生置身于實(shí)際情景，這對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)、現(xiàn)場(chǎng)演示極為有利。通過(guò)人機(jī)互動(dòng)交流、計(jì)算機(jī)虛擬會(huì)面使學(xué)生在“真實(shí)”的實(shí)驗(yàn)情境中理解實(shí)驗(yàn)意圖。

1.1沉浸式VR的實(shí)驗(yàn)教學(xué)優(yōu)勢(shì)

VR能增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)，提升演示效果，學(xué)生可以“現(xiàn)場(chǎng)”體驗(yàn)現(xiàn)實(shí)生活中很難或無(wú)法體驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景、如很激烈的化學(xué)反應(yīng)。能夠?qū)崿F(xiàn)和學(xué)生一對(duì)一交互，創(chuàng)造個(gè)性化實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境，VR 能夠“占領(lǐng)”學(xué)生的視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)等多個(gè)感覺(jué)通道，多感官的參與可以提高學(xué)習(xí)效率。VR切斷了學(xué)生與周圍世界的感官聯(lián)系，讓學(xué)生“沉浸”在與實(shí)驗(yàn)交互過(guò)程中，隔離了外界干擾，學(xué)生很難走神。

1.2沉浸式VR輕量級(jí)技術(shù)Krpano

Krpano是沉浸式VR模式輕量級(jí)、基于網(wǎng)絡(luò)、代碼全開(kāi)源的技術(shù)，不受硬件約束。它采用HTML5+js作為技術(shù)基礎(chǔ)，可看做是瀏覽器的擴(kuò)展內(nèi)核，可以自動(dòng)生成全景漫游網(wǎng)頁(yè)。相比unity3D等重型VR，Krpano節(jié)約了開(kāi)發(fā)經(jīng)費(fèi)與時(shí)間，降低了技術(shù)難度，靈活應(yīng)用于互聯(lián)網(wǎng)和手機(jī)端；Krpano是編程語(yǔ)言，可以實(shí)現(xiàn)加密認(rèn)證技術(shù)，知識(shí)產(chǎn)權(quán)問(wèn)題迎刃而解。

1.3 Krpano能實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果

采用頭盔沉浸式Krpano應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)當(dāng)中，事前把實(shí)驗(yàn)教程編排好，情景式實(shí)驗(yàn)內(nèi)容給用戶帶來(lái)沉浸式的教學(xué)體驗(yàn)，學(xué)習(xí)就像看電影。在VR實(shí)驗(yàn)資源豐富時(shí)，實(shí)驗(yàn)課教師具備將學(xué)生“瞬間轉(zhuǎn)移”到任意場(chǎng)景的能力，學(xué)生可以隨時(shí)體驗(yàn)到很多現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)難以開(kāi)設(shè)的虛擬情境。在高等教育中，采用沉浸式Krpano，傳統(tǒng)的實(shí)訓(xùn)基地模式將向著虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)訓(xùn)教育模式發(fā)展，只要能夠接入網(wǎng)絡(luò)，異地遠(yuǎn)程用戶可以不受時(shí)間限制、空間限制的共享教學(xué)資源。這個(gè)轉(zhuǎn)變優(yōu)化了教學(xué)資源利用率、提供了全新的共享模式。

2 Krpano對(duì)高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)的支撐

為滿足新工科建設(shè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)需求，建設(shè)全面、生動(dòng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源庫(kù)，成為當(dāng)下高校進(jìn)行專業(yè)建設(shè)的工作重點(diǎn)。我國(guó)高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源相對(duì)匱乏，庫(kù)內(nèi)資源共享高度有待提高，運(yùn)行管理體系有待完善。Krpano是一種數(shù)字化技術(shù)，是一種接近網(wǎng)頁(yè)編程的軟件體系，它可改善上述問(wèn)題，為高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供強(qiáng)有力的技術(shù)與經(jīng)濟(jì)可行支撐。

2.1 Krpano對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源建設(shè)的支撐

目前，高校數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源建設(shè)主要是數(shù)碼拍攝翻錄、PDF等電子文檔格式的實(shí)驗(yàn)資源、管理信息系統(tǒng)網(wǎng)站。Krpano可以對(duì)目前的數(shù)字化教學(xué)資源建設(shè)進(jìn)行無(wú)縫升級(jí)，不丟棄原有內(nèi)容。對(duì)以網(wǎng)站來(lái)組織的高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，Krpano以html， js技術(shù)擴(kuò)展原網(wǎng)站，原網(wǎng)站的舊教學(xué)資源可保存，新開(kāi)發(fā)的VR教學(xué)資源可以與舊教學(xué)資源并存，通過(guò)不同的入口訪問(wèn)不同類型的教學(xué)資源，這對(duì)于平緩升級(jí)實(shí)驗(yàn)資源建設(shè)有很好的作用。Krpano只是重新對(duì)網(wǎng)站進(jìn)行組織，應(yīng)用新的js引擎開(kāi)發(fā)VR形式的實(shí)驗(yàn)資源。

對(duì)教學(xué)而言，VR體驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)框架之下不需要教師調(diào)整教學(xué)法。從VR環(huán)境或內(nèi)容的角度看，其設(shè)計(jì)要注意如下方面：第一，內(nèi)容的真實(shí)可信性。感知覺(jué)、動(dòng)作和觸覺(jué)體驗(yàn)逼真是最基本的要求。第二，內(nèi)容的教學(xué)性，VR觀看過(guò)程需要學(xué)生的積極參與，在激發(fā)學(xué)生主動(dòng)性的同時(shí)，會(huì)拉開(kāi)學(xué)生之間在體驗(yàn)上的差異。由于沉浸式VR設(shè)備的獨(dú)特性，教師準(zhǔn)確感知學(xué)生體驗(yàn)是個(gè)新的研究課題。

VR具有交互性，學(xué)生可以“動(dòng)手做”，克服了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)注入式教學(xué)的缺陷；VR的構(gòu)想性，即感官刺激由計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)生成，環(huán)境僅受想象力的限制，克服了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)呆板的問(wèn)題。從教學(xué)法層面看，VR 世界中探究性解決問(wèn)題的優(yōu)勢(shì)，除了安全、低成本，還體現(xiàn)在系統(tǒng)可以記錄探索過(guò)程，動(dòng)態(tài)診斷學(xué)生的學(xué)習(xí)情況。

2.2 Krpano對(duì)實(shí)驗(yàn)資源網(wǎng)絡(luò)共享的支撐

共享是實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的一個(gè)核心屬性，信息共享是當(dāng)下互聯(lián)網(wǎng)的特征。Krpano本質(zhì)是瀏覽器插件，它提供的VR效果是基于瀏覽器的，而瀏覽器又是純網(wǎng)絡(luò)工具，只要能接入互聯(lián)網(wǎng)，就能通過(guò)網(wǎng)絡(luò)共享實(shí)驗(yàn)資源，不需要額外設(shè)備。

2.3 Krpano對(duì)共享模式的支撐

Krpano技術(shù)就是web前端開(kāi)發(fā)技術(shù)，是HTML5與js的集合，高校原有的技術(shù)隊(duì)伍稍微學(xué)習(xí)一下，就能掌握，可見(jiàn)Krpano對(duì)實(shí)驗(yàn)人員是很友好的。相比傳統(tǒng)的數(shù)字化制作方法，比如制作成網(wǎng)頁(yè)、制作成PDF、制作成視頻，基于Krpano技術(shù)的制作只是稍微多一點(diǎn)工作量，比如原來(lái)要做成網(wǎng)頁(yè)，現(xiàn)在是做成有點(diǎn)特殊，帶有立體、虛擬效果的網(wǎng)頁(yè)，可見(jiàn)，Krpano對(duì)實(shí)驗(yàn)建設(shè)的支撐也是很好的。在技術(shù)創(chuàng)新方面，Krpano把傳統(tǒng)的數(shù)字教學(xué)資源升級(jí)為虛擬場(chǎng)景的數(shù)字教學(xué)資源，應(yīng)用了2016年以來(lái)出現(xiàn)的最新技術(shù)，吸取了現(xiàn)有VR技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的精華，是徹底的技術(shù)創(chuàng)新。

3基于Krpano的共享教學(xué)資源平臺(tái)建設(shè)

3.1平臺(tái)總體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源平臺(tái)的構(gòu)建和傳統(tǒng)的互聯(lián)網(wǎng)信息管理系統(tǒng)無(wú)異，學(xué)生仍使用互聯(lián)網(wǎng)或局域網(wǎng)訪問(wèn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，只是呈現(xiàn)設(shè)備從PC變成了VR設(shè)備，形式從屏幕平面升級(jí)為沉浸式立體。學(xué)生可不受時(shí)空限制的共享教學(xué)資源。每個(gè)高校在構(gòu)建VR共享教學(xué)平臺(tái)時(shí)，除了建設(shè)軟資源，硬件只需購(gòu)買(mǎi)一批可以插入手機(jī)的頭盔即可。平臺(tái)總體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如下圖1所示。

圖1：實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)共享網(wǎng)絡(luò)圖

3.2建設(shè)流程

在建設(shè)流程上，與開(kāi)發(fā)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源平臺(tái)原理類似，只是實(shí)驗(yàn)內(nèi)容由課件、動(dòng)畫(huà)、視頻等變成Krpano文件夾，文件夾里面包含了教學(xué)資源信息、虛擬化信息、組織管理信息等，這些信息可以由Krpano的生成工具自動(dòng)生成，實(shí)驗(yàn)教師們不用關(guān)注詳細(xì)結(jié)構(gòu)就可以完成實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的開(kāi)發(fā)。

3.3教學(xué)資源建設(shè)案例

為高校旅游專業(yè)開(kāi)發(fā)一款景點(diǎn)介紹實(shí)驗(yàn)教學(xué)課件。選取開(kāi)發(fā)用計(jì)算機(jī)為安裝了win10旗艦版的64位筆記本，安裝krpano軟件包，形成一個(gè)Krpano的工作文件夾，里面有若干可執(zhí)行程序，開(kāi)發(fā)者不必打開(kāi)這些可執(zhí)行文件，這些可執(zhí)行是在生成VR內(nèi)容時(shí)被krpano的引擎自動(dòng)調(diào)用。準(zhǔn)備一些旅游圖像序列，賦予有順序的命名，例如a，b，c，d，放在一個(gè)文件夾里面，然后，把圖像序列選中，往Krpano工作文件夾里面的某個(gè)批處理文件拖拽，Krpano會(huì)自動(dòng)生成全景圖。實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源以網(wǎng)頁(yè)形式在手機(jī)中打開(kāi)，手機(jī)必須連上互聯(lián)網(wǎng)能訪問(wèn)到服務(wù)器，手機(jī)插入VR頭盔，學(xué)員戴上頭盔，在沉浸場(chǎng)景中學(xué)習(xí)。學(xué)員通過(guò)頭部動(dòng)作、可以360度瀏覽全景畫(huà)面，就能體驗(yàn)到沉浸的虛擬現(xiàn)實(shí)效果。轉(zhuǎn)動(dòng)頭部，可以看到畫(huà)面隨之轉(zhuǎn)動(dòng)。如果有多個(gè)場(chǎng)景要切換，可以加入切換箭頭，學(xué)生轉(zhuǎn)動(dòng)頭部，讓一個(gè)krapno自帶的小十字對(duì)準(zhǔn)箭頭，小十字變成圓圈時(shí)，就可切換場(chǎng)景。要更進(jìn)一步的增加功能，可以打開(kāi)文件直接編輯，每一個(gè)教學(xué)資源的訪問(wèn)入口都是一個(gè)index.html，編輯同目錄里面的XML文件，可以添加VR特效。比如希望場(chǎng)景切換時(shí)，需要從左到右類似翻頁(yè)的過(guò)渡特效，在XML文件中修改如下語(yǔ)句為：loadscene（scenename， null， MERGE， get（blendmodes[black-out].blend））；這是典型的腳本語(yǔ)法，對(duì)于任何一個(gè)有網(wǎng)頁(yè)開(kāi)發(fā)能力的管理員都沒(méi)有處理難度。

4結(jié)語(yǔ)

頭盔沉浸式VR技術(shù)在高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源建設(shè)的應(yīng)用是對(duì)于實(shí)驗(yàn)資源建設(shè)、實(shí)驗(yàn)資源共享的一種創(chuàng)新。它避免了平面式教育所導(dǎo)致的用戶專注度低、學(xué)習(xí)效率難以保障等一系列問(wèn)題，讓用戶能擁有接受面對(duì)面教學(xué)的直觀體驗(yàn)，加強(qiáng)了教學(xué)資源的生動(dòng)性。該技術(shù)基于互聯(lián)網(wǎng)，克服了實(shí)訓(xùn)基地、教室等時(shí)間和空間的限制，加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)資源的可用性、共享性，為高校學(xué)生開(kāi)辟一個(gè)隨時(shí)隨地進(jìn)行高效學(xué)習(xí)的途徑。

本文提出思路可豐富高校的實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源建設(shè)技術(shù)、推動(dòng)教學(xué)創(chuàng)新，降低了信息化建設(shè)成本，增強(qiáng)了共享性，從而促進(jìn)高校發(fā)展。

基金項(xiàng)目：受2017年四川大學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)立項(xiàng)資助，項(xiàng)目編號(hào)20170008。

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