仲于姍

(大連東軟信息學院，遼寧 大連 116023)

0 引 言

隨著中國科學技術的快速發(fā)展，高新技術產品逐漸滲透到人們日常生活，使人們的生活越來越智能化，提升了人們的生活質量。在近年來發(fā)展快速的高新技術中，虛擬現(xiàn)實技術是一種集三維圖形生成技術、多傳感交互技術、計算機并行處理技術等高新技術于一體的綜合科學技術，憑借良好的沉浸性、交互性、構想性、多感知性等特點，受到眾多研究者的青睞，并廣泛應用于教育、醫(yī)學、軍事、娛樂等眾多領域。

在教育領域，基于虛擬現(xiàn)實技術的教育系統(tǒng)是指通過三維建模技術和編程技術構建虛擬的教學場景，并根據教學情境編寫程序，在虛擬場景中設計多種邏輯觸發(fā)事件，從而完成教學互動、教學任務、教學測評，達到教學目標的教學輔助系統(tǒng)。用戶可以通過VR硬件交互設備參與虛擬現(xiàn)實教學，與虛擬場景中的道具互動，從多維度獲取所學知識。由于傳統(tǒng)單機虛擬現(xiàn)實教育輔助系統(tǒng)不能滿足多學生用戶的需求，因此基于計算機網絡技術的多人網絡交互式虛擬現(xiàn)實教育輔助系統(tǒng)應運而生，實現(xiàn)了線上多人VR教學的效果。

該文設計了多人網絡虛擬現(xiàn)實兒童科普系統(tǒng)，將多人網絡聯(lián)機技術、虛擬現(xiàn)實技術與兒童科普教育結合起來，既可以突破時間與空間的限制, 塑造現(xiàn)實中無法實現(xiàn)或展示的科普場景,創(chuàng)造一種良好的虛擬學習空間，又可以提供多人互動的沉浸式體驗，啟發(fā)兒童想象力與創(chuàng)造力，化被動學習為主動探索。在兒童科普系統(tǒng)的設計中，主要采用了模塊化的結構進行整體設計，主要包括網絡聯(lián)機模塊、場景加載模塊、知識講解模塊、VR交互模塊、答題模塊等。多種模塊靈活構建，既有利于系統(tǒng)的快速搭建，也有利于系統(tǒng)在其他領域的推廣。

1 虛擬現(xiàn)實兒童科普系統(tǒng)設計

(1)教室場地的設計。

多人網絡虛擬現(xiàn)實兒童科普系統(tǒng)需要部署在一個既可以用于虛擬現(xiàn)實應用開發(fā)，又可以進行兒童科普教學的教室中。該教室既需要擁有高性能計算機，工作站和多套HTC VIVE虛擬現(xiàn)實應用開發(fā)設備，又需要實現(xiàn)設備間的網絡連接，信息傳輸。教室中的桌椅位置盡量保持固定，與虛擬現(xiàn)實場景中的VR教室桌椅位置保持一致，計算機和VR硬件設備固定在桌椅旁，方便用戶的使用。根據場地的大小，在實驗室的墻上安裝多個VR定位器，提供了360°移動追蹤，實現(xiàn)多臺VR設備的空間定位。通過以上軟硬件的調試部署，為用戶提供一個良好的多人網絡交互式虛擬現(xiàn)實教室。

(2)兒童科普內容的設計。

科普教育是兒童成長階段必不可少的一種教育活動，通過普及基礎科學知識，能夠幫助兒童了解人類的科技發(fā)展水平，了解人類與人類社會，了解自然與宇宙，也有助于培養(yǎng)兒童的聯(lián)想思維，提升兒童的環(huán)保意識、探索意識、創(chuàng)新意識以及自主學習能力與實踐動手能力。結合虛擬現(xiàn)實特性，本系統(tǒng)主要針對一些由于物理限制無法實現(xiàn)、由于成本限制無法人人體驗的，由于效率限制而無法快速便利，由于安全限制而不便體驗的，由于時間空間限制而不可能體驗的科普內容進行虛擬現(xiàn)實教學設計，主要分為三個方向：自然科普、安全教育科普以及紅色教育科普。

(3)系統(tǒng)模塊化設計。

根據多人網絡虛擬現(xiàn)實兒童科普系統(tǒng)中的主要功能，設計系統(tǒng)整體模塊化結構。模塊包括網絡聯(lián)機模塊和虛擬現(xiàn)實科普教育業(yè)務控制模塊，其中網絡聯(lián)機模塊主要負責服務器，VR教師機，VR學生機之間的網絡信息傳遞。虛擬現(xiàn)實科普教育業(yè)務控制模塊分為場景加載模塊、知識講解模塊、VR交互模塊、答題模塊四個子模塊，主要負責VR科普課程的教育教學實施。系統(tǒng)搭建時可以先完成網絡聯(lián)機模塊的功能，然后根據兒童科普教學內容，按照課時撰寫教學大綱和虛擬現(xiàn)實教學腳本，系統(tǒng)的設計者和開發(fā)者根據教學腳本中的要求，制作虛擬現(xiàn)實兒童科普課程系統(tǒng)，實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實科普教育業(yè)務控制模塊中的功能?；诙嗳司W絡虛擬現(xiàn)實技術的兒童科普系統(tǒng)采用模塊化的設計結構，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體模塊化結構

1.1 網絡聯(lián)機模塊的設計

虛擬現(xiàn)實兒童科普系統(tǒng)基于計算機網絡技術將服務器與多臺連接HTC VIVE設備的計算機連接起來，形成一個可以相互通信的局域網，如圖2所示。在服務器上部署多人聯(lián)機兒童科普系統(tǒng)的服務，在連接了HTC VIVE設備的計算機上部署多人聯(lián)機兒童科普系統(tǒng)的客戶端應用，并在需要安裝客戶端的計算機中選取一臺作為教師機，安裝教師客戶端，其余的計算機安裝學生客戶端。學生和教師在客戶端登錄后，可以一起進入虛擬現(xiàn)實場景，并實現(xiàn)VR教師機和多臺VR學生機之間的網絡信息傳遞。

圖2 網絡結構

系統(tǒng)采用C/S的架構模式，適用于一個小型的網速較快的局域網內。系統(tǒng)大部分的數(shù)據和計算工作都放在服務器中執(zhí)行，主要提供信息的傳輸，用戶管理以及同步控制等功能。系統(tǒng)啟動后，當有客戶端成功連到服務端時，服務器按照用戶的機器編號進行角色標識。多個學生和教師同時操作后，服務器根據客戶端傳來的數(shù)據同步更新碰撞、學生和教師位置信息，再將同步后的信息分別發(fā)送到每個客戶端，最終實現(xiàn)在虛擬場景的多人同步交互學習科普知識的效果。客戶端采用Unity游戲引擎開發(fā)，主要負責虛擬場景的顯示、與服務器數(shù)據傳輸以及同其他用戶交流等工作?？蛻舳朔譃榻處煻撕蛯W生端兩種類型，教師端通過VR教師機發(fā)出指令，傳達給VR學生機并控制整體的VR教學進度。學生端通過VR學生機將VR科普教學中的各種交互信息傳遞給服務器，反饋給VR教師機和其他VR學生機。在網絡聯(lián)機模塊中，實時傳遞和處理各臺VR設備反饋信息，同步多人VR空間位置，是實現(xiàn)多人網絡虛擬現(xiàn)實角色同步的關鍵，以上的C/S局域網的設計既可以適用于現(xiàn)實空間內多名兒童VR科普教育，又可以應用在多人協(xié)作虛擬仿真實驗中。

1.2 虛擬現(xiàn)實科普教育業(yè)務控制模塊的設計

1.2.1 場景加載模塊

虛擬現(xiàn)實科普教育系統(tǒng)中的VR場景，需要設計者和開發(fā)者根據教學內容采用三維建模軟件，如3dMax、Maya、C4D等，進行三維科普場景的制作，然后將三維場景模型導入游戲引擎，如Unity或UE4，在游戲引擎中編寫邏輯程序，實現(xiàn)多個場景的跳轉加載功能。主要步驟如下：

(1)場景模型的創(chuàng)建。

系統(tǒng)中主要有兩種類型的VR場景，一類是當教師和學生登錄多人網絡虛擬現(xiàn)實兒童科普系統(tǒng)后，首先進入的一個與現(xiàn)實教室桌椅位置相同的VR虛擬現(xiàn)實場景。這個場景是通過測量真實的教室，并使用三維建模軟件，如基于3dMax、C4D、Maya等，等比例制作VR教室場景，學生和教師進入這個場景后，可以看到彼此的虛擬角色，教師可以在這個場景中檢測并調整學生的VR設備，介紹課程和學習目標，等待學生課前準備完畢后，一起加載進入VR科普教學場景。第二類是根據教學內容，設計并制作VR科普教學場景，這一場景主要包括與課程內容相關的模型道具、特效、音效、動畫等等，學生和教師在這一場景中完成科普教學過程。這一類場景的制作較為復雜、細致、美觀，旨在吸引學生的學習興趣，使學生可以身臨其境地學習科普知識。

(2)程序的控制。

場景模型導入Unity游戲引擎后，根據科普課程要求，開發(fā)者采用C#編寫程序，實現(xiàn)場景的加載功能、道具的實例化功能、角色動畫播放功能、特效播放功能、UI界面交互功能等。其中，實現(xiàn)多個場景之間的跳轉功能，主要是使用了SceneManager.LoadScene(“場景名字/ID”)語句。當系統(tǒng)運行時，場景跳轉加載功能，則主要是通過教師與UI界面交互，點選按鈕，控制不同場景的加載順序，確保VR教學順利實施。

(3)場景的優(yōu)化。

虛擬現(xiàn)實兒童科普系統(tǒng)中的VR場景是復雜的、細碎的，并且有很高的真實感和特效方面的要求，為了實現(xiàn)高效與細節(jié)并存，提高系統(tǒng)畫質，增強用戶體驗，在保證VR場景質量的情況下，需要進行場景的優(yōu)化，從而解決大負載情況下的VR人機交互的問題。場景優(yōu)化主要是針對場景中的紋理、模型、燈光、特效、動畫等資源進行優(yōu)化。場景的優(yōu)化主要采用以下兩種方式：一種是用戶看不到的場景不要畫出來，把它提前裁減掉。另一種是用戶可能本來也看不清的場景，就用更低的細節(jié)程度把它畫出來。例如，對于場景中的模型進行細節(jié)層次劃分，當物體距離觀察者較遠的時候，采用粗糙層次的物體模型，靠近觀察者之后，采用精細層次的物體模型，從而提升渲染效率。

根據以上步驟，可以完成VR兒童科普系統(tǒng)中場景的制作、加載和優(yōu)化。

1.2.2 知識講解模塊

系統(tǒng)中知識的講解分為兩種形式，如圖3所示，一種是教師頭戴VR頭盔，根據教師客戶端UI界面上的虛擬科普教學內容文字提示，向在座學生講解知識點。另一種是在虛擬場景中創(chuàng)建的VR 3D精靈，將精靈所需要講解的內容，提前錄制成音頻文件，載入系統(tǒng)。通過VR交互，教師控制精靈語音的播放，實現(xiàn)教師與精靈一問一答的效果，推進科普教學內容的進行。通過教師與VR精靈共同講解科普知識的方式，實現(xiàn)虛擬與現(xiàn)實的融合，增強科普教育的趣味性。

圖3 知識講解

1.2.3 VR交互模塊

VR中的交互是將用戶與虛擬場景聯(lián)系起來。在多人網絡虛擬現(xiàn)實兒童科普系統(tǒng)中，教師和學生通過VR頭盔和手柄與虛擬的科普場景進行交互，其中VR頭盔的交互方式體現(xiàn)在用戶可以360度自由觀看VR場景。手柄的主要交互方式分為三種，即射線交互、觸碰交互和拾取交互，如圖4所示。授課過程中，教師可以使用手柄的射線交互，控制教師客戶端上的UI界面，也可以實現(xiàn)遠距離道具的選取功能。學生和教師，使用手柄的觸碰和拾取交互，可以實現(xiàn)道具的選擇和移動功能。在手柄觸碰交互過程中，伴隨大量的觸發(fā)特效效果，增強了系統(tǒng)的可玩性。在多人網絡虛擬現(xiàn)實兒童科普教育系統(tǒng)中，為防止VR場景中多角色位置混亂的局面，不建議采用手柄交互中的位置瞬移功能。

圖4 手柄交互方式

教師使用VR手柄與虛擬場景中的界面進行交互，控制整個場景的加載、道具的實例化、動畫播放、音頻播放等功能。學生通過VR手柄操控虛擬場景中的道具，完成教師在每個VR授課環(huán)節(jié)中布置的任務，參與科普課程的互動。教師與學生，學生與學生之間可以通過控制虛擬場景中不同的虛擬角色實現(xiàn)角色與角色之間的互動，系統(tǒng)的交互模式如表1所示。

表1 交互模式

1.2.4 答題模塊

答題模塊在多人網絡虛擬現(xiàn)實兒童科普系統(tǒng)中起到知識檢測和提升學生學習積極性的作用。它主要采用VR交互式的答題形式，教師通過教師客戶端中的UI界面控制學生答題面板和選項模型的出現(xiàn)。當進入答題環(huán)節(jié)后，學生面前會出現(xiàn)答題面板和選項模型，學生可使用VR手柄觸碰選項道具，如果回答正確，系統(tǒng)會觸發(fā)答題正確的特效，如果回答錯誤，系統(tǒng)會提示正確的答案。用模型代替A，B，C，D文字選項，既有利于兒童快速掌握答題交互形式，又有利于增強系統(tǒng)的趣味性。教師根據學生的答題情況進行點評，并控制系統(tǒng)為正確答題的學生頒發(fā)虛擬獎章，為錯誤答題的學生頒發(fā)鼓勵獎章。通過這種VR交互答題的形式，可以提高學生的學習興趣，鞏固科普知識點，同時加強教師對學生學習情況的掌握，進而促進精準教學。

2 系統(tǒng)的實施流程與效果

2.1 系統(tǒng)的實施流程

多人網絡虛擬現(xiàn)實兒童科普輔助系統(tǒng)的實施流程如圖5所示。首先將VR設備與計算機主機相連，在教室中安裝VR定位基站，調試多臺HTC VIVE設備，完成多臺VR設備的空間定位，將每臺VR設備的VR場景原點，定位在相對應的學生所坐的位置中心。當VR設備正確連接主機后，開啟服務器，檢查主機之間的網絡連接是否有效，打開兒童科普系統(tǒng)的客戶端。然后教師幫助學生佩戴好VR頭盔和手柄，教師也佩戴好VR頭盔和手柄。教師在VR兒童科普系統(tǒng)的UI界面上選擇一節(jié)VR科普課程，登錄系統(tǒng)，進入VR教室場景。隨后，通過教師控制系統(tǒng)發(fā)出指令，使學生登錄系統(tǒng)，并進入VR教室場景。教師通過VR場景中的UI界面控制場景跳轉到VR科普教學案例場景，在VR科普教學案例場景中，教師通過UI界面控制課程講解進度，動畫的播放，音頻的播放，特效的播放，模型道具的加載等，學生通過VR手柄與場景中的道具進行交互，實現(xiàn)VR交互功能，并進行VR答題檢測，完成授課任務。最后VR課程結束，教師和學生退出系統(tǒng)，完成一次多人網絡虛擬現(xiàn)實兒童科普教學。

圖5 系統(tǒng)實施流程

2.2 實施效果圖

多人網絡虛擬現(xiàn)實兒童科普輔助系統(tǒng)的目的是通過強烈的交互性、沉浸性和趣味性來直觀地表現(xiàn)科學知識，讓兒童游戲性地學習科普知識，增強主動學習的熱情。從系統(tǒng)中選取《破繭成蝶》這一節(jié)的VR效果圖，整體的場景以卡通風格為主，顏色較為多樣，比較容易吸引兒童的眼球。圖6是教師和學生登錄系統(tǒng)后首先進入的場景。

圖6 VR實驗室場景圖

圖7所示為多名學生進入科普課堂場景，在VR場景中每名進入課堂的學生都會由一個虛擬卡通角色代替，系統(tǒng)會實時同步學生的空間位置信息。VR場景中有多種可交換道具，學生可以通過手柄使用道具與VR場景進行交互和VR答題。

圖7 多名學生進入科普課堂場景圖

2.3 實施結果

表2 兩組學生在測試中的成績比較

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3 結束語

多人網絡虛擬現(xiàn)實兒童科普系統(tǒng)應用在科普教育中優(yōu)勢明顯。主要體現(xiàn)在可以通過虛擬現(xiàn)實技術打破時空限制構建科普場景，能夠支持多人網絡虛擬授課，具備良好的人機交互性和用戶體驗性。通過實際的系統(tǒng)驗證，證實此系統(tǒng)對提升學生吸收知識的效率，調動學生學習的積極性有一定的幫助，且具有一定普適性，能夠應用于多種教學系統(tǒng)。