基于虚拟现实技术的多媒体教室使用培训系统的开发

高义栋 李鹤 李艳会 杨宁

摘 要：多媒体教室是学校实现多媒体教学的平台，对教师使用多媒体教室进行专业指导很有必要。虚拟现实技术的多媒体教室使用培训系统可以有效解决实地培训系统中的弊端，提高培训质量。该系统利用3D Max模拟真实的多媒体教室，导入VRP进行虚拟交互的制作，发布输出后教师便可以随时随地在线学习。

关键词：虚拟现实 多媒体教室 培训系统 交互设计

中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1674-2117（2014）12-00-03

1 前言

多媒体教学是21世纪教育教学改革的发展趋势，在教学中通过合理的选用现代教学媒体，以多种媒体信息作用于学生，图文声像并茂，实现人机互动，可以达到最优化的教学效果。当下，多媒体教学设备已成为学校日常教学的必备工具。教师是多媒体教学的直接操纵者，教师对设备功能的了解和操作的熟练程度，决定了多媒体教室发挥功效的高低。调查发现部分教师对多媒体教学设备的使用情况不理想，尤其是新任教师急需对多媒体设备的使用进行专业培训。然而传统培训过程中存在诸多问题，如参加培训人员多、时间短、学员无法亲自操作演练等，使得培训效果不理想。

基于虚拟现实技术的多媒体教室使用培训系统可以有效地解决上述培训过程中的问题。该系统采用仿真情境体验，互动参与的学习方式，在视觉上给人一种沉浸于真实教室环境的感觉，受训教师可以自由观察、检测环境变化、与虚拟环境产生交互。这种虚拟培训的方式改善了传统培训的弊端，场景逼真，易于接受，学员可以调整学习节奏随时随地在线学习。

2  虚拟现实技术在教育中的应用

虚拟现实（Virtual Reality，简称VR）是由多媒体技术与仿真技术相结合而生成的一种交互式人工世界，在这个人工世界中可以创造出一种身临其境的、完全真实的感觉。VR技术集成了计算机图形(CG)技术、计算机仿真技术、人工智能、传感技术、显示技术、网络并行处理等技术的最新发展成果，是一种由计算机技术辅助生成的高技术模拟系统。计算机生成逼真的三维视、听、嗅觉等感觉，使人作为参与者通过适当装置，自然地对虚拟世界进行体验和交互，创建了一种适人化的多维信息空间。

如今，虚拟技术已被运用到城市规划、医学、军事航天、教育、室内设计、文物古迹、三维游戏等多个领域，其在教育领域的应用和研究尤其为人们所关注。目前，虚拟现实在教育中的应用主要有虚拟现实校园、虚拟现实实验、虚拟现实角色扮演、虚拟现实技能训练等。

虚拟实验室与学习环境具有实体实验室和传统课堂所没有的优势：①节省教育经费。可以有效解决因学校条件限制而无法购买实验器材的情况。利用虚拟的实验室既不耗材也不受条件限制；②规避风险。虚拟实验环境中，学生可以放心地去做一些具有危险性的实验。例如，虚拟化学实验，可以避免化学反应所产生的的燃烧、爆炸等潜在危险；③交互性好。学习者可以采用多种交互手段如语言、手势、数据手套及触觉等与虚拟环境交流信息，并得到实时反馈；④可重复性。学生可以不厌其烦地反复练习，直至掌握操作技能为止。

3 虚拟培训系统的设计

3.1 场景设计

建构主义学习理论指出，教学设计不仅要考虑教学目标分析，还要考虑有利于学生建构意义的情境，并把情境创设看作是教学设计的最重要内容之一。因此多媒体教室场景的设计非常重要。

本案例通过对比不同类型的多媒体教室，参照国外多媒体教室风格，把场景分为三个区域，教学区、讨论区、休息区（如图1所示）。教学区类似于传统教室，包含黑板、讲台、控制台、电子白板、学生桌椅，该区域用来培训教师如何使用多媒体控制台和电子白板等设备。讨论区包含各种形状的桌椅，桌椅可以随意拼接，给学生提供一个轻松愉悦的氛围。休息区包含饮水机、打印机、书架、交互式电子白板。该区域给学生提供了一个自由的休息空间。讨论区、休息区是对未来教室的设想，教学应该是以学生为中心的，因此在教学环境的设计上更应该注重学生活动的便利性。

图1

3.2  VRP交互设计

（1）导航图设计

在VR场景中漫游时,学习者需要知道自己漫游到场景中什么位置，有时还需要随时变换位置对场景进行适时浏览。这就需要借助一个实时导航来帮助学习者找到自己想要到的地方。本系统中，通过点击界面左边的“显示或隐藏导航图”按钮，来控制导航图的显示与隐藏。导航图中箭头的方向就是游览者所面对的方向。如图2所示。

（2）多媒体控制台功能面板的设计

本系统中多媒体控制台的功能按钮以二维界面的形式显示在屏幕上，通过单击屏幕左面“显示或隐藏面板”来调出二维的多媒体控制台上功能按钮面板。学习者可以通过鼠标单击来模拟真实教室中多媒体控制台的使用，实现系统开启、投影仪开启、幕布下降、窗帘下降等操作。如图2所示。

图2

（3）动画漫游设计

浏览者可以通过点击“整体漫游”或者“自主漫游”来切换对场景的漫游方式。“整体漫游”是对整个场景进行360度环绕，使学习者对整个教室场景进行游览。“自主漫游”是以第一人称的视角对整个场景进行游览，使学习者沉浸在整个环境中。

（4）视音频交互设计

视频系统中，本案例插入了多个培训视频，内容包括交互式电子白板的使用教学、多媒体课件的设计原则和技巧的教学视频。当学习者走近交互式电子白板时，可以触发讲授交互式电子白板使用方法的视频开始播放。当超出触发距离时，视频停止播放。通过学习本视频，学习者可以进一步了解交互式电子白板的功能，进而应用于教学，提高教学质量。当鼠标点击界面左栏中 “视频教程”按钮时，会出现三节讲解多媒体课件的设计原则和技巧的视频，通过学习该视频，使学习者了解多媒体的设计原则和技巧，掌握如何根据教学对象和教学内容来设计教学课件以及制作课件时需要注意哪些事项。

音频系统中，本案例包含背景音乐和解说语音两部分。学习者可以根据自己的喜好来控制背景音乐的播放、停止和音量大小。语音解说主要是讲解电子白板的使用以及多媒体使用原则和技巧的配音。

4 虚拟多媒体教室交互系统的具体实现及关键技术

4.1 实现流程、使用的工具以及每个流程中的主要工作（如下表所示）

4.2 制作模型时应注意模型面数和个数的优化

（1）模型面数的优化：在保持模型基本形状的同时，尽可能地减少模型段数；在保持基本浏览效果的同时，多使用面片建模代替实体三维模型，如植物、窗帘、门等用面片模型代替实体三维模型仍然能保持基本浏览效果；删除在浏览展示中看不到的面，如底面、模型之间相交面。

（2）模型个数的优化：在3D Max中需要将相同材质的模型附加，合并为一个模型。因为模型个数的多少不仅影响场景烘焙时的速度而且影响VRP启动速度快慢。

4.3 贴图的制作

需要手动展开UV坐标时，要把使用相同贴图的UV面块叠放到一起；需要突出细节的部分，要尽可能地放大其UV；不需要精细表现的部分，可以缩小其UV；然后将它们紧凑地排列在UV框中，提高贴图的利用率。将UV坐标信息输出到Photoshop中绘制贴图，最终再将绘制好的贴图赋予模型。

4.4 VRP交互模块的实现

（1）导航图的实现

VRP中有自带的抓图功能，把整个场景抓图在Photoshop中进行处理，将其添加到新建的导航控件中，并设置为Alpha透明通道。将在Max场景中得到世界坐标的Y轴最大值和最小值、X轴的最大值和最小值，分别对应VRP导航图贴图坐标的上下左右值。

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（2）多媒体控制台功能面板的实现

多媒体控制台功能面板涉及多个刚体动画及柔体动画的播放设置，如对窗帘、投影幕布的升降，玻璃门的开关及投影仪光束等的控制。在实现此功能前需要先在Max中制作好所需的动画并将其和模型一起导入VRP。将制作好的功能面板图以图片控件的形式插入VRP，然后在其上方添加与功能面板图中对应的按钮，并分别设置按钮的透明度，使其透明显示，之后再为各个按钮添加相应的脚本。对于刚体动画，可在按钮脚本中添加“播放刚体动画”的脚本来控制其播放，并且为各个动画添加了相应的相机，以便用户观察，这里可通过添加“切换相机”脚本来实现相机的切换。对于玻璃门自动开关动画需要在玻璃门位置处添加一个简单的触发模型，在该触发模型的动作属性中开启距离触发，并设置合理的触发类型和触发距离以及播放玻璃门开关动画的脚本。

此外，在多媒体控制台功能面板中的“上课”“下课”功能中还加入了相应的声音文件来模拟现实中系统的开机与关机。

（3）动画漫游的实现

整体漫游动画采用的是在VRP中录制相机动画。首先在VRP中创建一个绕物旋转相机，选择旋转中心参照物并设置参数，按下F5运行程序，使用键盘的上、下、左、右键控制相机的运动，同时按下F11实时录制摄像机动画，录制完成后，再次按下F11结束录制，可以根据场景需要创建多个相机动画。此外，本系统中还利用行走相机来实现模拟人物以第一视觉自由游览场景的功能。在创建行走相机之前，为场景中的模型开启碰撞并优化碰撞，之后创建一个行走相机，设置其参数，如相机高度，行走速度等，这样在运行时，切换到行走相机即可利用键盘中Ｗ、Ｓ、Ａ、Ｄ键和上、下、左、右键，来模拟用户在场景中前进、后退、左右平移或旋转的自由行走浏览的效果。

角色跟随动画：首先在VRP中将创建好的人物角色导入角色库中，利用角色库创建教师、学生角色，并在骨骼动画面板下为人物角色添加相应的行走动作。在创建对象下的“形状”面板中，创建折线路径并按需要进行调整，在路径属性面板中设置路径绑定的教师、学生角色，然后设置合适的位移速率，角色模型便可以在绑定的约束路径上行走。在创建的折线路径中根据需要选择锚点，添加锚点事件，即可实现人物角色模型在路径中设定的锚点处停止行走，进行闲置站立、与人交谈等动作。

（4）媒体嵌入功能的实现

本系统中的音频都是通过VRP脚本实现的，在界面上按钮的鼠标事件属性中，添加“音乐”的相关脚本命令，使其在点击时实现对音乐及语音解说的播放、暂停控制。

本系统中的视频是通过外部链接到系统中的，在“视频”按钮上添加 “脚本文件”中的“打开任意文件”的脚本，这种方式点击时需要加载外部程序来打开相应的视频。在VRP中还可以使用内嵌的方式插入视频或者Flash媒体，主要是通过ATX贴图、Flash控件和渲染到贴图三种方式将视频或Flash媒体加载到场景中的三维模型上或者界面的元素上。

5 总结与展望

虚拟现实教学平台的多感知性、沉浸性、交互性、构想性等特点不但加速学员对知识技能的掌握，提高实际操作能力，还大大降低了培训成本，弥补了传统教学的一些不足。学员处于三维立体、生动逼真的学习环境中能够全身心地投入，身临其境的感受比空洞抽象的说教更有说服力。虚拟现实是一种非常具有发展前景的前沿技术，其在教育领域的不断深入，必将带来教育教学方式方法乃至理念的变化，值得广大教育工作者进行更为深入的研究和实践。

参考文献：

[1]何克抗,李文光.教育技术学[M].北京:北京师范大学出版社,2002.

[2]高建华,邓亚明.虚拟现实技术在现代教学中的应用研究[J].电脑开发与应用,2011:22-23.

[3]史铁君.虚拟现实在教育中的应用[D].长春:东北师范大学,2008.

[4]冯逊.虚拟现实技术在教育中的应用与展望[C].全国首届数字(虚拟)科技馆技术与应用学术研讨会论文集.2007(5):114-119.

[5]恽如伟.中学物理虚拟现实教学软件的设计与思考[J].中国电化教育,2003(04):54.

[6]马贺清,陈建平,于淼等.VRP虚拟校园建设及其关键技术[J].计算机系统应用,2012,21(5):153-157.

[7]郑鹤成,沈明霞,李景军,陆明洲,陈林锋,路顺涛.基于VRP 的虚拟农场设计与实现[J].计算机与信息技开发与应用,2012:18-21.

[8]高义栋，杨小飞.虚拟导游实训系统中交互功能的设计与实现[J].现代教育技术,2013,23(5):117-121.

[9]张建武,孔红菊.虚拟现实技术在实践实训教学中的应用[J].中国电化教育,2010(04):111.

基金项目：本文系河南省教育厅科学技术研究重点项目“基于三维互联技术的河南省虚拟景点研发与应用研究”（项目编号：12A520023）和大学生创新实验项目 “三维虚拟互动型多媒体教室使用培训系统开发”的部分成果。作者简介：高义栋，研究生，讲师，研究方向：三维动画、虚拟现实及教育应用、教育游戏开发。endprint

（2）多媒体控制台功能面板的实现

多媒体控制台功能面板涉及多个刚体动画及柔体动画的播放设置，如对窗帘、投影幕布的升降，玻璃门的开关及投影仪光束等的控制。在实现此功能前需要先在Max中制作好所需的动画并将其和模型一起导入VRP。将制作好的功能面板图以图片控件的形式插入VRP，然后在其上方添加与功能面板图中对应的按钮，并分别设置按钮的透明度，使其透明显示，之后再为各个按钮添加相应的脚本。对于刚体动画，可在按钮脚本中添加“播放刚体动画”的脚本来控制其播放，并且为各个动画添加了相应的相机，以便用户观察，这里可通过添加“切换相机”脚本来实现相机的切换。对于玻璃门自动开关动画需要在玻璃门位置处添加一个简单的触发模型，在该触发模型的动作属性中开启距离触发，并设置合理的触发类型和触发距离以及播放玻璃门开关动画的脚本。

此外，在多媒体控制台功能面板中的“上课”“下课”功能中还加入了相应的声音文件来模拟现实中系统的开机与关机。

（3）动画漫游的实现

整体漫游动画采用的是在VRP中录制相机动画。首先在VRP中创建一个绕物旋转相机，选择旋转中心参照物并设置参数，按下F5运行程序，使用键盘的上、下、左、右键控制相机的运动，同时按下F11实时录制摄像机动画，录制完成后，再次按下F11结束录制，可以根据场景需要创建多个相机动画。此外，本系统中还利用行走相机来实现模拟人物以第一视觉自由游览场景的功能。在创建行走相机之前，为场景中的模型开启碰撞并优化碰撞，之后创建一个行走相机，设置其参数，如相机高度，行走速度等，这样在运行时，切换到行走相机即可利用键盘中Ｗ、Ｓ、Ａ、Ｄ键和上、下、左、右键，来模拟用户在场景中前进、后退、左右平移或旋转的自由行走浏览的效果。

角色跟随动画：首先在VRP中将创建好的人物角色导入角色库中，利用角色库创建教师、学生角色，并在骨骼动画面板下为人物角色添加相应的行走动作。在创建对象下的“形状”面板中，创建折线路径并按需要进行调整，在路径属性面板中设置路径绑定的教师、学生角色，然后设置合适的位移速率，角色模型便可以在绑定的约束路径上行走。在创建的折线路径中根据需要选择锚点，添加锚点事件，即可实现人物角色模型在路径中设定的锚点处停止行走，进行闲置站立、与人交谈等动作。

（4）媒体嵌入功能的实现

本系统中的音频都是通过VRP脚本实现的，在界面上按钮的鼠标事件属性中，添加“音乐”的相关脚本命令，使其在点击时实现对音乐及语音解说的播放、暂停控制。

本系统中的视频是通过外部链接到系统中的，在“视频”按钮上添加 “脚本文件”中的“打开任意文件”的脚本，这种方式点击时需要加载外部程序来打开相应的视频。在VRP中还可以使用内嵌的方式插入视频或者Flash媒体，主要是通过ATX贴图、Flash控件和渲染到贴图三种方式将视频或Flash媒体加载到场景中的三维模型上或者界面的元素上。

5 总结与展望

虚拟现实教学平台的多感知性、沉浸性、交互性、构想性等特点不但加速学员对知识技能的掌握，提高实际操作能力，还大大降低了培训成本，弥补了传统教学的一些不足。学员处于三维立体、生动逼真的学习环境中能够全身心地投入，身临其境的感受比空洞抽象的说教更有说服力。虚拟现实是一种非常具有发展前景的前沿技术，其在教育领域的不断深入，必将带来教育教学方式方法乃至理念的变化，值得广大教育工作者进行更为深入的研究和实践。

参考文献：

[1]何克抗,李文光.教育技术学[M].北京:北京师范大学出版社,2002.

[2]高建华,邓亚明.虚拟现实技术在现代教学中的应用研究[J].电脑开发与应用,2011:22-23.

[3]史铁君.虚拟现实在教育中的应用[D].长春:东北师范大学,2008.

[4]冯逊.虚拟现实技术在教育中的应用与展望[C].全国首届数字(虚拟)科技馆技术与应用学术研讨会论文集.2007(5):114-119.

[5]恽如伟.中学物理虚拟现实教学软件的设计与思考[J].中国电化教育,2003(04):54.

[6]马贺清,陈建平,于淼等.VRP虚拟校园建设及其关键技术[J].计算机系统应用,2012,21(5):153-157.

[7]郑鹤成,沈明霞,李景军,陆明洲,陈林锋,路顺涛.基于VRP 的虚拟农场设计与实现[J].计算机与信息技开发与应用,2012:18-21.

[8]高义栋，杨小飞.虚拟导游实训系统中交互功能的设计与实现[J].现代教育技术,2013,23(5):117-121.

[9]张建武,孔红菊.虚拟现实技术在实践实训教学中的应用[J].中国电化教育,2010(04):111.

基金项目：本文系河南省教育厅科学技术研究重点项目“基于三维互联技术的河南省虚拟景点研发与应用研究”（项目编号：12A520023）和大学生创新实验项目 “三维虚拟互动型多媒体教室使用培训系统开发”的部分成果。作者简介：高义栋，研究生，讲师，研究方向：三维动画、虚拟现实及教育应用、教育游戏开发。endprint

（2）多媒体控制台功能面板的实现

多媒体控制台功能面板涉及多个刚体动画及柔体动画的播放设置，如对窗帘、投影幕布的升降，玻璃门的开关及投影仪光束等的控制。在实现此功能前需要先在Max中制作好所需的动画并将其和模型一起导入VRP。将制作好的功能面板图以图片控件的形式插入VRP，然后在其上方添加与功能面板图中对应的按钮，并分别设置按钮的透明度，使其透明显示，之后再为各个按钮添加相应的脚本。对于刚体动画，可在按钮脚本中添加“播放刚体动画”的脚本来控制其播放，并且为各个动画添加了相应的相机，以便用户观察，这里可通过添加“切换相机”脚本来实现相机的切换。对于玻璃门自动开关动画需要在玻璃门位置处添加一个简单的触发模型，在该触发模型的动作属性中开启距离触发，并设置合理的触发类型和触发距离以及播放玻璃门开关动画的脚本。

此外，在多媒体控制台功能面板中的“上课”“下课”功能中还加入了相应的声音文件来模拟现实中系统的开机与关机。

（3）动画漫游的实现

整体漫游动画采用的是在VRP中录制相机动画。首先在VRP中创建一个绕物旋转相机，选择旋转中心参照物并设置参数，按下F5运行程序，使用键盘的上、下、左、右键控制相机的运动，同时按下F11实时录制摄像机动画，录制完成后，再次按下F11结束录制，可以根据场景需要创建多个相机动画。此外，本系统中还利用行走相机来实现模拟人物以第一视觉自由游览场景的功能。在创建行走相机之前，为场景中的模型开启碰撞并优化碰撞，之后创建一个行走相机，设置其参数，如相机高度，行走速度等，这样在运行时，切换到行走相机即可利用键盘中Ｗ、Ｓ、Ａ、Ｄ键和上、下、左、右键，来模拟用户在场景中前进、后退、左右平移或旋转的自由行走浏览的效果。

角色跟随动画：首先在VRP中将创建好的人物角色导入角色库中，利用角色库创建教师、学生角色，并在骨骼动画面板下为人物角色添加相应的行走动作。在创建对象下的“形状”面板中，创建折线路径并按需要进行调整，在路径属性面板中设置路径绑定的教师、学生角色，然后设置合适的位移速率，角色模型便可以在绑定的约束路径上行走。在创建的折线路径中根据需要选择锚点，添加锚点事件，即可实现人物角色模型在路径中设定的锚点处停止行走，进行闲置站立、与人交谈等动作。

（4）媒体嵌入功能的实现

本系统中的音频都是通过VRP脚本实现的，在界面上按钮的鼠标事件属性中，添加“音乐”的相关脚本命令，使其在点击时实现对音乐及语音解说的播放、暂停控制。

本系统中的视频是通过外部链接到系统中的，在“视频”按钮上添加 “脚本文件”中的“打开任意文件”的脚本，这种方式点击时需要加载外部程序来打开相应的视频。在VRP中还可以使用内嵌的方式插入视频或者Flash媒体，主要是通过ATX贴图、Flash控件和渲染到贴图三种方式将视频或Flash媒体加载到场景中的三维模型上或者界面的元素上。

5 总结与展望

虚拟现实教学平台的多感知性、沉浸性、交互性、构想性等特点不但加速学员对知识技能的掌握，提高实际操作能力，还大大降低了培训成本，弥补了传统教学的一些不足。学员处于三维立体、生动逼真的学习环境中能够全身心地投入，身临其境的感受比空洞抽象的说教更有说服力。虚拟现实是一种非常具有发展前景的前沿技术，其在教育领域的不断深入，必将带来教育教学方式方法乃至理念的变化，值得广大教育工作者进行更为深入的研究和实践。

参考文献：

[1]何克抗,李文光.教育技术学[M].北京:北京师范大学出版社,2002.

[2]高建华,邓亚明.虚拟现实技术在现代教学中的应用研究[J].电脑开发与应用,2011:22-23.

[3]史铁君.虚拟现实在教育中的应用[D].长春:东北师范大学,2008.

[4]冯逊.虚拟现实技术在教育中的应用与展望[C].全国首届数字(虚拟)科技馆技术与应用学术研讨会论文集.2007(5):114-119.

[5]恽如伟.中学物理虚拟现实教学软件的设计与思考[J].中国电化教育,2003(04):54.

[6]马贺清,陈建平,于淼等.VRP虚拟校园建设及其关键技术[J].计算机系统应用,2012,21(5):153-157.

[7]郑鹤成,沈明霞,李景军,陆明洲,陈林锋,路顺涛.基于VRP 的虚拟农场设计与实现[J].计算机与信息技开发与应用,2012:18-21.

[8]高义栋，杨小飞.虚拟导游实训系统中交互功能的设计与实现[J].现代教育技术,2013,23(5):117-121.

[9]张建武,孔红菊.虚拟现实技术在实践实训教学中的应用[J].中国电化教育,2010(04):111.

基金项目：本文系河南省教育厅科学技术研究重点项目“基于三维互联技术的河南省虚拟景点研发与应用研究”（项目编号：12A520023）和大学生创新实验项目 “三维虚拟互动型多媒体教室使用培训系统开发”的部分成果。作者简介：高义栋，研究生，讲师，研究方向：三维动画、虚拟现实及教育应用、教育游戏开发。endprint