MOOC环境下虚拟实验平台的开发与应用研究

梁智杰 朱东鸣

(西南科技大学网络教育学院 四川绵阳 621010)



MOOC环境下虚拟实验平台的开发与应用研究

梁智杰 朱东鸣

(西南科技大学网络教育学院 四川绵阳 621010)

针对国内MOOC缺乏真正的实践引导这一现状，围绕MOOC理念下高校实验教学如何扩大开放共享，探讨当前实验教学方法在MOOC环境中面临的困境和改进手段，提出以虚拟现实技术为支撑进行开放式实验平台建设的思路。

MOOC 开放教育 虚拟实验

1 MOOC背景、挑战与机遇

大规模网络开放课程(Massive Open Online Courses，MOOC)是继移动学习、泛在学习、微课程等学习方式之后近两年风靡教育领域的一种新兴在线学习模式。在国内，MOOC已逐步成为我国目前教育教学改革的研究热点和教育信息化资源建设的重点，并伴随着“可汗学院”、“翻转课堂”、“电子书包”、“混合学习”等教学改革项目的开展受到广大师生的高度关注[1]。但是，目前不论是高校还是企业，对MOOC都缺乏真正的实践和探索，学术领域的理论探讨多于实践层面的耕耘。MOOC浪潮要求我们在仔细研究的基础上，在边探索边感知中去多方面实践MOOC理念[2]。

2 虚拟实验教学的研究现状和必要性

虚拟实验系统的概念提出仅有十几年的时间，但国外实践探索和成果却丰富多样，特别是在一些国际知名高校，已有很多自主设计开发并投入使用虚拟实验系统的实例。比较有代表性的国外虚拟实验系统当属牛津大学开发的化学学科虚拟实验系统和麻省理工学院(MIT)的WebLab虚拟实验系统，学习者可以通过开放的互联网远程访问站点进行在线实验，虽然实验界面是二维的，但涉及的功能非常强大，因此普遍反映良好[3]。

与国外相比，国内高校在该领域的研究起步较晚，与发达国家高校相比尚存在一些差距。2005年，大连理工大学与美国麻省理工学院合作，建成了国内第一个远程实验系统“iLab实验室”，该虚拟实验系统将微电子器件远程实验(Micro electronics webLab)运用于大学课堂实验教学，取得了非常好的教学效果。

当前，面对MOOC的冲击，高校的实验教学界也开始探索实验教学的创新之路。然而，受到场地、设备、人员和制度等多方面的限制，实验教学的MOOC化面临着特殊的困境。

开放式教育不应该仅为学习者单向提供优质的理论教学资源，也应该提供高品质的实践环节教学资源。如若不探索MOOC环境下传统实验室的应对方法，一方面不利于实验教学本身在新环境下的发展，另一方面也会影响到理论教学在MOOC环境中的开展。有研究者[4]经过对MOOC上的学习者进行学习跟踪，发现在MOOC上学习文史、管理类通识类课程往往比较容易，但是对于工程、机械、生物等学科，实验教学为必备环节，如果仅仅提供线上视频理论课程教学，学习者往往很容易放弃，只有少部分学习者能够坚持下来，导致MOOC学习者高辍学率，与开放共享理念背道而驰。由此可见，探索MOOC环境开放共享的实验平台解决方案，不仅是实验教学应对MOOC冲击的创新与变革[5]，同时，对于辅助在线理论课程的教学也有非常重要的意义。

3 基于网络的虚拟实验的实践探索

3.1 《家庭影院技术》课程对虚拟实验的需求

西南科技大学网络教育学院与北京交通大学、中国石油大学(华东)、福建师范大学、华南师范大学组成了资源研发中心。目前，联合开展的“课程互选、学分互认”的项目工作已正式启动。本着出精品的目标，对课程的选题研究、内容结构、教学方法、拍摄和后期制作、评价体系等多方面进行了创新改革。

目前，网络教育资源研发中心已经搭建课程资源共享平台，成员单位已经建设了30门学分互认课程。这批课程以生动的案例和现实情景为教学切入点来激发学习者自主学习的热情。在知识点的讲解部分，摒弃了以往三分屏课程的形式，而对全部章节的教学视频重新以还原真实课程的方式高清录制，在后期编辑阶段加入丰富的图片、视频和动画，制作出类似“百家讲坛”的视频讲座。通过教师讲授、生动且紧扣知识点的媒体素材让学生真正愿意去看、高效率的去学。

《家庭影院技术》是面向普通全日制本科和网络教育学生的一门通识课程，旨在通过这种新型公开课培养学习者实践操作能力、陶冶生活情操。课程注重动手能力的培养，学完本课程后，学习者最终能够设计出一套满足自己需求的家庭影院系统。本课程的内容包括家庭影院的基本组成、当前用于家庭影院的技术要求及标准、家庭影院的设计方法和相关实例、家庭影院安装完成后对设备进行调试时的基本要求和方法。其中，家庭影院的基本组成、技术要求及标准部分包含了大量的动手实践内容。实验是该课程的灵魂，是课程的魅力所在和激发学生学习兴趣的主要源泉，更是培养和发展学生思维能力和创新能力的重要方法和手段。

由于在线公开课师生空间分离的特点，课程目前采用了二维结构图演示配合教师讲解的方式进行引导教学，课后由学生自主寻求相关实验设备进行动手安装，加之实验设备短缺等客观因素，学习者往往很难达到课程实践部分的能力要求。基于此，笔者采用虚拟现实技术(Virtual Reality)，以“学习者为中心”的教学设计理念为指导，以《家庭影院技术》虚拟实验交互系统开发为目标，从网络三维虚拟实验设计与开发的具体开发策略入手完成《家庭影院技术》虚拟实验平台的开发。具体包括：情景式实验环境构建、实验功能的设计实现、虚拟实验平台的后期包装设计等一系列完整的设计思路与开发流程。

3.2 关键技术与系统实现

3.2.1 虚拟仪器和场景的制作

浸没感是虚拟现实的主要特征之一。这就要求虚拟实验的场景及实验仪器有较强的真实感，即在它们的物理特征方面(长、宽、高、颜色等)要尽可能的真实，对模型的精度和贴图的大小都要求较高。但是模型精度和贴图越细致，对计算机软硬件的要求越高，模型精度越高，贴图越大，虚拟实验的运行就会越慢，甚至会造成死机的现象。这就需要在模型精度、贴图细致度与计算机速度之间寻找到一个平衡点，在尽可能的细致情况下，尽量满足大多数计算机软硬件的要求[6]。

3.2.2 交互性问题

交互性问题一直是虚拟实验难点问题。在本实验的建立过程中，交互性的问题更复杂，主要表现在以下几个方面：虚拟实验场景的交互性，主要是用户通过计算机对虚拟实验设备的操作等；虚拟实验内容的交互性，即在特定的事件发生时，如何显示相应的事件，实验过程如何触发、如何实现等。

具体的实验平台交互功能模块如下：(1)实验环境及操作直观形象。采用3dsMax软件进行三维建模，实现实验场景和设备的三维虚拟化，构建一个三维化的“家庭影院教学实验室”,让用户有一种身临其境的感觉。创建的所有设备均基于现实仪器为基准。(2)提供丰富的虚拟仪器设备。由于系统是一个虚拟实验平台，所以必须满足用户对虚拟器件的需求以完成虚拟实验操作。包括：前置音箱、后置音箱、中置音箱、侧环绕音箱、顶置音箱、幕布、投影仪、声波模拟、角度模拟等课程中涉及的所有设备。(3)系统具有较好的交互功能。实验设备的选择和装配等通过鼠标和键盘的点击、拖动实现。包括通过系统二维界面交互、点击场景中的设备进行交互、语音交互。(4)用户可以多角度观察实验过程。用键盘来控制摄像机，实现多角度观察，敲击方向键可以让摄像机做上下左右的旋转。(5)系统运行环境。既能够基于C/S模式的单机运行，也允许通过基于B/S模式网络访问实现远程实验和共享。

4 基于网络的虚拟实验平台开发

本课题在研究MOOC及虚拟实验系统的背景下，运用Virtools及三维建模技术，开发出一个具有3D交互式虚拟场景的《家庭影院技术》虚拟实验平台，基本满足课程实验要求，能够有效解决目前《家庭影院技术》实践部分存在的问题，并且对虚拟实验的三维虚拟化进行研究，探索基于虚拟现实技术的实验平台开发的有效方法。

4.1 开发技术路线比较分析

当前国内大部分虚拟实验平台系统的开发采用的主流技术主要分为Flash技术、Java、QTVR技术和ActiveX。采取此类技术开发的虚拟实验系统多存在重大缺陷，即缺乏真实环境的体验和良好的交互性。而采用3ds-max加VRML可以开发出具有沉浸感和交互性俱佳的虚拟实验系统，但此方案相对难度较大且开发过程复杂，用户使用起来也较为繁琐。因此，本文选择了Virtools作为系统开发平台。表1是Virtool与其它几种当前主流的虚拟实验系统开发技术路线的比较。

表1 开发技术路线比较Table 1 Comparison of development technical route

利用3ds-max构建三维模型加Virtools进行虚拟空间中的交互设计，可以有效避免上述缺陷。比如，实验者观察DOLBY音箱的摆位，可以利用键盘上的方向键控制虚拟替身角色漫游整个场景，让用户产生身临其境的感受，进一步进行虚拟实验操作，真正实现良好的人机互动，进而有效弥补因各种因素无法做实验的客观局限，提高教学效率。图1是虚拟实验系统开发流程图。

4.2 虚拟场景的构建

实验场景建模的主要步骤分为实验器材信息收集与处理、三维实体建模、纹理贴图及优化处理。这些工作是构建虚拟实验系统的基石，也是整个系统开发过程中工作量最大的一部分。为了创建一个能让用户产生沉浸感的虚拟环境，需要尽可能细化实验器材来达到逼真的效果，但如果场景中的模型过于精细，尤其是比较复杂的场景，数据量将十分庞大，会给虚拟实验系统带来灾难。因此，在建模过程中，应该在保证模型质量的前提下，尽量减少模型的面片数，以保证系统的运行效率。虚拟实验场景的构建首先是三维模型的创建，由于 Virtools 平台不包含建模的功能，所以建模一般采用3ds-max软件进行。使用3ds-max制作的3D模型和刚体动画可以保存成NMO格式，并使用MaxExporter插件导入到Virtools系统中去。图2是利用3ds-max构建完成的实验平台模型。

图1 虚拟实验系统开发流程图Fig.1 The process of system development

图2 虚拟实景的模型Fig.2 Virtual reality model

4.3 交互功能设计

虚拟实验开发采用的是 Virtools Dev平台，包括 Virtools Physics Pack，Virtools AI Pack，Virtools VR Pack，Virtools Xbox Kit，Virtools OpenCAD，Virtools Server；输入设备主要指控杆、方向盘、3D 滑鼠、3D 手套、位置追踪器；输出设备指立体眼镜、立体荧幕、头盔式显示器、模拟机；展出系统包含立体剧院和展示系统[7]。

4.3.1 三维漫游的实现

漫游是便于用户对整个虚拟实验场景有初步的了解，将3ds-max中合成的场景一起导入到Virtools中。

Virtools坐标系与3ds-max坐标系相同，采用Z轴向上的左手坐标系(Z轴代表场景的高度)，同时提供8种不同类型的运动模式：前进、后退、左移、右移、垂直上升、垂直下降、俯视、仰视。各种运动的实现原理为：在Y轴上沿着视线方向将视点平移一段距离D，若D的值大于零(视线是正方向)表示前进，D小于零则表示后退；在X轴上，保持视点的方向不变，对视点进行平移实现左移和右移；在Z轴上，保持视点的方向不变，增、减视点的高度值，可实现垂直上升和垂直下降；保持视点方向和位置不变，增、减视线与X，Y平面之间的夹角(仰角)，可实现俯视与仰视；按此响应方法，通过空间向量分解运算，即可得出新视点的坐标，为用户提供一种自然的交互方式观察场景，实现自主式漫游。

本文的自主漫游由用户控制场景中的虚拟人物化身来实现，通过键盘上的前进(↑)、后退(↓)、转向(←和→)控制人物自由行走。

4.3.2 观看教程功能的实现

利用Virtools调用预先制作完成的演示视频可以实现用户观看教程的功能，也可以使用播放PPT的方式，让用户自己翻阅。考虑到动画视频反映的更加直观生动，因此本文选择二维界面命令按钮作为开关，分别控制之前制作完成的“DOLBY5.1声道的音箱摆位方法”和“DOLBY7.1声道的音箱摆位方法”两个3D动画。当用户点击二维界面中的“观看教程”按钮时，PushButton触发后台的模块，调用Sequencer定序器，用来实现各个动画教程的播放。将三维模型导入到 Virtools 的三维空间编辑区可以进行观察、控制。而对于高级开发者也可以自主安装 SDK 插件，从而获得更多的 BBs，实现虚拟实验多种交互功能的设计。

虚拟实验系统的功能模块中，可以选择《家庭影院技术》实验课中的一个实验“DOLBY音效的音箱摆位方法”进行音箱的摆位和观看动画教程对所实施的操作进行反馈，以3D形式表现，具有较好交互能力。图3是已经完成的虚拟实验系统的运行界面。

图3 《家庭影院技术》虚拟实验平台运行界面Fig.3 Virtual experiment platform interface

4.4 虚拟实验系统的发布

在完成虚拟实验对应的交互功能设计后，可以进行系统的发布。主要由两个模块构成：虚拟空间和模拟交互动画。虚拟空间由构建的三维模型构成，比如家庭影院的房间、音箱、电视机、墙、地面、沙发等等。通过对模型的控制完成虚拟实验之中的交互动画。

虚拟实验系统设计完毕后，可采取两种方案来保存，一种是将虚拟实验系统直接以 CMO文件格式保存，这种方案保存的文件只有载入到Virtools平台中才可以进行单机版的虚拟实验，即C/S模式。另外一种方案是把整个虚拟实验用 VMO文件格式保存，此外，以HTML格式文件再对应保存一份，这样则可以发布到网上，用户在客户端安装播放插件VirtoolsWeb Play进行B/S模式的虚拟实验。

5 结论

MOOC风暴席卷全球，似乎让我们看到了人们教育方式即将发生的变革。伴随着MOOC的急剧扩张，学术和在线教育实践认识也针锋相对提出了许多质疑，其中最多的疑问是MOOC仍然是传统课堂教学方式在网上的延续。MOOC能否使未来教育与培训工作发生革命性的变化，取决于MOOC实践者能否秉承开放共享的理念将学习活动融入到教学

中去，而虚拟实验恰恰是开放教育的重要辅助手段，是学生真正理解理论知识并运用于实践的重要保证，同时也是以学习者为中心进行教学设计的具体体现。下一步，将结合理工科课程背景进一步挖掘特色虚拟实验平台，积极探索面向普通全日制在校生和远程学习者进行资源共享。

[1] 祝智庭，刘明卓. “后MOOC”时期的在线学习新样式[J].开放教育研究,2014,(6):36-43.

[2] 刘明卓，祝智庭.MOOCs教学设计样式研究[J].中国电化教育,2014，(7):19-24.

[3] 方立伟.基于Virtools的三维虚拟实验室研究与实现[J].实验技术与管理,2010,27(5):83-86.

[4] 王栓杰，李华.MOOC教学模式与虚拟现实技术在工科教育中的综合运用浅析[J].无线互联网科技,2014，(1):224.

[5] 孙青，艾明晶.MOOC环境下开放共享的实验教学研究[J].实验技术与管理,2014，(8):192-195.

[6] 孙爱娟.职教领域虚拟仿真教学资源建设与应用探析[J].中国电化教育,2012，(11):109-112.

[7] 李昌国，朱福全.基于3D和Virtools技术的虚拟实验开发方法研究[J].计算机工程与应用,2006，(31):84-96.

The Development and Application of Virtual Experiment Platform in MOOC Environment

LIANG zhi-jie,ZHU Dong-ming

(SchoolofNetworkEducation,SouthwestUniversityofScienceandTechnology,Mianyang621010,Sichuan,China)

Aiming at the situation that domestic MOOC lacks of real practical guidance on how to expand the opening experimental teaching in Colleges and Universities under the idea of sharing MOOC, the dilemma the current experimental teaching method faced in the MOOC environment and the improvement methods were discussod, finally virtual reality technology as support for construction of the experimental platform of the open thoughts was proposed.

MOOC; Open education; Virtual experiment

2014-11-16

西南科技大学实验技术基金资助项目(14syjs-44)。

梁智杰(1987—)，男，硕士，助理研究员，研究方向为远程教育数字化学习资源设计与开发。E-mail:254387194@qq.com

G434

A

1671-8755(2015)01-0080-05