三维虚拟智慧教室支持下的远程教学研究与应用

王丽

摘 要：现代远程教学中普遍存在交互性不强、学习者情感缺失、学习自觉性差及学习动机不强等弊端。文章针对当前远程教学中的不足，利用虚拟现实、计算机网络、多媒体及计算机图形技术构建了一个三维虚拟智慧教室，为远程教学提供了一个仿真的物理课堂学习环境。师生可以根据自身的教学体验，支配虚拟化身产生相应的语言、表情和动作，如同身处一个真实的教室当中。三维虚拟智慧教室为远程教学提供了实时、有效的交互，增强了学习者的归属感，解决了由于学习者情感缺失带来的一系列问题，可以极大的促进远程教育的发展。文章主要阐述并分析了三维虚拟智慧教室的含义、构建意义、功能架构，并通过案例着重讨论了三维虚拟智慧教室在远程教学中的实际应用。

关键词：三维虚拟智慧教室；远程教学；交互

中图分类号：TP393 文献标志码：B 文章编号：1673-8454（2016）06-0083-05

一、引言

远程教育实现了教学过程的时空分离、优化了教育资源、促进了教育公平、降低了教育成本、促进了终身教育的发展[1]。但目前远程教育发展中也存在许多问题，例如缺少课堂气氛，交互性不强，学习者情感缺失、学习自觉性差、动机不强、学习反馈不及时等缺陷。这些问题不仅影响远程教学的质量，而且严重制约着远程教育的发展。如何有效解决这些问题成为远程教育领域一个非常重要的课题。

本文通过构建三维虚拟智慧教室，为师生提供一个仿真的教室环境，使师生能够通过选择虚拟化身并以第一人称为视角进行登录和教学，并且可以根据自身的教学体验支配虚拟人物产生相应的语言、表情和动作，如同身处一个真实的教室当中。通过三维虚拟智慧教室，教师可以开设课程、进行课程讲授、展示课程内容、上传课程资源、管理学生信息及教学信息、对学生进行分组、与学生进行交流讨论、布置作业、个别辅导、提问，并对学生的回答进行及时反馈，根据学生的各种表现来对其进行评价。学生可以下载学习资料，对课程进行有针对性的预习、复习；可以与教师和其他学习者进行及时交流，提交作业、举手回答问题、自我评价和评价他人。

三维虚拟智慧教室可有效解决远程教学中缺少课堂气氛，人与人之间、人与学习环境之间交互性差，学习者情感缺失、学习自觉性差、动机不强、学习反馈不及时等缺陷，从而促进远程教育的发展。

二、三维虚拟智慧教室对远程教育的意义

三维虚拟智慧教室就是利用虚拟现实技术和网络技术在网络空间内建立的一个三维仿真的、可交互的虚拟教室，利用它可以进行学习、交流、协作[2]。与其它虚拟教室相比，三维虚拟智慧教室可以创设仿真的教室环境，这个虚拟环境可以拥有真实教室环境中的一切设施，包括桌椅、讲台、多媒体设备等。同时它是个可交互的教学环境，使用者根据自己的教学体验和感受，通过选择并支配自己的虚拟替身与学习环境及他人进行文本交互、语言交互、动作及表情交互等。此外，学习者的学习过程可以被系统自动记录下来，方便教学和评价。

三维虚拟教室对远程教育的含义主要包括如下方面：

1.情感方面

三维虚拟智慧教室为师生创设了一个仿真的物理教室情境。教师通过支配虚拟替身，可以像真实课堂教学中一样进行授课，通过语言、表情和动作传达给学生视、听觉丰富的感受，激发学生的积极性，引导学生产生思想的共鸣；可以对学生进行提问，与学生进行直接的交流，并通过语言对学生的回答做出反馈，通过表情和动作与学生进行情感沟通；教师可以观察到学生的课堂情绪及表现，根据这些信息及时调整教学。

有了三维虚拟教室，学生不再因为教学的时空分离而缺乏归属感、人文关怀，产生孤独感、厌学等不良情感。学生可以支配虚拟替身举手回答问题，可以根据教师的讲课进度和授课内容支配虚拟替身做出表达自己情感和态度的表情和动作，如跟不上教师讲课的内容或听不懂，可以支配虚拟人做出疑惑、迷茫、眉头紧锁的表情。在整个学习过程中，学习者的全部情感都可以通过自己的虚拟替身进行表达，并与其他学习者及教师进行实时、有效的交流。而且，学习者的所有课堂表现都会被系统自动记录下来。教师会依据这些课堂表现为学习者提供实时反馈，并将其作为评价的依据，这样，学习者的积极性就被充分调动起来，他们会积极参加各种教学活动，不再具有孤独感，主动性得到充分发挥。

2.交互方面

三维虚拟智慧教室提供了良好的交互功能，具有文本、声音、表情、动作等多种交互方式。三维虚拟智慧教室中的每个角色都是真人的化身，教师和学生可以通过支配虚拟角色，使用文本、语音、表情、动作等方式进行有效交互，如同在真实教室环境中一样。系统支持三维环境下的实时交互和传统的非实时交互。

3.教学模式方面

三维虚拟智慧教室不仅带来了全新的教学体验，而且提供了多种多样、有效的教学方法和教学手段。它提供的教学环境支持协作学习、体验式学习、探究式学习、个别化学习等多种学习方式，使学生真正成为了课堂的主人，其思维能力、实际操作能力、解决问题的能力、创新能力、协作精神、团队意识可得到极大的提升，并使其具有强烈的归属感。

三、三维虚拟智慧教室的构建

1.主要相关技术

笔者主要采用Unity3D作为开发环境，使用MySQL作为数据库来存储角色的表情信息、动作信息、语音信息及其它数据信息，使用3ds Max进行三维虚拟智慧教室场景的建模、人物角色建模、人物表情及动作设计，使用Photoshop进行图片处理，生成相应贴图，使用C#作为开发语言实现各种交互功能。

2.开发流程

三维虚拟智慧教室具体开发过程如下：首先使用数码相机拍摄相关照片，然后使用Photoshop进行处理，生成相关贴图；接着使用3ds Max进行三维虚拟智慧教室场景建模、人物角色建模、人物表情及动作设计；再把建好的模型、人物表情及动作导入到Unity3D软件中进行交互设计（如通过调用数据库中的相关数据，实现表情、动作、文本、语音等数据的存取，以实现用户支配虚拟角色进行文本、语音、表情及动作交流，场景物体的触发控制，场景按钮交互功能的实现，场景物体的碰撞检测等）；最后完成注册登录、学习行为智能跟踪、资料上传下载、BBS、分组协作、系统数据管理、评价等其他功能。其开发流程如图1所示。

3.系统功能设计

系统功能设计以建构主义和人本主义理论为指导，强调“以学生为主体，教师为主导”。整个系统可以划分为登录模块、管理模块、教学模块、帮助模块。系统整体功能模块如图2所示。

（1）登录模块：首次登录需要进行新用户注册，注册用户分为教师和学生两类。注册需要选择用户类型并填写用户基本信息和教学信息等。非首次登录用户需填写用户名和密码，三维虚拟智慧教室系统调用数据库中的信息进行用户身份验证。登录后，教师可以添加课程并选择虚拟替身进行教学，学生用户可以选择自己喜欢的虚拟替身、课程及同伴（在协作学习中，如果教师允许小组长可以选择小组成员）进行学习。

（2）管理模块：用于管理员和教师进行系统后台的维护以及资料等的管理。管理员可以进行系统性能维护及安全管理、用户信息管理（包括教师和学生的注册认证、权限分配、删除用户等）和教学资源管理（包括各种课程资料、试题资料、论坛、留言、评价等信息的增、删、改）。教师可以对学生进行分组，管理学生信息，对自己教授的课程资源进行管理（包括课程资料和试题资料的增、删、改，以及论坛、留言、评价等信息的删除）。

（3）教学模块：教学模块是整个三维虚拟智慧教室系统的核心。其主要功能如下：

①信息公告：用于完成信息、新闻等的发布，使得用户能够及时了解最新的教学信息、课程日期安排、课程教学内容、教师介绍、教学步骤、教学目的等[3]。

②实时教学：实时教学即为同步教学，是整个系统的亮点，也是三维虚拟智慧教室区别于其他远程学习系统的集中表现。不同类别的用户选择不同的身份登录系统。教师用户可以为自己的课程命名，决定学习该课程的人数，之后选择合适的虚拟角色作为替身进入教室，进行授课。学生用户成功登录系统后，可以浏览所有课程的日期安排和当前在线的课堂，只要该课堂人数未满，学生便可选择自己喜欢的替身形象申请加入并进行课程学习。参与同一课堂的师生都会以第一人称为视角，通过自己在教学过程中的感知和环境刺激支配虚拟替身产生相应的语言、表情和动作，并且可以相互感知，如同身处一个真实的教室当中。在这里，教师和学生可以自由的进行各种教学活动：教师可以利用音频和视频同步传输技术进行课程讲授，展示课程内容，上传课程资源，通过语音、文字、表情和动作与学生进行交流、讨论，根据学生的表现和特点对学生进行分组，布置作业，个别辅导，提问，通过语音、文字、表情和动作对学生的回答及学习表现进行反馈。学生可以进行课程学习、下载学习资料、举手回答问题，通过语音、文字、表情和动作同教师和其他学习者进行交流讨论、提交作业，根据教师的分组，被指定为组长的学生可以根据教师赋予的权限选择同组成员或由教师统一分配。教学活动结束后，教师可以撤销该课堂，原本处于同一课堂中的学生会自动返回系统的主界面，进行其他教学活动的选择。

③异步教学：为了满足一些无法同步学习的用户，系统设置了异步教学模块。在异步学习模块中，查看各课程的相关资料，包括教师的授课视频、学习资料（学习目标、任务、内容、方法等）、教师布置的作业等。学生可以通过学习完成教师布置的作业并进行提交，还可以通过虚拟在线教室以外的方式与教师和其他同学进行同步和异步交流，如论坛、QQ、邮箱等。

④个人空间：不管是同步学习还是异步学习，系统都为用户提供了个人学习空间。师生在这里可以撰写自己的心得，制定学习或教学计划，记录笔记、教学反思等。

⑤评价模块：评价贯穿于整个教学当中。系统对学生的评价可以有诊断性评价、过程评价和总结性评价三种。诊断性评价是根据需要对学生进行的学前测评，帮助教师和同伴了解学生的学习特点、前期基础、学习兴趣、学习需要等方面的内容。过程评价体现评价的过程性，系统会自动记录学生的学习过程，如登录次数、登录时间、教师在授课过程中对学生的文本或口头评价、学生回答问题的次数、论坛发言情况、作业提交时间、作业评价情况（自评、其他同伴、教师给出的评价，评价的权重由教师给出）、帮助其他学生答疑情况、在进行自评和他评（学生对自己及他人作业的评价会由教师给出相应成绩）时的分等，这些信息都会作为对学生的最终评价信息。总结性评价采用试题的方式进行，由系统自动抽题，客观题由系统自动批阅，主观题由教师批阅。学生的最终评价结果来自过程性评价与总结性评价。具体的评价标准由教师根据不同的教学内容来制定。

（4）帮助模块：主要介绍系统的操作方法以及注意事项，以帮助学习者顺利完成学习和交流。

四、三维虚拟智慧教室环境下的远程学习活动的设计与应用

下面以《角色与场景设计》课程中的“场景的色彩表现”一课为例，来说明如何利用三维虚拟智慧教室进行远程教学。

1.学习活动概述

《角色与场景设计》是本科数字媒体专业一门综合性较强的课程，涵盖了很多学科的知识。强调艺术与相关技术的整合，是一门理论与实践并重的课程。该课程的主要任务是使学生通过对角色和场景设计的学习，掌握动画造型及场景设计的理论基础、艺术特征、风格类型、设计方法和技巧，并能根据不同的故事脚本，运用不同的表现方法完成角色及场景的设计。

“场景的色彩表现”一课的主要内容是色彩的作用与功能、色彩的基本原理、不同的色彩带给人们不同的心理感受、色彩使人产生的联想与色彩象征、色彩设计的案例分析。

2.学习活动设计

（1）学习者特征分析

通过前面章节的学习，学生基本掌握了场景的构图及设计方法。学生具有一定的自学能力，但协作学习能力较弱、主动探究能力不足、设计思维不灵敏。

（2）学习目标

通过学习应使学生了解色彩的作用与功能，能够运用色彩的基本原理、色彩带给人们的心理感受、色彩使人产生的联想与色彩象征等知识，根据剧情脚本设计场景的色彩。在学习过程中提高协作学习能力、团队合作精神、主动探究能力及设计的敏感度，能充分发挥自身想象力，设计出符合角色心理或场景气氛及剧情需要的场景色彩。

（3）学习重点及难点

本课的学习重点是理解色彩相关知识，掌握设计场景色彩的方法；学习难点是利用色彩的相关知识来设计场景空间，营造场景气氛，表达角色心理。

（4）教学方法

本课的教学环境为三维虚拟智慧教室环境，由于教学内容既有理论知识也强调实践应用，因此采用教师主导下的学生自主探究和协作交流的教学方法。

（5）教学过程

具体教学过程见表1。

3.学习效果分析

为了验证三维虚拟智慧教室支持下的远程教学效果，笔者在教授《角色与场景设计》这门课程时，选取了两章内容进行了实验，并将101位学生根据他们的学习能力进行分组，使得两组学生的学习能力相当。第一组使用笔者开发的三维虚拟智慧教室进行教学，第二组使用Moodle网络教学平台进行教学。通过两章内容的学习，两组学生的最终学习效果集中体现为他们设计的作品，第一组学生的最终作品均分比第二组学生高出9分。

实验结束后，笔者对第一组的50位学生进行了问卷调查，调查的目的是想反映学生使用三维虚拟智慧教室后的真实感受。表2是问卷中的一些题目及调查结果，希望能为今后三维虚拟智慧教室在远程教学中的应用提供参考。

调查结果分析如下：绝大多数学生认可三维虚拟智慧教室，说明三维虚拟智慧教室在远程教学中发挥出了它的功能，有力的支持了远程教学。少部分学生因为害怕他人在评价自己时存在主观性，所以对多元评价方式持怀疑态度。不知道当自己用真心去评价别人的时候，别人会不会用真心来评价自己，也不知道当自己指出别人的错误时，他人会如何。个别学生感觉自己不能避免主观性，会给和自己关系好的人评高分，反之低。但实践证明，多元评价是更科学合理的评价方式，有助于提高学生的多种能力。

笔者设计的三维虚拟智慧教室为学习者创设了仿真的教室环境，师生通过虚拟替身实现了有效的交互。研究表明，三维虚拟智慧教室有效弥补了当前远程教育平台由于学习者情感缺失带来的一系列问题，增强了学生的归属感，提高了学生的被关注度。该平台在建构主义和人本主义思想的指导下，促进了学习者的主动探究、知识构建及协作学习的能力，通过多元评价提高了学生的参与度，增强了学生的主人翁感和正确的评价能力。三维虚拟智慧教室还能有效支持各种教学模式，为远程教育的发展注入了新的活力。

参考文献：

[1]崔巧红.现代远程教育中混合式学习的实施策略[D].西安：陕西师范大学，2014.

[2]赵晓亮.三维虚拟教室的开发及教学应用研究[D].杭州：浙江师范大学，2010.

[3]颜鹏飞.远程教育系统中虚拟教室的研究与设计[D].西安：西安工业大学，2010.

（编辑：鲁利瑞）