基于虚拟现实技术的虚拟教学平台的设计与应用研究

黎炫恒

摘要：教育的发展不仅需要教师和学生的努力，也需要借助一些新技术和新媒体的作用来实现教育自身等发展。随着印刷术和纸的出现以及电视、广播等传统媒体的发展，再到近几年，计算机和网络技术实现了蓬勃发展，这些技术和媒体的出现为我国教育领域带来了巨大的发展动力，推动着教育领域的变革。当前，随着虚拟现实技术的出现，这一种新型媒体与教育实现了较为紧密的结合，虚拟现实技术能够对客观现实进行较为逼真的模拟，来构建一个虚拟的三维立体的学习环境，这对于教育的方式和效果都具有重要的促进作用。

1、虚拟教学的概念

虚拟教学是一种在现代人才培养观的基础之上，将传统教学与信息技术相结合的新型教学模式，是一种人类需要进入到虚拟空间中进行教育和教学活动的形式。在虚拟教学中，包括虚拟的教师、教室和实验室，会在其中进行虚拟的研讨等活动。在虚拟的环境中进行教与学的活动，都可以成为虚拟教学。从狭义上来说，虚拟教学指的就是运用虚拟现实技术，构建出一个虚拟的学习环境，在这个虚拟环境之中，将客观现实进行再现，从而让学生通过逼真的模拟来更多的掌握知识要点，这样的教学形式中，学生能够通过自己的视觉和听觉等感官感受来获得知识和信息，逼真的模拟效果更能够激发出学生的兴趣和学习热情，不断调动学生的创新力和想象力，开拓学生的新思维。

（1）教师虚拟化。在虚拟现实系统中，智能Agent 可以作为一个虚拟教师，并开展虚拟教学。这一功能具有导航、解惑等功能，能够帮之学生通过学习来获得自己需要的各种学习资源，从而防止出现学习信息过多和资源迷向等现象。

在虚拟教学的情景中，老师可以根据网络上的教学资源来解决学生的问题，同时也可以对教学的课件、教学方案等运用网络资源来进行修改与完善，因此虚拟教学更能够实现较好的因材施教，提高教学的质量。

（2）学生虚拟化。在这个虚拟环境中，学生不是安排其智力水平、年龄分布来进行分班组织，而是按照学生的个人需求和要求来进行不同团体的学习。在这一虚拟环境之中，学生并不是生物意义上的课堂中的学生，而是指让需要获得学习信息和资源的人进入到虚拟教学环境之中，然后通过其替身来参与到学习活动之中。

（3）教学资源虚拟化。在虚拟教学情景中，教学资源并不是指的一本专业书籍、一个教学方案和一个教学视频等资源，而是指的一种特殊的资源，比如一个多媒体的教学课件、一次虚拟的实验等等。这些教学资源是无形与有形、无限与有限的结合。虚拟的教学资源能够解决在实际教学过程中面临的招生规模扩大所导致的教学资源和教学设备紧张等问题和不足。

2、基于虚拟教学的平台设计和实施

要进行虚拟现实教学的实际应用案例的开发和设计，首先需要对于任务进行必要的分析，从而能够明确任务的目的和相關的性能指标；然后，需要给系统分配合适的硬件资源，如配上合适的现实装备与输入设备，选择适当性价比的虚拟现实引擎等；再便是建立虚拟资源数据库，并对虚拟对象与虚拟场景加以各种物理特征、运动约束以及音频与交互特征等。可分为两个部分：第一部分提出了一种虚拟教学的案例，初步设计出了这一案例的基本结构，并对其中的各个模块的功能和关键技术进行分析；第二部分是一个虚拟教学在课堂应用中的实际案例，并对其进行了详细分析。

2.1结构设计

1、虚拟教学环境平台的基本组成

虚拟教学平台采用模块化可扩展结构，其基本的构成包括管理模块、虚拟教学与学习资源库模块、写作交流模块、网上答疑模块、智能评价模块等。

（1）管理模块

主要执行系统管理和教学管理。系统管理主要包括注册登记、权限设置、公告、咨询等功能，教学管理主要是对授课教师基本情况、学生基本情况、学习情况、课程设置的具体情况进行管理。

（2）虚拟教学资源库模块

要确保虚拟教学过程的顺利进行，需要建立一个资料丰富、查询方便且快捷的资源库。虚拟教学和学习资源库的组织结构可采用模块化方式，以适应教学内容不断拓展的需要。

（3）协作学习模块

虚拟教学的一个突出优势就是在虚拟教学的情景之中，能够实现师生之间、学生之前的实时或非实时的交互，也可以进行对话与协作。当采用实时学习方式时，教师和学生以虚拟替身的方式进入虚拟情景中，观看和操作虚拟物体，获取亲身经历的体验，并相互讨论和协作学习。

（4）智能评价模块

教学评价对教学、学习的具体实施起导向作用，只用建立相应的评价方式才能更好服务于教学。虚拟教学的评价与一般教学评价相比更加困难，评价的尺度更为复杂。

2、虚拟教学平台的技术分析

（1）平台的结构设计实现方案

本平台采用了VRML-Java 同步协调技术，系统结构为3 层B/S 结构，用了Web，VRML，Java等主要技术实现。其中，在客户端采用VRML 与Java Applet结合，Web 浏览器采用IE 或NetscapeCommunication6.0，VRML 浏览器采用CosmoPlay2.1或BS_Contactse VRML 61 等中的任何一款VRML 插件。虚拟单元作为主体部分，提供不同的设定参数，以Java Apple 形式运行，并通过VRML 编程接口EAI 表现虚拟场景的VRML 浏览器通信。VRML 浏览器以插件方式实现，VRML 编程接口EAI 的任务是连接VRML 浏览器合Java Applet，将VRML 浏览器插件封装位Java 类运行。服务器端采用的是Win2000 server 操作系统下的SQL Server2000 来构建的。Java 的开发工具位SLTN 公司的JDK 1.3 和Java3Do Web 服务器负责和浏览器建立初始连接，服务器对象完成虚拟服务的功能。

（2）系统实现的关键技术

VRML 场景模型的构建是平台应用的基础。虽然VRML 提供了大量的造型手段，但直接通过VRML 编程来构建VRML 场景模型是非常困难的。虚拟教学平台在构建时可采用一些可视化造型软件，如利用CAD应用软件Pro/E进行造型然后输人到3DMAX中。3DMAX提供了VRML2.0的接口，具有即时修改和所见即所得的特点，处理方式多样。在3DMAX中进行材质、纹理等处理后，输出为VRML文件，再利用编组节点Group，Transform把它们按照层次体系组织起来，反映情景的空间结构，构成场景图（Scene Graph）。

3、结论

对基于虚拟现实技术的网络教学平台进行认真的研究工作，可以有效地让教师与学生运用这个平台提高机械类学生学习的积极性，还可以对其它学科的教学方法改革提供借鉴。

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