虚拟现实技术在计算机网络教学中的应用研究

夏 燕

一、引言

光纤网络、4G移动网络的诞生，有效地提高了互联网的应用领域，覆盖了物流仓储、政企办公、金融证券、交通城管等多个方面，互联网已经成为社会信息化、智能化和共享化的关键技术之一，也吸引了很多的高校开展计算机网络课程。[1]计算机网络教学需要组建一个功能完善、部署灵活的机房，购置网络服务器、三层交换机、路由器以及管理软件，然后利用这些软硬件设备构成一个健全的网络，实现信息通信服务。[2]但是，由于一些高校资金不足，教学设备购买不全，同时又需要为学生提供实践锻炼的机会，因此网络教学面临着许多问题。虚拟现实是一种可创建和体验的仿真技术，其可以模拟真实的场景，实现多源信息融合，生成一个交互式的三维动态视景，可以使用户沉浸到这个环境操作对象。虚拟现实技术为计算机网络教学提供了一个实训环境，能够在虚拟的教学环境中构建网络拓扑结构和部署软硬件设备，观察、浏览互联网运行细节流程，同时可以远程登录学习，打破传统教学模式，因此，研究虚拟现实技术在计算机网络教学中的应用，具有重要的意义。[3]

二、虚拟现实关键技术

虚拟现实作为当前先进的多媒体计算机技术之一，其集成了很多的先进技术，比如机器学习、模式识别等，以便能够帮助虚拟现实系统识别物体，构建一个输入输出交互系统，因此虚拟现实的关键技术包括跟踪注册技术、显示技术、3D建模技术，如图1所示。

图1 虚拟现实关键技术

(一)跟踪注册技术

虚拟现实系统能够将虚拟信息、真实环境信息进行集成和融合，实现虚实无缝叠加，因此基于跟踪注册技术可以增强物体融合的力度和效果。目前，跟踪注册采用的关键技术包括多种机器学习技术，比如BP神经网络、支持向量机、遗传算法等，这些算法可以准确地从复杂应用背景中识别输入信息特征，将这些特征数据传输给系统交互模块，触发事件流之后就可以完成跟踪注册。[4]

(二)显示技术

虚拟现实系统的显示设备很多，包括头盔显示器和非头盔设备。头盔显示器需要佩戴到观察者头部，能够为用户提供一个信息输出、虚拟融合的镜像。非头盔设备包括3D眼镜、裸眼3D显示器等，能够为用户提供一个强大的操作处理系统，不需要佩戴头盔即可浏览虚拟现实镜像。

(三)3D建模技术

3D建模技术能够对客观世界中的事务进行建模，利用3dsmax、Maya、Sketch Up和Auto CAD等工具设计一个模型，以便能够制作交换机、路由器、服务器、存储器等，更好地模仿真实世界的实际物体，帮助虚拟现实系统实现3D建模。3D建模包括三维模型和动画模型，三维模型属于静态的，动画模型属于动态的，适用于不同网络教学场景，实现网络数据传输和交换。[5]

三、基于虚拟现实技术的计算机网络教学模式

(一)模式创新设计

基于虚拟现实技术的计算机网络虚拟教学环境可以突破时空限制，用户进入到虚拟教学系统之后，该系统就可以根据实际需求生成各类型网络拓扑设备，为用户提供一个娱乐性十足的学习环境，激发学生的创造力和学习积极性。虚拟现实计算机网络教学系统核心功能包括GUI界面、渲染算法、应用逻辑组件、实例脚本和视频渲染场景。[6]GUI交互界面能够为学生和教师提供一个可视化的学习向导，学生可以通过该向导输入很多的信息，这些信息包括各类型设备信息，比如服务器、路由器、交换机、终端电脑等，还可以利用虚拟学习环境实现TCP协议、IP协议、FTP协议等内容，更加形象地掌握各类型网络协议实际执行情况，提高学生学习效率。应用逻辑组件作为一个服务器模型，其可以利用各类型的设备数据进行驱动，比如可以催化网络设备操作部件，产生一个三层的设备信息模型，该模型能够经过驱动之后形成一个良好的设备模型。[7]

虚拟现实网络教学系统在执行时可以划分三个层次，分别是用户终端层、虚拟渲染层、后台资源层，每一个层次之间都可以使用接口进行连接，接口可以实现用户信息认证、组件模型传输、应用服务处理，系统需要将服务器和用户逻辑业务隔离起来，这样就可以保护每一层的资源是逻辑独立的，能够为网络教学提供强大的支撑。虚拟现实网络教学系统的主要功能包括以下几个方面：

1.直播教学功能。虚拟现实网络教学系统可以采用云计算、流媒体等功能，为学生提供一个直播课堂功能。直播教学能够实现在线直播、在线点播、在线回访等功能，满足不同学生的实际学习需求。直播教学开展时，用户还可以在嵌入的实时聊天系统内沟通、交流，建立一个兴趣学习小组，相同兴趣的学生可以加入到该小组，探讨不同的学习问题，保证用户的良好操作服务，保证业务的实时化管理。

2.课程设计功能。虚拟现实网络教学系统可以构建一个仿真的学习、实践环境，教师讲授一段课程内容之后，可以布置实践操作任务，学生登录仿真实践环境，可以根据任务需求设计图纸，实现边学边练。该功能开发中采用了虚拟现实、3D建模、自然手势识别等技术，可以提高虚拟教学系统的沉浸感和真实感，确保用户操作的可靠性。虚拟现实能够为用户提供强大的操作支撑，为用户提供有力的信息管理模式。[8]课程设计过程中，利用3D建模可以构建一个强大的操作服务功能，该功能能够利用强大的操作管理内容，构建一个强大的操作支撑，利用3dsmax、Maya、Photoshop等集成化的软件构建一个建模功能，实现信息的操作服务功能，利用骨骼、蒙皮构建动态的操作处理模式，保证业务的实时化开展，实现信息的加工和服务，进一步提高企业的良好处理能力。自然手势识别可以利用数据处理、机器学习等功能，进一步管理企业的交互性、透视性和友好性，保证用户操作的良好体验，方便用户交流使用。

3.学习中心管理功能。虚拟现实网络教学系统拥有较多的用户，同时也需要为课程提供一个服务中心，这样就可以保存学生、课程、教师的基本信息，实现课程教学实时管理，能够实现用户并发接入系统、知识点点播、学生作品保存等功能。学习中心利用虚拟现实构建教学系统实现信息加工和服务，方便用户接入到系统，实现一个强大的操作管理模式，利用先进的数据处理能够进行知识点的点播，保证知识中心的数据处理功能，实现信息的加工和服务。学生作品创建过程中，人们可以根据实际的操作需求，通过先进的管理和具有实时化、沉浸感的操作，利用信息服务为用户提供强大的支撑。

(二)应用效果分析

虚拟现实技术应用于计算机网络教学之后，可以有效地提升互联网教学成效，具体的应用效果包括以下几个关键方面：

1.一对一教学提高教学专业化

虚拟现实技术应用于计算机网络教学之后，计算机网络专业的教师可以为每一个用户分配一个账号，同时在脚本实例中设计网络组建、部署、运行案例，根据网络教学案例的指导学习网络知识，学生可以在教师教导、巩固练习下，掌握互联网的相关知识。因此，虚拟现实环境下的计算机网络教学可以实现一对一授课、备课，能够完善教学资源，保证学生学习网络知识的积极性、主动性，能够在教学中渲染网络教学协议，因此更加专业。

2.进一步降低网络设备购置费用

虚拟化的教学环境中，路由器、交换机、服务器、光纤等网络设备均为3D模型，这些模型利用3dsmax、Maya等软件编辑制作而成，不需要购买，学校只需要购置一套软件即可满足教学需求，同时这套软件可以根据教学需求动态化地更新，实现最新的互联网教学拓扑结构组建，配置最新的互联网通信设备和协议，实现网络架构的创新，具有重要的作用和意义。[9]

3.统一部署教学环境以提高系统维护效率

基于虚拟现实的网络教学环境可以为用户提供升级、维护的环境，这个环境不需要专业的管理员进行监管，系统运行过程中可以时刻统计和分析运行状态，如果需要更新和维护，只需要向用户推动最新的客户端程序，无需逐台测试就可以完成运行。[10]

4.寓教于乐以激发学生的积极性和主动性

基于虚拟现实的互联网教学平台可以模拟真实环境，向用户展示软硬件资源的协议运行情况，定制个性化的网络教学需求，能够创造性地展示可视化网络通信状态数据，满足互联网的操作需求，提高了互联网教学的直观性，寓教于乐，激发了学生的兴趣。[11]

总之，计算机网络教学是一个动态的、革新的培训模式，可以为当前的政企单位提供实用型、创新型人才，进一步确保高效计算机网络教学的质量。为了解决时空限制、教学成本等问题，利用虚拟现实技术开发的这一个计算机网络教学系统，能够为学生提供一个沉浸式的寓教于乐的学习环境，提高学生学习的积极性。