基于“互联网+”的虚拟现实（VR）计算机辅助教学系统设计

刘泽宇　张思维　陆觐　万航　王可拼　王亚莉

摘 要 目前主流的课件制作方式主要是幻灯片或者动画，对于图文信息呈现时直观度有限。虚拟现实技术作为创建模拟环境的计算机系统，能够给用户身临其境的沉浸式体验。利用虚拟现实技术设计虚拟现实计算机辅助教学系统，教师使用系统设计制作课件，有效实现将学习内容以可感的方式呈现给学习者。其分为教师端和学生端。教师端主要功能为VR课件的制作和上传。学生端能够实现VR课件播放，教师端和学生端之间通过p2p联机，构成线上VR交互式多媒体教室系统。

关键词 虚拟现实 计算机辅助教学 课件制作系统 VR 教学系统

中图分类号：G424 文献标识码：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2019.06.062

Computer Aided Teaching System Design of

Virtual Reality （VR） Based on Internet +

LIU Zeyu， ZHANG Siwei， LU Jin， WAN Hang， WANG Kepin， WANG Yali

（Jiangsu Second Normal University， Modern Media Institute， Nanjing， Jiangsu 210013）

Abstract At present， the mainstream way of courseware production is mainly slide or animation， which has limited intuition when presenting graphic information. As a computer system for creating simulation environment， virtual reality technology can give users immersive experience. Using virtual reality technology to design virtual reality computer-aided instruction system， teachers use system design to make courseware， effectively realizing the presentation of learning content to learners in a sensible way. It can be divided into teacher-side and student-side. The main function of the teacher end is to make and upload VR courseware. Student side can play VR courseware， and the online VR interactive multimedia classroom system is composed of teacher side and student side through P2P.

Keywords Virtual Reality； CAI； courseware making system； VR； teaching system

1 系统概述

自2016年VR技术的普及以来，根据对VR在技术应用的领域分布的调查，可以发现教育在VR的应用中和娱乐比起来还有很大差距，VR教学应用的发展难度和技术瓶颈限制了VR教育的发展。为了解决这个问题，本项目组设计了一个基于互联网的VR计算机辅助教学系统，其分为教师端和学生端。教师端集VR课件写作系统、VR工具组件与课件云分享为一体，实现VR课件的制作和上传。学生端集VR课件播放系统、课件云读取系统及课件云评价系统为一体。本系统为教师提供了基于VR的课件写作系统，其方便易上手程度甚至高于图形界面。教师端和学生端之间可以通过p2p联机，构成线上VR交互式多媒体教室系统，实现突破空间的VR情境教学。学生端也可以单独对上传到云上的VR课件进行下载使用，实现突破时间的VR情境教学。VR具有沉浸性、互动性、创造性等特点，是其他辅助教学模式无法比拟的。为教师构建虚拟现实计算机辅助教学系统，将助力更多VR课程的开发，为网络交互课程带来更好的用户体验。

2 系统设计

VR设备（以HTC Vive为例）感知用户位置输入、手柄按键输入以及语音输入。通过HMD反馈给用户。系统软件凭Unity物理引擎，以C#语言进行设计。通过VR设备，以教师客户端为host，学生客户端为client，实现P2P系统客户端之间的联机。另外架设服务器作为素材库，以供用户上传和下载课件和模型。虚拟现实系统的模块如图1。

图1 虚拟现实系统的模块

2.1 教师端

2.1.1 VR工具组件

VR工具组件指为了帮助和支持课件的开发，提高课件的质量，使用VR交互界面制作课件素材的软件内置组件。

模型制作工具：可以在虚拟空间中建立二维图像或三维模型。包括基本图形建造工具，变形工具，画笔工具，颜色工具，雕刻工具，复制粘贴工具，焊接解绑工具。

场景制作工具：可以对当前虚拟场景进行编辑。包括地形雕刻工具，场景材质选择工具，模型导入工具。Skybox工具。

2.1.2 VR課件写作系统

VR课件写作系统指为了免除教师学习程序设计语言而设计的使用VR交互界面的软件内置组件。

素材导入模块：该模块可以导入外部准备的图片、文字、音频、视频、模型等素材。也可以直接调用素材库里的模型、动画、场景等。

文字编辑模块：该模块可以在三维虚拟空间中建立立体文本框用于输入文字并能进行属性格式编辑，通过控制器上的触摸板和虚拟键盘共同实现文字输入。

动画制作模块：该模块可以对导入素材的运动路径和属性变化进行录制。通过时间轴和录制按钮。可以实现对整个场景一切运动和变化的记录。速度编辑工具可以控制运动的速度。用户可以决定在任何地方暂停、播放、快慢放和倒放。

对象关系模块：该模块可以规定导入素材的类与对象的关系，便于统一设置和管理。可以自己创建也可以直接套用预设。比如设为“背景”的对象就不收物理效果影响，而设为“物理”的对象就受设置的物理规则的影响。

互动模块：该模块可以决定用户和素材间的互动模式，互动模式主要分为抓取互动，接触互动，视线接触互动和无互动。

抓取互动指动作在用户抓取对象时发生。接触互动指动作在用户在虚拟空间中的碰撞箱与对象接触时发生。视线接触互动指动作在用户在HMD中显示图像的中心视线与对象接触时发生。无互动指对象和用户间没有互动关系。动作为音视频的播放，动画的播放，模型的显现，文字的显现，场景的切换等。

2.1.3 课件云分享

课件云分享指用户在该系统中创建的一切素材，包括单个素材（如制作的模型和动画等）或整个课件项目都可以上传到云端素材库进行分享。也可以从素材库中下载任何共享的资源。

2.2 学生端

VR课件播放系统：该系统让用户可以加载教师制作的课件项目，并在此之中互动。VR课件录制系统：该系统让用户可以录制自己或其他用户在此课件中的互动和交互。课件云下载：该功能让学生可以从素材库中下载教师上傳的课件项目。课件云评价：该功能让学生可以对该课件进行评价，评价会显示在课件下载页中。

2.3 素材库

素材库是所能使用的素材的合集，用户可以从中提取或上传素材，分为线上素材库和本地素材库。本地素材库中为系统预设的素材和用户保存的素材以及用户本地电脑中的素材。线上素材库中为用户上传或我们官方更新的素材。素材库的内容分类主要为课件、模型、场景、动画、化学模拟、对象、函数、逻辑、工具，此分类方法按功能分类，当然，在用户大量上传课件和素材后，还可以通过大数据按学科、时间、领域、评价结果等分类。

2.4 线上VR多媒体教室系统

线上VR多媒体教室系统指通过互联网p2p技术，以教师客户端为host，学生客户端为client进行联机。一个host可以对应多个client，所以一个教师可以同时和多个学生进行互动，甚至如果有其他教师作为client加入，可以实现多个教师学生共同互动与在同一虚拟空间中的沉浸式教学。选用P2P而非c/s模式的原因是，p2p不需要另外建立服务器，简便成本低，避免了与服务器之间连接不好导致的延迟等问题，并且可以在真实的教室环境中利用局域网快速联机。所以说，本系统既可以实现教师与学生的教学发生在世界上任何有互联网的地方，也可以放在传统教室中应用。

VR设备自带语音输入系统，教师和学生可以在此用语音交流。教师在此可以给学生们演示讲解课件，或让学生与课件内容互动。教师也可以现场利用课件写作工具和素材库创建教学内容，或开放工具给学生们一起制作，进行启发式教学。学生与教师互动的同时也可以与同学进行互动，并可以把课堂内容通过录制系统录制下来，进行回看和复习。

2.5 其他输出形式

除了VR头部显示器输出以外，本系统还可以采用传统显示器输出和全息投影输出两种形式。在VR头部显示器输出的同时，PC端的传统显示器可以展现VR显示器的内容，让旁观者也能看见VR设备穿戴者的视角，除此之外，PC端可以通过键鼠操作进行一部分的设计、素材导入等操作，并和VR穿戴者进行一定的互动。对于在系统中用户建立的模型和素材，本系统还添加了全息投影的输出模式，建立的模型可以打包以obj格式导出，一方面便于素材格式的统一和素材库的上传，另一方面可以通过全息投影模式输出，例如教师可应用360度全息显示屏像技术在普通教学环境下向学生全景展示模型。

3 结语

基于“互联网+”的 VR计算机辅助教学系统基于虚拟现实平台、互联网络、计算机系统、Unity引擎、C#编程语言、数据库等技术开发，设计符合教育学理论与规律，能够实现VR平台上的课件设计和线上教学及反馈。系统的使用可以简化VR课件的制作难度，降低教师制作VR课件的技术门槛，扩大VR课件制作者的范围，具有较大的市场价值和发展空间。

【课题项目】江苏省大学生创新创业训练省级重点项目《基于互联网+的虚拟现实（VR）计算机辅助教学系统设计》（编号：201814436006Z）

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