基于VR技术的在线教学平台设计与实现

王克君 王哲河 李达辉

（海南热带海洋学院计算机科学与技术学院 海南省三亚市 572022）

1 引言

随着5G 通信技术的日趋成熟和互联网的高速发展，人们对视频（声音）、图像的体验感要求越来越高。然而，有时人们无法亲临真实环境但又想有如同身临其境的体验感。为了实现这些应用需求，虚拟现实技术应运而生。虚拟现实技术是利用计算机技术来模拟生成具有视觉等多种感官的逼真的虚拟环境，使用户可以进入到虚拟世界中，同虚拟环境中的物体进行交互，产生前所未有的现场沉浸感。除了沉浸感(Immersion)、实时交互性(Interactivity)、构想性(Imagination)等特征之外，它还具有趣味性，自主性，灵活性，创新性，震撼性等特征。由于它的这些特征，引起了各界的广泛关注，被应用到军事训练和对抗演练，工业产品设计，娱乐游戏，虚拟手术训练和教育等领域。

近年来，国内外“VR+教育”成为新的研究热点。2016年4月14日，工业和信息化部中国电子技术标准化研究院发布了《虚拟现实产业发展白皮书(2016年)》，从国家层面去规划和支持VR 应用的发展。2018年12月25日又发布《关于加快推进虚拟现实产业发展的指导意见》，提出加快我国虚拟现实产业发展，推动虚拟现实应用创新，培育信息产业新增长点和新动能。2021年10月19日工业和信息化部中国电子信息产业发展研究院发布了《虚拟现实产业发展白皮书(2021年)》，并分析虚拟现实产业现状、特点及趋势，预计虚拟现实产业将进入新一轮爆发增长期； 2017年12月9日教育部教育装备研究与发展中心虚拟现实教育应用研究院成立，标志着基于VR 技术的教学模式正式得到教育行政主管部门的认可。国外则在新技术与研发投入均比较明显。2015年9月，谷歌启动了Expeditions Pioneer项目,正式涉足VR 教育。2021年8月19日Facebook 推出 VR 远程工作应用程序，并称其为迈向“元宇宙”的一步。Facebook 创始人扎克伯格日前表示将继续向VR 教育投资巨资，以协助技术开发并培训人们使用增强现实和虚拟现实工具,同时宣布将与 Coursera 和 edX 合作，帮助推动 Meta 的增强和虚拟现实课程即Spark AR 课程 [；加利福尼亚大学发布3D 开源数据集OpenRooms，旨在帮助用户操纵室内3D 场景中的对象、材料、照明等。目前VR 技术在教育领域的应用探索几乎覆盖了各个教育阶段，包括小学，初中、高中、大学以及职场培训等。但国内针对VR 教育的实际应用案例比较少，因此，本文则试图从实现角度完成一套简单实用的在线虚拟教学平台。

图 1：虚拟教学平台功能模块示意图

2 虚拟教学平台的功能描述

在线虚拟教学是基于虚拟现实技术在虚拟空间中进行教育学习的一种新型教学模式，它通过构建一个虚拟的教与学环境，然后通过对知识点客观、真实地模拟重现，使教师和学生在虚拟环境中完成教与学的全过程。整个过程要求教学理念、教与学关系、教学组织及教学手段等方面必须做出相应的调整。

为此，本文通过线下对实际教学环境的实地考察，以实际教学环境作为虚拟教学环境为参照，由墙壁、地板、门、黑板、讲台、桌子、椅子、窗户、窗帘、风扇、吊灯等环境要素构成。根据大学生的好奇心重、学习能力强、思维活跃等特点，结合VR 技术的特点，设计并开发一套简易适合当代大学生的在线虚拟教学平台，试图为传统书面“满堂灌，学生被动听”的乏味教学方式，注入具有趣味性的VR 教学功能，让观察式学习、体验式学习和实际操作学习等学习模式进入课堂，激发他们的学习兴趣。该虚拟教学平台主要功能模块包括虚拟教学环境及其要素模型设计，虚拟教学功能划分，教学功能又进一步分为板书教学功能和视频教学功能等，如图1所示。

3 虚拟教学平台设计

根据第2 节的功能模块规划，我们需要逐一对各个模块的进行设计，在虚拟教学环境中实现传统教学模式中主要环境及相关要素的设计，教学板书功能设计、视频播放功能设计等。本文采用了3DsMAX 建模软件的高精度3D 模型和高分辨率材质，配合Unreal Engine 4 引擎的光照系统所营造的动态光照效果，构建出了逼真的虚拟教学环境。

3.1 虚拟教学环境要素模型设计

（1）桌子模型设计。整体长66 厘米，宽44 厘米，高75 厘米，抽屉长55 厘米，宽33 厘米，高18 厘米。材质上还原木制桌面，金属制桌腿和抽屉，其视觉效果如图2(a)所示。

图2：桌子，椅子模型

（2）椅子模型设计。整体长41 厘米，宽36 厘米，高74 厘米，坐垫高度40 厘米，靠背高度34 厘米。材质上还原木制坐垫和靠背，金属制框架，其视觉效果如图2(b)所示。

（3）风扇模型设计。整体半径为70 厘米，高度46 厘米，可通过触碰交互开关模拟风扇转动。材质上还原为金属材质，其视觉效果如图3(a)所示。

图3：吊扇，灯管模型

（4）吊灯模型设计。整体长122 厘米，高64 厘米，灯光直径2 厘米。结合光照系统可模拟现实灯光效果，材质上还原为金属制支架和亮白色灯泡，其视觉效果如图3(b)所示。

（5）风扇模型设计。窗帘模型设计。整体长224 厘米，高255 厘米。材质上还原金属制支架和布料材质窗帘，其视觉效果如图4(a)所示。门窗如4(b)、4(c)，其参数省略不再详叙。

图4：窗帘，门，窗模型

（6）黑板模型设计。整体长404 厘米，高164 厘米，厚度为15 厘米，分为4 个子黑板和1 个白板，单个子黑板长100 厘米，高154 厘米，厚度为4 厘米，白板长190 厘米，高154 厘米，其中中间的两块子黑板可移动。材质上还原金属边框和绿色板面，其视觉效果如图5(a)所示。

图5：黑板，讲台模型

（7）讲台模型设计。整体长110 厘米，宽74 厘米，高100厘米。材质上还原为金属材质，其视觉效果如图5(b)所示。

（8）教室模型设计。整体长9 米，宽6.9 米，高3.4 米，由简单的立方体墙壁、地板、天花板等构成。

将上述环境要素模型整合后，从前后方视角观察，其效果分别如图6，7所示。

图6：教室前方视角

图7：教室后方视角

3.2 虚拟教学动态互动元素设计

（1）板书要素功能设计。它包括控制对象、粉笔和黑板。其中控制对象即为用户在虚拟场景中的化身，是VR 线上教学模式的主体，一切交互功能都需要围绕控制对象加以实现，用户通过VR 手柄操控控制对象进行一切交互行为。控制对象的Motion Controller Pawn 负责实现用户的基本操作，简单的用户交互操作和用户移动操作等；粉笔在其3D 模型的基础上将其实现为可交互蓝图类，让用户能够将其拿在手中；黑板的交互功能即实现其在现实中的教学功能，结合前面的两个部分，实现其移动功能及书写功能，用户通过手柄控制内嵌黑板将其左右拖动以及用户手握粉笔在黑板上进行书写。

（2）黑板移动功能设计。通过检测用户手部是否接触黑板且按下pick up 交互按钮，若满足以上条件则跟踪用户手部坐标，将被交互的黑板进行坐标跟踪变换，当用户手部结束与黑板的接触时结束黑板移动操作，其部分蓝图代码如图8所示。

图8：黑板移动蓝图代码

（3）书写功能设计。通过检测用户手部是否握住粉笔且粉笔是否接触黑板，若满足以上条件则跟踪粉笔绝对坐标，通过与当前接触的黑板绝对坐标进行坐标换算得到相对坐标，然后通过Widget 组件实现的画布配合自定义的绘制函数，在帧间隔内将帧前后相对坐标连成线并绘制到画布上渲染出来，实现在黑板上书写的效果，当用户握住的粉笔结束与黑板的接触时结束书写操作，其部分蓝图代码如图9所示。

图9：黑板书写蓝图代码

图13：虚拟教学情景——教师视角

（4）视频教学功能设计。它包括控制器和视频播放器两部分。控制器需在原有的基础上添加控件交互组件，用以与视频播放器进行交互。而视频播放器则通过继承编辑器工具控件加以实现，与常见的播放器类似，具备基本的视频切换、变速、播放暂停、进度调节和音量调节功能，其界面如图10所示，其部分蓝图代码如图11所示。教师播放视频的同时学生也可在自己的视频播放器上同步教师所播放的视频，以达到最佳的视频教学效果。

图10：视频播放器界面

图11：视频播放器代码

3.3 虚拟教学情景渲染

根据3.2 节的设计，我们编码实现虚拟教学情景如图12，13 所示，两个图均是模拟老师在为学生讲解正方体、长方体和球体等几何模型的情景，只是观察的视角不同而已。从图中，我们可以看到，学生可直观的理解这些几何模型的结构特点。除此之外，还可以利用VR 物体3D 展示功能展示更复杂的生物体和机械结构，能够更加全面和详细描述所示的物体，让学生更加快速准确的理解其三维结构和运动模式。图14为学生（带头显）通过终端接入在线虚拟教学平台后的情景。

图12：虚拟教学情景——学生视角

图14：学生终端登陆平台的情景

3.4 虚拟教学平台的拓扑结构

该平台的拓扑结构如图15所示，包括学生端，教师端，Web 服务器和数据库服务器，它们之间是通过VR 设备（头显）、网络设备进行数据传输和存储。老师和学生均可通过终端登陆VR 教学平台，整个上课过程，师生都需要带头显，否则无法看到虚拟场景。

图15：虚拟教学平台的拓扑结构图

4 结论

本论文主要基于Unreal Engine 4 工具和VR 技术，设计并开发一套面向当代大学生的在线虚拟教学平台。将日常教学全过程融入到虚拟教学环境中，利用先进的通信技术和3D 技术，实现即时、交互、仿真的教学环境，让五湖四海的同学可以集聚到同一个教室，同一场景，同一个老师，上同一门课，从而实现教学资源的共享。但受硬件设备和资金限制，目前该平台还有许多功能尚未完全实现。比如，VR Office 课件教学、VR 物化生实验室、VR 物体3D 展示、VR沉浸式事件体验教学、VR 体育运动、VR 大型多人互动教学等，这也是我们下一阶段研究的重点。