基于虚拟现实的计算机专业线上线下混合式教学系统设计

摘要：针对现行系统在计算机专业线上线下混合式教学场景中应用的流畅性、仿真性较差等问题，文章提出基于虚拟现实的计算机专业线上线下混合式教学系统设计，采用B/S结构（Browser/Server Architecture）模式构建由表示层、业务逻辑层和数据层组成的系统架构。在系统硬件方面对虚拟现实设备选型与设计，在系统软件方面采用虚拟现实技术构建混合式教学虚拟场景，实现虚拟教学交互，以此完成基于虚拟现实的计算机专业线上线下混合式教学系统设计。实验证明，设计系统仿真度不低于90%，混合式教学交互中帧数不低于300个，系统仿真性能与流程性能良好，在计算机专业线上线下混合式教学领域具有良好的应用前景。

关键词：虚拟现实；计算机专业；线上线下混合式；B/S结构；虚拟现实

中图分类号：TP434" 文献标志码：A

0 引言

随着信息技术的快速发展，教育领域正经历着前所未有的变革。传统的课堂教学方式，虽然能够为学生提供基础的理论知识和实践经验，但在培养学生的创新思维、实践能力以及解决复杂问题的能力上，往往显得力不从心。尤其是在计算机专业教学中，由于技术的快速更新迭代，传统教学模式已经难以满足社会对高素质计算机专业人才的需求^［1］。因此，探索新型的教学模式，尤其是将线上线下混合式教学理念引入计算机专业教学，开发与设计教学系统开展专业教学，已成为当前教育领域研究的热点^［2］。在线上线下混合式教学模式下，教师可以根据学生的实际需求和兴趣点，灵活地选择教学方式和手段，为学生提供更加个性化、多样化的学习体验。

近年来，已经有很多学者对计算机专业线上线下混合式教学系统设计进行了研究，例如，苏雪琼等^［3］提出了URAI联动教学生态系统，采用URAI联动模式整合与共享学习资源，实现师生、生生之间的线上互动，开展教学活动。吴侨^［4］提出了基于增强现实技术的教学系统，通过增强现实技术实现互动式实验操作模拟与虚拟物体渲染交互。虽然现有的系统提高了计算机专业教学数字化与信息化水平，提高了教学效率，但是仍然存在一些弊端和不足，在实际应用中系统流畅度较低，单位时间交互中帧数量较少，并且系统对计算机专业虚拟课程仿真度比较低，无法到达预期效果。基于此，本文提出了基于虚拟现实的计算机专业线上线下混合式教学系统。

1 计算机专业线上线下混合式教学系统架构设计

系统架构采用B/S结构模式^［5］，由表示层、业务逻辑层和数据层3部分组成，系统架构如图1所示。

2 计算机专业线上线下混合式教学硬件设计

2.1 VR设备

虚拟现实（Virtual Reality， VR）设备主要应用于系统线上虚拟教学中，其功能是将系统构建的二维虚拟场景进行三维展示^［6-7］。根据需求此次选用IHFA0-010VR，其主要由定位器、VR眼镜、控制手柄3部分组成，定位器实现定位用户在虚拟场景中的位置，VR眼镜实现虚拟场景投影，控制手柄实现虚拟教学场景控制，赋予学生在场景中的触感。控制手柄上设定YCV、TVD、YUHB按键，分别为控制菜单、虚拟场景选择、虚拟视角转换。

2.2 控制器

该控制器以Struts2为基础，通过对教学系统中的表格数据进行采集和组织，形成一个统一的数据参量对象。Struts2架构会根据使用者所提交的网页请求类型，自动地将参数物件分配给对应的控制器以供处理，系统调用服务控制接口，处理与表单数据相关的事件^［8-9］。这些事件可能包括数据验证、业务逻辑处理或数据库交互等。一旦服务器接口完成数据处理，控制器会将处理结果打包并分发给对应的视图进行展示。这样，用户可以直观地看到系统对表单数据的处理结果。

3 计算机专业线上线下混合式教学系统软件设计

系统的核心功能为混合式虚拟教学，因此结合系统架构与硬件设计，采用虚拟现实技术构建混合式教学虚拟场景，实现系统与用户的虚拟仿真交互^［10］。系统数据库中存储着海量的计算机专业实习、实训图像，虚拟现实技术是将海量图像拼接到三维虚拟场景中，仿真实习、实训场景。由于真实实训场景的图像数据格式与虚拟现实所需的数据格式之间存在不兼容的问题，故首先采用加权函数对计算机专业实习、实训图像格式转换，其用公式表示为：

C=∏Sj=1Xj·ac（1）

其中，C为转化后的计算机专业实习、实训图像；j为数据库中实训图像数量；S为数据库图像集；Xj为图像集中第j个实训图像；a为图像权重系数，根据每个图像的重要性和相关性进行权重分配；c为转换系数。由于原始图像可能存在重叠部分，采用二值转换算法对图像进行变换处理，对重叠区域仅保留一份，其用公式表示为：

K（x，y）=∑j=1ε·s·Cj（2）

其中，K（x，y）为变换后的图像K中像素点（x，y）值；ε为平移参数；s为旋转参数。当数据准备完毕后，利用虚拟现实加载数据库图像，利用变换矩阵为这些图像数据构建一个针对空间场景的二维图示，这个图示实际上就是一个虚拟的计算机专业实训场景，它完全基于真实实训图像数据生成，这个场景的构建过程可以如下公式表示：

Z=K（x，y）LV（3）

其中，Z为生成的计算机专业虚拟实训场景；L为图像空间维度；V为图像投影映射矩阵。通过上述一系列图像转换和构建过程，将真实计算机专业实训图像数据在虚拟现实软件中进行多维转换，生成计算机专业虚拟实训场景，结合系统硬件设备实现混合式教学虚拟交互，以此完成系统设计。

4 实验论证

4.1 实验准备与设计

为了使此次研究具有一定的学术与参考价值，采用对比实验的方式对本文设计的基于虚拟现实的计算机专业线上线下混合式教学系统的流畅性与仿真性进行检验，实验选择苏雪琼等^［3］提出的URAI联动教学生态系统、吴侨^［4］提出的基于增强现实技术的系统与本文设计系统对比。利用仿真度来检验系统教学的仿真性能。仿真度是指虚拟仿真的教学场景与理想场景的相似程度、相关程度以及贴近程度，随机抽取仿真场景中3个点位，将其与实际场景中点位坐标作差，计算出虚拟教学场景的仿真度，其计算公式为：

E=∫^i∈Ni=1（ei-vi）（ei+vi）/eivi（4）

其中，E为线上线下混合式虚拟教学中虚拟课程仿真度；i为验证点位数量；N为虚拟课程场景点集；ei、vi分别为课程场景中点位斜率与实际斜率。仿真度值域为0～100%，数值越高，说明系统虚拟课程与实际越相符，学生体验感越好。

实验以某所高校为实验环境，选取该高校计算机专业100名学生与10名教师为系统用户，按照以上系统硬件与架构完成系统组装，学生与教师在系统上完成注册后开展课程线上线下混合式教学。系统应用过程中统计虚拟课程仿真度和混合式教学交互中的帧数，评价系统性能。

4.2 实验结果与讨论

3种系统在计算机专业线上线下混合式教学场景中虚拟课程仿真度和教学交互中帧数如表1—2所示。

从表1中数据可以看出，设计系统仿真度始终高于90%，平均水平为97.35%，比URAI联动教学生态系统高将近14%，比基于增强现实技术的系统高将近24%，证明在仿真性能方面设计系统更具优势。从表2中数据可以看出，设计系统交互操作中帧数是URAI联动教学生态系统的1.24倍，是基于增强现实技术系统的1.35倍，证明在流畅性能方面设计系统也具有优势。通过以上对比与分析证明，本文设计系统更适用于计算机专业线上线下混合式教学。

5 结语

基于虚拟现实的计算机专业线上线下混合式教学系统设计，不仅是教学领域的一次重要尝试，更是对未来教育模式的新探索。通过引入虚拟现实技术，成功地为计算机专业的学生创建了一个线上线下无缝衔接、沉浸式的学习平台。这一系统的设计，不但丰富了教学手段，提升了学生的学习体验，而且有效地促进了师生之间的交流与互动。这一系统的成功实施，意味着教育技术的进步正在逐步改变着传统的教学方式，为学生提供更多元化、个性化的学习选择。同时，也应意识到，系统的设计和实施只是第一步，未来将继续深入研究和探索，不断优化和完善这一系统，以满足学生日益增长的学习需求。

参考文献

［1］齐佳欣.“互联网+”时代基于人工智能技术的深度学习教学系统设计［J］.信息与电脑（理论版），2023（12）：235-238.

［2］赵成丽.基于元学习推荐算法与CDIO的线上线下混合式教学系统设计［J］.微型电脑应用，2023（3）：156-160.

［3］苏雪琼，崔丽彬，刘凤艳，等.混合式教学中基于逆向教学设计的URAI联动教学生态系统［J］.高教学刊，2024（18）：124-127.

［4］吴侨.基于增强现实技术的高校工科专业实践仿真教学系统设计［J］.信息与电脑（理论版），2024（6）：251-253.

［5］李伟斌.智慧校园背景下基于B/S结构的智慧教学系统设计研究［J］.信息与电脑（理论版），2024（1）：37-39.

［6］田胜利，胡涛，杜根远.基于虚拟仿真技术的函数传参实验教学系统开发与应用［J］.漯河职业技术学院学报，2024（3）：28-32.

［7］皇甫浩然，杨蕊华，胡明林，等.基于虚拟现实技术的气动式多轴数控攻丝机虚拟仿真教学系统开发［J］.机电产品开发与创新，2023（4）：169-171，191.

［8］孙树文，丁家旺，董明杰，等.基于数字孪生的模块化生产系统实践教学平台设计与实现［J］.实验技术与管理，2024（3）：244-250.

［9］冯梅.基于Web技术的计算机专业本科阶段远程辅助教学系统设计［J］.信息与电脑（理论版），2024（1）：111-113.

［10］边亚东，王凯，袁振霞，等.工程地质学课程野外滑坡监测与工程防治虚拟仿真实验教学系统建设［J］.中国现代教育装备，2023（3）：23-27.

（编辑 沈 强编辑）

Design of online and offline hybrid teaching system for computer major based on virtual reality

HUANG" Huijing

（Yichun Vocational Technical College，Yichun 336000， China）

Abstract：" Aiming at the problems of poor fluency and simulation in the application of the current system in blended online and offline teaching scenarios for computer majors， a design of a blended online and offline teaching system for computer majors is based on virtual reality proposed. The article adopts the B/S （Browser/Server Architecture） architecture pattern to construct a system architecture consisting of presentation layer， business logic layer， and data layer. In terms of system hardware， the article selects and designs VR devices， and in terms of system software， uses virtual reality technology to construct a hybrid teaching virtual scene to achieve virtual teaching interaction， thus completing the design of a blended online and offline teaching system for computer majors based on virtual reality. Through experiments， it has been proven that the simulation degree of the designed system is not less than 90%， and the frame number in hybrid teaching interaction is not less than 300. The system simulation performance and process performance are good， and it has good application prospects in the field of online and offline hybrid teaching in computer science.

Key words： virtual reality; computer major; online and offline hybrid; B/S structure; VR equipment