虛擬現(xiàn)實技術(shù)在遠程教學(xué)導(dǎo)航中的應(yīng)用研究*

☆ 梁智杰 冉利龍 萬 嵩

（西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院，四川綿陽 621010）

一、引言

教學(xué)導(dǎo)航系統(tǒng)的主要任務(wù)就是為學(xué)習(xí)者準(zhǔn)確地提供學(xué)習(xí)定位，并幫助其制定學(xué)習(xí)策略和組織知識結(jié)構(gòu)，以增強學(xué)習(xí)者的定位意識，提高學(xué)習(xí)效率[1]。目前，國內(nèi)的教育機構(gòu)已紛紛嘗試開發(fā)教學(xué)導(dǎo)航系統(tǒng)，比較有代表性的就是“北大英雄”。它是一款以北京大學(xué)為背景的角色扮演游戲，玩家在游戲中扮演一名北大新生，在校園內(nèi)進行報到注冊、領(lǐng)取校園卡、熟悉校內(nèi)選課、學(xué)生自主中心、社團、食堂、圖書館等生活情景。通過此類教育游戲，不僅可以使新生直觀地感受北大校園風(fēng)光，而且對他們從入學(xué)到畢業(yè)很多教學(xué)活動環(huán)節(jié)進行引導(dǎo)和有效定位，使學(xué)生提前適應(yīng)并融入校園生活[2]。

但是，在遠程教育方面尚無此類導(dǎo)航系統(tǒng)的研究。由于現(xiàn)代遠程教育過程中學(xué)生和教師、學(xué)生與學(xué)生時空準(zhǔn)永久性分離的特點，使得遠程學(xué)生無法像普通全日制在校生一樣實時開展學(xué)習(xí)活動，準(zhǔn)確掌握教學(xué)管理信息；不知道在某個時段應(yīng)該做什么，如何去做，從而造成嚴(yán)重的“迷航”現(xiàn)象，也削弱了遠程學(xué)習(xí)者對學(xué)校的歸屬感。

基于此，文章在研究現(xiàn)代遠程教育機構(gòu)輔助支持服務(wù)的基礎(chǔ)之上，提出了一種基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的遠程教育導(dǎo)航系統(tǒng)，并提供了新的開發(fā)途徑和模式。

二、虛擬現(xiàn)實技術(shù)概述及其在遠程教育導(dǎo)航中應(yīng)用的必要性

（一）虛擬現(xiàn)實技術(shù)及其特性

虛擬現(xiàn)實技術(shù)（Virtual Reality,簡稱VR），又稱靈境技術(shù)[4]。是信息技術(shù)領(lǐng)域近年來十分活躍的研究方向，它匯集了多項高新技術(shù)，包括：計算機圖形學(xué)、多媒體技術(shù)、人機接口技術(shù)、人工智能、傳感器技術(shù)、高度并行的實時計算技術(shù)、仿真技術(shù)及人類行為學(xué)研究等。它可以帶給用戶更逼真的體驗，為人類探索宏觀和微觀世界以及由于各種條件不能身臨現(xiàn)場直接觀察事物提供了極大的便利。

虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)具有的三個關(guān)鍵要素：“沉浸感（Im?mersion）、交互性（Interaction）、想象性（Imagination）”。可以用“3I”一詞來生動地描述。

1.沉浸感

虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的沉浸感主要來自于用戶對虛擬環(huán)境的多方位感知，除了我們常見的視覺和聽覺外，還包括觸覺、力覺、嗅覺甚至運動感知。為了達到理想的仿真效果，虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)應(yīng)該具備人類在現(xiàn)實生活中所有的感知功能。但鑒于目前的科技水平的局限性，虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中應(yīng)用相對比較成熟的僅僅是視覺、聽覺和觸覺沉浸，有關(guān)味覺、嗅覺等其它相關(guān)的感知技術(shù)目前尚在研究之中。

2.交互性

交互性是指用戶與虛擬環(huán)境所包括的各種對象之間的相互作用。虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)能夠提供豐富的、方便的、基于自然技能的人機交互手段，這些手段使得參與者能對虛擬環(huán)境進行實時的操縱，能從環(huán)境中得到反饋信息，也能使系統(tǒng)了解參與者的關(guān)鍵部位的狀態(tài)、位置、變形等各種系統(tǒng)需要收集的數(shù)據(jù)[3]。與多媒體技術(shù)有所不同，虛擬現(xiàn)實技術(shù)強調(diào)人與虛擬環(huán)境之間的交互方式要更加自然，并實時產(chǎn)生與客觀世界中一樣的感受。

3.想象性

想象性作為虛擬世界的起點，是多種虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的體驗方式。虛擬世界雖然是對現(xiàn)實的模擬，但所模擬的對象卻是虛擬存在的；它以現(xiàn)實世界為基礎(chǔ)，卻可以創(chuàng)造超越現(xiàn)實的情境。所以，它可以更好地發(fā)揮人類的認知探索能力。當(dāng)用戶沉浸在多維空間中，依靠自己的認知能力和感知能力全方位地獲取信息，發(fā)揮主觀能動性，形成新的構(gòu)思，這種構(gòu)思結(jié)果反饋到系統(tǒng)中去，系統(tǒng)會將處理的狀態(tài)實時反饋給用戶，如此周而復(fù)始，可以為用戶創(chuàng)造出一個學(xué)習(xí)—創(chuàng)新—再學(xué)習(xí)—再創(chuàng)新的循環(huán)模式，隨著用戶不同的反應(yīng)，帶給用戶更加廣闊的想象空間，從而促進學(xué)習(xí)者的想象力和創(chuàng)造力發(fā)展。

（二）虛擬現(xiàn)實技術(shù)在遠程教育導(dǎo)航中應(yīng)用的必要性

在傳統(tǒng)的全日制教育中，學(xué)習(xí)者不僅能夠從課堂內(nèi)學(xué)到書本知識，而且可以通過同學(xué)間在課外的各種互動、社交活動等過程完成學(xué)習(xí)，這些活動甚至能夠創(chuàng)造比課堂內(nèi)更為豐富的非結(jié)構(gòu)化知識體系和社會體驗。正是這些自發(fā)的課外互動交流，使得學(xué)生建立起對同窗學(xué)友的認同感，校友關(guān)系成為他們終生的寶貴社會資源[4]。

但是，遠程教育因為其獨特的辦學(xué)特性，遠程學(xué)習(xí)者只是登錄課程網(wǎng)站進行自學(xué)，特別是入學(xué)教育、選課、實踐活動、畢業(yè)設(shè)計選題等重要的活動也都是以獨立個體的方式利用互聯(lián)網(wǎng)與學(xué)校交互，因此，其“在校”的體驗是抽象和平面的——“在校”等于“在網(wǎng)頁上”。學(xué)生之間互動很少，缺乏一個共同的時空，來激發(fā)他們之間的自發(fā)交互行為。盡管目前很多遠程教育部門也嘗試了以BBS、虛擬學(xué)習(xí)社區(qū)為主要形式的師生、生生之間的互動空間。但是這種手段只能支持以課程學(xué)習(xí)為主要動機和帶有明確學(xué)習(xí)目的的交互行為。因此，遠程教育學(xué)生往往很難建立對校友的認同感和對學(xué)校的歸屬感。如何利用新型的多感知媒體有效激發(fā)遠程學(xué)習(xí)者之間的自發(fā)交互，從而使他們獲得較強的在校生活體驗成為了一個亟待解決的問題。

作為一種新興的教學(xué)媒體，虛擬現(xiàn)實技術(shù)為解決現(xiàn)代遠程教育中所存在的諸多制約因素提供了新的思路。其能夠為學(xué)生提供生動、逼真的學(xué)習(xí)環(huán)境，學(xué)生能夠成為虛擬環(huán)境的一名參與者，在虛擬環(huán)境中扮演一個角色，這對于調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，突破教學(xué)的重點、難點，培養(yǎng)學(xué)生的技能都起到積極的作用。

在現(xiàn)代遠程教育領(lǐng)域通過引入虛擬現(xiàn)實技術(shù)，能夠構(gòu)造虛擬校園，模擬虛擬教師、實現(xiàn)虛擬實驗，這將為學(xué)生提供一個真實的學(xué)習(xí)場景，極大地激發(fā)其學(xué)習(xí)熱情，調(diào)動其學(xué)習(xí)積極性，從而達到建構(gòu)主義教學(xué)思想的本原。

三、系統(tǒng)概念層次的設(shè)計

對于遠程學(xué)習(xí)者而言，基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的導(dǎo)航是一個引導(dǎo)遠程學(xué)習(xí)者實施學(xué)習(xí)活動的交互平臺。該系統(tǒng)不僅僅能以三維可視化的方式對校園實景進行模擬，而且可以對遠程教育學(xué)院的學(xué)生從入學(xué)到畢業(yè)一系列息息相關(guān)的教學(xué)活動進行演示和交互導(dǎo)航，使他們提前參與學(xué)習(xí)活動，從而對遠程教育機構(gòu)的教學(xué)活動和教務(wù)流程進行深層次的理解，以便更好地接受學(xué)習(xí)支持服務(wù)。具體來說，該導(dǎo)航系統(tǒng)包含3個互相聯(lián)系的功能模塊。

（一）引導(dǎo)遠程學(xué)習(xí)者實施學(xué)習(xí)活動

遠程學(xué)習(xí)者從入學(xué)到畢業(yè)，有很多教學(xué)管理環(huán)節(jié)與他們的學(xué)習(xí)息息相關(guān)，例如：網(wǎng)絡(luò)教育國家統(tǒng)一入學(xué)考試、在線學(xué)習(xí)、期末輔導(dǎo)答疑、統(tǒng)考、學(xué)位申請以及畢業(yè)設(shè)計等。學(xué)習(xí)者能否準(zhǔn)確把握這些教學(xué)環(huán)節(jié)并及時整合自己的學(xué)習(xí)進度是非常重要的。但目前很多學(xué)生對網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院提供的各種學(xué)習(xí)支持服務(wù)還一知半解。所以，該系統(tǒng)可以為學(xué)生提供一個三維“虛擬校園”空間，替代原來的WWW網(wǎng)站作為遠程學(xué)生訪問各種學(xué)習(xí)功能的門戶。

學(xué)生以Avatar（替身）的形式進入三維空間后，通過在其中的沉浸式交互，導(dǎo)航到各種學(xué)習(xí)活動所需的子系統(tǒng)，如課件瀏覽、在線測試、在線答疑、問題討論、成績查詢等。學(xué)生在虛擬世界中找一個替身為自己完成相應(yīng)的“任務(wù)”，每一個模塊都有語音導(dǎo)航和教師的虛擬替身給予過程指導(dǎo)，使之在充分了解網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院提供的各種學(xué)習(xí)支持服務(wù)的基礎(chǔ)上，進一步學(xué)習(xí)更深層次的知識。

當(dāng)然，并不要求學(xué)習(xí)功能本身也必須通過Avatar的形式在虛擬世界里進行。完全可以用超鏈接的方式將這些原有的學(xué)習(xí)功能系統(tǒng)的訪問界面綁定到虛擬校園的特定空間結(jié)構(gòu)上。比如：可以用一個虛擬行政樓表示一個教務(wù)系統(tǒng)的訪問入口，學(xué)生進入這個辦公室后，界面就可以切換到原有的教務(wù)系統(tǒng)網(wǎng)站。

（二）實體校園虛擬化

虛擬現(xiàn)實世界是一個計算機仿真的三維在線虛擬環(huán)境，為身處不同地點的人們跨越空間限制、以一種具有強烈沉浸感的方式進行交互。三維虛擬校園[5]，是虛擬現(xiàn)實技術(shù)在教育領(lǐng)域中最典型的具體應(yīng)用。通過對校園內(nèi)的實體進行數(shù)學(xué)建模，并通過三維實景模擬的方式，使遠程學(xué)習(xí)者能身臨其境感受優(yōu)美的校園風(fēng)光、良好的教學(xué)環(huán)境和教學(xué)資源，可隨意選擇校園中的景點和參觀路線，全方位地感受校園生活。

（三）在線交互

3D環(huán)境中的交互包括人機交互和人人交互兩個方面。人機交互即替身與三維虛擬環(huán)境之間、替身與虛擬實體之間的交互。用戶通過鼠標(biāo)、鍵盤等設(shè)備在三維空間中完成課程選擇、領(lǐng)取學(xué)習(xí)材料包等活動。人人交互即學(xué)生與教師、學(xué)生與學(xué)生之間可以在虛擬場景中進行實時文本聊天和信息交流。

遠程教育學(xué)生接觸最多的是校外學(xué)習(xí)中心，因此，以校外學(xué)習(xí)中心的職能為研究出發(fā)點，在對遠程教育機構(gòu)為學(xué)習(xí)者提供的各種教學(xué)服務(wù)進行調(diào)查分析的基礎(chǔ)之上開發(fā)出三維虛擬現(xiàn)實導(dǎo)航系統(tǒng)。在上述概念層次設(shè)計的指引下，設(shè)計了導(dǎo)航系統(tǒng)的相應(yīng)功能總體實現(xiàn)方案（如圖1）。

圖1 學(xué)習(xí)活動和機構(gòu)相關(guān)職能部門結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)模擬出了遠程教育學(xué)生的入學(xué)典禮、登陸學(xué)習(xí)平臺、領(lǐng)取學(xué)習(xí)材料、集中面授學(xué)習(xí)、參加考試、實踐活動、畢業(yè)設(shè)計選題及答辯、申報學(xué)位、領(lǐng)取畢業(yè)證、參加學(xué)位授予儀式等一系列活動。將這些活動整合后設(shè)計為一個角色闖關(guān)游戲[6]，采用任務(wù)驅(qū)動的理念，讓學(xué)習(xí)者接受并完成學(xué)習(xí)任務(wù)。

其次，幫助學(xué)生理解學(xué)習(xí)中心與遠程教育各個部門之間的聯(lián)系，對各個部門的職能范圍加深理解，以便他們在不同的學(xué)習(xí)階段求助于不同的職能部門。比如：招生部門負責(zé)入學(xué)證件的審核、組織入學(xué)考試、錄取通知書的發(fā)放；教務(wù)服務(wù)部負責(zé)試卷的評閱；教學(xué)服務(wù)部負責(zé)成績處理和學(xué)習(xí)材料包的發(fā)放；課程資源部提供課程素材和相應(yīng)學(xué)習(xí)資源支持服務(wù)。

四、系統(tǒng)功能總體實現(xiàn)方案

系統(tǒng)具有3大基本功能，分別是三維場景漫游、情景模擬和二維三維聯(lián)動交互。三維場景漫游，是實現(xiàn)Ava?tar（替身）位置平移、視角旋轉(zhuǎn)、環(huán)繞等靈活、交互式的漫游功能，用戶可以在三維場景中前進、后退、提升降低視點，并提供了飛行、繞物旋轉(zhuǎn)等多種瀏覽模式。情景模擬，制作了遠程學(xué)習(xí)者從入學(xué)到畢業(yè)一系列教學(xué)活動演示說明，以情景動畫的方式展示給學(xué)習(xí)者。二維三維聯(lián)動交互，是將各個教學(xué)職能部門在三維虛擬世界中對應(yīng)具體的建筑物信息，用戶在漫游過程中，也可以與其他學(xué)習(xí)者在虛擬世界中碰面并以文字的方式進行交流。

（一）平臺選擇及應(yīng)用軟件選擇

隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)的快速發(fā)展和應(yīng)用，國內(nèi)外出現(xiàn)了應(yīng)用該技術(shù)的各種開發(fā)工具。目前使用較多的虛擬現(xiàn)實平臺有 Virtools、Quest3D、VR-platform（國產(chǎn)）、Web max等。其中，Virtools平臺以其強大的三維引擎功能和豐富的交互式控制腳本受到了較多專業(yè)人士的信賴，從項目的交互功能設(shè)計需求角度考慮，本研究選擇了Virtools平臺。此外，三維場景建模及動畫制作軟件采用了3ds Max，建模輔助設(shè)計軟件采用了AutoCAD，平面設(shè)計軟件則采用了Photoshop。

（二）系統(tǒng)開發(fā)流程

虛擬現(xiàn)實導(dǎo)航系統(tǒng)的開發(fā)主要分為以下4個階段（如圖2）。

圖2 系統(tǒng)開發(fā)流程

（1）數(shù)據(jù)收集：在前期需求分析的基礎(chǔ)上，為了突出實景的逼真效果，收集了建筑物CAD圖紙、實物規(guī)格和尺寸、實地拍攝樣圖及表面紋理及貼圖。

（2）三維虛擬場景的搭建：利用3ds max分批逐次對場景進行建模并制作相關(guān)情景動畫，最后將整個場景烘焙導(dǎo)出。

（3）導(dǎo)航及交互動能設(shè)計：主要包括場景交互功能腳本添加、替身交流信息制作、語音導(dǎo)航功能和虛擬場景中建筑物對應(yīng)的超鏈接添加。Virtools提供了5個可選的功能模塊，即物理屬性模塊（physics Pack）、虛擬展示模塊（VR Pack）、多用戶網(wǎng)絡(luò)服務(wù)模塊（Multi-user Server Pack）、人工智能模塊（AI Pack）和游戲開發(fā)模塊（Xbox Kit），其中包含了500多個行為腳本模塊避免了繁雜冗長的動態(tài)交互設(shè)計與程序代碼編寫，就能輕松實現(xiàn)角色的物理屬性及行為設(shè)定[7]。

（4）系統(tǒng)生成及發(fā)布：對系統(tǒng)相應(yīng)界面進行美工處理和設(shè)計，并最終發(fā)布成基于B/S模式的三維導(dǎo)航系統(tǒng)。

五、結(jié)束語

本文從現(xiàn)代遠程教育缺乏課外自發(fā)交互的現(xiàn)狀出發(fā)，基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)設(shè)計了一種新型的遠程教育導(dǎo)航系統(tǒng)。遠程學(xué)習(xí)者以虛擬化身的方式在三維實景校園中進行人機之間、人人之間的交互，以任務(wù)驅(qū)動的方式參與從入學(xué)到畢業(yè)的一系列息息相關(guān)的活動，從而增加遠程學(xué)習(xí)者同窗之間彼此認同感和對學(xué)校的歸屬感。隨著移動互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的普及，將該系統(tǒng)與移動學(xué)習(xí)終端（如智能手機、Ipad等）相結(jié)合將是我們下一階段的主要工作。

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