基于虛擬現實技術的多媒體教室使用培訓系統的開發

高義棟 李鶴 李艷會 楊寧

摘?要：多媒體教室是學校實現多媒體教學的平臺，對教師使用多媒體教室進行專業指導很有必要。虛擬現實技術的多媒體教室使用培訓系統可以有效解決實地培訓系統中的弊端，提高培訓質量。該系統利用3D Max模擬真實的多媒體教室，導入VRP進行虛擬交互的制作，發布輸出后教師便可以隨時隨地在線學習。

關鍵詞：虛擬現實?多媒體教室?培訓系統?交互設計

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A 文章編號：1674-2117（2014）12-00-03

1?前言

多媒體教學是21世紀教育教學改革的發展趨勢，在教學中通過合理的選用現代教學媒體，以多種媒體信息作用于學生，圖文聲像并茂，實現人機互動，可以達到最優化的教學效果。當下，多媒體教學設備已成為學校日常教學的必備工具。教師是多媒體教學的直接操縱者，教師對設備功能的了解和操作的熟練程度，決定了多媒體教室發揮功效的高低。調查發現部分教師對多媒體教學設備的使用情況不理想，尤其是新任教師急需對多媒體設備的使用進行專業培訓。然而傳統培訓過程中存在諸多問題，如參加培訓人員多、時間短、學員無法親自操作演練等，使得培訓效果不理想。

基于虛擬現實技術的多媒體教室使用培訓系統可以有效地解決上述培訓過程中的問題。該系統采用仿真情境體驗，互動參與的學習方式，在視覺上給人一種沉浸于真實教室環境的感覺，受訓教師可以自由觀察、檢測環境變化、與虛擬環境產生交互。這種虛擬培訓的方式改善了傳統培訓的弊端，場景逼真，易于接受，學員可以調整學習節奏隨時隨地在線學習。

2 ?虛擬現實技術在教育中的應用

虛擬現實（Virtual Reality，簡稱VR）是由多媒體技術與仿真技術相結合而生成的一種交互式人工世界，在這個人工世界中可以創造出一種身臨其境的、完全真實的感覺。VR技術集成了計算機圖形(CG)技術、計算機仿真技術、人工智能、傳感技術、顯示技術、網絡并行處理等技術的最新發展成果，是一種由計算機技術輔助生成的高技術模擬系統。計算機生成逼真的三維視、聽、嗅覺等感覺，使人作為參與者通過適當裝置，自然地對虛擬世界進行體驗和交互，創建了一種適人化的多維信息空間。

如今，虛擬技術已被運用到城市規劃、醫學、軍事航天、教育、室內設計、文物古跡、三維游戲等多個領域，其在教育領域的應用和研究尤其為人們所關注。目前，虛擬現實在教育中的應用主要有虛擬現實校園、虛擬現實實驗、虛擬現實角色扮演、虛擬現實技能訓練等。

虛擬實驗室與學習環境具有實體實驗室和傳統課堂所沒有的優勢：①節省教育經費。可以有效解決因學校條件限制而無法購買實驗器材的情況。利用虛擬的實驗室既不耗材也不受條件限制；②規避風險。虛擬實驗環境中，學生可以放心地去做一些具有危險性的實驗。例如，虛擬化學實驗，可以避免化學反應所產生的的燃燒、爆炸等潛在危險；③交互性好。學習者可以采用多種交互手段如語言、手勢、數據手套及觸覺等與虛擬環境交流信息，并得到實時反饋；④可重復性。學生可以不厭其煩地反復練習，直至掌握操作技能為止。

3?虛擬培訓系統的設計

3.1?場景設計

建構主義學習理論指出，教學設計不僅要考慮教學目標分析，還要考慮有利于學生建構意義的情境，并把情境創設看作是教學設計的最重要內容之一。因此多媒體教室場景的設計非常重要。

本案例通過對比不同類型的多媒體教室，參照國外多媒體教室風格，把場景分為三個區域，教學區、討論區、休息區（如圖1所示）。教學區類似于傳統教室，包含黑板、講臺、控制臺、電子白板、學生桌椅，該區域用來培訓教師如何使用多媒體控制臺和電子白板等設備。討論區包含各種形狀的桌椅，桌椅可以隨意拼接，給學生提供一個輕松愉悅的氛圍。休息區包含飲水機、打印機、書架、交互式電子白板。該區域給學生提供了一個自由的休息空間。討論區、休息區是對未來教室的設想，教學應該是以學生為中心的，因此在教學環境的設計上更應該注重學生活動的便利性。

圖1

3.2 ?VRP交互設計

（1）導航圖設計

在VR場景中漫游時,學習者需要知道自己漫游到場景中什么位置，有時還需要隨時變換位置對場景進行適時瀏覽。這就需要借助一個實時導航來幫助學習者找到自己想要到的地方。本系統中，通過點擊界面左邊的“顯示或隱藏導航圖”按鈕，來控制導航圖的顯示與隱藏。導航圖中箭頭的方向就是游覽者所面對的方向。如圖2所示。

（2）多媒體控制臺功能面板的設計

本系統中多媒體控制臺的功能按鈕以二維界面的形式顯示在屏幕上，通過單擊屏幕左面“顯示或隱藏面板”來調出二維的多媒體控制臺上功能按鈕面板。學習者可以通過鼠標單擊來模擬真實教室中多媒體控制臺的使用，實現系統開啟、投影儀開啟、幕布下降、窗簾下降等操作。如圖2所示。

圖2

（3）動畫漫游設計

瀏覽者可以通過點擊“整體漫游”或者“自主漫游”來切換對場景的漫游方式。“整體漫游”是對整個場景進行360度環繞，使學習者對整個教室場景進行游覽。“自主漫游”是以第一人稱的視角對整個場景進行游覽，使學習者沉浸在整個環境中。

（4）視音頻交互設計

視頻系統中，本案例插入了多個培訓視頻，內容包括交互式電子白板的使用教學、多媒體課件的設計原則和技巧的教學視頻。當學習者走近交互式電子白板時，可以觸發講授交互式電子白板使用方法的視頻開始播放。當超出觸發距離時，視頻停止播放。通過學習本視頻，學習者可以進一步了解交互式電子白板的功能，進而應用于教學，提高教學質量。當鼠標點擊界面左欄中 “視頻教程”按鈕時，會出現三節講解多媒體課件的設計原則和技巧的視頻，通過學習該視頻，使學習者了解多媒體的設計原則和技巧，掌握如何根據教學對象和教學內容來設計教學課件以及制作課件時需要注意哪些事項。

音頻系統中，本案例包含背景音樂和解說語音兩部分。學習者可以根據自己的喜好來控制背景音樂的播放、停止和音量大小。語音解說主要是講解電子白板的使用以及多媒體使用原則和技巧的配音。

4?虛擬多媒體教室交互系統的具體實現及關鍵技術

4.1?實現流程、使用的工具以及每個流程中的主要工作（如下表所示）

4.2?制作模型時應注意模型面數和個數的優化

（1）模型面數的優化：在保持模型基本形狀的同時，盡可能地減少模型段數；在保持基本瀏覽效果的同時，多使用面片建模代替實體三維模型，如植物、窗簾、門等用面片模型代替實體三維模型仍然能保持基本瀏覽效果；刪除在瀏覽展示中看不到的面，如底面、模型之間相交面。

（2）模型個數的優化：在3D Max中需要將相同材質的模型附加，合并為一個模型。因為模型個數的多少不僅影響場景烘焙時的速度而且影響VRP啟動速度快慢。

4.3?貼圖的制作

需要手動展開UV坐標時，要把使用相同貼圖的UV面塊疊放到一起；需要突出細節的部分，要盡可能地放大其UV；不需要精細表現的部分，可以縮小其UV；然后將它們緊湊地排列在UV框中，提高貼圖的利用率。將UV坐標信息輸出到Photoshop中繪制貼圖，最終再將繪制好的貼圖賦予模型。

4.4?VRP交互模塊的實現

（1）導航圖的實現

VRP中有自帶的抓圖功能，把整個場景抓圖在Photoshop中進行處理，將其添加到新建的導航控件中，并設置為Alpha透明通道。將在Max場景中得到世界坐標的Y軸最大值和最小值、X軸的最大值和最小值，分別對應VRP導航圖貼圖坐標的上下左右值。

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（2）多媒體控制臺功能面板的實現

多媒體控制臺功能面板涉及多個剛體動畫及柔體動畫的播放設置，如對窗簾、投影幕布的升降，玻璃門的開關及投影儀光束等的控制。在實現此功能前需要先在Max中制作好所需的動畫并將其和模型一起導入VRP。將制作好的功能面板圖以圖片控件的形式插入VRP，然后在其上方添加與功能面板圖中對應的按鈕，并分別設置按鈕的透明度，使其透明顯示，之后再為各個按鈕添加相應的腳本。對于剛體動畫，可在按鈕腳本中添加“播放剛體動畫”的腳本來控制其播放，并且為各個動畫添加了相應的相機，以便用戶觀察，這里可通過添加“切換相機”腳本來實現相機的切換。對于玻璃門自動開關動畫需要在玻璃門位置處添加一個簡單的觸發模型，在該觸發模型的動作屬性中開啟距離觸發，并設置合理的觸發類型和觸發距離以及播放玻璃門開關動畫的腳本。

此外，在多媒體控制臺功能面板中的“上課”“下課”功能中還加入了相應的聲音文件來模擬現實中系統的開機與關機。

（3）動畫漫游的實現

整體漫游動畫采用的是在VRP中錄制相機動畫。首先在VRP中創建一個繞物旋轉相機，選擇旋轉中心參照物并設置參數，按下F5運行程序，使用鍵盤的上、下、左、右鍵控制相機的運動，同時按下F11實時錄制攝像機動畫，錄制完成后，再次按下F11結束錄制，可以根據場景需要創建多個相機動畫。此外，本系統中還利用行走相機來實現模擬人物以第一視覺自由游覽場景的功能。在創建行走相機之前，為場景中的模型開啟碰撞并優化碰撞，之后創建一個行走相機，設置其參數，如相機高度，行走速度等，這樣在運行時，切換到行走相機即可利用鍵盤中Ｗ、Ｓ、Ａ、Ｄ鍵和上、下、左、右鍵，來模擬用戶在場景中前進、后退、左右平移或旋轉的自由行走瀏覽的效果。

角色跟隨動畫：首先在VRP中將創建好的人物角色導入角色庫中，利用角色庫創建教師、學生角色，并在骨骼動畫面板下為人物角色添加相應的行走動作。在創建對象下的“形狀”面板中，創建折線路徑并按需要進行調整，在路徑屬性面板中設置路徑綁定的教師、學生角色，然后設置合適的位移速率，角色模型便可以在綁定的約束路徑上行走。在創建的折線路徑中根據需要選擇錨點，添加錨點事件，即可實現人物角色模型在路徑中設定的錨點處停止行走，進行閑置站立、與人交談等動作。

（4）媒體嵌入功能的實現

本系統中的音頻都是通過VRP腳本實現的，在界面上按鈕的鼠標事件屬性中，添加“音樂”的相關腳本命令，使其在點擊時實現對音樂及語音解說的播放、暫停控制。

本系統中的視頻是通過外部鏈接到系統中的，在“視頻”按鈕上添加 “腳本文件”中的“打開任意文件”的腳本，這種方式點擊時需要加載外部程序來打開相應的視頻。在VRP中還可以使用內嵌的方式插入視頻或者Flash媒體，主要是通過ATX貼圖、Flash控件和渲染到貼圖三種方式將視頻或Flash媒體加載到場景中的三維模型上或者界面的元素上。

5?總結與展望

虛擬現實教學平臺的多感知性、沉浸性、交互性、構想性等特點不但加速學員對知識技能的掌握，提高實際操作能力，還大大降低了培訓成本，彌補了傳統教學的一些不足。學員處于三維立體、生動逼真的學習環境中能夠全身心地投入，身臨其境的感受比空洞抽象的說教更有說服力。虛擬現實是一種非常具有發展前景的前沿技術，其在教育領域的不斷深入，必將帶來教育教學方式方法乃至理念的變化，值得廣大教育工作者進行更為深入的研究和實踐。

參考文獻：

[1]何克抗,李文光.教育技術學[M].北京:北京師范大學出版社,2002.

[2]高建華,鄧亞明.虛擬現實技術在現代教學中的應用研究[J].電腦開發與應用,2011:22-23.

[3]史鐵君.虛擬現實在教育中的應用[D].長春:東北師范大學,2008.

[4]馮遜.虛擬現實技術在教育中的應用與展望[C].全國首屆數字(虛擬)科技館技術與應用學術研討會論文集.2007(5):114-119.

[5]惲如偉.中學物理虛擬現實教學軟件的設計與思考[J].中國電化教育,2003(04):54.

[6]馬賀清,陳建平,于淼等.VRP虛擬校園建設及其關鍵技術[J].計算機系統應用,2012,21(5):153-157.

[7]鄭鶴成,沈明霞,李景軍,陸明洲,陳林鋒,路順濤.基于VRP 的虛擬農場設計與實現[J].計算機與信息技開發與應用,2012:18-21.

[8]高義棟，楊小飛.虛擬導游實訓系統中交互功能的設計與實現[J].現代教育技術,2013,23(5):117-121.

[9]張建武,孔紅菊.虛擬現實技術在實踐實訓教學中的應用[J].中國電化教育,2010(04):111.

基金項目：本文系河南省教育廳科學技術研究重點項目“基于三維互聯技術的河南省虛擬景點研發與應用研究”（項目編號：12A520023）和大學生創新實驗項目 “三維虛擬互動型多媒體教室使用培訓系統開發”的部分成果。作者簡介：高義棟，研究生，講師，研究方向：三維動畫、虛擬現實及教育應用、教育游戲開發。endprint

（2）多媒體控制臺功能面板的實現

多媒體控制臺功能面板涉及多個剛體動畫及柔體動畫的播放設置，如對窗簾、投影幕布的升降，玻璃門的開關及投影儀光束等的控制。在實現此功能前需要先在Max中制作好所需的動畫并將其和模型一起導入VRP。將制作好的功能面板圖以圖片控件的形式插入VRP，然后在其上方添加與功能面板圖中對應的按鈕，并分別設置按鈕的透明度，使其透明顯示，之后再為各個按鈕添加相應的腳本。對于剛體動畫，可在按鈕腳本中添加“播放剛體動畫”的腳本來控制其播放，并且為各個動畫添加了相應的相機，以便用戶觀察，這里可通過添加“切換相機”腳本來實現相機的切換。對于玻璃門自動開關動畫需要在玻璃門位置處添加一個簡單的觸發模型，在該觸發模型的動作屬性中開啟距離觸發，并設置合理的觸發類型和觸發距離以及播放玻璃門開關動畫的腳本。

此外，在多媒體控制臺功能面板中的“上課”“下課”功能中還加入了相應的聲音文件來模擬現實中系統的開機與關機。

（3）動畫漫游的實現

整體漫游動畫采用的是在VRP中錄制相機動畫。首先在VRP中創建一個繞物旋轉相機，選擇旋轉中心參照物并設置參數，按下F5運行程序，使用鍵盤的上、下、左、右鍵控制相機的運動，同時按下F11實時錄制攝像機動畫，錄制完成后，再次按下F11結束錄制，可以根據場景需要創建多個相機動畫。此外，本系統中還利用行走相機來實現模擬人物以第一視覺自由游覽場景的功能。在創建行走相機之前，為場景中的模型開啟碰撞并優化碰撞，之后創建一個行走相機，設置其參數，如相機高度，行走速度等，這樣在運行時，切換到行走相機即可利用鍵盤中Ｗ、Ｓ、Ａ、Ｄ鍵和上、下、左、右鍵，來模擬用戶在場景中前進、后退、左右平移或旋轉的自由行走瀏覽的效果。

角色跟隨動畫：首先在VRP中將創建好的人物角色導入角色庫中，利用角色庫創建教師、學生角色，并在骨骼動畫面板下為人物角色添加相應的行走動作。在創建對象下的“形狀”面板中，創建折線路徑并按需要進行調整，在路徑屬性面板中設置路徑綁定的教師、學生角色，然后設置合適的位移速率，角色模型便可以在綁定的約束路徑上行走。在創建的折線路徑中根據需要選擇錨點，添加錨點事件，即可實現人物角色模型在路徑中設定的錨點處停止行走，進行閑置站立、與人交談等動作。

（4）媒體嵌入功能的實現

本系統中的音頻都是通過VRP腳本實現的，在界面上按鈕的鼠標事件屬性中，添加“音樂”的相關腳本命令，使其在點擊時實現對音樂及語音解說的播放、暫停控制。

本系統中的視頻是通過外部鏈接到系統中的，在“視頻”按鈕上添加 “腳本文件”中的“打開任意文件”的腳本，這種方式點擊時需要加載外部程序來打開相應的視頻。在VRP中還可以使用內嵌的方式插入視頻或者Flash媒體，主要是通過ATX貼圖、Flash控件和渲染到貼圖三種方式將視頻或Flash媒體加載到場景中的三維模型上或者界面的元素上。

5?總結與展望

虛擬現實教學平臺的多感知性、沉浸性、交互性、構想性等特點不但加速學員對知識技能的掌握，提高實際操作能力，還大大降低了培訓成本，彌補了傳統教學的一些不足。學員處于三維立體、生動逼真的學習環境中能夠全身心地投入，身臨其境的感受比空洞抽象的說教更有說服力。虛擬現實是一種非常具有發展前景的前沿技術，其在教育領域的不斷深入，必將帶來教育教學方式方法乃至理念的變化，值得廣大教育工作者進行更為深入的研究和實踐。

參考文獻：

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[4]馮遜.虛擬現實技術在教育中的應用與展望[C].全國首屆數字(虛擬)科技館技術與應用學術研討會論文集.2007(5):114-119.

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[6]馬賀清,陳建平,于淼等.VRP虛擬校園建設及其關鍵技術[J].計算機系統應用,2012,21(5):153-157.

[7]鄭鶴成,沈明霞,李景軍,陸明洲,陳林鋒,路順濤.基于VRP 的虛擬農場設計與實現[J].計算機與信息技開發與應用,2012:18-21.

[8]高義棟，楊小飛.虛擬導游實訓系統中交互功能的設計與實現[J].現代教育技術,2013,23(5):117-121.

[9]張建武,孔紅菊.虛擬現實技術在實踐實訓教學中的應用[J].中國電化教育,2010(04):111.

基金項目：本文系河南省教育廳科學技術研究重點項目“基于三維互聯技術的河南省虛擬景點研發與應用研究”（項目編號：12A520023）和大學生創新實驗項目 “三維虛擬互動型多媒體教室使用培訓系統開發”的部分成果。作者簡介：高義棟，研究生，講師，研究方向：三維動畫、虛擬現實及教育應用、教育游戲開發。endprint

（2）多媒體控制臺功能面板的實現

多媒體控制臺功能面板涉及多個剛體動畫及柔體動畫的播放設置，如對窗簾、投影幕布的升降，玻璃門的開關及投影儀光束等的控制。在實現此功能前需要先在Max中制作好所需的動畫并將其和模型一起導入VRP。將制作好的功能面板圖以圖片控件的形式插入VRP，然后在其上方添加與功能面板圖中對應的按鈕，并分別設置按鈕的透明度，使其透明顯示，之后再為各個按鈕添加相應的腳本。對于剛體動畫，可在按鈕腳本中添加“播放剛體動畫”的腳本來控制其播放，并且為各個動畫添加了相應的相機，以便用戶觀察，這里可通過添加“切換相機”腳本來實現相機的切換。對于玻璃門自動開關動畫需要在玻璃門位置處添加一個簡單的觸發模型，在該觸發模型的動作屬性中開啟距離觸發，并設置合理的觸發類型和觸發距離以及播放玻璃門開關動畫的腳本。

此外，在多媒體控制臺功能面板中的“上課”“下課”功能中還加入了相應的聲音文件來模擬現實中系統的開機與關機。

（3）動畫漫游的實現

整體漫游動畫采用的是在VRP中錄制相機動畫。首先在VRP中創建一個繞物旋轉相機，選擇旋轉中心參照物并設置參數，按下F5運行程序，使用鍵盤的上、下、左、右鍵控制相機的運動，同時按下F11實時錄制攝像機動畫，錄制完成后，再次按下F11結束錄制，可以根據場景需要創建多個相機動畫。此外，本系統中還利用行走相機來實現模擬人物以第一視覺自由游覽場景的功能。在創建行走相機之前，為場景中的模型開啟碰撞并優化碰撞，之后創建一個行走相機，設置其參數，如相機高度，行走速度等，這樣在運行時，切換到行走相機即可利用鍵盤中Ｗ、Ｓ、Ａ、Ｄ鍵和上、下、左、右鍵，來模擬用戶在場景中前進、后退、左右平移或旋轉的自由行走瀏覽的效果。

角色跟隨動畫：首先在VRP中將創建好的人物角色導入角色庫中，利用角色庫創建教師、學生角色，并在骨骼動畫面板下為人物角色添加相應的行走動作。在創建對象下的“形狀”面板中，創建折線路徑并按需要進行調整，在路徑屬性面板中設置路徑綁定的教師、學生角色，然后設置合適的位移速率，角色模型便可以在綁定的約束路徑上行走。在創建的折線路徑中根據需要選擇錨點，添加錨點事件，即可實現人物角色模型在路徑中設定的錨點處停止行走，進行閑置站立、與人交談等動作。

（4）媒體嵌入功能的實現

本系統中的音頻都是通過VRP腳本實現的，在界面上按鈕的鼠標事件屬性中，添加“音樂”的相關腳本命令，使其在點擊時實現對音樂及語音解說的播放、暫停控制。

本系統中的視頻是通過外部鏈接到系統中的，在“視頻”按鈕上添加 “腳本文件”中的“打開任意文件”的腳本，這種方式點擊時需要加載外部程序來打開相應的視頻。在VRP中還可以使用內嵌的方式插入視頻或者Flash媒體，主要是通過ATX貼圖、Flash控件和渲染到貼圖三種方式將視頻或Flash媒體加載到場景中的三維模型上或者界面的元素上。

5?總結與展望

虛擬現實教學平臺的多感知性、沉浸性、交互性、構想性等特點不但加速學員對知識技能的掌握，提高實際操作能力，還大大降低了培訓成本，彌補了傳統教學的一些不足。學員處于三維立體、生動逼真的學習環境中能夠全身心地投入，身臨其境的感受比空洞抽象的說教更有說服力。虛擬現實是一種非常具有發展前景的前沿技術，其在教育領域的不斷深入，必將帶來教育教學方式方法乃至理念的變化，值得廣大教育工作者進行更為深入的研究和實踐。

參考文獻：

[1]何克抗,李文光.教育技術學[M].北京:北京師范大學出版社,2002.

[2]高建華,鄧亞明.虛擬現實技術在現代教學中的應用研究[J].電腦開發與應用,2011:22-23.

[3]史鐵君.虛擬現實在教育中的應用[D].長春:東北師范大學,2008.

[4]馮遜.虛擬現實技術在教育中的應用與展望[C].全國首屆數字(虛擬)科技館技術與應用學術研討會論文集.2007(5):114-119.

[5]惲如偉.中學物理虛擬現實教學軟件的設計與思考[J].中國電化教育,2003(04):54.

[6]馬賀清,陳建平,于淼等.VRP虛擬校園建設及其關鍵技術[J].計算機系統應用,2012,21(5):153-157.

[7]鄭鶴成,沈明霞,李景軍,陸明洲,陳林鋒,路順濤.基于VRP 的虛擬農場設計與實現[J].計算機與信息技開發與應用,2012:18-21.

[8]高義棟，楊小飛.虛擬導游實訓系統中交互功能的設計與實現[J].現代教育技術,2013,23(5):117-121.

[9]張建武,孔紅菊.虛擬現實技術在實踐實訓教學中的應用[J].中國電化教育,2010(04):111.

基金項目：本文系河南省教育廳科學技術研究重點項目“基于三維互聯技術的河南省虛擬景點研發與應用研究”（項目編號：12A520023）和大學生創新實驗項目 “三維虛擬互動型多媒體教室使用培訓系統開發”的部分成果。作者簡介：高義棟，研究生，講師，研究方向：三維動畫、虛擬現實及教育應用、教育游戲開發。endprint