虛擬現實在智慧課堂中的應用與設計

陸軍裝甲兵學院 王鈺博

1.引言

虛擬現實是一種先進的計算機多媒體處理技術，其利用先進的圖像處理、機器學習和模式識別技術實現人機交互，為人們提供一個沉浸感很強的仿真環境，具有極強的趣味性和生動性。虛擬現實關鍵技術很多，基本技術包括注冊技術、3D對象建模技術、顯示技術，已經在裝配制造、飛行訓練、航空科研、醫學診斷等領域得到廣泛應用，取得了顯著的應用成效。智慧課堂作為虛擬現實的一個重要應用領域，本文詳細地描述了虛擬現實在智慧課堂中的應用技術及詳細設計情況，能夠進一步創新學習方法，提高學習成效，具有重要的作用和意義[1]。

2.虛擬現實技術及應用

虛擬現實應用過程中，自然交互已經成為非常關鍵的事件觸發技術，該技術能夠利用先進的深度學習等技術采集輸入特征，利用圖像進行實驗標記，實時接收外部的輸入信息，然后采用特征提取、模式識別、事件觸發等激活系統功能，渲染一個虛擬的操作環境展現給用戶。虛擬現實應用關鍵技術很多，比如跟蹤注冊技術、3D對象建模技術、顯示技術等[2]。

（1）跟蹤注冊技術

跟蹤注冊技術可以利用標記將虛擬信息與真實環境信息進行配準注冊，實現虛擬信息和真實場景的無縫融合。跟蹤注冊技術采用機器學習可以針對標記特征進行提取，實時獲取圖像標記的位置信息，觸發系統的事件，比如輸出3D模型、實現事件處理，具有重要的作用和意義。目前，跟蹤注冊過采用的核心技術為特征提取和特征識別，利用先進的深度學習可以針對圖像標記進行處理，將目標特征從復雜的背景圖像中提取出來，然后將其與數據庫的觸發事件進行對比，目前提取圖像中的目標特征包括自然手勢、激光等，提高智慧課堂的交互性。

（2）3D對象建模技術

3D對象建模可以使用Maya軟件、AUTO CAD軟件、3DS Max軟件、SKETCH UP軟件等準確地仿照外部環境進行建模，全方位、立體化地展示每一個目標對象，比如可以設計一個數學原理動畫模型，該模型能夠展示函數離散函數的發生機制以及運算結果，這樣就可以更加生動地展示某一個知識點，具有較強的趣味性。

（3）顯示技術

虛擬現實與用戶進行交互時，其重要的組成部件就是輸出設備，也即是顯示系統。顯示系統為了能夠更加逼真地展示虛實融合景象，可以利用具有高分辨率的頭盔顯示器、自然顯示設備等。顯示設備可以為用戶提供信息輸入、虛擬融合輸出內容，與用戶進行交互操作。

3.基于虛擬現實的智慧課堂設計

基于虛擬現實的智慧課堂主要包括四個關鍵組成部分，分別是應用邏輯組件、GUI交互界面、知識實例腳本、虛擬場景渲染。GUI能夠為所有的教師、學生提供一個可視化的交互操作流程，這些用戶輸入交互信息請求之后，可以即時初始化智慧課堂，用戶即可以進入到學習環境進行操作。應用邏輯組件是一些通信協議和接口，接收各類型的網絡設備對象，將這些對象利用虛擬現實算法進行實例化，就可以為教學知識點運行提供一個實例環境。知識實例腳本是開發人員按照教學大綱設計的課程知識點模型，這些知識點模型都采用了裝配式的動畫模型進行描述，教師和學生可以輸入相關的信息觸發這些知識點實例，并且能夠保存智慧課堂的上下文信息，實時地記錄教學內容。虛擬場景渲染則可以利用聲音、3D場景模型構建一個學習環境，該虛擬學習環境與傳統的教室類似，但是更加具備趣味性，能夠提供給教師和學生各類型的導航指示信息[3]。

智慧課堂主要功能是教學直播，也可以實現教學點播和課程內容設計，以便能夠根據實際的教學需求實現個性化、定制化教學，具有重要的作用和意義。智慧課堂相關功能設計如下所述：

（1）教學直播功能設計

智慧課堂直播教學運行中，虛擬現實可以為學生和教師創建一個仿真的環境，創建一個強大的操作支撐。智慧課堂可以采用云計算、流媒體等功能，實時向學生終端設備推送教學內容，推送消息中包括開課時間、課程內容概要、課程耗費時長等，學生獲知這些信息之后，可以做好相關的準備工作，快到開課時登陸智慧課堂聽講。智慧課堂的直播教學功能為教師、學生提供了強大的在線教學支持，可以實現教師、學生課堂互動交流，也可以通過聊天軟件、郵箱、視頻等功能進行交流，解決了學生學習過程中的疑問。另外，如果學生將相關問題輸入到系統中，智慧課堂可以自動檢索問題答案，為學生提供一個更好的答案。

（2）教學點播功能設計

教學點播與直播類似，智慧課堂部署于云平臺，學生可以登錄到云端，直接進入到智慧課堂進行學習，教學點播的案例是預先存儲的，與直播功能存在差別，這些教學案例不可更改和定制，但是可以重新建構和替換，以便保證教學知識的先進性和時代性。

（3）課程設計功能設計

智慧課堂為教師提供了一個可擴展接口，該接口能夠錄制新型的教學實例，能讓每一門課程的老師都可以根據實際需求進行定制化教學，提高了知識點的個性化講授，及時地將課程最新講授模式或學習方法錄入到系統中，方便學生學習。

4.結束語

基于虛擬現實的智慧課堂構建了一個虛擬的學習環境，利用先進的圖像處理、模式識別技術實現人機交互，能夠讓教師和學生在虛擬的學習環境中實現課程講授，既可以提高講授知識的生動性和趣味性，同時也可以實現跨時空操作，同時該系統部署于云端，不需要學校購置較多的硬件設備就可以讓學生完成課程知識學習，利用動畫模型展示每一個知識點的原理、工作機制，使枯燥抽象的知識學習變得更加形象和直觀，創新了教學方法和模式，具有重要的作用和意義。