基于VR設(shè)備的課堂教學(xué)輔助應(yīng)用的設(shè)計

許 展

1 引言

人民教育家陶行知說過“教育是立國之本“，而近年來教育越來越顯出其重要性，甚至成為檢驗綜合國力的重要標(biāo)準(zhǔn)。2016年全國各級各類學(xué)歷教育在校生為2.6億人[1]，如此龐大的教育規(guī)模使得教育方式和手段的創(chuàng)新成為現(xiàn)階段重要研究領(lǐng)域之一。

課堂教學(xué)是當(dāng)前教育的主體與最常見形式，其形式為老師和學(xué)生交互，輔以課件或模型的展示理解，因而展示與互動成為課堂教學(xué)的基礎(chǔ)因素，其直接影響課堂教學(xué)的質(zhì)量。發(fā)展現(xiàn)有交互和展示方式，或提供全新的手段，可以提高教育質(zhì)量和教學(xué)趣味，而VR技術(shù)正提供了改變現(xiàn)有課堂教學(xué)方式的可用手段。

虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，即VR）利用電腦模擬三維空間的虛擬世界，提供視覺、聽覺、觸覺等感官的體驗，讓使用者可以及時、無限制地觀察三維空間內(nèi)的事物。VR技術(shù)使交互方式上升到一個新的檔次、新的維度，創(chuàng)造出突破空間限制的展示與交互環(huán)境。教學(xué)手段發(fā)展到現(xiàn)在，相比原來只有粉筆和黑板的時代已有了質(zhì)的改變，尤其投影儀、電子白板等數(shù)碼設(shè)備的應(yīng)用，極大驅(qū)動了教學(xué)手段多樣性和教學(xué)質(zhì)量的提高。但以上所有的設(shè)備都無法突破空間的限制，且很難真正做到精確模擬和實時交互，而VR技術(shù)的感知性多樣、浸沒感強(qiáng)、交互性突出、構(gòu)想性靈活的特點，恰合當(dāng)前教學(xué)展示與交互的發(fā)展需求。

本文針對VR在教學(xué)中的應(yīng)用開展研究，調(diào)研現(xiàn)有方案的不足，基于5G、人工智能等新技術(shù)，提出未來VR在教學(xué)中的方案，使得教學(xué)交互性更強(qiáng)、展示更直觀、趣味性更高，并具有體驗功能。基于現(xiàn)有課程形式及內(nèi)容，展望了VR在教學(xué)中應(yīng)用方式，并最終提出一套技術(shù)方案，以實現(xiàn)模型展示、模擬課堂環(huán)境、師生交互等功能。

2 VR應(yīng)用于課堂教學(xué)的關(guān)鍵技術(shù)展望

現(xiàn)階段VR技術(shù)不斷發(fā)展，并開始被引入課堂應(yīng)用，如上海某學(xué)校在天文課堂應(yīng)用VR技術(shù)，使學(xué)生可以身臨其境地觀察天體。該系統(tǒng)中，老師用平板電腦為主控端，包含多套學(xué)生用的VR眼鏡及教育軟件。結(jié)果表明VR技術(shù)很好地達(dá)到了預(yù)期目的，提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性與參與性，但同時也暴露出現(xiàn)階段VR的缺點，如單套48萬元的高昂成本、長時間應(yīng)用后頭暈、展示方式單一等。目前VR應(yīng)用于課堂教學(xué)仍處于探索階段，研究多集中在雛形設(shè)計及應(yīng)用設(shè)想階段，未來仍具有廣闊的研究空間。

分析VR的發(fā)展現(xiàn)狀，可以看出現(xiàn)有設(shè)備的計算能力、裝置成本、設(shè)備體積、設(shè)備便攜性及應(yīng)用范圍方面存在明顯的不足，而通過引入分布式云計算、5G技術(shù)可解決上述問題。

（1）分布式云計算技術(shù)

云計算可為VR提供大規(guī)模的計算能力支持，提高計算速度、計算能力、應(yīng)用規(guī)模。目前該技術(shù)成熟，框架多樣，可針對VR的應(yīng)用開展適應(yīng)性能力改進(jìn)。同時該技術(shù)可降低硬件及運營費用，降低VR設(shè)備成本。

（2）5G技術(shù)

通信已經(jīng)進(jìn)入4G到5G的過渡階段[2]，而5G技術(shù)符合VR對傳輸速度、實時性、傳輸容量的需求。5G技術(shù)尚處試驗階段，但其基礎(chǔ)技術(shù)和架構(gòu)已經(jīng)成型，隨著大規(guī)模MIMO技術(shù)、基于濾波器組的多載波技術(shù)、超密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、無線傳輸技術(shù)和無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)等關(guān)鍵技術(shù)的突破[3]，已具備商業(yè)應(yīng)用條件。

3 VR在教學(xué)中的應(yīng)用場景展望

VR技術(shù)的優(yōu)點主要表現(xiàn)在安全性、高自由度、直觀交互性、沉浸式體驗等方面。其中安全性是指VR技術(shù)所構(gòu)建的擬真環(huán)境不會對人體造成傷害；高自由度是指使用者可靈活變換觀察視角；直觀可交互性是指VR可提升展示環(huán)境或物體的真實感，并提供多種交互方案；沉浸式體驗是指VR可提供視覺、聽覺、觸覺等多維感官體驗。基于以上特點，本文從展示應(yīng)用、體驗應(yīng)用、互動應(yīng)用方面，展望了VR在教學(xué)中的應(yīng)用場景。

3.1 展示應(yīng)用

用于生物、化學(xué)課程，建立細(xì)胞VR結(jié)構(gòu)模型，使用VR設(shè)備進(jìn)行微觀視角查看，實現(xiàn)細(xì)胞和原子微觀結(jié)構(gòu)的展示，取代不夠直觀的二維圖像與無交互功能、粗糙的三維模型，具有形象直觀、吸引性強(qiáng)、利于記憶的特點。

用于地理課程，實現(xiàn)各種地形的展示，如極端地形海底火山、海溝、火山口、地球內(nèi)部等，也可展示宏觀或微觀的垂直或水平結(jié)構(gòu)，如一片池塘的模型，一座山的層次模型等，該應(yīng)用突破了空間限制，具有形象直觀的優(yōu)點。

用于美術(shù)課程，實現(xiàn)藝術(shù)作品環(huán)境的營造，加強(qiáng)藝術(shù)審美的感知。此外還可提供作畫的背景，給予畫家多維度多角度的觀察環(huán)境，便于細(xì)節(jié)的勾勒與描繪，具有自由度高、體驗感強(qiáng)的特點。

3.2 體驗應(yīng)用

用于語文、英語課程，營造閱讀環(huán)境，給予沉浸式的審美感知。例如在閱讀文章時，由VR設(shè)備提供環(huán)境背景，便于閱讀者理解情節(jié)、情感共鳴，相比于原來僅靠感知與想象，優(yōu)化了閱讀體驗。

用于物理化學(xué)生物等課程，模擬現(xiàn)實不具備的理想環(huán)境或危險實驗環(huán)境[4]，如理想斜面實驗、爆炸實驗等，具有操作性強(qiáng)、可重復(fù)、安全的特點。

用于建筑和設(shè)計，利用VR建模軟件，進(jìn)行建筑設(shè)計的模擬建立等，實現(xiàn)建筑材料的感知、強(qiáng)度的測試、建筑模型的建立，自由度高且有助于拓寬思路。

3.3 互動應(yīng)用

系統(tǒng)可模擬遠(yuǎn)程教學(xué)、實時課程會議的環(huán)境，實現(xiàn)云端教育。應(yīng)用時老師與學(xué)生以客戶端形式接入，基于第三方平臺進(jìn)行實時交流，相比于實體線下課堂更為方便，相比于線上會議具有更多維的感官體驗與實時互動，便于交流。

基于聯(lián)機(jī)，VR客戶端提供可交互、安全理想的訓(xùn)練環(huán)境，實現(xiàn)學(xué)生、老師與虛擬器材、虛擬環(huán)境的互動反饋，如應(yīng)用于攀巖教學(xué)中，既可以規(guī)避傷害，又得以使老師實時指導(dǎo)學(xué)生的動作，實現(xiàn)安全訓(xùn)練和高度交互[5]。

4 VR系統(tǒng)應(yīng)用于課堂教學(xué)的系統(tǒng)方案設(shè)計

基于現(xiàn)有技術(shù)及應(yīng)用特點，設(shè)計一套VR教學(xué)系統(tǒng)，系統(tǒng)包含云端系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、VR客戶端系統(tǒng)與開發(fā)系統(tǒng)等，各分系統(tǒng)功能及原理如下。

4.1 云端系統(tǒng)

云端系統(tǒng)用于完成數(shù)據(jù)的處理，具有數(shù)據(jù)量大、計算能力強(qiáng)、資源豐富的特點，主要由高性能計算模塊、數(shù)據(jù)輸入/輸出模塊、存儲模塊組成，各功能模塊原理如下。

（1）高性能計算模塊，主要完成數(shù)據(jù)運算，基于分布式或集中式云計算的原理，利用在線高性能計算機(jī)實現(xiàn)集中處理數(shù)據(jù)。

（2）數(shù)據(jù)輸入/輸出模塊，用于數(shù)據(jù)在云端系統(tǒng)、通信系統(tǒng)之間的輸入和輸出。

（3）存儲模塊，具有大存儲空間，用來儲存VR系統(tǒng)上傳的數(shù)據(jù)。

4.2 通信系統(tǒng)

通信系統(tǒng)可完成VR客戶端數(shù)據(jù)的上傳和云端系統(tǒng)處理結(jié)果的反饋，具有傳輸速度快、數(shù)據(jù)容量大、時延小的特點，滿足VR數(shù)據(jù)云端處理傳輸需要。通信系統(tǒng)基于5G系統(tǒng)搭建數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，具有速快量大時延小的特點。

4.3 VR客戶端系統(tǒng)

VR客戶端系統(tǒng)可以完成虛擬環(huán)境的構(gòu)建，同時接收用戶信息輸入，給予反饋，為用戶提供多感官沉浸式體驗。由視覺系統(tǒng)，聽覺系統(tǒng)，方位跟蹤設(shè)備和其他功能單位組成，各功能單元原理如下。

（1）客戶端無線通信系統(tǒng)，主要完成客戶端對通信系統(tǒng)的接入與信息的傳輸。

（2）視覺系統(tǒng)，以頭盔顯示器為核心，給予沉浸式的大角度觀察視角。

（3）聽覺系統(tǒng)，基于人工智能和計算機(jī)處理系統(tǒng)[6]，完成語音識別、聲音合成與聲音定位等功能。

（4）方位跟蹤設(shè)備，以方位跟蹤器、數(shù)據(jù)手套和數(shù)據(jù)衣為主體，實現(xiàn)手勢動作方位的感知與觸覺反饋。

（5）其它功能包括味覺嗅覺觸覺等的反饋系統(tǒng)。

4.4 開發(fā)系統(tǒng)

開發(fā)系統(tǒng)是一種建模軟件，可使老師學(xué)生方便、靈活、直觀地完成教學(xué)相關(guān)VR場景構(gòu)建，是一種通用基礎(chǔ)軟件。由創(chuàng)作平臺、分享平臺等組成。

（1）創(chuàng)作平臺，主要完成建模的創(chuàng)作，一般步驟包括：①由基礎(chǔ)圖形完成三維圖的生成；②開展3D圖像渲染；③基于物理引擎完成場景的演示與測試。

（2）分享平臺，主要作為建模完成之后成品的數(shù)據(jù)庫及分享平臺，由客戶端和云數(shù)據(jù)平臺組成，能讓使用者在線共享建模作品，如教學(xué)資料、實驗?zāi)Ｐ偷取?/p>

5 結(jié)束語

本文針對VR設(shè)備在未來課堂教學(xué)中的應(yīng)用，針對現(xiàn)階段成本高、運算能力弱、使用范圍有限等問題，提出了利用分布式云計算、5G技術(shù)進(jìn)行解決的設(shè)想，并完成了關(guān)鍵技術(shù)展望。基于VR自身的特點，梳理出展示、體驗與互動等三個應(yīng)用方向，結(jié)合各課程的實際需求，完成了8種應(yīng)用場景展望。最后基于關(guān)鍵技術(shù)及實際應(yīng)用場景，提出了一套包含云端系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、VR客戶端系統(tǒng)、開發(fā)系統(tǒng)的應(yīng)用于課堂教學(xué)的系統(tǒng)設(shè)計方案。隨著關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展與成熟，經(jīng)過不斷地研究，VR技術(shù)的現(xiàn)有缺點將被逐漸彌補(bǔ)，其在未來課堂教學(xué)中的應(yīng)用更加廣泛。

引文

①http://www.moe.gov.cn/jyb_sjzl/sjzl_fztjgb/201707/t20170710_309042.html.

②馮逸.從5G與4G的比較中展望通信未來[J].數(shù)字通信世界,2017(12).

③尤肖虎,潘志文,高西奇,等.5G移動通信發(fā)展趨勢與若干關(guān)鍵技術(shù)[J].中國科學(xué):信息科學(xué),2014,44(5):551-563.

④蘆璐,徐樂樂.VR技術(shù)對物理教學(xué)的影響[J].現(xiàn)代商貿(mào)工業(yè),2017(12):161-162.

⑤李學(xué)恒,裴晶晶.VR技術(shù)在體育教學(xué)中的應(yīng)用[J].電腦編程技巧與維護(hù),2011(6):107-108.

⑥顧險峰.人工智能的歷史回顧和發(fā)展現(xiàn)狀[J].自然雜志,2016,38(3):157-166.