虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)中的應(yīng)用研究

夏 燕

一、引言

光纖網(wǎng)絡(luò)、4G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的誕生，有效地提高了互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用領(lǐng)域，覆蓋了物流倉儲(chǔ)、政企辦公、金融證券、交通城管等多個(gè)方面，互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)成為社會(huì)信息化、智能化和共享化的關(guān)鍵技術(shù)之一，也吸引了很多的高校開展計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程。[1]計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)需要組建一個(gè)功能完善、部署靈活的機(jī)房，購置網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器、三層交換機(jī)、路由器以及管理軟件，然后利用這些軟硬件設(shè)備構(gòu)成一個(gè)健全的網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)信息通信服務(wù)。[2]但是，由于一些高校資金不足，教學(xué)設(shè)備購買不全，同時(shí)又需要為學(xué)生提供實(shí)踐鍛煉的機(jī)會(huì)，因此網(wǎng)絡(luò)教學(xué)面臨著許多問題。虛擬現(xiàn)實(shí)是一種可創(chuàng)建和體驗(yàn)的仿真技術(shù)，其可以模擬真實(shí)的場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)多源信息融合，生成一個(gè)交互式的三維動(dòng)態(tài)視景，可以使用戶沉浸到這個(gè)環(huán)境操作對(duì)象。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)提供了一個(gè)實(shí)訓(xùn)環(huán)境，能夠在虛擬的教學(xué)環(huán)境中構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和部署軟硬件設(shè)備，觀察、瀏覽互聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行細(xì)節(jié)流程，同時(shí)可以遠(yuǎn)程登錄學(xué)習(xí)，打破傳統(tǒng)教學(xué)模式，因此，研究虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)中的應(yīng)用，具有重要的意義。[3]

二、虛擬現(xiàn)實(shí)關(guān)鍵技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)作為當(dāng)前先進(jìn)的多媒體計(jì)算機(jī)技術(shù)之一，其集成了很多的先進(jìn)技術(shù)，比如機(jī)器學(xué)習(xí)、模式識(shí)別等，以便能夠幫助虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)識(shí)別物體，構(gòu)建一個(gè)輸入輸出交互系統(tǒng)，因此虛擬現(xiàn)實(shí)的關(guān)鍵技術(shù)包括跟蹤注冊(cè)技術(shù)、顯示技術(shù)、3D建模技術(shù)，如圖1所示。

圖1 虛擬現(xiàn)實(shí)關(guān)鍵技術(shù)

(一)跟蹤注冊(cè)技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)能夠?qū)⑻摂M信息、真實(shí)環(huán)境信息進(jìn)行集成和融合，實(shí)現(xiàn)虛實(shí)無縫疊加，因此基于跟蹤注冊(cè)技術(shù)可以增強(qiáng)物體融合的力度和效果。目前，跟蹤注冊(cè)采用的關(guān)鍵技術(shù)包括多種機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，比如BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)、遺傳算法等，這些算法可以準(zhǔn)確地從復(fù)雜應(yīng)用背景中識(shí)別輸入信息特征，將這些特征數(shù)據(jù)傳輸給系統(tǒng)交互模塊，觸發(fā)事件流之后就可以完成跟蹤注冊(cè)。[4]

(二)顯示技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的顯示設(shè)備很多，包括頭盔顯示器和非頭盔設(shè)備。頭盔顯示器需要佩戴到觀察者頭部，能夠?yàn)橛脩籼峁┮粋€(gè)信息輸出、虛擬融合的鏡像。非頭盔設(shè)備包括3D眼鏡、裸眼3D顯示器等，能夠?yàn)橛脩籼峁┮粋€(gè)強(qiáng)大的操作處理系統(tǒng)，不需要佩戴頭盔即可瀏覽虛擬現(xiàn)實(shí)鏡像。

(三)3D建模技術(shù)

3D建模技術(shù)能夠?qū)陀^世界中的事務(wù)進(jìn)行建模，利用3dsmax、Maya、Sketch Up和Auto CAD等工具設(shè)計(jì)一個(gè)模型，以便能夠制作交換機(jī)、路由器、服務(wù)器、存儲(chǔ)器等，更好地模仿真實(shí)世界的實(shí)際物體，幫助虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)3D建模。3D建模包括三維模型和動(dòng)畫模型，三維模型屬于靜態(tài)的，動(dòng)畫模型屬于動(dòng)態(tài)的，適用于不同網(wǎng)絡(luò)教學(xué)場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸和交換。[5]

三、基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)模式

(一)模式創(chuàng)新設(shè)計(jì)

基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)虛擬教學(xué)環(huán)境可以突破時(shí)空限制，用戶進(jìn)入到虛擬教學(xué)系統(tǒng)之后，該系統(tǒng)就可以根據(jù)實(shí)際需求生成各類型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)備，為用戶提供一個(gè)娛樂性十足的學(xué)習(xí)環(huán)境，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造力和學(xué)習(xí)積極性。虛擬現(xiàn)實(shí)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)系統(tǒng)核心功能包括GUI界面、渲染算法、應(yīng)用邏輯組件、實(shí)例腳本和視頻渲染場(chǎng)景。[6]GUI交互界面能夠?yàn)閷W(xué)生和教師提供一個(gè)可視化的學(xué)習(xí)向?qū)В瑢W(xué)生可以通過該向?qū)л斎牒芏嗟男畔ⅲ@些信息包括各類型設(shè)備信息，比如服務(wù)器、路由器、交換機(jī)、終端電腦等，還可以利用虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境實(shí)現(xiàn)TCP協(xié)議、IP協(xié)議、FTP協(xié)議等內(nèi)容，更加形象地掌握各類型網(wǎng)絡(luò)協(xié)議實(shí)際執(zhí)行情況，提高學(xué)生學(xué)習(xí)效率。應(yīng)用邏輯組件作為一個(gè)服務(wù)器模型，其可以利用各類型的設(shè)備數(shù)據(jù)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，比如可以催化網(wǎng)絡(luò)設(shè)備操作部件，產(chǎn)生一個(gè)三層的設(shè)備信息模型，該模型能夠經(jīng)過驅(qū)動(dòng)之后形成一個(gè)良好的設(shè)備模型。[7]

虛擬現(xiàn)實(shí)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)系統(tǒng)在執(zhí)行時(shí)可以劃分三個(gè)層次，分別是用戶終端層、虛擬渲染層、后臺(tái)資源層，每一個(gè)層次之間都可以使用接口進(jìn)行連接，接口可以實(shí)現(xiàn)用戶信息認(rèn)證、組件模型傳輸、應(yīng)用服務(wù)處理，系統(tǒng)需要將服務(wù)器和用戶邏輯業(yè)務(wù)隔離起來，這樣就可以保護(hù)每一層的資源是邏輯獨(dú)立的，能夠?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)教學(xué)提供強(qiáng)大的支撐。虛擬現(xiàn)實(shí)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)系統(tǒng)的主要功能包括以下幾個(gè)方面：

1.直播教學(xué)功能。虛擬現(xiàn)實(shí)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)系統(tǒng)可以采用云計(jì)算、流媒體等功能，為學(xué)生提供一個(gè)直播課堂功能。直播教學(xué)能夠?qū)崿F(xiàn)在線直播、在線點(diǎn)播、在線回訪等功能，滿足不同學(xué)生的實(shí)際學(xué)習(xí)需求。直播教學(xué)開展時(shí)，用戶還可以在嵌入的實(shí)時(shí)聊天系統(tǒng)內(nèi)溝通、交流，建立一個(gè)興趣學(xué)習(xí)小組，相同興趣的學(xué)生可以加入到該小組，探討不同的學(xué)習(xí)問題，保證用戶的良好操作服務(wù)，保證業(yè)務(wù)的實(shí)時(shí)化管理。

2.課程設(shè)計(jì)功能。虛擬現(xiàn)實(shí)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)系統(tǒng)可以構(gòu)建一個(gè)仿真的學(xué)習(xí)、實(shí)踐環(huán)境，教師講授一段課程內(nèi)容之后，可以布置實(shí)踐操作任務(wù)，學(xué)生登錄仿真實(shí)踐環(huán)境，可以根據(jù)任務(wù)需求設(shè)計(jì)圖紙，實(shí)現(xiàn)邊學(xué)邊練。該功能開發(fā)中采用了虛擬現(xiàn)實(shí)、3D建模、自然手勢(shì)識(shí)別等技術(shù)，可以提高虛擬教學(xué)系統(tǒng)的沉浸感和真實(shí)感，確保用戶操作的可靠性。虛擬現(xiàn)實(shí)能夠?yàn)橛脩籼峁?qiáng)大的操作支撐，為用戶提供有力的信息管理模式。[8]課程設(shè)計(jì)過程中，利用3D建模可以構(gòu)建一個(gè)強(qiáng)大的操作服務(wù)功能，該功能能夠利用強(qiáng)大的操作管理內(nèi)容，構(gòu)建一個(gè)強(qiáng)大的操作支撐，利用3dsmax、Maya、Photoshop等集成化的軟件構(gòu)建一個(gè)建模功能，實(shí)現(xiàn)信息的操作服務(wù)功能，利用骨骼、蒙皮構(gòu)建動(dòng)態(tài)的操作處理模式，保證業(yè)務(wù)的實(shí)時(shí)化開展，實(shí)現(xiàn)信息的加工和服務(wù)，進(jìn)一步提高企業(yè)的良好處理能力。自然手勢(shì)識(shí)別可以利用數(shù)據(jù)處理、機(jī)器學(xué)習(xí)等功能，進(jìn)一步管理企業(yè)的交互性、透視性和友好性，保證用戶操作的良好體驗(yàn)，方便用戶交流使用。

3.學(xué)習(xí)中心管理功能。虛擬現(xiàn)實(shí)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)系統(tǒng)擁有較多的用戶，同時(shí)也需要為課程提供一個(gè)服務(wù)中心，這樣就可以保存學(xué)生、課程、教師的基本信息，實(shí)現(xiàn)課程教學(xué)實(shí)時(shí)管理，能夠?qū)崿F(xiàn)用戶并發(fā)接入系統(tǒng)、知識(shí)點(diǎn)點(diǎn)播、學(xué)生作品保存等功能。學(xué)習(xí)中心利用虛擬現(xiàn)實(shí)構(gòu)建教學(xué)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)信息加工和服務(wù)，方便用戶接入到系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)一個(gè)強(qiáng)大的操作管理模式，利用先進(jìn)的數(shù)據(jù)處理能夠進(jìn)行知識(shí)點(diǎn)的點(diǎn)播，保證知識(shí)中心的數(shù)據(jù)處理功能，實(shí)現(xiàn)信息的加工和服務(wù)。學(xué)生作品創(chuàng)建過程中，人們可以根據(jù)實(shí)際的操作需求，通過先進(jìn)的管理和具有實(shí)時(shí)化、沉浸感的操作，利用信息服務(wù)為用戶提供強(qiáng)大的支撐。

(二)應(yīng)用效果分析

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)之后，可以有效地提升互聯(lián)網(wǎng)教學(xué)成效，具體的應(yīng)用效果包括以下幾個(gè)關(guān)鍵方面：

1.一對(duì)一教學(xué)提高教學(xué)專業(yè)化

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)之后，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)專業(yè)的教師可以為每一個(gè)用戶分配一個(gè)賬號(hào)，同時(shí)在腳本實(shí)例中設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)組建、部署、運(yùn)行案例，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)案例的指導(dǎo)學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)知識(shí)，學(xué)生可以在教師教導(dǎo)、鞏固練習(xí)下，掌握互聯(lián)網(wǎng)的相關(guān)知識(shí)。因此，虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境下的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)可以實(shí)現(xiàn)一對(duì)一授課、備課，能夠完善教學(xué)資源，保證學(xué)生學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)知識(shí)的積極性、主動(dòng)性，能夠在教學(xué)中渲染網(wǎng)絡(luò)教學(xué)協(xié)議，因此更加專業(yè)。

2.進(jìn)一步降低網(wǎng)絡(luò)設(shè)備購置費(fèi)用

虛擬化的教學(xué)環(huán)境中，路由器、交換機(jī)、服務(wù)器、光纖等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備均為3D模型，這些模型利用3dsmax、Maya等軟件編輯制作而成，不需要購買，學(xué)校只需要購置一套軟件即可滿足教學(xué)需求，同時(shí)這套軟件可以根據(jù)教學(xué)需求動(dòng)態(tài)化地更新，實(shí)現(xiàn)最新的互聯(lián)網(wǎng)教學(xué)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組建，配置最新的互聯(lián)網(wǎng)通信設(shè)備和協(xié)議，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的創(chuàng)新，具有重要的作用和意義。[9]

3.統(tǒng)一部署教學(xué)環(huán)境以提高系統(tǒng)維護(hù)效率

基于虛擬現(xiàn)實(shí)的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)環(huán)境可以為用戶提供升級(jí)、維護(hù)的環(huán)境，這個(gè)環(huán)境不需要專業(yè)的管理員進(jìn)行監(jiān)管，系統(tǒng)運(yùn)行過程中可以時(shí)刻統(tǒng)計(jì)和分析運(yùn)行狀態(tài)，如果需要更新和維護(hù)，只需要向用戶推動(dòng)最新的客戶端程序，無需逐臺(tái)測(cè)試就可以完成運(yùn)行。[10]

4.寓教于樂以激發(fā)學(xué)生的積極性和主動(dòng)性

基于虛擬現(xiàn)實(shí)的互聯(lián)網(wǎng)教學(xué)平臺(tái)可以模擬真實(shí)環(huán)境，向用戶展示軟硬件資源的協(xié)議運(yùn)行情況，定制個(gè)性化的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)需求，能夠創(chuàng)造性地展示可視化網(wǎng)絡(luò)通信狀態(tài)數(shù)據(jù)，滿足互聯(lián)網(wǎng)的操作需求，提高了互聯(lián)網(wǎng)教學(xué)的直觀性，寓教于樂，激發(fā)了學(xué)生的興趣。[11]

總之，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)是一個(gè)動(dòng)態(tài)的、革新的培訓(xùn)模式，可以為當(dāng)前的政企單位提供實(shí)用型、創(chuàng)新型人才，進(jìn)一步確保高效計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的質(zhì)量。為了解決時(shí)空限制、教學(xué)成本等問題，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)開發(fā)的這一個(gè)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)系統(tǒng)，能夠?yàn)閷W(xué)生提供一個(gè)沉浸式的寓教于樂的學(xué)習(xí)環(huán)境，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。