一種興趣驅動的沉浸式網絡教學模式的設計與教學實踐

陳敏 湯曉安 孫海洋 仇煥青 劉小紅 張競超

摘要：以有效提高網絡教學的學習興趣為目標，研究并構建一種新的沉浸式的網絡教學平臺，借助VR（虛擬現實）頭盔和智能手機等設備，構建沉浸式的網絡虛擬實訓和虛擬教學環境，改變傳統的網絡教學模式，將網絡教學打造為身臨其境的虛擬課堂，激發學習熱情，提高學習興趣，進而有效提升教學效果。

關鍵詞：興趣驅動;沉浸式;網絡教學;虛擬現實

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）33-0157-03

1概述

“需求牽引，興趣驅動”是當代教育的主要特征與著力點，其中，“需求牽引”是一種被動和強制學習方式，而“興趣驅動”是一種主動學習方式，因此“興趣驅動”是提高學習熱情、激發創新能力的關鍵。目前，以“需求牽引”為目標的教育體系建設已經基本完善，而如何提升“興趣驅動”的教學能力則仍在探索中。

網絡教學是課堂教學的重要補充，是指借助計算機、網絡等技術，通過音頻、視頻、以及交互式多媒體等進行教學的方式。當前，網絡教學主要以慕課、微課、以及WEB交互等為主要手段。網絡教學與課堂教學的主要區別在于，前者是在無監督的條件下進行，無課堂紀律等方面的硬性要求，因此對學生的自覺性要求較高，而提高學習興趣是關鍵，靈活多樣的內容組織、引人人勝的教學方式、身臨其境的學習體驗等對提高網絡教學的效果至關重要。

虛擬現實技術，特別是嵌入式虛擬現實技術是當前的研究熱點，該技術通過頭盔、立體眼鏡等設備可營造出震撼逼真和引人人勝的虛擬場景。目前，將虛擬現實技術應用于網絡教學，各高校進行了有意義的嘗試，但基本局限于三維瀏覽等簡單功能，且沉浸感不強，不能有效支持課程教學和實驗。

基于此，研究一種以興趣驅動為引領的，以沉浸式教學為基本特征的網絡教學模式，形成完善的教學模式與評價機制具有重要的現實意義。本文首先分析嵌入式虛擬現實技術的實現原理和技術基礎，然后給出沉浸式網絡教學平臺的設計方案和實現的基本步驟，最后給出此平臺的教學實施過程與教學效果分析。

2沉浸式雙目立體視覺基礎

人們通過對現實場景的觀察而獲得立體感，并進而產生身臨其境的感受，相應的，對虛擬場景的觀察也基于此原理。人的雙眼間距約為65mm，當人觀察三維空間的立體目標時，雙眼的觀察角度稍有不同，視網膜上的成像具有細微差別，這就是雙目視差。大腦皮層的視覺中樞將雙眼視網膜成像進行融合最終形成具有深度感的視覺信號。當觀察者雙眼處于水平時，兩眼視線是水平方向，視網膜上成像的視差稱為水平視差;當雙眼不是出于水平時，視網膜上成像會形成垂直方向上的視差，稱為縱向視差。在一般的虛擬現實系統中，除非針對特定的場景需求，縱向視差一般不作考慮。立體視差模型如下圖所示。

顯然，當視差為正時，空間點將位于平面后方，視差為負時，空間點位于雙眼和屏幕之間，視差為零時，空間點位于屏幕上。

3沉浸式網絡教學平臺設計

沉浸式網絡教學平臺包括立體視頻生成、虛實合成、網站建設與內容發布等基本步驟。

3.1立體視頻生成

式（2.3）中，d為人眼與相機屏幕的距離，直接反映為相機的焦距;e為雙眼間距，通常為65cm左右。a為空間同一點在雙眼中的左右位置差，因此，只要使用有一定水平間距的兩個相機對同一物體進行拍攝，就可以獲得相應的視差圖像。

雙目相機結構設計如下：

如圖2所示，雙目相機由三腳架固定，三腳架高度可適當調節，雙目相機的鏡頭保持在同一水平線，通過調整旋鈕調整好鏡頭間距后固定，通過USB接口與外部系統連接實現視頻的同步拍攝和傳輸。

通過雙目相機，可以同時獲取同一場景不同視差的視頻圖像，然后分別傳送給相應的眼睛佐右眼）。目前，完成此類功能的設備較多，主要是VR頭盔+智能手機的模式，其中，VR頭盔具有分割左右眼視線的作用，同時具有相應的姿態傳感器;智能手機則負責顯示和計算。

3.2虛實合成

虛實合成的目的是將雙目相機視頻和虛擬場景進行合成。雙目相機拍攝的視頻主要為課堂授課或者實操視頻，為降低教學環境要求，減少成本，同時也不改變教師的授課環境和習慣，對教師的授課和演示過程進行原位跟隨拍攝，即原來在教室上課或在實驗室操作的，依然在教室或實驗室，不改變原來的地點和進度。虛擬場景主要用于創建場景豐富的虛擬教室和實驗室環境，以提高教學環境的身臨其境感。

虛實合成的基本流程如下：

Stepl計算雙目視頻的特征匹配點，以確定場景深度

我們以課堂教學為例，以黑板和教師相應的特征點進行匹配，如下圖所示：

通常，我們采用SIFT（Scale Invariant Feature Transform）算法或SURF（Speeded Up Robust Features）算法進行特征匹配，基于OpenCV進行開發。

Step2建立教室或實驗室環境虛擬場景

借助相關虛擬現實建模軟件，如3D MAX或Unity 3D，我們可以建立滿足需要的虛擬教室或實驗室場景，如下圖所示：

Step3虛擬場景與視頻融合

將雙目視頻放置與虛擬場景背景中的黑板處，設置兩個虛擬相機對所有虛擬場景都可見，如下圖所示：

3.3網站建設與內容發布

首先建立相應課程的遠程教學網站，然后將合成好的雙目視頻發布至網站。當進行遠程學習時，將雙目視頻下載安裝至嵌入式VR頭盔即可，其效果和觀看3D電影相同。

4教學實施與教學效果分析

基于我們建立的沉浸式遠程教學系統，針對湖南信息學院和湖南交通工程學院兩所院校的《Java程序設計》和《微機原理》課程進行了教學實踐，其中，湖南信息學院選取了2017級軟件工程專業共4個班212名本科生進行了幻ava程序設計》教學對比實驗，湖南交通工程學院2017級電信專業2個班共92名本科生進行了《微機原理》教學對比實驗。基本實施過程如下：

（1）對兩所院校的學生按自然班進行分類，其中，2個幻aYa程序設計》班和1個《微機原理》班，共計3個實驗班級增加沉浸式網絡教學環節，其余3個班級按原有模式正常教學。

（2）購置每個班購置4套VR頭盔設備，共12套，課余時間輪流使用。

（3）實驗時間跨度為1個學期，跟隨課堂教學，作為課堂教學的補充手段。

（4）設置具體評價參數，記錄并觀察學習效果。

我們對實施效果設置了主觀和客觀兩類評價指標，其中，主觀評價指標主要包括學習興趣、課堂活躍程度、互動積櫥陸、回答問題積極程度等，客觀評價指標主要包括課程實驗優秀/良好率、理論考試優秀/良好率等指標。

實驗結果表明，在主觀評價指標上，進行了沉浸式課程輔助教學的班級，對課程學習表現出了濃厚興趣，上課積極互動，課后交流頻繁。在客觀評價指標上，《Java程序設計》實驗班級的課程實驗實訓的優秀率提高約10%，良好率提高12%，期末考試班平均分提高15.7%;《微機原理》實驗班級的課程實驗實訓的優秀率提高約20%，良好率提高10%，期末考試班平均分提高26.8%。由此可以看出，采取沉浸式網絡輔助教學，其教學效果無論主觀還是客觀評價指標上均有較大程度提升;再者，《微機原理》課程較幻aYa程序設計》課程提升更為明顯，這是因為《微機原理》課程的硬件內容更多，采用沉浸式教學更加有利于展現計算機結構、硬件組成，對加深學習內容的理解更有幫助。

下一步地改進在于，一是VR頭盔設備的采購需要增加一定投入，本文用于實驗的設備套數出現不足，因而不得不輪流交叉使用;二是用于顯示的智能手機是使用學生自己的手機，由于品牌型號各不相同，和VR頭盔的匹配有部分會出現問題。