基于虛擬現(xiàn)實的計算機(jī)專業(yè)線上線下混合式教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計

摘要：針對現(xiàn)行系統(tǒng)在計算機(jī)專業(yè)線上線下混合式教學(xué)場景中應(yīng)用的流暢性、仿真性較差等問題，文章提出基于虛擬現(xiàn)實的計算機(jī)專業(yè)線上線下混合式教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計，采用B/S結(jié)構(gòu)（Browser/Server Architecture）模式構(gòu)建由表示層、業(yè)務(wù)邏輯層和數(shù)據(jù)層組成的系統(tǒng)架構(gòu)。在系統(tǒng)硬件方面對虛擬現(xiàn)實設(shè)備選型與設(shè)計，在系統(tǒng)軟件方面采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)構(gòu)建混合式教學(xué)虛擬場景，實現(xiàn)虛擬教學(xué)交互，以此完成基于虛擬現(xiàn)實的計算機(jī)專業(yè)線上線下混合式教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計。實驗證明，設(shè)計系統(tǒng)仿真度不低于90%，混合式教學(xué)交互中幀數(shù)不低于300個，系統(tǒng)仿真性能與流程性能良好，在計算機(jī)專業(yè)線上線下混合式教學(xué)領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實；計算機(jī)專業(yè)；線上線下混合式；B/S結(jié)構(gòu)；虛擬現(xiàn)實

中圖分類號：TP434" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，教育領(lǐng)域正經(jīng)歷著前所未有的變革。傳統(tǒng)的課堂教學(xué)方式，雖然能夠為學(xué)生提供基礎(chǔ)的理論知識和實踐經(jīng)驗，但在培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維、實踐能力以及解決復(fù)雜問題的能力上，往往顯得力不從心。尤其是在計算機(jī)專業(yè)教學(xué)中，由于技術(shù)的快速更新迭代，傳統(tǒng)教學(xué)模式已經(jīng)難以滿足社會對高素質(zhì)計算機(jī)專業(yè)人才的需求^［1］。因此，探索新型的教學(xué)模式，尤其是將線上線下混合式教學(xué)理念引入計算機(jī)專業(yè)教學(xué)，開發(fā)與設(shè)計教學(xué)系統(tǒng)開展專業(yè)教學(xué)，已成為當(dāng)前教育領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)^［2］。在線上線下混合式教學(xué)模式下，教師可以根據(jù)學(xué)生的實際需求和興趣點(diǎn)，靈活地選擇教學(xué)方式和手段，為學(xué)生提供更加個性化、多樣化的學(xué)習(xí)體驗。

近年來，已經(jīng)有很多學(xué)者對計算機(jī)專業(yè)線上線下混合式教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計進(jìn)行了研究，例如，蘇雪瓊等^［3］提出了URAI聯(lián)動教學(xué)生態(tài)系統(tǒng)，采用URAI聯(lián)動模式整合與共享學(xué)習(xí)資源，實現(xiàn)師生、生生之間的線上互動，開展教學(xué)活動。吳僑^［4］提出了基于增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)的教學(xué)系統(tǒng)，通過增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)實現(xiàn)互動式實驗操作模擬與虛擬物體渲染交互。雖然現(xiàn)有的系統(tǒng)提高了計算機(jī)專業(yè)教學(xué)數(shù)字化與信息化水平，提高了教學(xué)效率，但是仍然存在一些弊端和不足，在實際應(yīng)用中系統(tǒng)流暢度較低，單位時間交互中幀數(shù)量較少，并且系統(tǒng)對計算機(jī)專業(yè)虛擬課程仿真度比較低，無法到達(dá)預(yù)期效果。基于此，本文提出了基于虛擬現(xiàn)實的計算機(jī)專業(yè)線上線下混合式教學(xué)系統(tǒng)。

1 計算機(jī)專業(yè)線上線下混合式教學(xué)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)架構(gòu)采用B/S結(jié)構(gòu)模式^［5］，由表示層、業(yè)務(wù)邏輯層和數(shù)據(jù)層3部分組成，系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

2 計算機(jī)專業(yè)線上線下混合式教學(xué)硬件設(shè)計

2.1 VR設(shè)備

虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality， VR）設(shè)備主要應(yīng)用于系統(tǒng)線上虛擬教學(xué)中，其功能是將系統(tǒng)構(gòu)建的二維虛擬場景進(jìn)行三維展示^［6-7］。根據(jù)需求此次選用IHFA0-010VR，其主要由定位器、VR眼鏡、控制手柄3部分組成，定位器實現(xiàn)定位用戶在虛擬場景中的位置，VR眼鏡實現(xiàn)虛擬場景投影，控制手柄實現(xiàn)虛擬教學(xué)場景控制，賦予學(xué)生在場景中的觸感。控制手柄上設(shè)定YCV、TVD、YUHB按鍵，分別為控制菜單、虛擬場景選擇、虛擬視角轉(zhuǎn)換。

2.2 控制器

該控制器以Struts2為基礎(chǔ)，通過對教學(xué)系統(tǒng)中的表格數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和組織，形成一個統(tǒng)一的數(shù)據(jù)參量對象。Struts2架構(gòu)會根據(jù)使用者所提交的網(wǎng)頁請求類型，自動地將參數(shù)物件分配給對應(yīng)的控制器以供處理，系統(tǒng)調(diào)用服務(wù)控制接口，處理與表單數(shù)據(jù)相關(guān)的事件^［8-9］。這些事件可能包括數(shù)據(jù)驗證、業(yè)務(wù)邏輯處理或數(shù)據(jù)庫交互等。一旦服務(wù)器接口完成數(shù)據(jù)處理，控制器會將處理結(jié)果打包并分發(fā)給對應(yīng)的視圖進(jìn)行展示。這樣，用戶可以直觀地看到系統(tǒng)對表單數(shù)據(jù)的處理結(jié)果。

3 計算機(jī)專業(yè)線上線下混合式教學(xué)系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)的核心功能為混合式虛擬教學(xué)，因此結(jié)合系統(tǒng)架構(gòu)與硬件設(shè)計，采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)構(gòu)建混合式教學(xué)虛擬場景，實現(xiàn)系統(tǒng)與用戶的虛擬仿真交互^［10］。系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中存儲著海量的計算機(jī)專業(yè)實習(xí)、實訓(xùn)圖像，虛擬現(xiàn)實技術(shù)是將海量圖像拼接到三維虛擬場景中，仿真實習(xí)、實訓(xùn)場景。由于真實實訓(xùn)場景的圖像數(shù)據(jù)格式與虛擬現(xiàn)實所需的數(shù)據(jù)格式之間存在不兼容的問題，故首先采用加權(quán)函數(shù)對計算機(jī)專業(yè)實習(xí)、實訓(xùn)圖像格式轉(zhuǎn)換，其用公式表示為：

C=∏Sj=1Xj·ac（1）

其中，C為轉(zhuǎn)化后的計算機(jī)專業(yè)實習(xí)、實訓(xùn)圖像；j為數(shù)據(jù)庫中實訓(xùn)圖像數(shù)量；S為數(shù)據(jù)庫圖像集；Xj為圖像集中第j個實訓(xùn)圖像；a為圖像權(quán)重系數(shù)，根據(jù)每個圖像的重要性和相關(guān)性進(jìn)行權(quán)重分配；c為轉(zhuǎn)換系數(shù)。由于原始圖像可能存在重疊部分，采用二值轉(zhuǎn)換算法對圖像進(jìn)行變換處理，對重疊區(qū)域僅保留一份，其用公式表示為：

K（x，y）=∑j=1ε·s·Cj（2）

其中，K（x，y）為變換后的圖像K中像素點(diǎn)（x，y）值；ε為平移參數(shù)；s為旋轉(zhuǎn)參數(shù)。當(dāng)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備完畢后，利用虛擬現(xiàn)實加載數(shù)據(jù)庫圖像，利用變換矩陣為這些圖像數(shù)據(jù)構(gòu)建一個針對空間場景的二維圖示，這個圖示實際上就是一個虛擬的計算機(jī)專業(yè)實訓(xùn)場景，它完全基于真實實訓(xùn)圖像數(shù)據(jù)生成，這個場景的構(gòu)建過程可以如下公式表示：

Z=K（x，y）LV（3）

其中，Z為生成的計算機(jī)專業(yè)虛擬實訓(xùn)場景；L為圖像空間維度；V為圖像投影映射矩陣。通過上述一系列圖像轉(zhuǎn)換和構(gòu)建過程，將真實計算機(jī)專業(yè)實訓(xùn)圖像數(shù)據(jù)在虛擬現(xiàn)實軟件中進(jìn)行多維轉(zhuǎn)換，生成計算機(jī)專業(yè)虛擬實訓(xùn)場景，結(jié)合系統(tǒng)硬件設(shè)備實現(xiàn)混合式教學(xué)虛擬交互，以此完成系統(tǒng)設(shè)計。

4 實驗論證

4.1 實驗準(zhǔn)備與設(shè)計

為了使此次研究具有一定的學(xué)術(shù)與參考價值，采用對比實驗的方式對本文設(shè)計的基于虛擬現(xiàn)實的計算機(jī)專業(yè)線上線下混合式教學(xué)系統(tǒng)的流暢性與仿真性進(jìn)行檢驗，實驗選擇蘇雪瓊等^［3］提出的URAI聯(lián)動教學(xué)生態(tài)系統(tǒng)、吳僑^［4］提出的基于增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)的系統(tǒng)與本文設(shè)計系統(tǒng)對比。利用仿真度來檢驗系統(tǒng)教學(xué)的仿真性能。仿真度是指虛擬仿真的教學(xué)場景與理想場景的相似程度、相關(guān)程度以及貼近程度，隨機(jī)抽取仿真場景中3個點(diǎn)位，將其與實際場景中點(diǎn)位坐標(biāo)作差，計算出虛擬教學(xué)場景的仿真度，其計算公式為：

E=∫^i∈Ni=1（ei-vi）（ei+vi）/eivi（4）

其中，E為線上線下混合式虛擬教學(xué)中虛擬課程仿真度；i為驗證點(diǎn)位數(shù)量；N為虛擬課程場景點(diǎn)集；ei、vi分別為課程場景中點(diǎn)位斜率與實際斜率。仿真度值域為0～100%，數(shù)值越高，說明系統(tǒng)虛擬課程與實際越相符，學(xué)生體驗感越好。

實驗以某所高校為實驗環(huán)境，選取該高校計算機(jī)專業(yè)100名學(xué)生與10名教師為系統(tǒng)用戶，按照以上系統(tǒng)硬件與架構(gòu)完成系統(tǒng)組裝，學(xué)生與教師在系統(tǒng)上完成注冊后開展課程線上線下混合式教學(xué)。系統(tǒng)應(yīng)用過程中統(tǒng)計虛擬課程仿真度和混合式教學(xué)交互中的幀數(shù)，評價系統(tǒng)性能。

4.2 實驗結(jié)果與討論

3種系統(tǒng)在計算機(jī)專業(yè)線上線下混合式教學(xué)場景中虛擬課程仿真度和教學(xué)交互中幀數(shù)如表1—2所示。

從表1中數(shù)據(jù)可以看出，設(shè)計系統(tǒng)仿真度始終高于90%，平均水平為97.35%，比URAI聯(lián)動教學(xué)生態(tài)系統(tǒng)高將近14%，比基于增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)的系統(tǒng)高將近24%，證明在仿真性能方面設(shè)計系統(tǒng)更具優(yōu)勢。從表2中數(shù)據(jù)可以看出，設(shè)計系統(tǒng)交互操作中幀數(shù)是URAI聯(lián)動教學(xué)生態(tài)系統(tǒng)的1.24倍，是基于增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)系統(tǒng)的1.35倍，證明在流暢性能方面設(shè)計系統(tǒng)也具有優(yōu)勢。通過以上對比與分析證明，本文設(shè)計系統(tǒng)更適用于計算機(jī)專業(yè)線上線下混合式教學(xué)。

5 結(jié)語

基于虛擬現(xiàn)實的計算機(jī)專業(yè)線上線下混合式教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計，不僅是教學(xué)領(lǐng)域的一次重要嘗試，更是對未來教育模式的新探索。通過引入虛擬現(xiàn)實技術(shù)，成功地為計算機(jī)專業(yè)的學(xué)生創(chuàng)建了一個線上線下無縫銜接、沉浸式的學(xué)習(xí)平臺。這一系統(tǒng)的設(shè)計，不但豐富了教學(xué)手段，提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗，而且有效地促進(jìn)了師生之間的交流與互動。這一系統(tǒng)的成功實施，意味著教育技術(shù)的進(jìn)步正在逐步改變著傳統(tǒng)的教學(xué)方式，為學(xué)生提供更多元化、個性化的學(xué)習(xí)選擇。同時，也應(yīng)意識到，系統(tǒng)的設(shè)計和實施只是第一步，未來將繼續(xù)深入研究和探索，不斷優(yōu)化和完善這一系統(tǒng)，以滿足學(xué)生日益增長的學(xué)習(xí)需求。

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（編輯 沈 強(qiáng)編輯）

Design of online and offline hybrid teaching system for computer major based on virtual reality

HUANG" Huijing

（Yichun Vocational Technical College，Yichun 336000， China）

Abstract：" Aiming at the problems of poor fluency and simulation in the application of the current system in blended online and offline teaching scenarios for computer majors， a design of a blended online and offline teaching system for computer majors is based on virtual reality proposed. The article adopts the B/S （Browser/Server Architecture） architecture pattern to construct a system architecture consisting of presentation layer， business logic layer， and data layer. In terms of system hardware， the article selects and designs VR devices， and in terms of system software， uses virtual reality technology to construct a hybrid teaching virtual scene to achieve virtual teaching interaction， thus completing the design of a blended online and offline teaching system for computer majors based on virtual reality. Through experiments， it has been proven that the simulation degree of the designed system is not less than 90%， and the frame number in hybrid teaching interaction is not less than 300. The system simulation performance and process performance are good， and it has good application prospects in the field of online and offline hybrid teaching in computer science.

Key words： virtual reality; computer major; online and offline hybrid; B/S structure; VR equipment