【用虚拟现实技术进行远程教学的研究】能进行虚拟现实系统中三维建模软件
时间：2018-12-23 19:40:22 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
摘 要：本文从当前教学的现状和相关技术分析入手，对实现基于虚拟现实的网络远程教育的关键技术问题进行了探讨，提出了在“虚拟校园”里构建教学系统，让学习者在进行学习活动时，能够更好地融入学习环境。
关键词：虚拟现实 远程教学
引言
目前我们拥有了越来越多的远程教学系统，但很多系统都没有发挥出深远的作用。探究目前网络教学系统没有物尽其用的主要原因，是由于研究设计人员在规划设计系统时，只注重教学理论的引用和系统对教学是否有帮助，而没有考虑到一个系统是否能运作，最重要的是能否吸引学生自愿地来使用这些系统，也就是引发学习者的学习动机。根据美国心理学家戴维斯（Davies）的观点，动机对于教学的重要性可归纳为：①动机使学生产生动力：它使学生变得积极、主动、投入并且关心学习，也使学生的学习持久、努力、有恒心、有毅力。②动机使学生把握目标：它使得学生积极地去完成学习任务，达成预期的目标，引导学生的学习方向。③动机使学生知所抉择：它使学生知道如何去选择所该进行的工作，使学生决定各项学习的优先顺序。④动机使学生的行为有组织形态：它会组织学生的学习活动，使之成为某种行为类型，会使得学生的学习更加努力、有效率、有计划。因此，培养和激发学生的学习动机是是构建网络学习环境的重要研究课题。
随着科学技术的迅猛发展，继多媒体之后，教学技术领域又出现了一个新型教学媒体，它就是虚拟现实技术(VirtualReality)。它的出现为构建主动性网络教学环境提供了很好的解决途径。
1. 研究思路
虚拟现实(Virtual Reality)是在1970年由Myron Krueger提出，由计算机硬件及软件所仿真出类似真实情境，使用者不用在真实情境中，透过这种人机接口(Man Machine Interface)所提供的各种感官实时仿真和互动，有身历其境的感觉。
虚拟现实的三大要素：①想象力(Imagination)：感觉器官在接受刺激之后，由神经传输至脑中，再藉由过去的经验产生幻觉。②融入性(Immersion)：人类以感觉器官来体会整个虚拟现实，而感觉好像真的置身其中。③互动性(Interaction)：人与机器间有互相回馈。
虚拟现实可算是3D绘图的极致表现，与其它类似的仿真系统和多媒体最大的不同，就是虚拟现实有触觉回馈作用，并和人类的感官有紧密的关系，逼不逼真全在于人的感觉。虚拟现实是人与计算机沟通的新接口，让我们在计算机的使用上更接近人类的本能，面对我们用计算机创造的想象空间，不再只能观看，而是可以体验。
现在很多的年轻人都对网络游戏很痴迷，这和游戏中虚拟现实技术的日渐成熟分不开，从最初的文字MUD游戏，到二维游戏、三维游戏，再到网络三维游戏，游戏在保持其实时性和交互性的同时，逼真度和沉浸感正在一步步地提高和加强。在网络虚拟的世界里，数百万的居民生活在同一个3D世界里，大家在这个虚拟世界里生活、互动，如现实生活一般真实。这种在网络环境中发展的虚拟世界的游戏，由于与玩家互动的对象是活生生的人而不是呆版的程序，所以吸引着众多玩家沉迷其中，此种游戏的娱乐性与互动性自然足以成为学习者触发学习动机的诱因。
近年网络兴盛进而带动远程教学高度成长，目前应用在因特网上的远程教学，是利用HTML来建构的，而HTML所能提供的多媒体种类只有文字、声音及影像而已，使用者可以获得多媒体的信息，但是却缺乏3D的呈现效果，以至于无法同教师和同学进行有效的教学互动，而虚拟实境的技术正好可以弥补这一方面的缺陷。
为了引发学习者的学习动机，可以就学习者个性、生活环境、心理状态不同而有不同的方法，但藉由“虚拟世界”引发学习者的动机，则经过众多研究证明有着不错的效果，因此我们考虑如何设计一个能与“虚拟世界”结合的学习系统。
我们提出了一个“虚拟校园”的虚拟学习环境，在此学习环境中使用三维虚拟技术建构出一个三维虚拟的校园场景，在这个场景中学习者扮演一个虚拟的学生角色，学习者可以在虚拟的校园里行走、和其它虚拟学习者交谈。在虚拟校园里会有教务处管理学习者资料、图书馆提供学习资料查询、教学大楼提供教室让学习者上课，甚至具有正式身份的使用者可以找一间空教室，将自己准备的教材放在教室中，开一门新的课程供学习者学习，若是教室不够使用还可以在校园建构新的教学大楼。
在此系统架构下，由于系统非常重现学习者的学习环境，利用虚拟技术构建的校园环境里进行学习，可以提供比传统的远程教学中的文字或图片更大的参与感与认同感，学习者也更容易投入学习情境中，再加上“虚拟校园”
提供学习者自由行动与互动讨论的机制，不会只有枯燥的教材，而且可以吸引学习者自动地自发地学习。
2. 系统设计
基于传统的C/S架构存在的缺点，就是随着服务功能的增加，服务器端的应用程序会愈来愈复杂，不但维护不易，服务器端计算机的负荷也愈来愈大。“虚拟校园”的系统架构拟采用B/S三层结构模型。三层模式是在两层模式的基础上，增加了新的一级。这种模式在逻辑上将应用功能分为三层：客户显示层（User Interface Layer）、业务逻辑层（Business Logic Layer）、数据层（Database Access Layer）。客户显示层是为客户提供应用服务的图形界面，有助于用户理解和高效的定位应用服务。业务逻辑层位于显示层和数据层之间，专门为实现业务逻辑提供了一个明确的层次，在这个层次封装了与系统关联的应用模型，并把用户表示层和数据库代码分开。这个层次提供用户应用程序和数据服务之间的联系，主要功能是执行应用策略和封装应用模式，并将封装的模式呈现给用户应用程序。数据层是三层模式中最底层，它用来定义、维护、访问和更新数据并管理和满足应用服务对数据的请求。三层式架构与传统两层式架构最大的差异处，是将业务逻辑层（Business Logic Layer）单独分离出来，以减轻放置于客户端或服务器端计算机的负担。
在实际的“虚拟学校”的系统架构中，校园的场景与教学教材放置在服务器端，而系统资料都放置在数据库端。学习者可利用客户端的浏览器来连接“虚拟校园”的系统，并透过服务器端来存取数据库端关于学习的资料。采取三层模块的另一个优点为：若是在虚拟校园里的学习者太多而导致数据库无法负荷时，可以利用服务器端为仲裁者，建立多个数据库端来分担系统的负荷。
本研究主要利用虚拟软件建构3D虚拟校园场景，来增加学习者参与学习活动时的兴趣与培养学习气氛，学习者在虚拟场景中能够和其他同学互动，这种教学方式比以往的远距教学系统提供了更加人性化教学手段。另外本系统具备学习者可提供教材开授课程的机制设计，更能增加学生的参予感以及教学相长的新教学模式，不仅学习者可以从本系统中学习到知识，教师也可以在本系统中透过和学生之间的互动得到不同的观念。
为方便管理虚拟校园场景及教学教材等资料，在服务器端可以构建Moodle系统，利用Moodle的模块化对象导向动态学习管理功能来管理学习者在虚拟校园学习流程。
当学习者要进行某一科目的学习活动时，首先会进入校园场景，在校园场景中会有行政大楼、图书馆、教学大楼等各建筑。由于学习活动都是在教学大楼进行的，所以点选教学大楼进入教学大楼场景后，在教学大楼内每个楼层都有不同学科的教室，选取教室所在的楼层后进会进入教室场景；每间教室都有该科目所需的教学资源，例如点选黑板可以观看该科目的线上教材、点选课桌椅会进入讨论区、点选桌面上的实验器材会进入实验室等等。除了教室里有各式各样的教学资源可供学习者使用外，系统还提供聊天室及电子邮件服务，让学习者可以在线上互相讨论学习的心得或对于不懂得地方进行发问。
在这个虚拟系统的构建过程中，还要解决好一个重要技术环节，就是系统的运行速度。由于这个系统大量采用了三维技术，而三维运算需要花费大量的系统资源，为了减少运算时间以及增加浏览时的流畅，整个虚拟学校的场景可以细分为校园场景、大楼场景、教室场景三个层级。每个层级间的场景以超级链接连结，如此学习者在校园游走时，计算机只需由服务器抓取目前所在的场景，并显示此3D场景，其它看不到的场景就不需花费时间下载及成像了。由于在多人活动的虚拟场景中，势必存在大量的多边形图形，如何在兼顾画面顺畅以及画面美观的前提下取得平衡，将是一个重要的研究课题，当然可以考虑采用场境切割的方式来减少场景的大小。除此之外，在图学中的渐层式结构、边界体、几何压缩等技术对于减低场境复杂度及增加画面的流畅度也有很大的帮助，这也是本研究未来发展的目标。
结论
本文论证了利用虚拟现实技术来构建网络教学环境的技术可行性，相信构建这样的教学系统能增加学习者参与学习活动时的兴趣与培养学习气氛。由于学习者在虚拟场景中能够和其他学生互动，“虚拟校园”学习系统将提供比以往的远程教学系统更多的学习方式。
参考文献：
［1］［美］VinceJ. VirtualRealitySystems. AddisonWesleyPublishing，1998.
［2］张承芬.教育心理学.山东教育出版社，2000，(5).
［3］教育部.现代远程教育技术标准化委员会.现代远程教育技术规范，2001.
