全息教室虛擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

溫皓晴

摘 要：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)和混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展和運(yùn)用，為我們提供了一個(gè)創(chuàng)新教學(xué)方式、改變傳統(tǒng)教學(xué)模式的全新思路，運(yùn)用這些技術(shù)打造“全息教室”，是一種提高教學(xué)效果、豐富教學(xué)手段、增強(qiáng)教學(xué)表達(dá)力的較好解決方案。論文闡述了全息教室概念，設(shè)計(jì)了全息教室虛擬系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和基本形態(tài)，從軟件系統(tǒng)和硬件系統(tǒng)方面論述了全息教室虛擬系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法。通過對(duì)全息教室虛擬系統(tǒng)這一熱點(diǎn)問題進(jìn)行較為系統(tǒng)的研究，力求構(gòu)建一個(gè)較完整的全息教室虛擬系統(tǒng)環(huán)境，以期找到應(yīng)用的普遍規(guī)律。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)；全息教室；虛擬系統(tǒng)；設(shè)計(jì)

引言

隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，我們已經(jīng)進(jìn)入數(shù)字化信息時(shí)代。如何把先進(jìn)的信息技術(shù)引入教育領(lǐng)域、創(chuàng)新教育模式、增強(qiáng)課堂教學(xué)的實(shí)效性，值得我們思考和探索。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)和混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展與運(yùn)用，為我們提供了一個(gè)創(chuàng)新教學(xué)方式、改變傳統(tǒng)教學(xué)模式的全新思路，運(yùn)用這些技術(shù)打造“全息教室”，應(yīng)當(dāng)是一種提高教學(xué)效果、豐富教學(xué)手段、增強(qiáng)教學(xué)表達(dá)力的較好解決方案。本文力求依托虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)和混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)，融合全新教育理念，為開創(chuàng)虛擬教學(xué)嶄新領(lǐng)域、創(chuàng)設(shè)新型智能教育平臺(tái)，提供思路，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方法。

一、全息教室概述

虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，簡(jiǎn)稱VR）運(yùn)用于游戲以及電影等，我們?cè)缬兴?，但運(yùn)用“VR+教育”的模式在高等院校及中小學(xué)進(jìn)行授課，那又會(huì)是什么效果呢？寬敞的教室里，老師正在向?qū)W生講解太陽系天體的運(yùn)動(dòng)，隨著操控筆在空中的一點(diǎn)，太陽系整個(gè)星系就懸浮在師生眼前運(yùn)行，學(xué)生們跟隨著老師的講解“登陸”各大行星，對(duì)每個(gè)星球的環(huán)境進(jìn)行探究，了解星球表面的溫度、濕度、物質(zhì)構(gòu)成……這不是幻想，更不是科幻電影的假設(shè)，這就是全息教室。

（一）全息教室概念界定

全息教室從廣義上講，就是將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與教育學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)有機(jī)整合，以教學(xué)大綱為藍(lán)本，以教學(xué)資源為核心，集終端、應(yīng)用系統(tǒng)、平臺(tái)、內(nèi)容于一體，將抽象的概念情境化，為學(xué)習(xí)者打造不同教育階段的，高度仿真、高度沉浸、高度交互的一體化解決方案。從狹義上講，全息教室的概念就是在多媒體環(huán)境下，綜合運(yùn)用文本、圖形、圖像、音頻、視頻、虛擬現(xiàn)實(shí)等多種類型信息手段教學(xué)的方式。

（二）全息教室功能特點(diǎn)

全息教室以虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（VR）、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)（AR）為核心，以硬件系統(tǒng)為交互載體，集3D互動(dòng)教學(xué)課件制作、使用、學(xué)習(xí)、考核、管理等多種功能于一體，針對(duì)不同教育階段，分別打造幼兒歡樂教室、虛擬教室、虛擬實(shí)驗(yàn)室、虛擬實(shí)訓(xùn)室、虛擬考場(chǎng)等多種應(yīng)用形態(tài)，針對(duì)不同專業(yè)設(shè)置，立體展示各學(xué)科系統(tǒng)（自然的、物理的、社會(huì)的）的結(jié)構(gòu)和形態(tài)，對(duì)各學(xué)科課程進(jìn)行模擬教學(xué)，利用光學(xué)動(dòng)作捕捉技術(shù)實(shí)時(shí)跟蹤眼部、手部位置，進(jìn)行自然交互，為學(xué)生提供一種可供他們體驗(yàn)和觀測(cè)的環(huán)境，極大提高實(shí)訓(xùn)教學(xué)質(zhì)量，提升教學(xué)效果。全息教室的功能特點(diǎn)可以概括為以下三點(diǎn)：

1.全息可視：通過渲染引擎生成全息3D立體影像，課件內(nèi)容全息呈現(xiàn)在眼前。

2.自然交互：利用光學(xué)動(dòng)作捕捉技術(shù)實(shí)時(shí)跟蹤眼部、手部位置，可進(jìn)行自然交互，如：機(jī)械拆裝、醫(yī)療解剖等。

3.數(shù)據(jù)管理：實(shí)現(xiàn)課件制作、模型增改、協(xié)同培訓(xùn)、遠(yuǎn)程教育、學(xué)生考核、內(nèi)容共享以及賬戶管理等功能。

（三）全息教室教學(xué)目標(biāo)

傳統(tǒng)教學(xué)，一般是將三維甚至更多維度空間事物的流程、原理等經(jīng)過總結(jié)提煉成一維維度的語言表述或計(jì)算公式等抽象知識(shí)系統(tǒng)，在教學(xué)中為了讓學(xué)生充分理解這些知識(shí)，往往通過二維邏輯或原理圖的形式對(duì)知識(shí)進(jìn)行解析，必要時(shí)還通過三維空間的實(shí)際實(shí)驗(yàn)或?qū)嵙?xí)促進(jìn)理解。但是二維解析和三維實(shí)驗(yàn)實(shí)習(xí)往往處于不同的時(shí)間和空間進(jìn)行，而且由于實(shí)驗(yàn)或?qū)嵙?xí)條件的限制，往往無法對(duì)知識(shí)進(jìn)行準(zhǔn)確、充分和全面的還原，從而對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)造成一定的障礙。

全息教室通過VR 三維呈現(xiàn)的仿真場(chǎng)景及AR 臺(tái)交互式教學(xué)，將三維形態(tài)和二維解析甚至抽象知識(shí)信息進(jìn)行同步、對(duì)應(yīng)和交互，使傳統(tǒng)教學(xué)中的三個(gè)維度的教學(xué)內(nèi)容有機(jī)組合在同一教學(xué)場(chǎng)景內(nèi)，有效地解決傳統(tǒng)教學(xué)方式的弊端，幫助教師更有效地進(jìn)行知識(shí)的教授，幫助學(xué)生更直觀地對(duì)知識(shí)進(jìn)行理解和記憶。如圖1所示。

全息教室通過上下屏聯(lián)動(dòng)技術(shù)，充分將右腦的三維空間和形象思維與左腦的語言、數(shù)字和邏輯理解完美結(jié)合，通過標(biāo)識(shí)卡交互的創(chuàng)造性教學(xué)方式，將學(xué)生動(dòng)眼觀察、動(dòng)腦思考和動(dòng)手操作同步統(tǒng)一，有效提高學(xué)生的注意力和理解記憶效率。如圖2所示。

全息教室模擬真實(shí)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，讓學(xué)生在虛擬的三維環(huán)境下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和實(shí)訓(xùn)練習(xí)，使用信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對(duì)用戶實(shí)驗(yàn)和實(shí)訓(xùn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，再通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)課程安排和實(shí)驗(yàn)效果考察，從而打破教學(xué)過程中對(duì)于實(shí)驗(yàn)的高危險(xiǎn)和高污染、時(shí)間和空間以及資源消耗大成本高等限制，增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)操動(dòng)手能力，在寓教于樂的虛擬教學(xué)環(huán)境下，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、提高學(xué)生的創(chuàng)新能力，并建立完善的教學(xué)效果考核、評(píng)價(jià)和反饋機(jī)制。

二、全息教室虛擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)

全息教室的構(gòu)建應(yīng)主要包括軟件平臺(tái)、硬件平臺(tái)和云課程平臺(tái)。軟件平臺(tái)主要是基于虛擬現(xiàn)實(shí)引擎開發(fā)和創(chuàng)建3D互動(dòng)教學(xué)課件。硬件平臺(tái)通過各種沉浸式交互體驗(yàn)虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備（全息臺(tái)、cave、AR臺(tái)、實(shí)體教具）進(jìn)行教學(xué)。云課程平臺(tái)包含授課工具圖3和虛擬仿真教學(xué)資源庫，提供常態(tài)化在線學(xué)習(xí)和服務(wù)。如圖3所示。

（一）全息教室虛擬系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

全息教室系統(tǒng)架構(gòu)如圖4所示，整個(gè)系統(tǒng)分為引擎系統(tǒng)、邏輯系統(tǒng)、設(shè)備系統(tǒng)和用戶四個(gè)層級(jí)。依照虛擬現(xiàn)實(shí)行業(yè)以及相關(guān)軟硬件系統(tǒng)集成的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化體系與要求，定制開發(fā)整體化教學(xué)平臺(tái)。采用以VRP—虛擬現(xiàn)實(shí)引擎為基礎(chǔ)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)軟件部分采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)方法以及基于組件設(shè)計(jì)的理念和技術(shù)，結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)硬件設(shè)備，對(duì)系統(tǒng)用戶業(yè)務(wù)進(jìn)行邏輯實(shí)現(xiàn)和封裝；教師可通過基于VRP虛擬引擎生成的虛擬教育編輯器編輯沉浸體驗(yàn)式課件，通過系統(tǒng)提供的本地及遠(yuǎn)程多種數(shù)據(jù)連接方式，利用云資源庫提供的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和訪問功能，將課件傳送到云課程平臺(tái)內(nèi)，云課程平臺(tái)內(nèi)課件內(nèi)容是可呈現(xiàn)共享方式，且課件可以通過HTML5技術(shù)構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)環(huán)境進(jìn)行遠(yuǎn)程教育。endprint

1.引擎系統(tǒng)。全息教室的底層技術(shù)引擎是以虛擬現(xiàn)實(shí)引擎為基礎(chǔ)，引擎系統(tǒng)為整個(gè)系統(tǒng)的完整性提供全面支撐，為系統(tǒng)的開放性、安全性、規(guī)范性、兼容性、穩(wěn)定性以及經(jīng)濟(jì)性提供整體支持。

2.邏輯系統(tǒng)。邏輯系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了整個(gè)系統(tǒng)的主要功能模塊，以專業(yè)虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)平臺(tái)編輯器為基礎(chǔ)，作為用戶使用界面，提供用戶管理、課件管理、多設(shè)備支持以及教學(xué)管理等功能，為整個(gè)教育方案提供完整的系統(tǒng)支撐；教學(xué)數(shù)據(jù)云平臺(tái)則為課件管理提供了良好的系統(tǒng)支持以及安全性保障。

（1）設(shè)備系統(tǒng)。全息教室提供了大量可選擇的設(shè)備系統(tǒng)，以全息臺(tái)、AR臺(tái)、全息黑板以及頭顯等多種硬件組成的硬件系統(tǒng)，為整個(gè)系統(tǒng)提供多元化的硬件支撐。

（2）用戶系統(tǒng)。全息教室用戶系統(tǒng)為教師、學(xué)生提供友好的操作界面，條理清晰的邏輯結(jié)構(gòu)，為用戶使用提供最大便捷。

教師、學(xué)生、管理員組成用戶系統(tǒng)，通過“人人通”系統(tǒng)與云資源庫相連，進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，形成數(shù)據(jù)流。圖5為整個(gè)系統(tǒng)簡(jiǎn)單數(shù)據(jù)流示意圖。

（二）全息教室虛擬系統(tǒng)特性

系統(tǒng)集成多個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)式硬件設(shè)備來支撐沉浸式體驗(yàn)教學(xué)，通過云課程平臺(tái)，各硬件設(shè)備調(diào)取編輯好的課件內(nèi)容，學(xué)生即可通過“人人通”軟件經(jīng)過硬件設(shè)備在虛擬、境界逼真、可交互的教學(xué)環(huán)境中進(jìn)行沉浸式學(xué)習(xí)。全息教室不再局限于有形的教室中，教學(xué)活動(dòng)的空間和時(shí)間得到了無形的拓展，系統(tǒng)提供了學(xué)生與教師在科室或在家多地點(diǎn)登陸的便捷功能，方便用戶管理各自的工作與學(xué)習(xí)，系統(tǒng)對(duì)多個(gè)行業(yè)以及專業(yè)提供開放性，支持多重的教育生命周期，教室在各方面都展現(xiàn)出了強(qiáng)大的應(yīng)用性，蘊(yùn)藏了無限生機(jī)與拓展性。

1.覆蓋多重教育生命周期。全息教室將虛擬現(xiàn)實(shí)與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)與教育學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)有機(jī)整合，以教學(xué)大綱為藍(lán)本，以教學(xué)資源為核心，集終端、應(yīng)用系統(tǒng)、平臺(tái)、內(nèi)容于一體，將抽象的概念情境化，為學(xué)習(xí)者打造高度仿真、高度沉浸、高度交互的學(xué)習(xí)場(chǎng)景，涵蓋家庭教育、幼兒教育、中小教育、職業(yè)教育、高等教育以及企業(yè)培訓(xùn)教育在內(nèi)的全教育生命周期。

圖6

2.變被動(dòng)接受為主動(dòng)體驗(yàn)。傳統(tǒng)意義上的教育，學(xué)習(xí)更多是一種強(qiáng)制記憶的過程，抽象知識(shí)點(diǎn)，不易被學(xué)生理解，缺乏對(duì)學(xué)習(xí)的興趣。學(xué)生個(gè)體間想象力的差距也會(huì)造成知識(shí)獲取的差異。另一方面，在類似地理、生物、化學(xué)、藝術(shù)、醫(yī)學(xué)等學(xué)科上，即使老師準(zhǔn)備大量圖文、視頻素材，也難保證直觀性。而這一切使用全息教室，就可以在很大程度上解決。全息教室讓學(xué)習(xí)知識(shí)變成一個(gè)沉浸于虛擬空間里的“體驗(yàn)之旅”，對(duì)于學(xué)習(xí)興趣的提升、知識(shí)難點(diǎn)的理解、創(chuàng)新思維的擴(kuò)展都將產(chǎn)生積極意義。

全息教室是將傳統(tǒng)學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)換為體驗(yàn)式學(xué)習(xí)的過程，在傳統(tǒng)教育上，教師是教學(xué)的中心，學(xué)生只需專心聽講，認(rèn)真記筆記即可。而體驗(yàn)式學(xué)習(xí)則要求學(xué)習(xí)者發(fā)揮主動(dòng)精神，對(duì)自己的學(xué)習(xí)負(fù)主要責(zé)任，真正成為教學(xué)過程的主體。全息教室的教學(xué)方式強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)者積極主動(dòng)的參與，教師通過調(diào)動(dòng)學(xué)生，將被動(dòng)學(xué)習(xí)變成主動(dòng)掌握的過程，使學(xué)習(xí)者完完全全參與學(xué)習(xí)過程，真正成為課堂的主角。教師的作用不再是一味地單方面?zhèn)魇谥R(shí)，更重要的是利用虛擬現(xiàn)實(shí)資源為學(xué)生做好體驗(yàn)開始前的準(zhǔn)備工作，讓學(xué)生產(chǎn)生一種渴望學(xué)習(xí)的沖動(dòng)，自愿地全身心地投入學(xué)習(xí)過程。

3.保障學(xué)生安全使用。由于獨(dú)特的教學(xué)效果優(yōu)勢(shì)，VR/AR將在學(xué)校獲得更大規(guī)模的使用，如何確保學(xué)生的使用安全，尤其是如何保護(hù)學(xué)生視力，將是VR課程的重要要求。

最令我們熟知的就是“虛擬現(xiàn)實(shí)暈動(dòng)癥”，與平時(shí)經(jīng)歷的暈動(dòng)癥不同，這是一種由視覺誘發(fā)的暈動(dòng)癥。暈動(dòng)癥帶來的主要不適感是由于在沒有發(fā)生實(shí)際運(yùn)動(dòng)的情況下，虛擬環(huán)境給出了移動(dòng)的視覺信息造成的，而大家所熟悉的一般暈動(dòng)癥是由真實(shí)的運(yùn)動(dòng)帶來的（如搖晃的船舶帶來的暈船）。在這兩類情況下，都存在著視覺和前庭感覺間的沖突。此外，虛擬現(xiàn)實(shí)暈動(dòng)癥還會(huì)產(chǎn)生在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境下特有的癥狀，如眼緊張疲勞。有的使用者會(huì)在使用頭戴式顯示器短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生虛擬現(xiàn)實(shí)暈動(dòng)癥，而有的人卻從不會(huì)產(chǎn)生這類癥狀。造成暈動(dòng)癥的因素有很多，比如運(yùn)動(dòng)速度、場(chǎng)景的控制程度、體驗(yàn)時(shí)間、視場(chǎng)、閃爍、刷新率以及年齡等個(gè)體因素都是產(chǎn)生暈動(dòng)癥的起因。

系統(tǒng)根據(jù)教育全周期中不同年齡段學(xué)生的具體情況，全面衡量沉浸感、設(shè)備流明、觀察方式、觀察距離、交互方式等人機(jī)交互要素，并提出科學(xué)的虛擬現(xiàn)實(shí)教育產(chǎn)品裝備與使用建議。

（三）全息教室虛擬系統(tǒng)形態(tài)

全息教室依托強(qiáng)大的軟硬件支持，可以采用多元化的形態(tài)進(jìn)行教學(xué)支持。圖7為全息教室示意圖。

作為系統(tǒng)的使用者，可以根據(jù)自己的需求定制自己所需的教室形態(tài)，根據(jù)系統(tǒng)的受眾對(duì)象、教學(xué)內(nèi)容、場(chǎng)地要求以及成本限制等因素，來配置選擇適合自己的全息教室形態(tài)。

1.全息黑板教室（簡(jiǎn)配版）。顧名思義，全息黑板教室，就是在我們熟知的教室基礎(chǔ)上增加一塊全息黑板，老師使用全息黑板進(jìn)行授課，學(xué)生佩戴立體眼鏡進(jìn)行學(xué)習(xí)，如圖8所示。

2.標(biāo)準(zhǔn)全息教室（標(biāo)配版）。標(biāo)準(zhǔn)版全息教室是在全息黑板基礎(chǔ)上增加桌面全息臺(tái)而組成的教室形態(tài)，授課時(shí)間教師在全息黑板上進(jìn)行講解，學(xué)生可以在桌面全息臺(tái)上完成老師布置的任務(wù)以及復(fù)習(xí)鞏固學(xué)到的知識(shí)，如圖9所示。

3.完整全息教室（全配版）。完整全息教室是在標(biāo)準(zhǔn)版全息教室的基礎(chǔ)上，增加AR臺(tái)、單屏全息臺(tái)、CAVE、頭盔而組成的多功能全息教室形態(tài)，教師可以多元化地使用相應(yīng)的教學(xué)資源進(jìn)行授課，學(xué)生也可以在不同的設(shè)備體驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，如圖10所示。

4.實(shí)訓(xùn)教室。實(shí)訓(xùn)教室不同于標(biāo)準(zhǔn)教室，是由N個(gè)單獨(dú)設(shè)備組成的針對(duì)性實(shí)訓(xùn)室。定制針對(duì)性的內(nèi)容，選擇相應(yīng)的硬件設(shè)備組成一個(gè)設(shè)備實(shí)訓(xùn)室。比如由若干臺(tái)AR臺(tái)組成的實(shí)訓(xùn)教室，學(xué)生在機(jī)器上進(jìn)行特定的操作訓(xùn)練，對(duì)單一技能進(jìn)行深度培訓(xùn)。

5.自定義教室。顧名思義，自定義教室是根據(jù)需求而定制的全息教室形態(tài)，由于一些客觀條件約束，如授課內(nèi)容、場(chǎng)地空間、預(yù)算空間等條件限制，在不同的條件下我們可能需要有針對(duì)性地選擇一些設(shè)備進(jìn)行教室配置，自定義教室形態(tài)就能完美解決這個(gè)問題。

三、全息教室虛擬系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

全息教室虛擬系統(tǒng)著眼信息化教學(xué)要求，立足虛擬教學(xué)、虛擬實(shí)驗(yàn)的具體需求，遵循“聚焦有效表達(dá)、凸顯教學(xué)支持”的原則，主要采用虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、全息成像等技術(shù)手段，快速、直觀、形象地再現(xiàn)教學(xué)全程，用簡(jiǎn)單、高效、自然的方式為虛擬教學(xué)和虛擬實(shí)驗(yàn)提供可視化情境再現(xiàn)工具和開放式研討環(huán)境。系統(tǒng)主要功能可以概括為服務(wù)虛擬教學(xué)和實(shí)驗(yàn)的情境創(chuàng)設(shè)、交互研討和數(shù)據(jù)分析。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)主要包括軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)和硬件環(huán)境構(gòu)建兩個(gè)部分。

（一）全息教室軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

軟件系統(tǒng)由開發(fā)工具、教育編輯器、課件編輯平臺(tái)、云課程平臺(tái)和遠(yuǎn)程協(xié)助五個(gè)部分組成，形成全流程的系統(tǒng)架構(gòu)。

1.虛擬現(xiàn)實(shí)開發(fā)工具。很久以來，在中國(guó)的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)領(lǐng)域，一直是引進(jìn)國(guó)外的虛擬現(xiàn)實(shí)軟件，適用較為廣泛的有以下幾個(gè)：（1）Vega是美國(guó)Multigen Paradigm公司開發(fā)的視景仿真軟件。（2）Virtools是法國(guó)達(dá)索集團(tuán)出品的虛擬現(xiàn)實(shí)編輯和開發(fā)軟件。（3）Quest 3D是荷蘭Act 3D B.V.公司的虛擬互動(dòng)開發(fā)平臺(tái)。（4）Unity 3D是英國(guó)Unity Technologies公司開發(fā)的，目前行業(yè)內(nèi)應(yīng)用較廣的平臺(tái)。（5）Cult 3D是瑞典的Cycore公司開發(fā)的網(wǎng)絡(luò)三維虛擬軟件。

中國(guó)近年來也涌現(xiàn)出一些獨(dú)立開發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的虛擬現(xiàn)實(shí)開發(fā)平臺(tái)，打破該領(lǐng)域被國(guó)外壟斷的局面，以極高的性價(jià)比獲得國(guó)內(nèi)廣大客戶的喜愛，比較突出的有兩個(gè)：（1）VRP是中視典數(shù)字科技獨(dú)立開發(fā)的具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的三維互動(dòng)仿真平臺(tái)，在國(guó)內(nèi)虛擬現(xiàn)實(shí)開發(fā)平臺(tái)中比較有代表性。（2）Converse 3D是北京中天灝景網(wǎng)絡(luò)科技有限公司自主研發(fā)的具有完全知識(shí)產(chǎn)權(quán)的一款三維虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)軟件。

國(guó)產(chǎn)軟件的優(yōu)點(diǎn)是適用性強(qiáng)、操作簡(jiǎn)單、功能強(qiáng)大、高度可視化、所見即所得，所有的操作不需要程序員參與，稍加學(xué)習(xí)和研究就可以很快制作出自己的虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景，比較適用于初學(xué)者和教師層面，所以系統(tǒng)選用VRP虛擬現(xiàn)實(shí)開發(fā)平臺(tái)作為主要開發(fā)工具。

2.虛擬現(xiàn)實(shí)教育編輯器。虛擬現(xiàn)實(shí)教育編輯器是在基于虛擬現(xiàn)實(shí)開發(fā)工具內(nèi)核的基礎(chǔ)上，針對(duì)教育行業(yè)開放的接口，在虛擬現(xiàn)實(shí)開發(fā)工具所提供的內(nèi)核接口的基礎(chǔ)上，開發(fā)出自己所需要的定制的三維內(nèi)容，用戶可以根據(jù)自己的需要來設(shè)置軟件的界面，設(shè)置軟件的運(yùn)行邏輯，設(shè)置外部控件對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)開發(fā)工具窗口的響應(yīng)等，滿足用戶對(duì)三維仿真交互的各方面專業(yè)需求。

虛擬現(xiàn)實(shí)教育編輯器可以更大程度減少用戶的重復(fù)勞動(dòng)，使用虛擬現(xiàn)實(shí)開發(fā)工具用戶不再糾纏于各種實(shí)現(xiàn)方法的技術(shù)細(xì)節(jié)，從繁重的技術(shù)工作中解放出來。獨(dú)創(chuàng)的編輯器直接編譯運(yùn)行，一鍵發(fā)布等功能，讓用戶可以快速上手制作VR課件內(nèi)容，可以將精力完全投入到最終效果的制作上來，從而將交互課件內(nèi)容制作提高到一個(gè)更高的程度。

3.虛擬現(xiàn)實(shí)課件編輯平臺(tái)。虛擬現(xiàn)實(shí)課件編輯平臺(tái)是基于虛擬現(xiàn)實(shí)教育編輯器一種專門制作三維仿真課件的工具軟件，它由建模及輸出模塊、場(chǎng)景編輯器模塊、仿真數(shù)據(jù)庫管理模塊、仿真算法模塊、VR仿真內(nèi)容發(fā)布系統(tǒng)、流動(dòng)動(dòng)力學(xué)粒子系統(tǒng)仿真模塊、網(wǎng)絡(luò)仿真及通訊模塊、多通道視覺仿真模塊、各類仿真特效模塊、OCX控件二次開發(fā)包模塊等功能組成。它力求按照用戶的操作習(xí)慣安排操作界面，盡量簡(jiǎn)化所需的操作環(huán)節(jié)，能快速定做仿真課件的平臺(tái)。該平臺(tái)將三維仿真設(shè)計(jì)、實(shí)時(shí)渲染瀏覽和遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)壓縮發(fā)布等功能融為一體，使用戶可以針對(duì)教學(xué)重點(diǎn)、難點(diǎn)，方便快捷地制作出三維仿真教具和實(shí)物模型，用于形象教學(xué)和交互式教學(xué)。

該平臺(tái)集成虛擬現(xiàn)實(shí)交互引擎所具有的先進(jìn)特性，不但仿真效果真實(shí)性大大提高，而且能直接處理大量模型數(shù)據(jù)，使高質(zhì)量的三維畫面在遠(yuǎn)程交互中能快速傳輸，為廣大師生展現(xiàn)了全方位、真實(shí)的學(xué)習(xí)對(duì)象和學(xué)習(xí)環(huán)境。

4.虛擬現(xiàn)實(shí)云課程平臺(tái)。虛擬現(xiàn)實(shí)云課程平臺(tái)是大型在線三維體驗(yàn)式課程平臺(tái)，提供常態(tài)化在線學(xué)習(xí)和學(xué)習(xí)服務(wù)，包含授課工具和教育資源內(nèi)容。云課程是基于云計(jì)算技術(shù)的教育應(yīng)用而出現(xiàn)的新課程形態(tài)，它集交互式閱讀體驗(yàn)、多媒體學(xué)習(xí)資源、學(xué)習(xí)輔助工具為一體的立體化數(shù)字課程。云課程平臺(tái)在滿足獨(dú)立桌面操作體驗(yàn)的基礎(chǔ)上，用戶可根據(jù)實(shí)際教學(xué)場(chǎng)景需求，靈活快速統(tǒng)一切換操作系統(tǒng)，從而滿足多種教學(xué)場(chǎng)景的應(yīng)用。

云課程平臺(tái)需實(shí)現(xiàn)與虛擬現(xiàn)實(shí)教育編輯器無縫對(duì)接，教師可快速將編輯好的三維課件上傳至云課程平臺(tái)，學(xué)習(xí)者可以通過瀏覽器及客戶端兩種方式登錄，中視典同步以太網(wǎng)交換傳輸解決方案，借助高效的傳輸網(wǎng)絡(luò)，保證了學(xué)生端流暢的操作體驗(yàn)，如圖11、12所示。

（1）課件分享。云課程平臺(tái)是一個(gè)通用平臺(tái)，教師可直接利用該平臺(tái)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)課程的發(fā)布和二次開發(fā)，課件上傳后，可以共享，可避免重復(fù)勞動(dòng)，節(jié)省人力、物力。教師可以對(duì)其他共享課件做修改工作，生成全新的課件，系統(tǒng)共享功能給課件制作和升級(jí)帶來更大的方便。（2）多媒體素材上傳。系統(tǒng)提供制作課件的多媒體素材上傳，素材庫內(nèi)支持文本、圖像、貼圖、動(dòng)畫、聲音以及視頻等各種類型支持課件制作的內(nèi)容。使用者可上傳素材和下載，隨時(shí)調(diào)取庫內(nèi)的素材，可快速搭建制作課件內(nèi)容。

5.遠(yuǎn)程協(xié)助。系統(tǒng)提供遠(yuǎn)程協(xié)助，在使用者遇到問題時(shí)，通過系統(tǒng)接受遠(yuǎn)程協(xié)助幫助，特別是初級(jí)使用者，遠(yuǎn)程協(xié)助技術(shù)能夠幫助系統(tǒng)的使用者解決所遇到的難題。

系統(tǒng)基于所述用戶終端發(fā)送的當(dāng)前信息從信息系統(tǒng)中獲取實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)信息，立即將其發(fā)送給所述用戶終端或預(yù)存一段時(shí)間之后發(fā)送給所述用戶終端；針對(duì)用戶終端發(fā)送的反饋信息和請(qǐng)求向所述用戶終端發(fā)送問題規(guī)劃服務(wù)指令。

（二）全息教室硬件環(huán)境構(gòu)建

硬件環(huán)境主要由全息黑板、全息感知設(shè)備、互動(dòng)研討桌面等組成，主要實(shí)現(xiàn)線上全景教學(xué)、沉浸式交互體驗(yàn)和開放式研討交流。

1.核心設(shè)備—全息黑板。全息黑板可以定位為教室的核心設(shè)備，它和遠(yuǎn)程會(huì)議系統(tǒng)很相似，可以連接學(xué)生的PC端或移動(dòng)設(shè)備，進(jìn)行信息共享，建立高效的溝通，這些得益于它獨(dú)有的智能功能。endprint

在VR教室中將全息黑板掛到黑板的位置，作為中心設(shè)備，可供多人參與，全息黑板能連接全息臺(tái)，同時(shí)能兼容大部分的Android/IOS手機(jī)和平板電腦，學(xué)生可以通過全息臺(tái)操作或移動(dòng)設(shè)備或PC端將圖像實(shí)時(shí)發(fā)送到全息黑板上，可以細(xì)致地表達(dá)出學(xué)生們的想法。且全息黑板是一個(gè)雙向溝通性設(shè)備，設(shè)備可以連接到每個(gè)一個(gè)同學(xué)的設(shè)備上，可以毫不費(fèi)力的共享內(nèi)容，可以很容易地發(fā)送課堂內(nèi)容和作業(yè)，不管是在課內(nèi)還是課外，通過和全息黑板連接的移動(dòng)設(shè)備/PC端，每個(gè)人都可以看到一樣的內(nèi)容，都會(huì)呈現(xiàn)清晰的聲音和高質(zhì)量的視頻課堂，如圖13所示。

2.全息感知設(shè)備。全息臺(tái)是將平面圖像轉(zhuǎn)換為三維立體并可以交互的設(shè)備。全息就是代替?zhèn)鹘y(tǒng)的平面顯示，將個(gè)人電腦圖形轉(zhuǎn)換為虛擬全息的3D立體顯示。當(dāng)用戶在佩戴超輕型人體工程學(xué)眼鏡后，用戶頭部轉(zhuǎn)動(dòng)及觀看視角被系統(tǒng)實(shí)時(shí)捕捉，根據(jù)用戶即時(shí)視角進(jìn)行運(yùn)動(dòng)視差調(diào)整（Motion Parallax）。不再是傳統(tǒng)的立體視覺（Binocular Parallax）僅僅提供的是縱深感（如前后距離），而是運(yùn)動(dòng)視差綁定，帶給用戶的是更貼近真實(shí)自然的視覺效果，即用戶視角往左右偏離時(shí)，用戶不僅僅看到前后景深感，同時(shí)還可以觀測(cè)物體的左右側(cè)。通過手拿類似操控筆，系統(tǒng)可以捕捉到用戶手部在空間中的位置信息，用戶直接用該操控筆在空氣中對(duì)眼前的全息圖像進(jìn)行交互。

全息臺(tái)不僅可以提供立體視覺，也是一個(gè)基于Windows的可操作設(shè)備，在連接全息黑板后，學(xué)生可以同步看到老師的三維立體的操控演示，能更加的直觀理解例如機(jī)械設(shè)備、立體幾何、醫(yī)療操作等在平面難以理解的知識(shí)。能使學(xué)生在虛擬的環(huán)境中理解抽象化的概念，使概念直觀化、形象化。如圖14所示。

3.互動(dòng)研討桌面?；?dòng)研討桌面（又名AR臺(tái)），是采用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，通過識(shí)別標(biāo)識(shí)卡marker代替鼠標(biāo)鍵盤與虛擬場(chǎng)景交互的一種全新交互方式。標(biāo)識(shí)卡的正面是便于用戶識(shí)別的內(nèi)容提示，反面是便于計(jì)算機(jī)識(shí)別的二維碼圖形，外觀上主要分上屏和下屏兩大部分，上屏為顯示屏（弧形幕），下屏為操作屏。其原理大致為：操控臺(tái)捕捉標(biāo)識(shí)卡輸入的信號(hào)后加以解釋，然后對(duì)虛擬場(chǎng)景環(huán)境數(shù)據(jù)庫作必要的更新，并對(duì)當(dāng)前的虛擬場(chǎng)景做出相應(yīng)的調(diào)整，最后將這一新視點(diǎn)下的三維視覺圖像反饋給使用者，使其即時(shí)獲得感官上的虛擬體驗(yàn)。

使用者通過顯示屏幕觀測(cè)三維虛擬場(chǎng)景，利用標(biāo)識(shí)卡Maker代替鼠標(biāo)和鍵盤，可在虛擬場(chǎng)內(nèi)行走和觀看，并可以利用標(biāo)識(shí)卡Maker對(duì)三維虛擬場(chǎng)景內(nèi)的物品進(jìn)行操控。AR臺(tái)可以同時(shí)控制場(chǎng)景內(nèi)多個(gè)虛擬物品，以達(dá)到傳統(tǒng)交互產(chǎn)品所不能達(dá)到的虛擬操控的精細(xì)程度，進(jìn)行演示抽象概念的推演，在一些環(huán)境較為復(fù)雜或需要精確模擬操控的場(chǎng)景內(nèi)，AR臺(tái)支持更高精確度的操控。如圖15所示。

標(biāo)識(shí)卡的信息既可以靜態(tài)的，也可以是動(dòng)態(tài)的，還可以是相機(jī)、光照、天氣等輔助信息，通過這些標(biāo)識(shí)卡的不同組合，可以為教學(xué)研討提供便捷的交互環(huán)境，實(shí)現(xiàn)學(xué)生與教師的實(shí)時(shí)交互，這種交互，既可以是學(xué)生的主動(dòng)求教，也可以是教師的適時(shí)干預(yù)，教師可以實(shí)時(shí)掌握學(xué)生的思維過程，而目的是最大限度培養(yǎng)學(xué)生的思維能力。

四、結(jié)論

教學(xué)信息的全息化，是綜合運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)等信息手段開展多維度教學(xué)的方式，全息教室虛擬系統(tǒng)通過全流程的系統(tǒng)架構(gòu)，為教學(xué)過程提供了全維度視角，是現(xiàn)代教育發(fā)展的產(chǎn)物。全息教室以其真實(shí)的三維場(chǎng)景呈現(xiàn)、創(chuàng)新的交互教學(xué)方式和開放的內(nèi)容生成工具，為老師與學(xué)生打造各個(gè)教育階段的，高度融合、高度沉浸、高度交互的解決方案，為教師提供從課程內(nèi)容制作直至教學(xué)數(shù)據(jù)的實(shí)用工具鏈，輔助高效率的備課以及教學(xué)分析，顛覆了傳統(tǒng)教學(xué)環(huán)境、大大提升了教學(xué)質(zhì)量。

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