一種興趣驅動的沉浸式網(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)絡教學平臺，借助VR（虛擬現(xiàn)實）頭盔和智能手機等設備，構建沉浸式的網(wǎng)絡虛擬實訓和虛擬教學環(huán)境，改變傳統(tǒng)的網(wǎng)絡教學模式，將網(wǎng)絡教學打造為身臨其境的虛擬課堂，激發(fā)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(wǎng)絡教學;虛擬現(xiàn)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(fā)創(chuàng)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(jīng)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(wǎng)絡教學是課堂教學的重要補充，是指借助計算機、網(wǎng)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(wǎng)絡教學主要以慕課、微課、以及WEB交互等為主要手段。網(wǎng)絡教學與課堂教學的主要區(qū)別在于，前者是在無監(jiān)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(nèi)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(wǎng)絡教學的效果至關重要。

虛擬現(xiàn)實技術，特別是嵌入式虛擬現(xiàn)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(xiàn)實技術應用于網(wǎng)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(wǎng)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(xiàn)實意義。本文首先分析嵌入式虛擬現(xiàn)實技術的實現(xiàn)原理和技術基礎，然后給出沉浸式網(wǎng)絡教學平臺的設計方案和實現(xiàn)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(xiàn)實場景的觀察而獲得立體感，并進而產(chǎn)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(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)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(xiàn)實系統(tǒng)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(wǎng)絡教學平臺設計

沉浸式網(wǎng)絡教學平臺包括立體視頻生成、虛實合成、網(wǎng)站建設與內(nèi)容發(fā)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(diào)節(jié)，雙目相機的鏡頭保持在同一水平線，通過調(diào)整旋鈕調(diào)整好鏡頭間距后固定，通過USB接口與外部系統(tǒng)連接實現(xiàn)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(tài)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(huán)境要求，減少成本，同時也不改變教師的授課環(huán)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(chuàng)建場景豐富的虛擬教室和實驗室環(huán)境，以提高教學環(huán)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(fā)。

Step2建立教室或實驗室環(huán)境虛擬場景

借助相關虛擬現(xiàn)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(wǎng)站建設與內(nèi)容發(fā)布

首先建立相應課程的遠程教學網(wǎng)站，然后將合成好的雙目視頻發(fā)布至網(wǎng)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(tǒng)，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(yè)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(yè)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(wǎng)絡教學環(huán)節(jié)，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(shù)，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(yōu)秀/良好率、理論考試優(yōu)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(xiàn)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(yōu)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(yōu)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(wǎng)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(nèi)容更多，采用沉浸式教學更加有利于展現(xiàn)計算機結構、硬件組成，對加深學習內(nèi)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(shù)出現(xiàn)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(xiàn)問題。