芻議基于網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)代教育技術(shù)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)建

涂偉滬

摘要：隨著科技進(jìn)步和教育發(fā)展，現(xiàn)代教育技術(shù)中虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)虛擬應(yīng)用前景廣闊。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是現(xiàn)代教育技術(shù)和實(shí)踐教學(xué)結(jié)合的產(chǎn)物，本文主要闡述了現(xiàn)代教育技術(shù)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的開發(fā)與設(shè)計(jì)，重點(diǎn)在于對、教學(xué)設(shè)計(jì)目標(biāo)、系統(tǒng)內(nèi)容構(gòu)成及其關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析討論，以供參考。

關(guān)鍵詞：網(wǎng)絡(luò) 現(xiàn)代教育技術(shù) 虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

現(xiàn)代教育技術(shù)是指通過采用先進(jìn)的信息技術(shù)融合現(xiàn)代教育理論，將教學(xué)中的資源進(jìn)行設(shè)計(jì)、管理應(yīng)用等，達(dá)到對教學(xué)理論與實(shí)踐優(yōu)化的目的?，F(xiàn)代教育技術(shù)課程屬于學(xué)生數(shù)量較多的公共課程，首先現(xiàn)有條件的局限，無法滿足所有學(xué)生的實(shí)踐需求，因此其在理論與實(shí)踐方面相對不平衡。本文中所討論的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是以VRML技術(shù)為基礎(chǔ)，構(gòu)建出逼真的桌面是現(xiàn)代教育技術(shù)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，從而提供給學(xué)生生動(dòng)的學(xué)習(xí)環(huán)境。實(shí)驗(yàn)者通過虛擬設(shè)備鏈接便可以置身虛擬環(huán)境當(dāng)中，通過對瀏覽器插件的功能按鈕進(jìn)行交互來達(dá)到對整個(gè)實(shí)驗(yàn)環(huán)境的操作。虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)，能夠?qū)崿F(xiàn)對教學(xué)中實(shí)踐性不足的彌補(bǔ)。

一、現(xiàn)代教育技術(shù)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)教學(xué)設(shè)計(jì)目標(biāo)

本文所討論的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的開發(fā)與使用僅限于PC端使用，技術(shù)主要涉及VRML、JAVA、ASP等。本文中所提及的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的教學(xué)設(shè)計(jì)的目的在于幫助學(xué)生掌握實(shí)驗(yàn)技能，因此要體現(xiàn)學(xué)生的主體地位，讓學(xué)生能夠充分地動(dòng)作操作，以理解和掌握學(xué)習(xí)內(nèi)容;要考慮課程的特征，設(shè)計(jì)交互性操作，使實(shí)驗(yàn)者有更多的操作空間;要對課程的內(nèi)容進(jìn)行設(shè)計(jì)，現(xiàn)代教育技術(shù)課程包含了多方面的知識，設(shè)計(jì)時(shí)難以將所有內(nèi)容在虛擬實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行體現(xiàn)，因而在設(shè)計(jì)中要進(jìn)行側(cè)重，將重點(diǎn)放在關(guān)鍵的原理及技能技巧方面，而其他內(nèi)容通過其他形式進(jìn)行補(bǔ)充。

虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案需要基于當(dāng)前現(xiàn)有的虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并將現(xiàn)代教育技術(shù)的課程內(nèi)容融入其中，根據(jù)需要設(shè)計(jì)出相應(yīng)的場景。場景要注重寫實(shí)性，使實(shí)驗(yàn)者盡可能體驗(yàn)到真實(shí)實(shí)驗(yàn)場景，能夠運(yùn)用操作交互進(jìn)行實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)，并增強(qiáng)其體驗(yàn)感。一方面是體驗(yàn)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的先進(jìn)與神奇之處，另一方面能通過這樣的技術(shù)打破線下學(xué)習(xí)的局限性，拓展學(xué)習(xí)空間。學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中不用受時(shí)間和空間的限制，通過數(shù)據(jù)共享獲取信息，充分發(fā)揮主觀能動(dòng)性，達(dá)到自主學(xué)習(xí)，自主制定學(xué)習(xí)進(jìn)程的目的，提高學(xué)習(xí)效率。

二、現(xiàn)代教育技術(shù)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)內(nèi)容結(jié)構(gòu)

本文所述的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)以網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，采用瀏覽器或服務(wù)器體系結(jié)構(gòu)，只需要在服務(wù)端就能夠完成系統(tǒng)的開發(fā)與維護(hù)，使用者的客戶端僅需要安裝瀏覽器插件便可使用，因此它沒有特別的硬件要求。其中VRML文件及相關(guān)網(wǎng)頁儲(chǔ)存于web服務(wù)器中，用戶信息等都儲(chǔ)存在服務(wù)器當(dāng)中，呈現(xiàn)于互聯(lián)網(wǎng)上，提供給實(shí)驗(yàn)者使用。

虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于對教學(xué)媒體的使用，其中系統(tǒng)的關(guān)鍵部分在于在線實(shí)驗(yàn)?zāi)K的設(shè)計(jì)，通過對現(xiàn)代教育技術(shù)課程進(jìn)行結(jié)合，總共設(shè)計(jì)有8個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)，為了使系統(tǒng)更加完善，又增加了具體的模塊，如圖1所示。

本系統(tǒng)對實(shí)驗(yàn)中的所有環(huán)節(jié)提出了要求，每個(gè)知識模塊的表現(xiàn)不同：（1）實(shí)驗(yàn)原理、目的等內(nèi)容的講解和儀器的使用說明采用PPT的形式表現(xiàn)，并用文字和圖片進(jìn)行輔助講解;（2）通過教學(xué)視頻來進(jìn)行使用方法的說明;（3）通過Flash課件實(shí)現(xiàn)交互操作;（4）技巧性操作需要采用VRML及Java技術(shù)構(gòu)建，使整個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境表現(xiàn)能夠更真實(shí)，其交互性強(qiáng)，可以讓實(shí)驗(yàn)操作重復(fù)呈現(xiàn)，使用者能夠長時(shí)間進(jìn)行觀看和操作，從而熟悉實(shí)驗(yàn)過程。在使用時(shí)，學(xué)生要對實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行預(yù)習(xí)，了解實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)和具體事項(xiàng)，預(yù)習(xí)測試通過后即可進(jìn)入飾演環(huán)節(jié)。在實(shí)驗(yàn)過程中學(xué)生遇到問題可以進(jìn)行線上的提問，完成后可以通過測試系統(tǒng)對自己的知識掌握程度緊湊型測試，在測試后就有資格對線下的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行預(yù)約。此外虛擬實(shí)驗(yàn)室有強(qiáng)大的交互表現(xiàn)內(nèi)容，學(xué)生通過這樣的形式豐富了教學(xué)的實(shí)時(shí)操作，增添了學(xué)習(xí)的樂趣，通過線上的討論功能，學(xué)生們能夠合作進(jìn)行學(xué)習(xí)，通過聊天平臺(tái)進(jìn)行資源共享等。

三、現(xiàn)代教育技術(shù)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)虛擬場景設(shè)計(jì)

虛擬試驗(yàn)系統(tǒng)虛擬場景設(shè)計(jì)要求有：（1）能夠在3D的場景中采用不同的視角進(jìn)行觀察，并有多個(gè)焦點(diǎn)視角，使用者可以任意切換視角并縮放視角的遠(yuǎn)近;（2）實(shí)驗(yàn)對象需要對實(shí)際物品進(jìn)行高度地仿真，并模擬出現(xiàn)實(shí)中的交互情景;（3）整個(gè)實(shí)驗(yàn)的目標(biāo)應(yīng)該被重點(diǎn)突出，對關(guān)鍵的模型和場景進(jìn)行詳細(xì)的制作繪制，其他場景應(yīng)當(dāng)適當(dāng)進(jìn)行省略，以節(jié)省資源。

文章展示的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境構(gòu)建主要是視覺建模，主要分為場景和實(shí)驗(yàn)設(shè)備的建模。實(shí)驗(yàn)中所用到的教學(xué)媒體設(shè)備造型具有規(guī)范的特征，因此采用3Dmax進(jìn)行建模，導(dǎo)出后為VRML格式的文件[5]。對模型進(jìn)行檢查，對其中出現(xiàn)的模型錯(cuò)位、紋理丟失等錯(cuò)誤進(jìn)行手動(dòng)修改，并倒入VRML中組合，最后確定模型在場景中的位置，使其成為系統(tǒng)的整體。

對虛擬場景進(jìn)行構(gòu)建時(shí)，要考慮到場景中光源的變化問題，因而場景的設(shè)計(jì)要將光源照射考慮其中。為了實(shí)現(xiàn)良好的光照效果，可以將場景設(shè)計(jì)為封閉的房間，構(gòu)造簡易大小適中，以免增加加載時(shí)間。要現(xiàn)在平面上設(shè)計(jì)好各實(shí)體，將場景實(shí)體分解為基本形體并進(jìn)行組合，然后編碼實(shí)現(xiàn)，將所有模型都整合在VRML場景中。此外要減少資源加載的時(shí)間，在不影響效果的前提下將紋理大小盡量處理小，場景不采用貼圖;在瀏覽器上發(fā)布的VRML文件應(yīng)進(jìn)行壓縮處理，節(jié)省使用者的下載時(shí)間。

四、現(xiàn)代教育技術(shù)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

（一）實(shí)時(shí)圖像獲取

投影設(shè)備所展示有光學(xué)鏡頭調(diào)焦的圖像，可以采用準(zhǔn)備好的圖片通過實(shí)時(shí)或取得方式展現(xiàn)給用戶。鏡頭能夠在虛擬實(shí)驗(yàn)場景中任意進(jìn)行漫游，并通過Print Screen進(jìn)行截圖拍攝，采用Java Applet實(shí)現(xiàn)。

（二）實(shí)時(shí)圖像亮度控制

在拍攝過程中，快門和光圈的調(diào)節(jié)會(huì)對圖像亮度產(chǎn)生影響，由于實(shí)驗(yàn)者不容易發(fā)現(xiàn)場景的亮度情況，通過截圖拍攝的圖像難以達(dá)到預(yù)期的效果過，因此還需要進(jìn)行圖像的后期處理。首先是在虛擬場景中調(diào)節(jié)快門或光圈，將具體數(shù)值傳送到Script節(jié)點(diǎn)，計(jì)算出相應(yīng)的曝光值，并將曝光值作為圖片處理的依據(jù)。實(shí)驗(yàn)者在抓屏拍攝時(shí)會(huì)觸發(fā)出事件，調(diào)用html網(wǎng)頁中的JS函數(shù)。當(dāng)Java Applet被調(diào)用時(shí)，會(huì)首先對曝光值進(jìn)行邏輯判斷，并依據(jù)數(shù)值進(jìn)行圖像亮度的處理。

五、結(jié)語

綜上所述，基于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的構(gòu)建對于現(xiàn)代教育技術(shù)的實(shí)驗(yàn)課程有著多方面的重要意義，但需要注意的是，虛擬試驗(yàn)系統(tǒng)只是教學(xué)中的輔助手段，不能夠代替真實(shí)的實(shí)驗(yàn)流程。因此高校應(yīng)當(dāng)將真實(shí)與虛擬實(shí)驗(yàn)兩種方式結(jié)和使用，共同服務(wù)于人才培養(yǎng)的過程中。

參考文獻(xiàn)

[1]奎曉燕，劉衛(wèi)國，郭克華， 等.構(gòu)建智能型虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，推進(jìn)現(xiàn)代教育技術(shù)改革[J].計(jì)算機(jī)工程與科學(xué)，2018，40（z1）：12-15.

[2]張文增.現(xiàn)代教育技術(shù)在實(shí)驗(yàn)空間環(huán)境設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究——以高中理科虛擬實(shí)驗(yàn)應(yīng)用為例[J].中國教育技術(shù)裝備，2018，（3）：24-25，28.