试议虚拟现实虚拟现实技术在远程教学导航中运用研究

摘 要：现代远程教育中，远程教学管理导航系统的主要任务是为远程学习者提供准确的学习定位，并帮助其制定学习策略和组织知识结构，以提高学习效率和增强学习者的定位意识。系统以学习者为中心，运用虚拟现实这一新型媒体技术对远程教育机构所提供的多种支持服务进行模拟，让学习者以虚拟化身的方式参与其中，从而提高他们对学校的归属感。
关键词：远程教育；导航系统；虚拟现实技术
1671-7503（2013）17-0028-04
一、引言
教学导航系统的主要任务就是为学习者准确地提供学习定位，并帮助其制定学习策略和组织知识结构，以增强学习者的定位意识，提高学习效率。目前，国内的教育机构已纷纷尝试开发教学导航系统，比较有代表性的就是“北大英雄”。它是一款以北京大学为背景的角色扮演游戏，玩家在游戏中扮演一名北大新生，在校园内进行报到注册源于：毕业生论文网www.618jyw.com
、领取校园卡、熟悉校内选课、学生自主中心、社团、食堂、图书馆等生活情景。通过此类教育游戏，不仅可以使新生直观地感受北大校园风光，而且对他们从入学到毕业很多教学活动环节进行引导和有效定位，使学生提前适应并融入校园生活。
但是，在远程教育方面尚无此类导航系统的研究。由于现代远程教育过程中学生和教师、学生与学生时空准永久性分离的特点，使得远程学生无法像普通全日制在校生一样实时开展学习活动，准确掌握教学管理信息；不知道在某个时段应该做什么，如何去做，从而造成严重的“迷航”现象，也削弱了远程学习者对学校的归属感。
基于此，文章在研究现代远程教育机构辅助支持服务的基础之上，提出了一种基于虚拟现实技术的远程教育导航系统，并提供了新的开发途径和模式。

二、虚拟现实技术概述及其在远程教育导航中应用的必要性

(一)虚拟现实技术及其特性

虚拟现实技术（Virtual Reality，简称VR），又称灵境技术[4]。是信息技术领域近年来十分活跃的研究方向，它汇集了多项高新技术，包括：计算机图形学、多媒体技术、人机接口技术、人工智能、传感器技术、高度并行的实时计算技术、仿真技术及人类行为学研究等。它可以带给用户更逼真的体验，为人类探索宏观和微观世界以及由于各种条件不能身临现场直接观察事物提供了极大的便利。
虚拟现实系统具有的三个关键要素：“沉浸感（Immersion）、交互性（Interaction）、想象性（Imagination）”。可以用“3I”一词来生动地描述。
1.沉浸感
虚拟现实系统的沉浸感主要来自于用户对虚拟环境的多方位感知，除了我们常见的视觉和听觉外，还包括触觉、力觉、嗅觉甚至运动感知。为了达到理想的仿真效果，虚拟现实系统应该具备人类在现实生活中所有的感知功能。但鉴于目前的科技水平的局限性，虚拟现实系统中应用相对比较成熟的仅仅是视觉、听觉和触觉沉浸，有关味觉、嗅觉等其它相关的感知技术目前尚在研究之中。
2.交互性
交互性是指用户与虚拟环境所包括的各种对象之间的相互作用。虚拟现实系统能够提供丰富的、方便的、基于自然技能的人机交互手段，这些手段使得参与者能对虚拟环境进行实时的操纵，能从环境中得到反馈信息，也能使系统了解参与者的关键部位的状态、位置、变形等各种系统需要收集的数据[3]。与多媒体技术有所不同，虚拟现实技术强调人与虚拟环境之间的交互方式要更加自然，并实时产生与客观世界中一样的感受。
3.想象性
想象性作为虚拟世界的起点，是多种虚拟现实系统的体验方式。虚拟世界虽然是对现实的模拟，但所模拟的对象却是虚拟存在的；它以现实世界为基础，却可以创造超越现实的情境。所以，它可以更好地发挥人类的认知探索能力。当用户沉浸在多维空间中，依靠自己的认知能力和感知能力全方位地获取信息，发挥主观能动性，形成新的构思，这种构思结果反馈到系统中去，系统会将处理的状态实时反馈给用户，如此周而复始，可以为用户创造出一个学习—创新—再学习—再创新的循环模式，随着用户不同的反应，带给用户更加广阔的想象空间，从而促进学习者的想象力和创造力发展。

(二)虚拟现实技术在远程教育导航中应用的必要性

在传统的全日制教育中，学习者不仅能够从课堂内学到书本知识，而且可以通过同学间在课外的各种互动、社交活动等过程完成学习，这些活动甚至能够创造比课堂内更为丰富的非结构化知识体系和社会体验。正是这些自发的课外互动交流，使得学生建立起对同窗学友的认同感，校友关系成为他们终生的宝贵社会资源[4]。
但是，远程教育因为其独特的办学特性，远程学习者只是登录课程网站进行自学，特别是入学教育、选课、实践活动、毕业设计选题等重要的活动也都是以独立个体的方式利用互联网与学校交互，因此，其“在校”的体验是抽象和平面的——“在校”等于“在网页上”。学生之间互动很少，缺乏一个共同的时空，来激发他们之间的自发交互行为。尽管目前很多远程教育部门也尝试了以BBS、虚拟学习社区为主要形式的师生、生生之间的互动空间。但是这种手段只能支持以课程学习为主要动机和带有明确学习目的的交互行为。因此，远程教育学生往往很难建立对校友的认同感和对学校的归属感。如何利用新型的多感知媒体有效激发远程学习者之间的自发交互，从而使他们获得较强的在校生活体验成为了一个亟待解决的问题。
作为一种新兴的教学媒体，虚拟现实技术为解决现代远程教育中所存在的诸多制约因素提供了新的思路。其能够为学生提供生动、逼真的学习环境，学生能够成为虚拟环境的一名参与者，在虚拟环境中扮演一个角色，这对于调动学生的学习积极性，突破教学的重点、难点，培养学生的技能都起到积极的作用。
在现代远程教育领域通过引入虚拟现实技术，能够构造虚拟校园，模拟虚拟教师、实现虚拟实验，这将为学生提供一个真实的学习场景，极大地激发其学习热情，调动其学习积极性，从而达到建构主义教学思想的本原。

三、系统概念层次的设计

对于远程学习者而言，基于虚拟现实技术的导航是一个引导远程学习者实施学习活动的交互平台。该系统不仅仅能以三维可视化的方式对校园实景进行模拟，而且可以对远程教育学院的学生从入学到毕业一系列息息相关的教学活动进行演示和交互导航，使他们提前参与学习活动，从而对远程教育机构的教学活动和教务流程进行深层次的理解，以便更好地接受学习支持服务。具体来说，该导航系统包含3个互相联系的功能模块。

(一)引导远程学习者实施学习活动

远程学习者从入学到毕业，有很多教学管理环节与他们的学习息息相关，例如：网络教育国家统一入学考试、在线学习、期末辅导答疑、统考、学位申请以及毕业设计等。学习者能否准确把握这些教学环节并及时整合自己的学习进度是非常重要的。但目前很多学生对网络教育学院提供的各种学习支持服务还一知半解。所以，该系统可以为学生提供一个三维“虚拟校园”空间，替代原来的WWW网站作为远程学生访问各种学习功能的门户。
学生以Avatar（替身）的形式进入三维空间后，通过在其中的沉浸式交互，导航到各种学习活动所需的子系统，如课件浏览、在线测试、在线答疑、问题讨论、成绩查询等。学生在虚拟世界中找一个替身为自己完成相应的“任务”，每一个模块都有语音导航和教师的虚拟替身给予过程指导，使之在充分了解网络教育学院提供的各种学习支持服务的基础上，进一步学习更深层次的知识。
当然，并不要求学习功能本身也必须通过Avatar的形式在虚拟世界里进行。完全可以用超链接的方式将这些原有的学习功能系统的访问界面绑定到虚拟校园的特定空间结构上。比如：可以用一个虚拟行政楼表示一个教务系统的访问入口，学生进入这个办公室后，界面就可以切换到原有的教务系统网站。

(二)实体校园虚拟化

虚拟现实世界是一个计算机仿真的三维在线虚拟环境，为身处不同地点的人们跨越空间限制、以一种具有强烈沉浸感的方式进行交互。三维虚拟校园[5]，是虚拟现实技术在教育领域中最典型的具体应用。通过对校园内的实体进行数学建模，并通过三维实景模拟的方式，使远程学习者能身临其境感受优美的校园风光、良好的教学环境和教学资源，可随意选择校园中的景点和参观路线，全方位地感受校园生活。

(三)在线交互

3D环境中的交互包括人机交互和人人交互两个方面。人机交互即替身与三维虚拟环境之间、替身与虚拟实体之间的交互。用户通过鼠标、键盘等设备在三维空间中完成课程选择、领取学习材料包等活动。人人交互即学生与教师、学生与学生之间可以在虚拟场景中进行实时文本聊天和信息交流。
远程教育学生接触最多的是校外学习中心，因此，以校外学习中心的职能为研究出发点，在对远程教育机构为学习者提供的各种教学服务进行调查分析的基础之上开发出三维虚拟现实导航系统。在上述概念层次设计的指引下，设计了导航系统的相应功能总体实现方案（如图1）。
系统模拟出了远程教育学生的入学典礼、登陆学习平台、领取学习材料、集中面授学习、参加考试、实践活动、毕业设计选题及答辩、申报学位、领取、参加学位授予仪式等一系列活动。将这些活动整合后设计为一个角色闯关游戏[6]，采用任务驱动的理念，让学习者接受并完成学习任务。
其次，帮助学生理解学习中心与远程教育各个部门之间的联系，对各个部门的职能范围加深理解，以便他们在不同的学习阶段求助于不同的职能部门。比如：招生部门负责入学的审核、组织入学考试、录取通知书的发放；教务服务部负责试卷的评阅；教学服务部负责成绩处理和学习材料包的发放；课程资源部提供课程素材和相应学习资源支持服务。

四、系统功能总体实现方案

系统具有3大基本功能，分别是三维场景漫游、情景模拟和二维三维联动交互。三维场景漫游，是实现Avatar（替身）位置平移、视角旋转、环绕等灵活、交互式的漫游功能，用户可以在三维场景中前进、后退、提升降低视点，并提供了飞行、绕物旋转等多种浏览模式。情景模拟，制作了远程学习者从入学到毕业一系列教学活动演示说明，以情景动画的方式展示给学习者。二维三维联动交互，是将各个教学职能部门在三维虚拟世界中对应具体的建筑物信息，用户在漫游过程中，也可以与其他学习者在虚拟世界中碰面并以文字的方式进行交流。

(一)平台选择及应用软件选择

随着虚拟现实技术的快速发展和应用，国内外出现了应用该技术的各种开发工具。目前使用较多的虚拟现实平台有Virtools、Quest3D、VR-platform（国产）、Web max等。其中，Virtools平台以其强大的三维引擎功能和丰富的交互式控制脚本受到了较多专业人士的信赖，从项目的交互功能设计需求角度考虑，本研究选择了Virtools平台。此外，三维场景建模及动画制作软件采用了3ds Max，建模辅助设计软件采用了AutoCAD，平面设计软件则采用了Photoshop。

(二)系统开发流程

虚拟现实导航系统的开发主要分为以下4个阶段（如图2）。
（1）数据收集：在前期需求分析的基础上，为了突出实景的逼真效果，收集了建筑物CAD图纸、实物规格和尺寸、实地拍摄样图及表面纹理及贴图。
（2）三维虚拟场景的搭建：利用3ds max分批逐次对场景进行建模并制作相关情景动画，最后将整个场景烘焙导出。
（3）导航及交互动能设计：主要包括场景交互功能脚本添加、替身交流信息制作、语音导航功能和虚拟场景中建筑物对应的超链接添加。Virtools提供了5个可选的功能模块，即物理属性模块（physics Pack）、虚拟展示模块（VR Pack）、多用户网络服务模块（Multi-user Server Pack）、人工智能模块（AI Pack）和游戏开发模块（Xbox Kit），其中包含了500多个行为脚本模块避免了繁杂冗长的动态交互设计与程序代码编写，就能轻松实现角色的物理属性及行为设定[7]。
（4）系统生成及发布：对系统相应界面进行美工处理和设计，并最终发布成基于B/S模式的三维导航系统。
五、结束语
本文从现代远程教育缺乏课外自发交互的现状出发，基于虚拟现实技术设计了一种新型的远程教育导航系统。远程学习者以虚拟化身的方式在三维实景校园中进行人机之间、人人之间的交互，以任务驱动的方式参与从入学到毕业的一系列息息相关的活动，从而增加远程学习者同窗之间彼此认同感和对学校的归属感。随着移动互联网络的普及，将该系统与移动学习终端（如智能手机、Ipad等）相结合将是我们下一阶段的主要工作。
[参考文献]
宋京燕，龙祖利.导航系统在远程网络教学管理中的应用研究[J].中国成人教育，2009，（11）：47-48.
王利绒，朱东鸣.基于虚拟现实的教学系统的设计[J].中国远程教育，2011，（1）：67-69.
[3] 叶步伟，马德俊.虚拟实验技术及其在远程教育中的应用[J].继续教育研究，2011，（6）：79-82.
[4] 谢伟凯，申瑞民.一种基于虚拟世界和社交网络的远程教育校园生活平台模型[J].中国远程教育，2009，（12）：66-74.
[5] 梁智杰，李众立.VR-platform校园漫游系统研究与实现[J].计算机系统应用，2010，（9）：124-127.
[6] 万嵩.探游式教学资源——提高成人教育绩效的资源建设范式 [J].中国电化教育，2011，（12）：69-72.
[7] 杜丽，林筑英，尹兵.网络课程教学游戏开发中的VR技术应用[J].摘自：本科毕业论文评语www.618jyw.com
中国远程教育，2011，（7）：76-80.
本文系西南科技大学继续教育研究与发展基金资助项目“虚拟现实技术在远程教学导航中的应用研究”（编号：12JYF02）的阶段研究成果。
[编辑：郑方林]