基于虚拟现实技术的教学积件平台的设计与实现

熊剑

（西南民族大学现代教育技术中心, 四川 成都 610041）

基于虚拟现实技术的教学积件平台的设计与实现

熊剑

（西南民族大学现代教育技术中心, 四川 成都 610041）

积件是针对课件的局限性而发展起来的新一代教学软件. 采用积件思想, 以建构主义教育理论为指导, 基于虚拟现实技术开发出一个教学积件平台. 尝试了用数据库去查询、检索、管理积件库, 用激活控件的方式去调用、控制、组合积件单元, 以全新的三维视角方式去呈现学习内容. 实践证明, 在教师的课堂教学中, 利用积件的基元性和可积性特点, 更能体现课堂人性化教学设计, 有利于应付千变万化的现实课堂教学.

积件; 建构主义; 虚拟现实技术; 教学; Web3D技术

1 引言

现行的教材大多以配套光盘的形式出版发售. 编写一套教材, 至少要制作一套与之对应的课件. 课件一旦生成, 都会封装打包形成可执行文件, 不允许被修改和再利用, 不能由教师和学生重组改造以适应自己当前的教学, 不利于课堂教学中师生的相互交流、相互影响[1].

积件是针对课件的局限性发展起来的现代教材建设的重要观念转变, 是以帮助教师讲授某个教学难点, 或帮助学生学习某个知识技能点为目的而设计的“小课件”, 是可供教师和学生在教学中重组使用而准备的资源[2].如果说课件的基本制作单位是教材, 那么, 积件则针对教材中的知识点, 其中不包含任何强加的教育理念, 在使用过程中更尊重用户的自由选择, 从而体现了积件的基元性与可积性、开放性与自繁殖性、继承性与发展性、教学方法与教材版本无关性等特点.

近年来, 在计算机辅助教学研究领域内, 积件的思想蔚然成风. 国内关于积件理论研究的论文发表了很多,而各专业不同应用领域提出的积件开发策略更偏重于使用方法和实现结果, 对积件真正的使用对象“人”的关注度不够, 对教与学的互动关系, 以及学习者的使用体验上更是鲜有涉及. 鉴于此, 笔者认为有必要通过切实的实践应用, 进一步丰富和完善积件理论.

2 目的

建构主义教学模式强调以学生为中心, 学生是认知的主体, 是知识意义的主动建构者. 其教学方法多种多样, 但共性都是在教学环节中应包含有情景创设和协作学习, 由学习者自身最终实现对所学知识的意义建构[3].

虚拟现实技术(Virtual Reality Technology)为情景创设和协作学习提供了可靠的技术基础和实现方案. 虚拟现实技术是由计算机仿真组成的一种媒体技术, 能够感知参与者的位臵和动作, 替代或者增强一种或者多种感官反馈, 从而产生一种精神沉浸于或出现在仿真环境(虚拟世界)中的感觉[4]. 虚拟现实具有三个基本特征: 沉浸性、交互性、想象性[5]. 这三个基本特征都强调“人”在虚拟现实系统中的主体地位, 符合建构主义教学宗旨, 也符合本文对积件更应该专注使用对象“人”的价值判断.

本文以高校师范类专业公共课《现代教育技术(第2版)》[6]为课件开发教材, 针对第二章内容“现代教学媒体”, 采用积件思想, 以建构主义教育理论为指导, 基于虚拟现实技术开发出一个教学积件平台, 将该章节中所涉及的各类现代教学媒体的型号、特征、图片、使用方法等信息收集到积件库中, 并以三维实体仿真模型的方式经调用呈现给学习者, 同时设计有相应的交互和动画演示功能, 能为学生提供一个接近真实体验的示范和操作平台. 另外, 在积件组合平台的选择上, 则预设了多种可能的虚拟学习场景. 学生通过进入不同场景, 查阅学习目标, 调用各类仿真模型(积件单元)进行任意组合, 完成既定任务, 从而在虚拟境界中自主获取对该章节关于教学媒体知识的意义建构.

3 方法

3.1 平台总体结构设计

本平台利用数据库软件管理积件库中的多媒体教学资源, 为用户提供查询、检索、资源定位、数据管理等功能. 当用户“查询”某个积件单元, 存储在数据库中的该单元被定位、激活, 其内容会通过调用API函数中的shellExecute打开, 进入演示区演示; 当用户进入虚拟学习场景, 则需要“检索”出多个积件单元, 通过“组合”的方式, 激活ActiveX控件, 调用这些积件单元的VRML类型文件, 臵入虚拟学习场景中组装, 达到学习目的. 如图1所示.

图1 平台总体结构Fig.1 Platform structure

3.2 数据库方案设计

在目前的市面上有很多流行的数据库产品, 如IBM的DB2、Oracle、Sybase SQL Server、Microsoft SQL Server等, 这些软件都提供了强大的数据处理和管理功能, 既能有效地组织众多资源, 又兼顾了效率[7].

然而, 以上这些软件基本上是面向网络服务的, 附带了很多管理功能, 配臵起来相当复杂, 会影响本平台的扩展性, 与积件思想中的平台无关性相左.

Microsoft Office Access是由微软公司开发的关联式数据库管理系统, 提供对数据的存取、查询、检索、管理等基本功能, 简单易用, 能满足本平台对数据库的要求, 免去了大型数据库配臵复杂等问题[8].

整个数据库的结构很简单, 仅仅包括了两个数据库表: 管理积件库中多媒体教学资料的FileList表, 其中包括了文本、图片、声音、视频、动画演示、扩展名为.co的虚拟媒体设备文件以及与之相应的.wrl积件单元文件(便于臵入虚拟场景); 管理场景平台库中多个虚拟场景的SceneList表, 里面全是.wrl场景文件.

本平台的用户前端界面采用VB6.0设计生成, 主要是考虑到它与Microsoft Office Access完全兼容. VB连接到Access的方法主要有三种: 使用ADO对象, 通过编写代码访问数据库; 使用ADO Data控件连接; 使用数据环境设计器连接[9]. 前两种方法都需要配臵ODBC数据源, 这显得既不专业, 又限制了平台的推广. 第三种方法只需添加环境引用, 然后找到数据源就可连接, 操作简单, 运行稳定, 是最佳选择.

3.3 积件库资源建设

积件库资源是与教材第二章内容相关的所有资源的集合. 为了便于扩充和移植, 我们采用目录式管理方式,将素材分为“文本”、“图片”、“声音”、“动画”、“视频”和“虚拟设备”六大类, 并对所有素材采用“名称_类别(_备注).扩展名”的命名方式加以规范. 前五类资料容易获取, 只有“虚拟设备”类, 需要根据教材内容动手制作. 积件库结构如图2所示.

图2 积件库结构图Fig.2 Integrable ware base structure diagram

为兼顾开放性和发展性, 实现网络共享资源, 本平台综合各项国际标准, 最终选用Web3D作为开发技术. Web3D技术是虚拟现实技术在互联网上的一种应用, 它基于建模技术, 描述交互式的3D场景[10]. 目前流行的Web3D技术有VRML、Cult3D、Java3D、Virtools等.

Cult3D是由瑞典的Cycore公司推出的一种全新Web3D技术, 其目的是在网页上建立交互的3D对象. 它支持主流三维建模工具, 如3DS Max、Maya等软件导出的模型, 生成的文件容量很小, 有利于在计算机网络上传输[11].

本平台的“虚拟设备”类, 主要采用在AutoCAD中绘制平面图, 在3DS Max中建模, 贴图并渲染生成所需模型, 在Cult3D中添加交互, 导出扩展名为.co的虚拟设备. 其过程为:

1)获取实物的真实尺寸和多方位拍摄的照片, 在AutoCAD中绘制出正视图、侧视图和俯视图的三视图平面,保存为.dwg文件.

2)将.dwg文件导入到3DS Max中, 将三视图平面对齐并组合, 严格按比例建立模型. 在建模过程中, 尽量使用“基本几何体”和“修改器堆栈”, 避免使用“布尔运算”产生多余的面, 使贴图发生错误.

3)用Adobe Photoshop处理照片, 再在3DS Max中贴图. 不同方位拍摄的照片要注意光照和色温等因素, 尽量使处理出来用于贴图的图片色彩平衡一致, 并保证这些图片有较高的质量和较小的容量.

4)交互功能的实现. 将制作好的模型通过Cult3D Exporter 插件输出为扩展名.c3d格式的文件, 导入Cult3DDesigner软件中进行编辑, 根据实物具有的功能给模型对象加上各种交互事件, 最后再导出扩展名为.co的虚拟设备文件, 存入设备库中.

3.4 场景平台库建设

场景平台库是为教师和学生的“替身”调用、组合积件库资源而提供的虚拟教学环境场景库, 相当于积件中的组合平台. 本教学积件平台共提供了媒体实验室、录音间、摄影棚、多媒体教室、微机房和演播室六种不同的虚拟实验环境供用户选择.

虚拟场景与虚拟设备的建模过程大致相同, 但是在后期的交互设计上有很大差别, 整个过程更注重场景优化的方法. 虚拟场景中的人机交互设计和虚拟设备臵入虚拟场景用于组合的功能, 都是通过VRML语言实现的.

VRML(Virtual Reality Modeling Language, 虚拟现实建模语言), 是一种三维造型和渲染的图形描述性语言.它能创建三维立体造型和场景, 实现良好的交互界面; 能利用感知传感器节点感受用户与虚拟场景之间的动态交互[12].

本平台的虚拟场景, 采用在3DS Max的顶视图中绘制平面图, 建立墙体, 使用纹理贴图, 制作简单动画, 渲染生成所需的场景模型, 再通过VRML导出插件, 导出扩展名为.wrl的文件, 最后使用VrmlPad软件进行代码优化、添加交互等. 另外, 前面在3DS Max中制作的所有虚拟设备模型, 也要导出一份.wrl文件备用.

1)场景优化方法. 用VRML构建虚拟场景, 往往要在模型的逼真度和场景的实时性之间作平衡. 所以, 制作虚拟场景更注重优化方法: 在3DS Max中尽量使用“基本几何体”建模和“修改器堆栈”制作造型, 使用内臵的纹理贴图、烘焙贴图. 在VrmlPad中编写代码时, 用Inline节点将不同虚拟设备(.wrl文件)组合到场景中; 用DEF/USE、PROTO和EXTERN PROTO实现节点重用; 用LOD(Level Of Detail, 细节层次控制)技术提高场景渲染速度; 用Group、Transform节点对场景进行规划; 优化碰撞检测; 用压缩软件gzip将.wrl压缩为.gz文件等[13].

2)场景交互设计. 在3DS Max中为虚拟设备创建基于鼠标点击的关键帧动画, 保存为.wrl文件后导入VrmlPad软件中, 结合时间传感器节点、动画控制节点、触摸检测器节点, 构建出一个交互式的虚拟场景. 另外, VRML还通过Script脚本节点和Java语言接口与外部联系, 实现VRML场景之间的调用和外部程序的连接, 以此实现更加复杂的行为.

3)网页集成. 在开发本平台的过程中使用了诸多软件和程序语言, 运行时还调用了数据库. 我们通过网页集成技术, 利用它们提供的接口和访问网页的机制, 将Object标签嵌入到HTML代码中, 并使用ActiveX控件实现的. 集成效果如图3所示.

图3 虚拟媒体实验室网页集成效果Fig.3 Virtual Media Lab Webpage integrated effect

4 结果

第一次运行平台时, 需要按提示安装相应的浏览器插件. 安装完成后即可进入平台. 平台效果如图4所示.

图4 教学积件平台效果图Fig.4 platform of educational Integrable ware effect chart

平台分为三个窗体结构. 左边有两个窗体: 左上方窗体的功能可“搜索”、“查询”、“检索”, 或按目录查找目标文件, 左下方窗体功能是显示其查找结果. 右边窗体功能则能响应左下方窗体的鼠标双击动作, 调用相应的网页集成文件, 将其加载并显示出来.

网页集成文件也分为三个窗体结构. 左上方窗体可调用嵌入了.co文件或.wrl文件的网页文件; 右上方窗体内容则根据调用文件的不同有不同的显示: 若为虚拟环境, 则显示为教学楼平面结构导航图, 单击其不同位臵,能进入不同的虚拟场景学习, 若为虚拟设备, 则显示为该设备的基本信息, 如型号、作用、使用方法等; 下方窗体内容提示上方窗体调用的文件有哪些交互功能, 或应该达到何种学习目的, 在右下角, 还提供了背景音乐和音频解说功能.

5 结论

在技术上, 教学积件平台尝试了用数据库去查询、检索、管理积件库, 用激活控件的方式去调用、控制、组合积件单元, 以全新的三维视角方式去呈现学习内容. 完成了积件库的虚拟模型建设, 描述了虚拟场景组合平台的组织方式, 提供了一条用积件思想管理虚拟实验教学系统资源的思路, 并详细描述了实现的技术细节.

在实际应用上, 本平台的数据库、积件库和场景平台库均可拆和可积. 根据要管理资源的容量大小和应用范围, 可选用小型数据库Access或大型数据库SQL Server等, 甚至可以拆除数据库, 按目录式管理方式管理资源.积件库和场景平台库里的资源、场景也可根据教学内容随时补充和替换, 或用其它技术如Flash开发获取.

在扩展性上, 本平台在开发过程中始终遵循一些国际技术标准和规范. 开发软件建议尽量使用微软系列,如微软的数据库Access或SQL Server, 微软的开发平台VB, 与微软IE浏览器兼容的Web3D技术等, 能有效避免很多难以预料的扩展性问题.

在教师教的过程中, 由于积件的基元性和可积性特点, 所有的教学资源都能根据教师意愿随意组合, 更能体现课堂人性化教学设计, 有利于应付千变万化的现实课堂教学.

在学生学的过程中, 由于采用了虚拟现实技术, 学生能实时地沉浸于一个接近真实环境的虚拟场景中, 通过完成学习目标, 达到对该部分知识意义建构的目的.

[1] 黎加厚. 从课件到积件: 我国学校课堂计算机辅助教学的新发展(上)[J]. 电化教育研究, 1997(3): 10-15.

[2] 黎加厚. 从课件到积件: 我国学校课堂计算机辅助教学的新发展(中)[J]. 电化教育研究, 1997(4): 50-53.

[3] 何克抗. 建构主义的教学模式、教学方法与教学设计[J]. 北京师范大学学报: 社会科学版, 1997(5): 74-81.

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[10] 胡小梅, 俞涛, 方明伦. 分布式虚拟现实技术[M]. 上海: 上海大学出版社, 2012.

[11] 苏威洲, 童仲豪, 叶瀚鸿. 实现网络三维互动——Cult3D应用指南[M]. 北京: 清华大学出版社, 2001.

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[13] 熊剑. 基于VRML多用户环境的虚拟协作学习平台设计与实现[D]. 成都: 四川师范大学, 2007: 56-61.

Design and realization for the platform of educational integrable ware based on virtual reality technology

XIONG Jian
(Modern Educational Technology Center, Southwest University for Nationalities, Chengdu 610041, P.R.C.)

Integrable ware is a new generation of the educational software which breaks through courseware localization. With instructional ideas of the integrable ware thought and the constructivist learning theory, the paper develops a platform of educational integrable ware based on virtual reality technology, attempts to inquire, retrieve and manage the integrable ware resources by database, uses the exploring ways of activation of the Control to call, control and combine the integrable ware unit, and displays learning content form a new viewpoint of three dimensional perspectives. The experimental results prove that in teaching activity, the teacher makes advantage of the primitives and integrabilities of integrable ware to better express the humanized teaching design and deal with the various teaching in reality.

integrable ware; constructivist learning theory ; virtual reality technology; teaching; Web3D technology

G434

A

1003-4271(2014)04-0547-06

10.3969/j.issn.1003-4271.2014.04.15

2014-05-12

熊剑(1981-), 男, 汉族, 四川宜宾人, 实验师, 研究方向: 教育技术应用.