基于虚拟现实技术的高校实验教学资源共享建设研究

2018-06-06 09:30:08 科教导刊·电子版 2018年6期

董凯宁 孟津

摘 要 本文分析了适用于高校实验教学资源建设的VR技术,提出采用兼具网络化、轻量级、沉浸式特征的新型VR技术krpano制作高校实验教学资源。它可以较好提升实验教学效果,节省建设成本,提升高校实验教学资源共享的水平。本文给出了VR实验资源共享平台的建设方案,及VR实验教学资源制作方法。

关键词 虚拟现实 Krpano 高校 实验教学资源 共享

中图分类号:TP393 文献标识码:A

0引言

《国家中长期教育改革和发展规划纲要》中明确指出高等教育要加强实验室改革,《国家教育信息化十年发展规划》中也明确指出,高等教育信息化是促进高等教育改革创新和提高质量的有效途径。因此智能信息化实验平台是如今所有高等院校的必需品。

传统实验教学缺乏师生互动,每个学生在做实验中获得的指导不同,实验教师不能及时掌握学生的真实实验情况,进而无法高效地对每个学生进行实验指导,导致教学效率不高或者效果不均衡。同时,实验内容千篇一律,多是分组演示或验证实验,学生照着现成的实验步骤,这不能吸引学生,也不利于学生创新思维形成。此外,高校实验资源的可重用和共享性也很差。

虚拟现实 (VR) 技术是下一个信息化学习平台,VR能充分展示实验教学内容,能引起学生的学习兴趣,能形成个性化教学效果。VR整合实验教学信息化资源,避免重复投资,实现资源共享;使用VR技术建设共享的实验资源库,包括讲稿、教学大纲、实验实训内容、教学指导、教学评价等信息的VR化。

VR技术有多种,其中轻量级VR技术开发费用低、编程模式灵活,轻量级VR的代表是基于网络技术的Krpano,本文以为,采用Krpano来建设高校实验教学资源是一种创新有价值的方式。

1 VR技术

VR由模拟环境、感知、自然技能和传感设备构成。沉浸式轻量级VR使用手机插入式头盔,内容在手机上运行,它的教学体验让学生置身于实际情景,这对实验教学、现场演示极为有利。通过人机互动交流、计算机虚拟会面使学生在“真实”的实验情境中理解实验意图。

1.1沉浸式VR的实验教学优势

VR能增强实验体验,提升演示效果,学生可以“现场”体验现实生活中很难或无法体验的实验场景、如很激烈的化学反应。能够实现和学生一对一交互,创造个性化实验教学环境,VR 能够“占领”学生的视觉、听觉等多个感觉通道,多感官的参与可以提高学习效率。VR切断了学生与周围世界的感官联系,让学生“沉浸”在与实验交互过程中,隔离了外界干扰,学生很难走神。

1.2沉浸式VR轻量级技术Krpano

Krpano是沉浸式VR模式轻量级、基于网络、代码全开源的技术,不受硬件约束。它采用HTML5+js作為技术基础,可看做是浏览器的扩展内核,可以自动生成全景漫游网页。相比unity3D等重型VR,Krpano节约了开发经费与时间,降低了技术难度,灵活应用于互联网和手机端;Krpano是编程语言,可以实现加密认证技术,知识产权问题迎刃而解。

1.3 Krpano能实现的实验教学效果

采用头盔沉浸式Krpano应用于实验教学当中,事前把实验教程编排好,情景式实验内容给用户带来沉浸式的教学体验,学习就像看电影。在VR实验资源丰富时,实验课教师具备将学生“瞬间转移”到任意场景的能力,学生可以随时体验到很多现实实验难以开设的虚拟情境。在高等教育中,采用沉浸式Krpano,传统的实训基地模式将向着虚拟现实实训教育模式发展,只要能够接入网络,异地远程用户可以不受时间限制、空间限制的共享教学资源。这个转变优化了教学资源利用率、提供了全新的共享模式。

2 Krpano对高校实验教学的支撑

为满足新工科建设的实验教学需求,建设全面、生动的实验教学资源库,成为当下高校进行专业建设的工作重点。我国高校实验教学资源相对匮乏,库内资源共享高度有待提高,运行管理体系有待完善。Krpano是一种数字化技术,是一种接近网页编程的软件体系,它可改善上述问题,为高校实验教学提供强有力的技术与经济可行支撑。

2.1 Krpano对实验教学资源建设的支撑

目前,高校数字化实验教学资源建设主要是数码拍摄翻录、PDF等电子文档格式的实验资源、管理信息系统网站。Krpano可以对目前的数字化教学资源建设进行无缝升级,不丢弃原有内容。对以网站来组织的高校实验教学资源,Krpano以html, js技术扩展原网站,原网站的旧教学资源可保存,新开发的VR教学资源可以与旧教学资源并存,通过不同的入口访问不同类型的教学资源,这对于平缓升级实验资源建设有很好的作用。Krpano只是重新对网站进行组织,应用新的js引擎开发VR形式的实验资源。

对教学而言,VR体验在实验教学框架之下不需要教师调整教学法。从VR环境或内容的角度看,其设计要注意如下方面:第一,内容的真实可信性。感知觉、动作和触觉体验逼真是最基本的要求。第二,内容的教学性,VR观看过程需要学生的积极参与,在激发学生主动性的同时,会拉开学生之间在体验上的差异。由于沉浸式VR设备的独特性,教师准确感知学生体验是个新的研究课题。

VR具有交互性,学生可以“动手做”,克服了传统实验注入式教学的缺陷;VR的构想性,即感官刺激由计算机实时生成,环境仅受想象力的限制,克服了传统实验呆板的问题。从教学法层面看,VR 世界中探究性解决问题的优势,除了安全、低成本,还体现在系统可以记录探索过程,动态诊断学生的学习情况。

2.2 Krpano对实验资源网络共享的支撑

共享是实验教学资源的一个核心属性,信息共享是当下互联网的特征。Krpano本质是浏览器插件,它提供的VR效果是基于浏览器的,而浏览器又是纯网络工具,只要能接入互联网,就能通过网络共享实验资源,不需要额外设备。

2.3 Krpano对共享模式的支撑

Krpano技术就是web前端开发技术,是HTML5与js的集合,高校原有的技术队伍稍微学习一下,就能掌握,可见Krpano对实验人员是很友好的。相比传统的数字化制作方法,比如制作成网页、制作成PDF、制作成视频,基于Krpano技术的制作只是稍微多一点工作量,比如原来要做成网页,现在是做成有点特殊,带有立体、虚拟效果的网页,可见,Krpano对实验建设的支撑也是很好的。在技术创新方面,Krpano把传统的数字教学资源升级为虚拟场景的数字教学资源,应用了2016年以来出现的最新技术,吸取了现有VR技术和网络技术的精华,是彻底的技术创新。

3基于Krpano的共享教学资源平台建设

3.1平台总体网络结构

实验教学资源平台的构建和传统的互联网信息管理系统无异,学生仍使用互联网或局域网访问实验教学资源,只是呈现设备从PC变成了VR设备,形式从屏幕平面升级为沉浸式立体。学生可不受时空限制的共享教学资源。每个高校在构建VR共享教学平台时,除了建设软资源,硬件只需购买一批可以插入手机的头盔即可。平台总体网络结构如下图1所示。

图1:实验教学平台共享网络图

3.2建设流程

在建设流程上,与开发数字化实验教学资源平台原理类似,只是实验内容由课件、动画、视频等变成Krpano文件夹,文件夹里面包含了教学资源信息、虚拟化信息、组织管理信息等,这些信息可以由Krpano的生成工具自动生成,实验教师们不用关注详细结构就可以完成实验教学资源的开发。

3.3教学资源建设案例

为高校旅游专业开发一款景点介绍实验教学课件。选取开发用计算机为安装了win10旗舰版的64位笔记本,安装krpano软件包,形成一个Krpano的工作文件夹,里面有若干可执行程序,开发者不必打开这些可执行文件,这些可执行是在生成VR内容时被krpano的引擎自动调用。准备一些旅游图像序列,赋予有顺序的命名,例如a,b,c,d,放在一个文件夹里面,然后,把图像序列选中,往Krpano工作文件夹里面的某个批处理文件拖拽,Krpano会自动生成全景图。實验教学资源以网页形式在手机中打开,手机必须连上互联网能访问到服务器,手机插入VR头盔,学员戴上头盔,在沉浸场景中学习。学员通过头部动作、可以360度浏览全景画面,就能体验到沉浸的虚拟现实效果。转动头部,可以看到画面随之转动。如果有多个场景要切换,可以加入切换箭头,学生转动头部,让一个krapno自带的小十字对准箭头,小十字变成圆圈时,就可切换场景。要更进一步的增加功能,可以打开文件直接编辑,每一个教学资源的访问入口都是一个index.html,编辑同目录里面的XML文件,可以添加VR特效。比如希望场景切换时,需要从左到右类似翻页的过渡特效,在XML文件中修改如下语句为:loadscene(scenename, null, MERGE, get(blendmodes[black-out].blend));这是典型的脚本语法,对于任何一个有网页开发能力的管理员都没有处理难度。

4结语

头盔沉浸式VR技术在高校实验教学资源建设的应用是对于实验资源建设、实验资源共享的一种创新。它避免了平面式教育所导致的用户专注度低、学习效率难以保障等一系列问题,让用户能拥有接受面对面教学的直观体验,加强了教学资源的生动性。该技术基于互联网,克服了实训基地、教室等时间和空间的限制,加强实验资源的可用性、共享性,为高校学生开辟一个随时随地进行高效学习的途径。

本文提出思路可丰富高校的实验教学资源建设技术、推动教学创新,降低了信息化建设成本,增强了共享性,从而促进高校发展。

基金项目:受2017年四川大学实验技术立项资助,项目编号20170008。

参考文献

[1] 董凯宁,孟津.基于虚拟现实技术的职业院校可共享教学资源研究[J].教育现代化,2017(12):81-84.

[2] 刘德建,刘晓琳,张琰,陆奥帆,黄荣怀.虚拟现实技术教育应用的潜力、进展与挑战[J].开放教育研究,2016,22(04):25-31.

[3] 杨江涛.虚拟现实技术的国内外研究现状与发展[J].信息通信,2015(01):136-138.

[4] 赵洁,薛照明,张洪.管理类专业创新型实验教学体系与教学模式探索[J].现代教育技术,2012(04):159-161.

[5] 冯曰欣,贾昆嵛.深化高校管理类专业实验教学改革的思考[J].实验室科学,2015(06):118-122.