用虛擬現實技術進行遠程教學的研究

摘 要：本文從當前教學的現狀和相關技術分析入手，對實現基于虛擬現實的網絡遠程教育的關鍵技術問題進行了探討，提出了在“虛擬校園”里構建教學系統，讓學習者在進行學習活動時，能夠更好地融入學習環境。

關鍵詞：虛擬現實 遠程教學

引言

目前我們擁有了越來越多的遠程教學系統，但很多系統都沒有發揮出深遠的作用。探究目前網絡教學系統沒有物盡其用的主要原因，是由于研究設計人員在規劃設計系統時，只注重教學理論的引用和系統對教學是否有幫助，而沒有考慮到一個系統是否能運作，最重要的是能否吸引學生自愿地來使用這些系統，也就是引發學習者的學習動機。根據美國心理學家戴維斯（Davies）的觀點，動機對于教學的重要性可歸納為：①動機使學生產生動力：它使學生變得積極、主動、投入并且關心學習，也使學生的學習持久、努力、有恒心、有毅力。②動機使學生把握目標：它使得學生積極地去完成學習任務，達成預期的目標，引導學生的學習方向。③動機使學生知所抉擇：它使學生知道如何去選擇所該進行的工作，使學生決定各項學習的優先順序。④動機使學生的行為有組織形態：它會組織學生的學習活動，使之成為某種行為類型，會使得學生的學習更加努力、有效率、有計劃。因此，培養和激發學生的學習動機是是構建網絡學習環境的重要研究課題。

隨著科學技術的迅猛發展，繼多媒體之后，教學技術領域又出現了一個新型教學媒體，它就是虛擬現實技術(VirtualReality)。它的出現為構建主動性網絡教學環境提供了很好的解決途徑。

1. 研究思路

虛擬現實(Virtual Reality)是在1970年由Myron Krueger提出，由計算機硬件及軟件所仿真出類似真實情境，使用者不用在真實情境中，透過這種人機接口(Man Machine Interface)所提供的各種感官實時仿真和互動，有身歷其境的感覺。

虛擬現實的三大要素：①想象力(Imagination)：感覺器官在接受刺激之后，由神經傳輸至腦中，再藉由過去的經驗產生幻覺。②融入性(Immersion)：人類以感覺器官來體會整個虛擬現實，而感覺好像真的置身其中。③互動性(Interaction)：人與機器間有互相回饋。

虛擬現實可算是3D繪圖的極致表現，與其它類似的仿真系統和多媒體最大的不同，就是虛擬現實有觸覺回饋作用，并和人類的感官有緊密的關系，逼不逼真全在于人的感覺。虛擬現實是人與計算機溝通的新接口，讓我們在計算機的使用上更接近人類的本能，面對我們用計算機創造的想象空間，不再只能觀看，而是可以體驗。

現在很多的年輕人都對網絡游戲很癡迷，這和游戲中虛擬現實技術的日漸成熟分不開，從最初的文字MUD游戲，到二維游戲、三維游戲，再到網絡三維游戲，游戲在保持其實時性和交互性的同時，逼真度和沉浸感正在一步步地提高和加強。在網絡虛擬的世界里，數百萬的居民生活在同一個3D世界里，大家在這個虛擬世界里生活、互動，如現實生活一般真實。這種在網絡環境中發展的虛擬世界的游戲，由于與玩家互動的對象是活生生的人而不是呆版的程序，所以吸引著眾多玩家沉迷其中，此種游戲的娛樂性與互動性自然足以成為學習者觸發學習動機的誘因。

近年網絡興盛進而帶動遠程教學高度成長，目前應用在因特網上的遠程教學，是利用HTML來建構的，而HTML所能提供的多媒體種類只有文字、聲音及影像而已，使用者可以獲得多媒體的信息，但是卻缺乏3D的呈現效果，以至于無法同教師和同學進行有效的教學互動，而虛擬實境的技術正好可以彌補這一方面的缺陷。

為了引發學習者的學習動機，可以就學習者個性、生活環境、心理狀態不同而有不同的方法，但藉由“虛擬世界”引發學習者的動機，則經過眾多研究證明有著不錯的效果，因此我們考慮如何設計一個能與“虛擬世界”結合的學習系統。

我們提出了一個“虛擬校園”的虛擬學習環境，在此學習環境中使用三維虛擬技術建構出一個三維虛擬的校園場景，在這個場景中學習者扮演一個虛擬的學生角色，學習者可以在虛擬的校園里行走、和其它虛擬學習者交談。在虛擬校園里會有教務處管理學習者資料、圖書館提供學習資料查詢、教學大樓提供教室讓學習者上課，甚至具有正式身份的使用者可以找一間空教室，將自己準備的教材放在教室中，開一門新的課程供學習者學習，若是教室不夠使用還可以在校園建構新的教學大樓。

在此系統架構下，由于系統非常重現學習者的學習環境，利用虛擬技術構建的校園環境里進行學習，可以提供比傳統的遠程教學中的文字或圖片更大的參與感與認同感，學習者也更容易投入學習情境中，再加上“虛擬校園”

提供學習者自由行動與互動討論的機制，不會只有枯燥的教材，而且可以吸引學習者自動地自發地學習。

2. 系統設計

基于傳統的C/S架構存在的缺點，就是隨著服務功能的增加，服務器端的應用程序會愈來愈復雜，不但維護不易，服務器端計算機的負荷也愈來愈大。“虛擬校園”的系統架構擬采用B/S三層結構模型。三層模式是在兩層模式的基礎上，增加了新的一級。這種模式在邏輯上將應用功能分為三層：客戶顯示層（User Interface Layer）、業務邏輯層（Business Logic Layer）、數據層（Database Access Layer）。客戶顯示層是為客戶提供應用服務的圖形界面，有助于用戶理解和高效的定位應用服務。業務邏輯層位于顯示層和數據層之間，專門為實現業務邏輯提供了一個明確的層次，在這個層次封裝了與系統關聯的應用模型，并把用戶表示層和數據庫代碼分開。這個層次提供用戶應用程序和數據服務之間的聯系，主要功能是執行應用策略和封裝應用模式，并將封裝的模式呈現給用戶應用程序。數據層是三層模式中最底層，它用來定義、維護、訪問和更新數據并管理和滿足應用服務對數據的請求。三層式架構與傳統兩層式架構最大的差異處，是將業務邏輯層（Business Logic Layer）單獨分離出來，以減輕放置于客戶端或服務器端計算機的負擔。

在實際的“虛擬學校”的系統架構中，校園的場景與教學教材放置在服務器端，而系統資料都放置在數據庫端。學習者可利用客戶端的瀏覽器來連接“虛擬校園”的系統，并透過服務器端來存取數據庫端關于學習的資料。采取三層模塊的另一個優點為：若是在虛擬校園里的學習者太多而導致數據庫無法負荷時，可以利用服務器端為仲裁者，建立多個數據庫端來分擔系統的負荷。

本研究主要利用虛擬軟件建構3D虛擬校園場景，來增加學習者參與學習活動時的興趣與培養學習氣氛，學習者在虛擬場景中能夠和其他同學互動，這種教學方式比以往的遠距教學系統提供了更加人性化教學手段。另外本系統具備學習者可提供教材開授課程的機制設計，更能增加學生的參予感以及教學相長的新教學模式，不僅學習者可以從本系統中學習到知識，教師也可以在本系統中透過和學生之間的互動得到不同的觀念。

為方便管理虛擬校園場景及教學教材等資料，在服務器端可以構建Moodle系統，利用Moodle的模塊化對象導向動態學習管理功能來管理學習者在虛擬校園學習流程。

當學習者要進行某一科目的學習活動時，首先會進入校園場景，在校園場景中會有行政大樓、圖書館、教學大樓等各建筑。由于學習活動都是在教學大樓進行的，所以點選教學大樓進入教學大樓場景后，在教學大樓內每個樓層都有不同學科的教室，選取教室所在的樓層后進會進入教室場景；每間教室都有該科目所需的教學資源，例如點選黑板可以觀看該科目的線上教材、點選課桌椅會進入討論區、點選桌面上的實驗器材會進入實驗室等等。除了教室里有各式各樣的教學資源可供學習者使用外，系統還提供聊天室及電子郵件服務，讓學習者可以在線上互相討論學習的心得或對于不懂得地方進行發問。

在這個虛擬系統的構建過程中，還要解決好一個重要技術環節，就是系統的運行速度。由于這個系統大量采用了三維技術，而三維運算需要花費大量的系統資源，為了減少運算時間以及增加瀏覽時的流暢，整個虛擬學校的場景可以細分為校園場景、大樓場景、教室場景三個層級。每個層級間的場景以超級鏈接連結，如此學習者在校園游走時，計算機只需由服務器抓取目前所在的場景，并顯示此3D場景，其它看不到的場景就不需花費時間下載及成像了。由于在多人活動的虛擬場景中，勢必存在大量的多邊形圖形，如何在兼顧畫面順暢以及畫面美觀的前提下取得平衡，將是一個重要的研究課題，當然可以考慮采用場境切割的方式來減少場景的大小。除此之外，在圖學中的漸層式結構、邊界體、幾何壓縮等技術對于減低場境復雜度及增加畫面的流暢度也有很大的幫助，這也是本研究未來發展的目標。

結論

本文論證了利用虛擬現實技術來構建網絡教學環境的技術可行性，相信構建這樣的教學系統能增加學習者參與學習活動時的興趣與培養學習氣氛。由于學習者在虛擬場景中能夠和其他學生互動，“虛擬校園”學習系統將提供比以往的遠程教學系統更多的學習方式。

參考文獻：

［1］［美］VinceJ. VirtualRealitySystems. AddisonWesleyPublishing，1998.

［2］張承芬.教育心理學.山東教育出版社，2000，(5).

［3］教育部.現代遠程教育技術標準化委員會.現代遠程教育技術規范，2001.