基于GBS的虛擬教室系統設計研究

【摘要】GBS是一種典型的“情境學習”模式，需要設計故事情節、構建真實場景。但是在傳統教室中有些情節或場景很難出現，而利用虛擬現實技術就可以實現場景再造。該文通過設計虛擬教室系統的開發框架和方案，探討了Creator與Vega Prime軟件在虛擬教室系統開發中的關鍵技術運用，構建了具有友好交互功能的虛擬教室系統。文章還介紹了利用虛擬教室系統開展GBS教學的教學案例。

【關鍵詞】虛擬現實技術;虛擬教室;GBS

【中圖分類號】G40-057 【文獻標識碼】A 【論文編號】1009—8097(2010)01—0130—04

引言

建構主義認為，學習是獲取知識的過程，但知識不是通過教師傳授得到，而是學習者在一定的情境下，借助他人(包括教師和學習伙伴)的幫助，利用必要的學習資料，通過意義建構的方式而獲得[1]。在教學過程中，需要為學習者提供真實的學習任務和學習環境，使學習者的認知需求與環境對學習者的要求一致[2];創設問題情境，誘導學習者發現問題，并將該問題作為自己的問題，投入到問題的解決過程中;圍繞一項重大任務或一些問題，來開展學習者所有的學習活動;支持學習者對學習內容和過程進行交流和反思，通過相互交換想法，從而形成共享的、比較全面而深刻的理解[3][4]。基于目標的情節設計(Goal-Based Scenarios，GBS)就是這樣一個典型的“情境學習”模式，而真實有趣的故事情節或情景則是教學設計的重點。

虛擬現實是利用計算機生成一種虛擬環境，給用戶提供一種身臨其境的體驗。本文構建的虛擬教室系統就是運用虛擬現實技術創建一個情景化的虛擬環境，提供學習者親身體驗和參與的機會，其目的在于對GBS涉及到的而現實生活中不易或不可能出現的情節或場景進行模擬，以便更好地開展教學。

一 GBS概念和特點

基于目標的情節設計(Goal-Based Scenarios，GBS)是由R.Schank[5]提出的。他主張通過為學習者提供一個有趣的故事情節，來調動學習者的學習興趣，訓練學習者掌握相關的目標技能。

GBS的重要組成部分為目標技能、任務、主題故事、焦點任務和操作，關系如下:[6]

GBS框架下的教學過程，一般由以下六個部分組成:[7]

1 確定目標

學習目標是為特定的所要教授的技能和知識所設計的(例如，評價、綜合和比較能力)。它不是概念層面上的知識教學(例如，闡述能力)。

2 制定任務

這一任務就是最終實現的目標。這個任務是針對學習者而言，應盡可能的明確，并且需要掌握目標技能才能完成的任務。

3 選擇焦點任務

分析學習者所遇到的主要問題，設定能控制學習進程的焦點任務。這比上面提到的任務顯得更詳細和具體。焦點任務及其指導信息的設定要能夠引導學生完成所需掌握技能的探究。

4 設計主題故事

主題故事用以設定學習環境，抓住學習者興趣，強調主題的重要性。讓學習者在設定的主題故事的環境中，利用已有技能和目標技能來解決問題，完成任務。

5 設計操作

為學習者設定具體的行為操作。盡可能詳細安排，并尊重學生已有的能力和知識結構，且易于量化評估。

6 構建學習環境

構建支持目標技能的學習環境(例如，醫院、機房、電視臺或外國領事館等生活中具體的場景)以及提供學習資源。

二 虛擬教室系統在GBS中的作用

虛擬現實(virtual reality， VR)是一種綜合計算機圖形技術、多媒體技術、傳感器技術、并行實時技術、人工智能、仿真技術等多學科技術而發展起來的20世紀90年代計算機領域的最新技術[8]。它以模擬方式為使用者創造一個實時反映實體對象變化與相互作用的三維圖像世界，在視、聽、觸、嗅等感知行為的逼真體驗中，使參與者可以直接參與和探索虛擬對象在所處環境中的作用和變化，仿佛置身于一個真實的世界中，產生沉浸感。視景仿真技術中的虛擬現實是多媒體技術發展的更高境界，它為使用者提供逼真的體驗，為人們探索不便于直接觀察的事物的運動規律提供了極大便利。

GBS的特點是采用故事、游戲或實驗等方式，借助活動參與和對話，產生有意義的學習。主題故事(cover story)是創設的學習情境。它為學習活動提供了一條主線，提供了學習活動產生的情境以及使GBS更具有學習吸引力的具體場景。要想使GBS接近學生的經驗，就必須使主題故事顯得真實。如果學生參與的是一個不真實的主題故事，那么他們將無法運用學到的知識技能來解決現實生活中類似的問題。

而在實際課堂教學中，教師只能通過語言或文字向學生描述設計好的故事情節，然后由學生自己想象。從常規的課堂教學轉換到GBS所需的真實性的情境或故事場景有很大難度。然而利用虛擬現實技術所構建的虛擬教室就可以實現從日常的教室環境到故事情節所需情境的轉換。

基于虛擬現實的虛擬教室系統對于教學的作用主要表現在以下幾個方面:

1 創設真實情景

能夠為學習者創設一個情景化的學習環境。多維度呈現信息，調動學習者視覺、聽覺、動覺等多感官參與，給人很好的臨場感和逼真感。對于在現實世界中不易或者不可能出現的場景也可以進行模擬再現，如金字塔是如何建成的。設計的場景既具有能反映知識被實際應用，又能支持學習者從不同視角進行觀察。

2 提供支持學習的材料

對于GBS主題故事所需的某些學習材料，可以在虛擬教室中呈現。虛擬現實技術一方面可以再現實際生活中無法觀察到的自然現象或事物的變化過程，讓學生能真切地感受到，另一方面可以使抽象的概念、理論直觀化、形象化，方便學生對抽象概念的理解。如利用虛擬現實技術演示晶體的內部對稱、最緊密堆積、硅氧骨干等晶體結構。

3 提供操作體驗的機會

利用虛擬現實技術，建立各種虛擬實驗室，如物理、化學、生物實驗室等。在虛擬實驗環境中，學習者可以放心地進行各種練習而不必擔心由于誤操作所帶來的各種危險。如虛擬的外科手術等。

三 虛擬教室系統設計及開發

1 開發工具

利用VR技術開發虛擬教室，所涉及到的計算機軟件主要分為三維建模軟件、實時視景仿真軟件等。目前主流三維建模軟件有Maya、3DS MAX和MultiGen Creator等，視景仿真軟件有Vega Prime、VR-Platform、Virtools等。本文中開發的虛擬教室系統使用的軟件主要是3DS MAX 、Creator和Vega Prime。Creator是一種用于對可視化系統數據庫進行創建和編輯的交互工具，具有完整的交互式實時三維建模系統。[9]首先由3DS MAX完成大部分建模工作，然后在Creator軟件中，對精細化模型作優化處理，減少三維模型的數據量，使其滿足實時渲染和交互的要求。Vega Prime是一種用于實時仿真及虛擬現實應用的高性能軟件環境和工具。結合VC++調用其API函數，能夠快速實現復雜場景的構建，并通過程序設計實現復雜的人機交互功能。Vega Prime(VP)和Creator都是由MultiGen-Paradigm公司開發的，能夠為彼此提供足夠的支持[10]。

2 系統框架設計

虛擬教室系統支持圖像真實感和交互實時性，促進和諧的人人交互、人機交互環境的建構，支持進行各種活動的模擬。虛擬教室的教學功能需求可概括為:

(1)顯示教學及相關內容

主要包括教學的教案，學生與教師交流的文檔、信息。提供支持學習的各種材料，幫助學生更好地理解知識點。

(2)展現教室場景

主要包括表現教室各個角度的場景，如教師講課時的場景、學生回答問題時的場景等。

(3)展示教室外其他場景

配合教學設計需求，構建練習技能、探索問題的仿真場景。

(4)接收、傳輸以及發送師生音頻信號

在教師講課、師生交流時，能夠實時收聽音頻信號，增強教學效果，需要耳機、話筒等外設及底層通信協議的支持。

本文中的虛擬教室系統設計如圖1所示。整個虛擬教室系統包含多類場景模塊，每一類場景可以理解為實現某類知識技能的一個具體的情節模塊。當使用者選擇某個情節模塊后，虛擬教室才自動調用相應的實驗模塊，激活該模塊并啟用它，反之，就凍結該場景模塊使之不可用。

3 系統構成

虛擬教室環境系統建設包含三部分:視景仿真、碰撞檢測與處理以及人機動態交互。

視景仿真主要由三維建模軟件3DS MAX和Creator建立場景模型，然后由Vega Prime(VP)實時渲染。模型既要考慮視覺呈現的效果，又要兼顧實時渲染對數據量的要求。本系統中的模型用3DS MAX制作并以3DS格式導出，然后導入Creator軟件中，做簡化處理。除了刪除或合并多余面片，Creator還提供細節層次(LOD)技術和布告板(Billboard)技術來兼顧圖像真實感和系統性能[11]。細節層次技術是為同一物體建立多個不同精細度的模型，在實時系統運行時，根據視點距離模型的遠近調用不同模型。距離較近時，顯示多邊形數量較多的精細模型，反之則顯示簡單模型。布告板技術是通過將物體的透明紋理映射到一個平面上，然后在運行時控制布告板繞XZ或YZ平面旋轉，使之始終面向視點。最后將模型保存為flt格式，以便在VP的可視化圖形界面編輯器(LP)中使用。

碰撞檢測主要是確定兩個或多個物體間是否發生接觸或穿透。VP主要提供了7種碰撞檢測算法，這些算法由抽象類vpIsector來定義。根據本系統的實際情況，主要采用了Tripod和Bump兩種算法。Tripod算法用于在水平地面上，由3條收集數據的直立線段(line segment)組成，用于計算運動物體與地形的交叉點。Bump算法使用6段線段(line segment)，沿x軸、y軸和z軸正負方向收集碰撞信息。[12]碰撞檢測還引入了消息機制，Vega Prime在vpIsector中定義了Event枚舉變量來描述碰撞事件。vpIsector::EVENT_HIT表示碰撞發生時的事件通知，vpIsector::EVENT_CLEAR_HIT為碰撞消失時的事件通知。根據此消息可進行相應的處理[13]。

開發者可利用VP提供的函數和接口進行二次開發，通過鼠標的響應和鍵盤的輸入，可以實現虛擬教室中的人機交互操作。用戶通過鼠標和鍵盤實現自由行走、對場景內物體控制等，體驗身臨其境的感覺。

本文所設計的虛擬教室系統中的常規教室，效果如圖2所示。它包含了真實教室環境所擁有的3D場景以及代表教室功能的3D實體:黑板實體用來顯示教案。學生有其對應的課桌。教師和學生在客戶端登錄虛擬教室，選擇化身，指定座位后，化身自動走到指定位置。

在此系統中，采用單窗口(window)、多通道(channel)、多觀測者(observer)顯示。主通道大小和窗口大小一致，用來顯示使用者視角。當使用者對某個物體進行操作時，由于視角范圍的限制，在一個通道不能全部顯示由此操作引起的其他變化。因此在窗口的右上角添加一個小的通道并用另外一個觀測者的視角來顯示場景中的其他相關變化。用戶的運動方式采用步行模式。

四 虛擬教室情境轉換應用設計

虛擬教室系統的情境轉換應用可通過教學設計案例加以說明。下為高中物理平拋物體運動規律的教學案例設計。

學生在已掌握直線勻速運動和自由落體運動的基礎上，開始學習物體的平拋運動規律。知識目標確定為使學生了解平拋運動可以分解為水平的勻速運動，豎直的自由落體運動，并利用勻速運動和自由落體運動規律，由運動的合成知識得出平拋運動的規律和運動軌跡。能力目標確定為在問題解決過程中，培養學生發散性思維的轉化、推理、綜合和歸納，提高分析解決問題的能力。情感目標為培養學生積極探索和團結協作的精神，讓學生學會溝通、知識共享等。

所完成的任務為操控飛機轟炸敵軍。主題故事為一架飛機在平原上空巡邏，發現遠處有敵軍坦克出現，需要立即對它進行轟炸。學生需要最終實現的目標是控制飛機能準確轟炸到目標物體。教師可以利用虛擬教室系統進行此教學活動。首先在虛擬常規教室中進行基本知識點的引導，然后將場景切換到虛擬場景模塊，為學生創造一個飛機在原野上空飛行并可投彈轟炸目標的情境，如圖3所示。在此系統中，學生可以靈活調節各種參數，嘗試在不同水平速度和不同高度環境下，經過正確計算得出運動軌跡。飛機轟炸模式可以增加學習的趣味性，激發學生的學習興趣。在解決任務的過程中以及完成任務之后，都可以隨時切換至虛擬教室場景，教師對知識點加以引導和總結，為學生提供所需的學習支持，使學生的認識更加清晰和深刻。

五 結束語

在GBS教學框架中，學生學習的是一個感興趣的問題，學習過程是一個解決問題、完成任務的過程，而所要掌握的目標技能就隱藏在任務中。任務的設計是至關重要的一環。如果任務不能吸引學生積極投入，GBS就不能實現其優勢。而虛擬教室系統能提供逼真的學習場景，既具有反映知識實際應用的物理情境的作用，又具有大量資源支持學習者從不同視角進行觀察。同時還能提供與真實世界相關的活動，讓學生有機會進行嘗試和探索。虛擬教室的實現，為GBS教學提供了一種新思路。

參考文獻

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