三維虛擬智慧教室支持下的遠程教學研究與應用

王麗

摘 要：現代遠程教學中普遍存在交互性不強、學習者情感缺失、學習自覺性差及學習動機不強等弊端。文章針對當前遠程教學中的不足，利用虛擬現實、計算機網絡、多媒體及計算機圖形技術構建了一個三維虛擬智慧教室，為遠程教學提供了一個仿真的物理課堂學習環境。師生可以根據自身的教學體驗，支配虛擬化身產生相應的語言、表情和動作，如同身處一個真實的教室當中。三維虛擬智慧教室為遠程教學提供了實時、有效的交互，增強了學習者的歸屬感，解決了由于學習者情感缺失帶來的一系列問題，可以極大的促進遠程教育的發展。文章主要闡述并分析了三維虛擬智慧教室的含義、構建意義、功能架構，并通過案例著重討論了三維虛擬智慧教室在遠程教學中的實際應用。

關鍵詞：三維虛擬智慧教室；遠程教學；交互

中圖分類號：TP393 文獻標志碼：B 文章編號：1673-8454（2016）06-0083-05

一、引言

遠程教育實現了教學過程的時空分離、優化了教育資源、促進了教育公平、降低了教育成本、促進了終身教育的發展[1]。但目前遠程教育發展中也存在許多問題，例如缺少課堂氣氛，交互性不強，學習者情感缺失、學習自覺性差、動機不強、學習反饋不及時等缺陷。這些問題不僅影響遠程教學的質量，而且嚴重制約著遠程教育的發展。如何有效解決這些問題成為遠程教育領域一個非常重要的課題。

本文通過構建三維虛擬智慧教室，為師生提供一個仿真的教室環境，使師生能夠通過選擇虛擬化身并以第一人稱為視角進行登錄和教學，并且可以根據自身的教學體驗支配虛擬人物產生相應的語言、表情和動作，如同身處一個真實的教室當中。通過三維虛擬智慧教室，教師可以開設課程、進行課程講授、展示課程內容、上傳課程資源、管理學生信息及教學信息、對學生進行分組、與學生進行交流討論、布置作業、個別輔導、提問，并對學生的回答進行及時反饋，根據學生的各種表現來對其進行評價。學生可以下載學習資料，對課程進行有針對性的預習、復習；可以與教師和其他學習者進行及時交流，提交作業、舉手回答問題、自我評價和評價他人。

三維虛擬智慧教室可有效解決遠程教學中缺少課堂氣氛，人與人之間、人與學習環境之間交互性差，學習者情感缺失、學習自覺性差、動機不強、學習反饋不及時等缺陷，從而促進遠程教育的發展。

二、三維虛擬智慧教室對遠程教育的意義

三維虛擬智慧教室就是利用虛擬現實技術和網絡技術在網絡空間內建立的一個三維仿真的、可交互的虛擬教室，利用它可以進行學習、交流、協作[2]。與其它虛擬教室相比，三維虛擬智慧教室可以創設仿真的教室環境，這個虛擬環境可以擁有真實教室環境中的一切設施，包括桌椅、講臺、多媒體設備等。同時它是個可交互的教學環境，使用者根據自己的教學體驗和感受，通過選擇并支配自己的虛擬替身與學習環境及他人進行文本交互、語言交互、動作及表情交互等。此外，學習者的學習過程可以被系統自動記錄下來，方便教學和評價。

三維虛擬教室對遠程教育的含義主要包括如下方面：

1.情感方面

三維虛擬智慧教室為師生創設了一個仿真的物理教室情境。教師通過支配虛擬替身，可以像真實課堂教學中一樣進行授課，通過語言、表情和動作傳達給學生視、聽覺豐富的感受，激發學生的積極性，引導學生產生思想的共鳴；可以對學生進行提問，與學生進行直接的交流，并通過語言對學生的回答做出反饋，通過表情和動作與學生進行情感溝通；教師可以觀察到學生的課堂情緒及表現，根據這些信息及時調整教學。

有了三維虛擬教室，學生不再因為教學的時空分離而缺乏歸屬感、人文關懷，產生孤獨感、厭學等不良情感。學生可以支配虛擬替身舉手回答問題，可以根據教師的講課進度和授課內容支配虛擬替身做出表達自己情感和態度的表情和動作，如跟不上教師講課的內容或聽不懂，可以支配虛擬人做出疑惑、迷茫、眉頭緊鎖的表情。在整個學習過程中，學習者的全部情感都可以通過自己的虛擬替身進行表達，并與其他學習者及教師進行實時、有效的交流。而且，學習者的所有課堂表現都會被系統自動記錄下來。教師會依據這些課堂表現為學習者提供實時反饋，并將其作為評價的依據，這樣，學習者的積極性就被充分調動起來，他們會積極參加各種教學活動，不再具有孤獨感，主動性得到充分發揮。

2.交互方面

三維虛擬智慧教室提供了良好的交互功能，具有文本、聲音、表情、動作等多種交互方式。三維虛擬智慧教室中的每個角色都是真人的化身，教師和學生可以通過支配虛擬角色，使用文本、語音、表情、動作等方式進行有效交互，如同在真實教室環境中一樣。系統支持三維環境下的實時交互和傳統的非實時交互。

3.教學模式方面

三維虛擬智慧教室不僅帶來了全新的教學體驗，而且提供了多種多樣、有效的教學方法和教學手段。它提供的教學環境支持協作學習、體驗式學習、探究式學習、個別化學習等多種學習方式，使學生真正成為了課堂的主人，其思維能力、實際操作能力、解決問題的能力、創新能力、協作精神、團隊意識可得到極大的提升，并使其具有強烈的歸屬感。

三、三維虛擬智慧教室的構建

1.主要相關技術

筆者主要采用Unity3D作為開發環境，使用MySQL作為數據庫來存儲角色的表情信息、動作信息、語音信息及其它數據信息，使用3ds Max進行三維虛擬智慧教室場景的建模、人物角色建模、人物表情及動作設計，使用Photoshop進行圖片處理，生成相應貼圖，使用C#作為開發語言實現各種交互功能。

2.開發流程

三維虛擬智慧教室具體開發過程如下：首先使用數碼相機拍攝相關照片，然后使用Photoshop進行處理，生成相關貼圖；接著使用3ds Max進行三維虛擬智慧教室場景建模、人物角色建模、人物表情及動作設計；再把建好的模型、人物表情及動作導入到Unity3D軟件中進行交互設計（如通過調用數據庫中的相關數據，實現表情、動作、文本、語音等數據的存取，以實現用戶支配虛擬角色進行文本、語音、表情及動作交流，場景物體的觸發控制，場景按鈕交互功能的實現，場景物體的碰撞檢測等）；最后完成注冊登錄、學習行為智能跟蹤、資料上傳下載、BBS、分組協作、系統數據管理、評價等其他功能。其開發流程如圖1所示。

3.系統功能設計

系統功能設計以建構主義和人本主義理論為指導，強調“以學生為主體，教師為主導”。整個系統可以劃分為登錄模塊、管理模塊、教學模塊、幫助模塊。系統整體功能模塊如圖2所示。

（1）登錄模塊：首次登錄需要進行新用戶注冊，注冊用戶分為教師和學生兩類。注冊需要選擇用戶類型并填寫用戶基本信息和教學信息等。非首次登錄用戶需填寫用戶名和密碼，三維虛擬智慧教室系統調用數據庫中的信息進行用戶身份驗證。登錄后，教師可以添加課程并選擇虛擬替身進行教學，學生用戶可以選擇自己喜歡的虛擬替身、課程及同伴（在協作學習中，如果教師允許小組長可以選擇小組成員）進行學習。

（2）管理模塊：用于管理員和教師進行系統后臺的維護以及資料等的管理。管理員可以進行系統性能維護及安全管理、用戶信息管理（包括教師和學生的注冊認證、權限分配、刪除用戶等）和教學資源管理（包括各種課程資料、試題資料、論壇、留言、評價等信息的增、刪、改）。教師可以對學生進行分組，管理學生信息，對自己教授的課程資源進行管理（包括課程資料和試題資料的增、刪、改，以及論壇、留言、評價等信息的刪除）。

（3）教學模塊：教學模塊是整個三維虛擬智慧教室系統的核心。其主要功能如下：

①信息公告：用于完成信息、新聞等的發布，使得用戶能夠及時了解最新的教學信息、課程日期安排、課程教學內容、教師介紹、教學步驟、教學目的等[3]。

②實時教學：實時教學即為同步教學，是整個系統的亮點，也是三維虛擬智慧教室區別于其他遠程學習系統的集中表現。不同類別的用戶選擇不同的身份登錄系統。教師用戶可以為自己的課程命名，決定學習該課程的人數，之后選擇合適的虛擬角色作為替身進入教室，進行授課。學生用戶成功登錄系統后，可以瀏覽所有課程的日期安排和當前在線的課堂，只要該課堂人數未滿，學生便可選擇自己喜歡的替身形象申請加入并進行課程學習。參與同一課堂的師生都會以第一人稱為視角，通過自己在教學過程中的感知和環境刺激支配虛擬替身產生相應的語言、表情和動作，并且可以相互感知，如同身處一個真實的教室當中。在這里，教師和學生可以自由的進行各種教學活動：教師可以利用音頻和視頻同步傳輸技術進行課程講授，展示課程內容，上傳課程資源，通過語音、文字、表情和動作與學生進行交流、討論，根據學生的表現和特點對學生進行分組，布置作業，個別輔導，提問，通過語音、文字、表情和動作對學生的回答及學習表現進行反饋。學生可以進行課程學習、下載學習資料、舉手回答問題，通過語音、文字、表情和動作同教師和其他學習者進行交流討論、提交作業，根據教師的分組，被指定為組長的學生可以根據教師賦予的權限選擇同組成員或由教師統一分配。教學活動結束后，教師可以撤銷該課堂，原本處于同一課堂中的學生會自動返回系統的主界面，進行其他教學活動的選擇。

③異步教學：為了滿足一些無法同步學習的用戶，系統設置了異步教學模塊。在異步學習模塊中，查看各課程的相關資料，包括教師的授課視頻、學習資料（學習目標、任務、內容、方法等）、教師布置的作業等。學生可以通過學習完成教師布置的作業并進行提交，還可以通過虛擬在線教室以外的方式與教師和其他同學進行同步和異步交流，如論壇、QQ、郵箱等。

④個人空間：不管是同步學習還是異步學習，系統都為用戶提供了個人學習空間。師生在這里可以撰寫自己的心得，制定學習或教學計劃，記錄筆記、教學反思等。

⑤評價模塊：評價貫穿于整個教學當中。系統對學生的評價可以有診斷性評價、過程評價和總結性評價三種。診斷性評價是根據需要對學生進行的學前測評，幫助教師和同伴了解學生的學習特點、前期基礎、學習興趣、學習需要等方面的內容。過程評價體現評價的過程性，系統會自動記錄學生的學習過程，如登錄次數、登錄時間、教師在授課過程中對學生的文本或口頭評價、學生回答問題的次數、論壇發言情況、作業提交時間、作業評價情況（自評、其他同伴、教師給出的評價，評價的權重由教師給出）、幫助其他學生答疑情況、在進行自評和他評（學生對自己及他人作業的評價會由教師給出相應成績）時的分等，這些信息都會作為對學生的最終評價信息。總結性評價采用試題的方式進行，由系統自動抽題，客觀題由系統自動批閱，主觀題由教師批閱。學生的最終評價結果來自過程性評價與總結性評價。具體的評價標準由教師根據不同的教學內容來制定。

（4）幫助模塊：主要介紹系統的操作方法以及注意事項，以幫助學習者順利完成學習和交流。

四、三維虛擬智慧教室環境下的遠程學習活動的設計與應用

下面以《角色與場景設計》課程中的“場景的色彩表現”一課為例，來說明如何利用三維虛擬智慧教室進行遠程教學。

1.學習活動概述

《角色與場景設計》是本科數字媒體專業一門綜合性較強的課程，涵蓋了很多學科的知識。強調藝術與相關技術的整合，是一門理論與實踐并重的課程。該課程的主要任務是使學生通過對角色和場景設計的學習，掌握動畫造型及場景設計的理論基礎、藝術特征、風格類型、設計方法和技巧，并能根據不同的故事腳本，運用不同的表現方法完成角色及場景的設計。

“場景的色彩表現”一課的主要內容是色彩的作用與功能、色彩的基本原理、不同的色彩帶給人們不同的心理感受、色彩使人產生的聯想與色彩象征、色彩設計的案例分析。

2.學習活動設計

（1）學習者特征分析

通過前面章節的學習，學生基本掌握了場景的構圖及設計方法。學生具有一定的自學能力，但協作學習能力較弱、主動探究能力不足、設計思維不靈敏。

（2）學習目標

通過學習應使學生了解色彩的作用與功能，能夠運用色彩的基本原理、色彩帶給人們的心理感受、色彩使人產生的聯想與色彩象征等知識，根據劇情腳本設計場景的色彩。在學習過程中提高協作學習能力、團隊合作精神、主動探究能力及設計的敏感度，能充分發揮自身想象力，設計出符合角色心理或場景氣氛及劇情需要的場景色彩。

（3）學習重點及難點

本課的學習重點是理解色彩相關知識，掌握設計場景色彩的方法；學習難點是利用色彩的相關知識來設計場景空間，營造場景氣氛，表達角色心理。

（4）教學方法

本課的教學環境為三維虛擬智慧教室環境，由于教學內容既有理論知識也強調實踐應用，因此采用教師主導下的學生自主探究和協作交流的教學方法。

（5）教學過程

具體教學過程見表1。

3.學習效果分析

為了驗證三維虛擬智慧教室支持下的遠程教學效果，筆者在教授《角色與場景設計》這門課程時，選取了兩章內容進行了實驗，并將101位學生根據他們的學習能力進行分組，使得兩組學生的學習能力相當。第一組使用筆者開發的三維虛擬智慧教室進行教學，第二組使用Moodle網絡教學平臺進行教學。通過兩章內容的學習，兩組學生的最終學習效果集中體現為他們設計的作品，第一組學生的最終作品均分比第二組學生高出9分。

實驗結束后，筆者對第一組的50位學生進行了問卷調查，調查的目的是想反映學生使用三維虛擬智慧教室后的真實感受。表2是問卷中的一些題目及調查結果，希望能為今后三維虛擬智慧教室在遠程教學中的應用提供參考。

調查結果分析如下：絕大多數學生認可三維虛擬智慧教室，說明三維虛擬智慧教室在遠程教學中發揮出了它的功能，有力的支持了遠程教學。少部分學生因為害怕他人在評價自己時存在主觀性，所以對多元評價方式持懷疑態度。不知道當自己用真心去評價別人的時候，別人會不會用真心來評價自己，也不知道當自己指出別人的錯誤時，他人會如何。個別學生感覺自己不能避免主觀性，會給和自己關系好的人評高分，反之低。但實踐證明，多元評價是更科學合理的評價方式，有助于提高學生的多種能力。

筆者設計的三維虛擬智慧教室為學習者創設了仿真的教室環境，師生通過虛擬替身實現了有效的交互。研究表明，三維虛擬智慧教室有效彌補了當前遠程教育平臺由于學習者情感缺失帶來的一系列問題，增強了學生的歸屬感，提高了學生的被關注度。該平臺在建構主義和人本主義思想的指導下，促進了學習者的主動探究、知識構建及協作學習的能力，通過多元評價提高了學生的參與度，增強了學生的主人翁感和正確的評價能力。三維虛擬智慧教室還能有效支持各種教學模式，為遠程教育的發展注入了新的活力。

參考文獻：

[1]崔巧紅.現代遠程教育中混合式學習的實施策略[D].西安：陜西師范大學，2014.

[2]趙曉亮.三維虛擬教室的開發及教學應用研究[D].杭州：浙江師范大學，2010.

[3]顏鵬飛.遠程教育系統中虛擬教室的研究與設計[D].西安：西安工業大學，2010.

（編輯：魯利瑞）