基于電子3D虛擬現實的翻轉課堂遠程教學系統設計

劉紅兵　郭輝

摘 要： 為了提高翻轉課堂遠程教學的視覺感官性和智能控制性，提出基于電子3D虛擬現實的翻轉課堂遠程教學系統設計方案。在Multigen Creator軟件開發環境中進行教學系統的軟件設計，采用3D虛擬現實技術進行翻轉課堂教學場景的遠程視景仿真，建立三維教學場景模型，結合Vega Prime視景開發技術建立翻轉課堂遠程教學的可視化仿真程序，并進行多線程的程序加載和網絡控制設計。測試結果表明，設計翻轉課堂遠程教學系統可視化教學效果較好，系統可靠穩定。

關鍵詞： 電子； 3D； 虛擬現實； 翻轉課堂； 遠程教學系統

中圖分類號： TN99?34； TP391.9 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）22?0051?03

Abstract： In order to improve the visual sense and intelligent control of the flipped classroom remote teaching， a design scheme of the remote teaching system based on the 3D virtual electronic is put forward. The software design of the teaching system was carried out in the Multigen Creator software development environment. 3D virtual reality technology is used to simulate the remote flip classroom teaching scene build 3D teaching scene model. In combination with Vega Prime scene developing technology， the visual simulation program of the flipped classroom development technology is established， and the program loading multi thread and network control design is performed. The test results show that the flipped classroom remote teaching system has a good remote teaching effect， and the system is reliable and stable.

Keywords： electronics； 3D； virtual reality； flipped classroom； distance learning system

0 引 言

隨著教學改革的不斷深入，課堂教學模式不斷進步和發展，翻轉課堂作為一種新的教學模式，在現代教學中得到廣泛應用，翻轉課堂模式下教學是通過教學角色互換，翻轉課堂是一種新型的多媒體信息教學模式，可適應各個學科的遠程多媒體互動教學需求[1]。在翻轉課堂教學模式下，需要設計一種計算機視覺模式下的3D遠程教學系統，提高教學環境和教學環節的跟蹤和掌控能力，為了提高翻轉課堂遠程教學的視覺感官性和智能控制性，提出一種基于電子3D虛擬現實的翻轉課堂遠程教學系統設計方案。首先進行系統開發環境描述和系統總體構架設計，再進行翻轉課堂遠程教學系統的軟件開發設計和測試分析，得出有效性結論。

1 總體構架模型

1.1 翻轉課堂遠程教學系統開發原理

在電子3D虛擬現實視景仿真環境下構建翻轉課堂遠程教學系統，首先構建教學系統的總體結構模型，進行開發環境搭建和體系結構模型設計，在Mutigen Creator和嵌入式開發環境下進行Lynx Prime圖形界面設計，對教學系統的頂層設計采用多線程調度和場景渲染方法，在靜態視景模型庫中，電子3D虛擬現實的翻轉課堂遠程教學系統分為三層體系結構[2]。其中，感知控制層是通過傳感器設備為用戶提供實時流暢的可視化界面，采用無線射頻識別和多媒體感知技術教學場景的信息化采集和多媒體渲染，調用由圖形界面Lynx Prime設計生成多媒體教學數據庫，在數據庫中進行翻轉課堂的教學資源信息采集和調度。基于標準模板庫（STL）和C++編程進行3D虛擬現實設計，建立翻轉課堂的視景仿真模型，定義.acf、配置.acf 和系統運行仿真的信息處理程序，結合多線程技術進行網絡通信開發[3]。

構建翻轉課堂遠程教學的中間件，基于壓縮感知的魯棒可分離方法進行軟件調度，用戶代理服務器端通過雙工通信為用戶提供信息管理服務，翻轉課堂遠程教學系統的網絡傳輸層建立在異構網、移動通信網以及校園網絡環境中。系統采用Browser/Server結構進行用戶代理服務器設計，SIP代理服務器的作用是協商通信雙方的多媒體信息流編碼格式，在SDP協議中建立3D虛擬現實視景仿真軟件，實現對翻轉課堂遠程教學系統的界面顯示和業務邏輯控制。根據上述設計原理，構建翻轉課堂遠程教學系統開發框架結構如圖1所示。

1.2 翻轉課堂遠程教學系統的功能模塊結構

在Multigen Creator 3.2開發環境下進行翻轉課堂遠程教學系統的總體設計。在感知控制層定義用戶行為；基于多樣化top?k shapelets轉換方法進行網絡切換和課堂教學多媒體切換的遠程控制；以校園網、局域網和互聯網為基礎進行遠程網絡通信系統設計。通信協議將 C/S和B/S模式結合在一起，基于基礎的網絡架構方法，翻轉課堂遠程教學的各種設備的輸入/輸出端口采用統一的接口設計，實現翻轉課堂遠程教學系統遠程開機關機，教學電動幕布的啟動和數據信息檢索等功能[4]。endprint

教學系統的模塊化設計包括硬件設計和軟件設計部分，其中，硬件模塊采用Prime提供的API函數直接調用開發組件進行核心控制模塊的集成設計，采用3D虛擬技術進行8～16位數據線擴展，實現對遠程多媒體教學信息的集成調度和輸出控制。在vpApp類中通過集成封裝方法封裝VP應用程序，進行DSP控制，對串口進行正確配置，通過編程和接口調用vpModule：：initializeModule初始化應用程序。在Vega Prime中進行應用程序加載。初始化內存分配，在vpApp類控制終端接收控制程序設計[5]，驅動配置程序，完成軟件設計。

2 系統軟件開發實現

在電子3D虛擬現實視景仿真環境下進行翻轉課堂遠程教學系統的三層體系結構設計，基于TCP/IP協議和C/S模型構建多媒體教學平臺，進行遠程教學系統的視景仿真設計，視景仿真的軟件設計包括網絡通信模塊、數據采集模塊、界面渲染和3D建模模塊。初始化場景（scene graph）通過串口接收控制程序設計[6]，使用以下句法進行3D虛擬現實仿真模塊的用戶定制：

在驅動配置程序設計中裝載 .acf 文件，以計算機微處理器的形式控制各個多媒體教學設備，對于協議棧中SIP消息通過指向鏈表路由通道進行串行總線控制，SIP消息是由一個SIP 會話時鐘（Start?Line）、一個或多個字段（Field）組成的消息頭。遠程中央控制機采用4G通信和互聯網通信技術向翻轉課堂遠程教學系統發送時鐘訪問脈沖，通過接口訪問控制，實現QoS管理， 提高翻轉課堂遠程教學的實時性和資源互通性，進一步進行SIP消息控制，利用OpenStack進行視景渲染，myApp?>configure（）用來解析.acf，格式為：

根據上述分析，將翻轉課堂遠程教學系統的串行總線控制首址賦給地址指針，在Linux操作系統中建立軟件的開發環境，通過Vega Prime中提供的AudioSoundSpatial模塊建立三維教學場景模型。在接口訪問的服務能力層SCL架構下[7]，利用WEB?GIS瀏覽器進行信息傳輸和視景開發，實現電子3D虛擬現實仿真。

3 仿真實驗

在對電子3D虛擬現實視景仿真環境下的翻轉課堂遠程教學系統軟件開發設計基礎上，進行仿真實驗分析。實驗采用PXI?8155總線傳輸方式進行教學資源調度，用Socket編程構建翻轉課堂遠程教學系統的狀態字結構，見表1。

根據上述仿真場景設定，采用ActivityGroup軟件進行翻轉課堂的電子3D虛擬現實模擬，得到視景仿真結果如圖2所示。

分析圖2結果表明，本文設計的翻轉課堂遠程教學系統可視化教學效果較好，系統可靠穩定，具有較好的應用實踐性。

4 結 語

本文提出基于電子3D虛擬現實的翻轉課堂遠程教學系統設計方案，并進行實驗分析發現設計的翻轉課堂遠程教學系統可視化教學效果較好，系統可靠穩定。

參考文獻

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