基于虛擬現實技術的高校實驗教學資源共享建設研究

董凱寧　孟津

摘 要 本文分析了適用于高校實驗教學資源建設的VR技術，提出采用兼具網絡化、輕量級、沉浸式特征的新型VR技術krpano制作高校實驗教學資源。它可以較好提升實驗教學效果，節省建設成本，提升高校實驗教學資源共享的水平。本文給出了VR實驗資源共享平臺的建設方案，及VR實驗教學資源制作方法。

關鍵詞 虛擬現實 Krpano 高校 實驗教學資源 共享

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A

0引言

《國家中長期教育改革和發展規劃綱要》中明確指出高等教育要加強實驗室改革，《國家教育信息化十年發展規劃》中也明確指出，高等教育信息化是促進高等教育改革創新和提高質量的有效途徑。因此智能信息化實驗平臺是如今所有高等院校的必需品。

傳統實驗教學缺乏師生互動，每個學生在做實驗中獲得的指導不同，實驗教師不能及時掌握學生的真實實驗情況，進而無法高效地對每個學生進行實驗指導，導致教學效率不高或者效果不均衡。同時，實驗內容千篇一律，多是分組演示或驗證實驗，學生照著現成的實驗步驟，這不能吸引學生，也不利于學生創新思維形成。此外，高校實驗資源的可重用和共享性也很差。

虛擬現實 （VR） 技術是下一個信息化學習平臺，VR能充分展示實驗教學內容，能引起學生的學習興趣，能形成個性化教學效果。VR整合實驗教學信息化資源，避免重復投資，實現資源共享；使用VR技術建設共享的實驗資源庫，包括講稿、教學大綱、實驗實訓內容、教學指導、教學評價等信息的VR化。

VR技術有多種，其中輕量級VR技術開發費用低、編程模式靈活，輕量級VR的代表是基于網絡技術的Krpano，本文以為，采用Krpano來建設高校實驗教學資源是一種創新有價值的方式。

1 VR技術

VR由模擬環境、感知、自然技能和傳感設備構成。沉浸式輕量級VR使用手機插入式頭盔，內容在手機上運行，它的教學體驗讓學生置身于實際情景，這對實驗教學、現場演示極為有利。通過人機互動交流、計算機虛擬會面使學生在“真實”的實驗情境中理解實驗意圖。

1.1沉浸式VR的實驗教學優勢

VR能增強實驗體驗，提升演示效果，學生可以“現場”體驗現實生活中很難或無法體驗的實驗場景、如很激烈的化學反應。能夠實現和學生一對一交互，創造個性化實驗教學環境，VR 能夠“占領”學生的視覺、聽覺等多個感覺通道，多感官的參與可以提高學習效率。VR切斷了學生與周圍世界的感官聯系，讓學生“沉浸”在與實驗交互過程中，隔離了外界干擾，學生很難走神。

1.2沉浸式VR輕量級技術Krpano

Krpano是沉浸式VR模式輕量級、基于網絡、代碼全開源的技術，不受硬件約束。它采用HTML5+js作為技術基礎，可看做是瀏覽器的擴展內核，可以自動生成全景漫游網頁。相比unity3D等重型VR，Krpano節約了開發經費與時間，降低了技術難度，靈活應用于互聯網和手機端；Krpano是編程語言，可以實現加密認證技術，知識產權問題迎刃而解。

1.3 Krpano能實現的實驗教學效果

采用頭盔沉浸式Krpano應用于實驗教學當中，事前把實驗教程編排好，情景式實驗內容給用戶帶來沉浸式的教學體驗，學習就像看電影。在VR實驗資源豐富時，實驗課教師具備將學生“瞬間轉移”到任意場景的能力，學生可以隨時體驗到很多現實實驗難以開設的虛擬情境。在高等教育中，采用沉浸式Krpano，傳統的實訓基地模式將向著虛擬現實實訓教育模式發展，只要能夠接入網絡，異地遠程用戶可以不受時間限制、空間限制的共享教學資源。這個轉變優化了教學資源利用率、提供了全新的共享模式。

2 Krpano對高校實驗教學的支撐

為滿足新工科建設的實驗教學需求，建設全面、生動的實驗教學資源庫，成為當下高校進行專業建設的工作重點。我國高校實驗教學資源相對匱乏，庫內資源共享高度有待提高，運行管理體系有待完善。Krpano是一種數字化技術，是一種接近網頁編程的軟件體系，它可改善上述問題，為高校實驗教學提供強有力的技術與經濟可行支撐。

2.1 Krpano對實驗教學資源建設的支撐

目前，高校數字化實驗教學資源建設主要是數碼拍攝翻錄、PDF等電子文檔格式的實驗資源、管理信息系統網站。Krpano可以對目前的數字化教學資源建設進行無縫升級，不丟棄原有內容。對以網站來組織的高校實驗教學資源，Krpano以html， js技術擴展原網站，原網站的舊教學資源可保存，新開發的VR教學資源可以與舊教學資源并存，通過不同的入口訪問不同類型的教學資源，這對于平緩升級實驗資源建設有很好的作用。Krpano只是重新對網站進行組織，應用新的js引擎開發VR形式的實驗資源。

對教學而言，VR體驗在實驗教學框架之下不需要教師調整教學法。從VR環境或內容的角度看，其設計要注意如下方面：第一，內容的真實可信性。感知覺、動作和觸覺體驗逼真是最基本的要求。第二，內容的教學性，VR觀看過程需要學生的積極參與，在激發學生主動性的同時，會拉開學生之間在體驗上的差異。由于沉浸式VR設備的獨特性，教師準確感知學生體驗是個新的研究課題。

VR具有交互性，學生可以“動手做”，克服了傳統實驗注入式教學的缺陷；VR的構想性，即感官刺激由計算機實時生成，環境僅受想象力的限制，克服了傳統實驗呆板的問題。從教學法層面看，VR 世界中探究性解決問題的優勢，除了安全、低成本，還體現在系統可以記錄探索過程，動態診斷學生的學習情況。

2.2 Krpano對實驗資源網絡共享的支撐

共享是實驗教學資源的一個核心屬性，信息共享是當下互聯網的特征。Krpano本質是瀏覽器插件，它提供的VR效果是基于瀏覽器的，而瀏覽器又是純網絡工具，只要能接入互聯網，就能通過網絡共享實驗資源，不需要額外設備。

2.3 Krpano對共享模式的支撐

Krpano技術就是web前端開發技術，是HTML5與js的集合，高校原有的技術隊伍稍微學習一下，就能掌握，可見Krpano對實驗人員是很友好的。相比傳統的數字化制作方法，比如制作成網頁、制作成PDF、制作成視頻，基于Krpano技術的制作只是稍微多一點工作量，比如原來要做成網頁，現在是做成有點特殊，帶有立體、虛擬效果的網頁，可見，Krpano對實驗建設的支撐也是很好的。在技術創新方面，Krpano把傳統的數字教學資源升級為虛擬場景的數字教學資源，應用了2016年以來出現的最新技術，吸取了現有VR技術和網絡技術的精華，是徹底的技術創新。

3基于Krpano的共享教學資源平臺建設

3.1平臺總體網絡結構

實驗教學資源平臺的構建和傳統的互聯網信息管理系統無異，學生仍使用互聯網或局域網訪問實驗教學資源，只是呈現設備從PC變成了VR設備，形式從屏幕平面升級為沉浸式立體。學生可不受時空限制的共享教學資源。每個高校在構建VR共享教學平臺時，除了建設軟資源，硬件只需購買一批可以插入手機的頭盔即可。平臺總體網絡結構如下圖1所示。

圖1：實驗教學平臺共享網絡圖

3.2建設流程

在建設流程上，與開發數字化實驗教學資源平臺原理類似，只是實驗內容由課件、動畫、視頻等變成Krpano文件夾，文件夾里面包含了教學資源信息、虛擬化信息、組織管理信息等，這些信息可以由Krpano的生成工具自動生成，實驗教師們不用關注詳細結構就可以完成實驗教學資源的開發。

3.3教學資源建設案例

為高校旅游專業開發一款景點介紹實驗教學課件。選取開發用計算機為安裝了win10旗艦版的64位筆記本，安裝krpano軟件包，形成一個Krpano的工作文件夾，里面有若干可執行程序，開發者不必打開這些可執行文件，這些可執行是在生成VR內容時被krpano的引擎自動調用。準備一些旅游圖像序列，賦予有順序的命名，例如a，b，c，d，放在一個文件夾里面，然后，把圖像序列選中，往Krpano工作文件夾里面的某個批處理文件拖拽，Krpano會自動生成全景圖。實驗教學資源以網頁形式在手機中打開，手機必須連上互聯網能訪問到服務器，手機插入VR頭盔，學員戴上頭盔，在沉浸場景中學習。學員通過頭部動作、可以360度瀏覽全景畫面，就能體驗到沉浸的虛擬現實效果。轉動頭部，可以看到畫面隨之轉動。如果有多個場景要切換，可以加入切換箭頭，學生轉動頭部，讓一個krapno自帶的小十字對準箭頭，小十字變成圓圈時，就可切換場景。要更進一步的增加功能，可以打開文件直接編輯，每一個教學資源的訪問入口都是一個index.html，編輯同目錄里面的XML文件，可以添加VR特效。比如希望場景切換時，需要從左到右類似翻頁的過渡特效，在XML文件中修改如下語句為：loadscene（scenename， null， MERGE， get（blendmodes[black-out].blend））；這是典型的腳本語法，對于任何一個有網頁開發能力的管理員都沒有處理難度。

4結語

頭盔沉浸式VR技術在高校實驗教學資源建設的應用是對于實驗資源建設、實驗資源共享的一種創新。它避免了平面式教育所導致的用戶專注度低、學習效率難以保障等一系列問題，讓用戶能擁有接受面對面教學的直觀體驗，加強了教學資源的生動性。該技術基于互聯網，克服了實訓基地、教室等時間和空間的限制，加強實驗資源的可用性、共享性，為高校學生開辟一個隨時隨地進行高效學習的途徑。

本文提出思路可豐富高校的實驗教學資源建設技術、推動教學創新，降低了信息化建設成本，增強了共享性，從而促進高校發展。

基金項目：受2017年四川大學實驗技術立項資助，項目編號20170008。

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