基于VR技術實現“計算機網絡”課程的交互體驗式教學

張良 李娜 曾志峰 夏平

摘 要：“計算機網絡”是一門理論與實踐相結合的課程，但是由于實驗設備不足，傳統的教學方法無法在現有的條件下完成大規模網絡工程的實訓操作。文章介紹了基于VR技術的體驗式教學，使學生能夠在虛擬學習環境下完成“計算機網絡”實踐項目。在這種沉浸式學習過程中，學生可以提高學習興趣，同時加深對“計算機網絡”的理解和掌握。

關鍵詞：VR；計算機網絡；交互式體驗教學

虛擬現實（Virtual Reality，VR）是一種集三維跟蹤技術、模式識別、多媒體技術等多技術于一體的綜合技術。VR利用計算機生成一種逼真、可交互的虛擬三維環境，使得用戶借助頭盔、數據手套、操作桿、傳感器等專用設備便可獲得身臨其境的體驗。VR技術有3個最突出的特點：交互性、沉浸性和構想性[1]。

在教育領域，VR技術以其獨特的優勢，促使教育環境、教學過程、教學形式等要素及相互關系發生了重大變化。本文探討基于VR技術實現“計算機網絡”課程的交互體驗式教學，通過為學生構建逼真、生動、可交互的學習環境，激發學生的學習興趣，提高學生的動手能力，實現學生的高度參與，從而達到促進學生更好學習的目的。

目前“計算機網絡”教學面臨的挑戰主要有以下3個方面：首先，“計算機網絡”理論知識比較抽象晦澀[2]，因此亟需直觀的教學手段加深學生對理論知識的理解；其次，由于場地、經費等原因，大多數學校無法提供各種網絡實驗設備，導致部分實驗無法完成；最后，現有的實驗條件很難搭建大規模的企業級的網絡項目，學生只能通過視頻了解大型網絡項目的規劃和設計，導致學生缺乏處理實際項目的能力。

1 基于VR技術的虛擬學習平臺體系結構

為了改善“計算機網絡”課程教學現狀，本文提出利用VR技術構建虛擬交互式學習平臺，讓學生在沉浸式的學習過程中完成“計算機網絡”課程的學習。該學習平臺由應用層、匯聚層和數據層3部分組成（見圖1）。

1.1 應用層

應用層是虛擬學習平臺的客戶端[3]，通過基于VR技術構建的虛擬學習環境，借助于設備終端，學生可以實時地與學習環境中的虛擬元素交互。

本平臺的應用層主要包括基礎理論平臺、虛擬實訓平臺和素材管理平臺3部分：基礎理論平臺功能是幫助學生在虛擬的學習環境中直觀地學習“計算機網絡”各種交換和路由技術；虛擬實訓平臺可以搭建各種網絡實驗環境，在虛擬學習環境中讓學生進行實訓操作并跟蹤記錄實驗過程，給予學生個性化的評價；素材管理平臺主要是用來管理平臺涉及的網絡設備、實訓項目和知識庫的更新。

1.2 匯聚層

匯聚層主要是提供業務接口、用戶注冊管理以及實訓數據的反饋等服務。通過各種項目接口，支持相關網絡項目的接入；通過VR傳感接口，完成系統數據和VR系統的對接；并且在這一層提供平臺的目錄服務和實時數據處理等功能。

1.3 數據層

數據層提供數據的存儲和管理功能。基于VR虛擬學習平臺的數據包括用戶數據、實訓數據、知識庫數據、網絡設備數據以及學生操作實時追蹤數據等，所有數據的存儲和管理在這一層實現。

2 基于虛擬交互式學習平臺在“計算機網絡”教學中的應用

在基于VR技術的虛擬交互環境中，學生可以通過多層次、多角度地觀察網絡設備來了解它們的組成和工作原理，也可以重復地進行網絡測試和驗證，還可以組隊進行大規模網絡項目的實訓操作。此外，VR技術在“計算機網絡”交互式體驗式教學中的應用非常靈活，網絡模型、實驗參數、信息和交互模式的配置可以根據實際需要進行設計、擴展、補充或組合。

2.1 在網絡設備硬件教學中的應用

首先，在虛擬學習平臺的素材庫中可以添加各種網絡設備，這些設備的添加不需要增加學校的經濟成本。然后，在VR技術構建的虛擬學習環境中，學生通過佩戴智能眼鏡或頭盔，借助數據手套通過手勢對虛擬設備進行360°旋轉，觀看其物理結構。此外，各個網絡設備在虛擬學習平臺中都可以任意拆卸，學生可以充分了解內部結構；內置輔助性的文字信息和音頻信息，幫助學生了解器件的型號及作用。

2.2 在網絡理論教學中的應用

“計算機網絡”教學中，最難的是如何讓學生理解各種網絡協議和設備工作原理。借助于VR技術，學生可在虛擬交互體驗環境中搭建網絡拓撲，觀看數據在設備之間的傳輸過程，從而動態和直觀地理解每個網絡設備的工作過程。在觀看的過程中，可隨時暫停交互過程并抓取虛擬生成的3D數據包，查看各數據包內容。通過直觀生動的演示，使得原來生澀難懂的“計算機網絡”知識變得形象具體，既提高學生的學習興趣，也加深對了其對網絡基礎知識的理解。

2.3 在網絡實驗教學中的應用

在虛擬交互學習平臺中，學生可自行選取網絡工程項目庫中的某個實驗或項目，在內置虛擬機器人的幫助下完成操作培訓。虛擬培訓后，在虛擬環境中學生可獨立或者與同學組隊協作完成既定網絡工程項目的訓練。虛擬平臺將記錄學生活動的所有軌跡，并對任何學習或操作給予一定的評分[4]。虛擬平臺還會定期將學生的階段性表現在平臺進行展示，幫助學生分析學習中存在的問題并進行查漏補缺 。

此外，在虛擬學習平臺學生可以進行大規模企業級的網絡工程項目，以幫助學生積累實際項目經驗。根據實際的網絡工程項目案例，在虛擬平臺中構建網絡工程項目庫。通過智能穿戴設備，學生可選取相關項目案例，既可“融入”到項目建設的環境內，以“上帝視角”觀看虛擬網絡工人如何完成整個項目；也可以在內置虛擬機器人的帶領下，參觀學習網絡項目實施的各個階段，邊學習邊模擬操作。

3 結語

“計算機網絡”是一門理論和實踐相結合的課程，基于VR技術構建的虛擬交互式學習平臺使學生“身臨其境”，激發了學生的學習興趣，提高學生的動手能力，優化了“計算機網絡”的教學過程。未來，VR技術的互動式體驗教學將成為“計算機網絡”教學中重要的教學方式[5]。

[參考文獻]

[1]MANDAL S.Brief introduction of virtual reality & its challenges[J].International Journal of Scientific & Engineering Research，2013（4）：304-309.

[2]NADOLNY L，WOOLFREY J，PIERLOTT M，et al.Sci Ethics interactive：science and ethics learning in a virtual environment[J].Educational Technology Research and Development，2013（61）：979-999.

[3]SHIN D，BIOCCA F，CHOO H.Exploring the user experience of three-dimensional virtual learning environments[J].Behavior & Information Technology，2013（2）：203-214.

[4]LIU L.Design and analysis of online micro-course of garden architecture design based on CPC model[J].International Journal of Emerging Technologies in Learning，2017（7）：44.

[5]MAAJOON A，KIRTI K.Interactive E-learning through second life with blackboard technology[J].Procedia-Social and Behavioral Sciences，2015（176）：891-897.