虛擬現實技術在計算機網絡教學中的應用研究

夏 燕

一、引言

光纖網絡、4G移動網絡的誕生，有效地提高了互聯網的應用領域，覆蓋了物流倉儲、政企辦公、金融證券、交通城管等多個方面，互聯網已經成為社會信息化、智能化和共享化的關鍵技術之一，也吸引了很多的高校開展計算機網絡課程。[1]計算機網絡教學需要組建一個功能完善、部署靈活的機房，購置網絡服務器、三層交換機、路由器以及管理軟件，然后利用這些軟硬件設備構成一個健全的網絡，實現信息通信服務。[2]但是，由于一些高校資金不足，教學設備購買不全，同時又需要為學生提供實踐鍛煉的機會，因此網絡教學面臨著許多問題。虛擬現實是一種可創建和體驗的仿真技術，其可以模擬真實的場景，實現多源信息融合，生成一個交互式的三維動態視景，可以使用戶沉浸到這個環境操作對象。虛擬現實技術為計算機網絡教學提供了一個實訓環境，能夠在虛擬的教學環境中構建網絡拓撲結構和部署軟硬件設備，觀察、瀏覽互聯網運行細節流程，同時可以遠程登錄學習，打破傳統教學模式，因此，研究虛擬現實技術在計算機網絡教學中的應用，具有重要的意義。[3]

二、虛擬現實關鍵技術

虛擬現實作為當前先進的多媒體計算機技術之一，其集成了很多的先進技術，比如機器學習、模式識別等，以便能夠幫助虛擬現實系統識別物體，構建一個輸入輸出交互系統，因此虛擬現實的關鍵技術包括跟蹤注冊技術、顯示技術、3D建模技術，如圖1所示。

圖1 虛擬現實關鍵技術

(一)跟蹤注冊技術

虛擬現實系統能夠將虛擬信息、真實環境信息進行集成和融合，實現虛實無縫疊加，因此基于跟蹤注冊技術可以增強物體融合的力度和效果。目前，跟蹤注冊采用的關鍵技術包括多種機器學習技術，比如BP神經網絡、支持向量機、遺傳算法等，這些算法可以準確地從復雜應用背景中識別輸入信息特征，將這些特征數據傳輸給系統交互模塊，觸發事件流之后就可以完成跟蹤注冊。[4]

(二)顯示技術

虛擬現實系統的顯示設備很多，包括頭盔顯示器和非頭盔設備。頭盔顯示器需要佩戴到觀察者頭部，能夠為用戶提供一個信息輸出、虛擬融合的鏡像。非頭盔設備包括3D眼鏡、裸眼3D顯示器等，能夠為用戶提供一個強大的操作處理系統，不需要佩戴頭盔即可瀏覽虛擬現實鏡像。

(三)3D建模技術

3D建模技術能夠對客觀世界中的事務進行建模，利用3dsmax、Maya、Sketch Up和Auto CAD等工具設計一個模型，以便能夠制作交換機、路由器、服務器、存儲器等，更好地模仿真實世界的實際物體，幫助虛擬現實系統實現3D建模。3D建模包括三維模型和動畫模型，三維模型屬于靜態的，動畫模型屬于動態的，適用于不同網絡教學場景，實現網絡數據傳輸和交換。[5]

三、基于虛擬現實技術的計算機網絡教學模式

(一)模式創新設計

基于虛擬現實技術的計算機網絡虛擬教學環境可以突破時空限制，用戶進入到虛擬教學系統之后，該系統就可以根據實際需求生成各類型網絡拓撲設備，為用戶提供一個娛樂性十足的學習環境，激發學生的創造力和學習積極性。虛擬現實計算機網絡教學系統核心功能包括GUI界面、渲染算法、應用邏輯組件、實例腳本和視頻渲染場景。[6]GUI交互界面能夠為學生和教師提供一個可視化的學習向導，學生可以通過該向導輸入很多的信息，這些信息包括各類型設備信息，比如服務器、路由器、交換機、終端電腦等，還可以利用虛擬學習環境實現TCP協議、IP協議、FTP協議等內容，更加形象地掌握各類型網絡協議實際執行情況，提高學生學習效率。應用邏輯組件作為一個服務器模型，其可以利用各類型的設備數據進行驅動，比如可以催化網絡設備操作部件，產生一個三層的設備信息模型，該模型能夠經過驅動之后形成一個良好的設備模型。[7]

虛擬現實網絡教學系統在執行時可以劃分三個層次，分別是用戶終端層、虛擬渲染層、后臺資源層，每一個層次之間都可以使用接口進行連接，接口可以實現用戶信息認證、組件模型傳輸、應用服務處理，系統需要將服務器和用戶邏輯業務隔離起來，這樣就可以保護每一層的資源是邏輯獨立的，能夠為網絡教學提供強大的支撐。虛擬現實網絡教學系統的主要功能包括以下幾個方面：

1.直播教學功能。虛擬現實網絡教學系統可以采用云計算、流媒體等功能，為學生提供一個直播課堂功能。直播教學能夠實現在線直播、在線點播、在線回訪等功能，滿足不同學生的實際學習需求。直播教學開展時，用戶還可以在嵌入的實時聊天系統內溝通、交流，建立一個興趣學習小組，相同興趣的學生可以加入到該小組，探討不同的學習問題，保證用戶的良好操作服務，保證業務的實時化管理。

2.課程設計功能。虛擬現實網絡教學系統可以構建一個仿真的學習、實踐環境，教師講授一段課程內容之后，可以布置實踐操作任務，學生登錄仿真實踐環境，可以根據任務需求設計圖紙，實現邊學邊練。該功能開發中采用了虛擬現實、3D建模、自然手勢識別等技術，可以提高虛擬教學系統的沉浸感和真實感，確保用戶操作的可靠性。虛擬現實能夠為用戶提供強大的操作支撐，為用戶提供有力的信息管理模式。[8]課程設計過程中，利用3D建模可以構建一個強大的操作服務功能，該功能能夠利用強大的操作管理內容，構建一個強大的操作支撐，利用3dsmax、Maya、Photoshop等集成化的軟件構建一個建模功能，實現信息的操作服務功能，利用骨骼、蒙皮構建動態的操作處理模式，保證業務的實時化開展，實現信息的加工和服務，進一步提高企業的良好處理能力。自然手勢識別可以利用數據處理、機器學習等功能，進一步管理企業的交互性、透視性和友好性，保證用戶操作的良好體驗，方便用戶交流使用。

3.學習中心管理功能。虛擬現實網絡教學系統擁有較多的用戶，同時也需要為課程提供一個服務中心，這樣就可以保存學生、課程、教師的基本信息，實現課程教學實時管理，能夠實現用戶并發接入系統、知識點點播、學生作品保存等功能。學習中心利用虛擬現實構建教學系統實現信息加工和服務，方便用戶接入到系統，實現一個強大的操作管理模式，利用先進的數據處理能夠進行知識點的點播，保證知識中心的數據處理功能，實現信息的加工和服務。學生作品創建過程中，人們可以根據實際的操作需求，通過先進的管理和具有實時化、沉浸感的操作，利用信息服務為用戶提供強大的支撐。

(二)應用效果分析

虛擬現實技術應用于計算機網絡教學之后，可以有效地提升互聯網教學成效，具體的應用效果包括以下幾個關鍵方面：

1.一對一教學提高教學專業化

虛擬現實技術應用于計算機網絡教學之后，計算機網絡專業的教師可以為每一個用戶分配一個賬號，同時在腳本實例中設計網絡組建、部署、運行案例，根據網絡教學案例的指導學習網絡知識，學生可以在教師教導、鞏固練習下，掌握互聯網的相關知識。因此，虛擬現實環境下的計算機網絡教學可以實現一對一授課、備課，能夠完善教學資源，保證學生學習網絡知識的積極性、主動性，能夠在教學中渲染網絡教學協議，因此更加專業。

2.進一步降低網絡設備購置費用

虛擬化的教學環境中，路由器、交換機、服務器、光纖等網絡設備均為3D模型，這些模型利用3dsmax、Maya等軟件編輯制作而成，不需要購買，學校只需要購置一套軟件即可滿足教學需求，同時這套軟件可以根據教學需求動態化地更新，實現最新的互聯網教學拓撲結構組建，配置最新的互聯網通信設備和協議，實現網絡架構的創新，具有重要的作用和意義。[9]

3.統一部署教學環境以提高系統維護效率

基于虛擬現實的網絡教學環境可以為用戶提供升級、維護的環境，這個環境不需要專業的管理員進行監管，系統運行過程中可以時刻統計和分析運行狀態，如果需要更新和維護，只需要向用戶推動最新的客戶端程序，無需逐臺測試就可以完成運行。[10]

4.寓教于樂以激發學生的積極性和主動性

基于虛擬現實的互聯網教學平臺可以模擬真實環境，向用戶展示軟硬件資源的協議運行情況，定制個性化的網絡教學需求，能夠創造性地展示可視化網絡通信狀態數據，滿足互聯網的操作需求，提高了互聯網教學的直觀性，寓教于樂，激發了學生的興趣。[11]

總之，計算機網絡教學是一個動態的、革新的培訓模式，可以為當前的政企單位提供實用型、創新型人才，進一步確保高效計算機網絡教學的質量。為了解決時空限制、教學成本等問題，利用虛擬現實技術開發的這一個計算機網絡教學系統，能夠為學生提供一個沉浸式的寓教于樂的學習環境，提高學生學習的積極性。