基于WebVR的網絡教學

喬振華 黃志超

摘要：隨著虛擬仿真技術的不斷發展，Web VR技術以較強的沉浸感、良好的互動性、無須插件直接瀏覽等優勢在豐富教學手段上越來越發揮其強大的作用，尤其對傳統枯燥的網絡教學或者遠程教學，通過Web VR創造逼真的學習環境，不僅改變學生的學習方式，更能帶動學生學習的積極性，達到提高學習效率的目的。

關鍵詞：Web VR；虛擬仿真；網絡教學

中圖分類號：G424 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）09-0102-02

Abstract：With the continuous development of virtual simulation technology， Web VR technology plays a more and more powerful role in enriching teaching means with its advantages of strong immersion， good interaction and no need of plug-in direct browsing. Especially for traditional boring network teaching or distance teaching， it creates a lifelike learning environment through Web VR， not only does it change the learning style of students， but also stimulate the enthusiasm of students， and achieve the purpose of improving learning efficiency.

Key words：Web VR； Virtual simulation； Network teaching

隨著互聯網技術的飛快發展，加速了計算機網絡技術產品的更新迭代，如今，越來越多的新時代網絡技術產品成為傳統教學中不可或缺的輔助成分。虛擬現實技術作為一種仿真技術，以其強烈的逼真性、沉浸性，互動性，成為當下最熱門的一種新型教學手段[1]。眾所周知，培養專業知識扎實、并且具有高素質的人才，是高職高專教育的最基本的目的，然而，在高職高專教育中，更為重要的是在于對高技能型人才的培養，即要培養有真正實際操作能力的實用性技能人才[2]。動手能力的提高又在于教學過程中大量的實踐操作環節，傳統的教學方式往往由于缺少相應的設備、場地，或者實際操作過程中存在的不確定危險，都會給學生的實踐動手操作帶來一定程度上的困擾，從而無法保證能夠達到預期的教學效果[3]。

虛擬仿真技術就可以模擬真實世界的場景，為學生提供一個集視覺、聽覺、觸覺為一體的仿真環境。基于Web VR的網絡教學方法可以彌補傳統教學模式中存在的很多不足之處，尤其是在那些既耗時、耗錢、又耗力的實訓教學過程，只需要通過仿真技術，就可以輕松地為學生提供一個沉浸感極強的實踐場景和學習環境，通過交互技術、增強技術的應用，為學生營造一個如臨其境的真實場景，并以聽、視、觸、互動等多種體感方式，讓學生輕松的參與學習活動，從而激發學生學習的積極性，提高學生的學習質量和動手能力[1]。

1 Web VR的概念

Web VR即Web + VR，是一種在瀏覽器中渲染3D圖形的JavaScript API，也就是說，如果在3D網站的瀏覽器上進行點擊，就會進入一個3D空間[4]。

Web VR的實現，就是將我們對VR的體驗，移植到了瀏覽器上，從而可以通過使用瀏覽器，來達到體驗VR的一種全新方式。它以互聯網技術和虛擬現實技術作為基礎，并在三維圖形生成技術、計算機仿真學，多媒體傳感技術等基礎上，通過計算機網絡，實現對真實環境的全面仿真，給學生創造出如臨其境的體會，以此來達到一個更加直觀、形象的模擬實踐場景，帶動學生的學習積極性，提高學生的學習效率。

如今瀏覽器供應商正在開發并增強其瀏覽器，使其能夠使用VR技術。市面上已經出現了安卓版Chrome、火狐Nightly、三星互聯網、微軟Edge、Chromium、Servo和Oculus Carmel瀏覽器。我們可以通過電腦或手機，加上網絡連接就可以用VR頭顯來瀏覽VR網站。

2 Web VR開發方式

在Web上開發VR應用，有下面三種方式：

1）HTML5+ Java Script + WebGL + WebVR API

WebGL是一種跨平臺的網頁3D繪圖標準，用于基于OpenGL ES的底層3D圖形API，通過HTML 5畫布元素公開給ECMAScript，可以為HTML5 Canvas提供硬件3D加速渲染[5]。使用WebGL與WebVR API結合，在常規Web端三維應用的基礎上通過API與VR設備進行交互，進而得到對應的VR實現，把Web帶入3D的時代。

WebVR API目前可用于安裝了Firefox nightly的Oculus Rift、Chrome的實驗性版本和Samsung Gear VR的瀏覽器。

2）傳統引擎 + Emscripten

如今我們所看到的三維城市、虛擬校園等，都是通過傳統引擎如Unity 3D、虛幻引擎等開發出來的具有交互功能的三維虛擬場景，這些虛擬場景能夠帶給我們如臨其境般的體驗[6]。而作為一款編譯工具鏈——Emscripten，它能夠將C或C++編譯成JavaScript，并提供很多C或C++所使用的庫函數，當進行web編程的時候，就可以輕松地去使用這些庫。

因此，在這些傳統引擎開發的內容的基礎上，就可以使用Emscripten編譯工具，將C或C++代碼移植到Java Script版本中，進而實現Web端的VR[6]。

3）Mozilla的A-Frame方案

A-Frame是一個可以在HTML中創建三維場景的框架，通過定制HTML元素即可快速創建VR網頁。它構建在WebGL接口之上，內置了Three.js開發框架，采用ECS模式，即實體-組件-系統（Entity Component System， ECS），是三維游戲中常見且理想的設計模式[7]。A-Frame雖基于游戲領域經常使用的實體組件系統，但卻定位于Web開發，使用標記語言以及使用JavaScript語言來進行操作，最終達到在網頁中獲得三維虛擬現實體驗的設計目標。

3 Web VR在教學系統中的優勢

相對于傳統的教學模式，基于web VR的網絡教學帶來了全新的教學模式和教學理念，創新了教學方法以及實驗手段，變革學生的受教方式，它以計算機圖形學為基礎，利用相關的軟硬件設備，創造出一種逼真的現實世界，模仿特定的教學環境和實踐場景[8]，具有以下優勢：

1）使用的直接性

瀏覽器即可體驗，無須安裝。支持WebVR的瀏覽器，比如Chrome、火狐、Edge和三星網絡瀏覽器等，都是支持WebVR API參數的主流瀏覽器。在使用這些瀏覽器進行瀏覽時，如果瀏覽的內容是我們日常所看到的2D內容的時候，并不會產生什么不同的效果，但是如果瀏覽的內容是WebVR內容，這時，利用瀏覽器，我們就能夠輕松的和3D內容進行交互，比如通過對位置上的反應來響應你的移動操作。此時，在瀏覽器上還會出現相應的提示按鈕，比如“進入VR”的按鈕，來讓你選擇是否要進入VR模式，同時可以利用VR設備，如頭顯，將手機插入到頭顯中，來達到更加真實的沉浸感[9]。也就是說，當一個用戶從瀏覽2D網站跳到WebVR體驗中時，能夠達到無縫的銜接，很容易進入模擬場景，實現虛擬場景教學和學習。

2）模擬實驗教學場景

Web VR包含了計算機虛擬仿真技術，利用虛擬技術可以模擬出如物理、化學、生物等各種實驗室，這種模擬實驗室不僅可以節省真實實驗室昂貴的儀器設備的費用，而且實驗場景基本接近真實的實驗場景，學生可以在這樣的模擬環境中，進行學習和交流，同樣能夠達到相應的教學效果。利用虛擬現實技術建立起來的虛擬實驗室，無論是實驗設備，還是其他相關的實驗部件，全都是虛擬出來的，所以可以根據實際需要，隨時生成新的設備，確保模擬實驗室的先進性[10]。從而保證了教學內容的不斷更新，進而加速和鞏固學生學習知識的過程。

3）通過人機交互，避免真實操作帶來的危害

虛擬現實所具有的沉浸性和交互性，對學生的技能訓練有著非常重要的實際輔助作用。利用虛擬實驗室，學生可以通過操作虛擬實驗器材進行實驗，就可以不用親身接觸一些危險的環節，從而完成技能的實踐。比如，數控課是一門實踐性非常強的學科，在實踐操作過程中，可能會因為操作不當，或其他不可控因素，給學生帶來安全隱患。這種情況下，通過VR實現對數控加工的場景進行虛擬仿真，包括操作過程中，使用對金屬材料進行切割的刀具等各個模塊，通過鼠標操作和相應指令的輸入，就可以和仿真系統進行交互，從而使學生掌握數控知識和操作技能[3]。又如在做化學實驗時，可以避免危險化學品帶來的安全問題，同時也可以多次實驗，更深刻地、形象地理解科學原理。

4）跨平臺性

Web VR本身還具有一個非常強大的優勢，它具有能夠跨越網站、移動端和VR平臺來達到眾多用戶的能力，通過發布Web VR服務，并且這些WebVR服務是可以運行在任何瀏覽器上的，就能夠到達更多的用戶，包括幾乎每一種設備[9]。也就是說，通過Web VR 可以實現用戶之間的交互，讓VR中的用戶和VR外的用戶進行連接，從而很容易實現學生與學生之間的互動交流，激發學習熱情，提高學習效率。

4 總結

隨著教育形式的多樣化以及計算機技術在教育領域的深入應用，VR學習環境對傳統的教學方式和學習方式產生了深遠的影響。傳統教學模式通過簡單的圖片、聲音或者文字達到傳遞知識的目的，而VR可以通過一系列實時生成的模擬真實場景的信息，如聽覺、觸覺以及感知（未來還會增加嗅覺和味覺）等來創造學習場景，其最典型特點就是“如臨其境”，這也正好體現了教育原理中的“情景構建”意識，使“情景構建”生動化、形象化。將Web VR技術融入網絡教學的設計中，必將對傳統的教學方式和學習方式產生深遠的影響，創建更高效的教學環境，提高學習效率。

參考文獻：

[1] 魯徐.web VR在網絡教學中的應用[J] .中國商界，中國商界，2010（11）：394.

[2] 吳敏.計算機仿真技術在實踐教學中的作用[J].岳陽職業技術學院學報，2004，19（4）.

[3] 秦景良.虛擬仿真技術在大學物理實驗室教學中的應用[J].廣西民族大學學報，2011，17（3）.

[4] 湯兆平.基于虛擬現實技術的網絡動態課件設計與實現[J].科技管理研究所，2010（17）.

[5] Daniel A，Guttentag.Virtual reality：Applications and inplication for tourism[J].Tourism management，2010（1）

[6] 譚云蘭.基于web VR的井岡山虛擬旅游系統架構設計[J].井岡山大學學報，2012，3（6）.

[7] 王學璠.基于A-Frame的虛擬現實應用[J].計算機時代，2018（3）.

[8] 任藝.WEBVR和RIA技術在新媒體中的應用[J].硅谷，2013（2）.

[9] 陳偉娜.WebVR技術在短期商業會展中的應用研究[J].現代計算機（專業版），2017（21）.

[10] 林定.一種基于WebVR的網絡數據三維樹形可視化[J].系統仿真學報，2018（7）.

【通聯編輯：唐一東】