基于“互聯網+”的虛擬現實（VR）計算機輔助教學系統設計

劉澤宇　張思維　陸覲　萬航　王可拼　王亞莉

摘 要 目前主流的課件制作方式主要是幻燈片或者動畫，對于圖文信息呈現時直觀度有限。虛擬現實技術作為創建模擬環境的計算機系統，能夠給用戶身臨其境的沉浸式體驗。利用虛擬現實技術設計虛擬現實計算機輔助教學系統，教師使用系統設計制作課件，有效實現將學習內容以可感的方式呈現給學習者。其分為教師端和學生端。教師端主要功能為VR課件的制作和上傳。學生端能夠實現VR課件播放，教師端和學生端之間通過p2p聯機，構成線上VR交互式多媒體教室系統。

關鍵詞 虛擬現實 計算機輔助教學 課件制作系統 VR 教學系統

中圖分類號：G424 文獻標識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2019.06.062

Computer Aided Teaching System Design of

Virtual Reality （VR） Based on Internet +

LIU Zeyu， ZHANG Siwei， LU Jin， WAN Hang， WANG Kepin， WANG Yali

（Jiangsu Second Normal University， Modern Media Institute， Nanjing， Jiangsu 210013）

Abstract At present， the mainstream way of courseware production is mainly slide or animation， which has limited intuition when presenting graphic information. As a computer system for creating simulation environment， virtual reality technology can give users immersive experience. Using virtual reality technology to design virtual reality computer-aided instruction system， teachers use system design to make courseware， effectively realizing the presentation of learning content to learners in a sensible way. It can be divided into teacher-side and student-side. The main function of the teacher end is to make and upload VR courseware. Student side can play VR courseware， and the online VR interactive multimedia classroom system is composed of teacher side and student side through P2P.

Keywords Virtual Reality； CAI； courseware making system； VR； teaching system

1 系統概述

自2016年VR技術的普及以來，根據對VR在技術應用的領域分布的調查，可以發現教育在VR的應用中和娛樂比起來還有很大差距，VR教學應用的發展難度和技術瓶頸限制了VR教育的發展。為了解決這個問題，本項目組設計了一個基于互聯網的VR計算機輔助教學系統，其分為教師端和學生端。教師端集VR課件寫作系統、VR工具組件與課件云分享為一體，實現VR課件的制作和上傳。學生端集VR課件播放系統、課件云讀取系統及課件云評價系統為一體。本系統為教師提供了基于VR的課件寫作系統，其方便易上手程度甚至高于圖形界面。教師端和學生端之間可以通過p2p聯機，構成線上VR交互式多媒體教室系統，實現突破空間的VR情境教學。學生端也可以單獨對上傳到云上的VR課件進行下載使用，實現突破時間的VR情境教學。VR具有沉浸性、互動性、創造性等特點，是其他輔助教學模式無法比擬的。為教師構建虛擬現實計算機輔助教學系統，將助力更多VR課程的開發，為網絡交互課程帶來更好的用戶體驗。

2 系統設計

VR設備（以HTC Vive為例）感知用戶位置輸入、手柄按鍵輸入以及語音輸入。通過HMD反饋給用戶。系統軟件憑Unity物理引擎，以C#語言進行設計。通過VR設備，以教師客戶端為host，學生客戶端為client，實現P2P系統客戶端之間的聯機。另外架設服務器作為素材庫，以供用戶上傳和下載課件和模型。虛擬現實系統的模塊如圖1。

圖1 虛擬現實系統的模塊

2.1 教師端

2.1.1 VR工具組件

VR工具組件指為了幫助和支持課件的開發，提高課件的質量，使用VR交互界面制作課件素材的軟件內置組件。

模型制作工具：可以在虛擬空間中建立二維圖像或三維模型。包括基本圖形建造工具，變形工具，畫筆工具，顏色工具，雕刻工具，復制粘貼工具，焊接解綁工具。

場景制作工具：可以對當前虛擬場景進行編輯。包括地形雕刻工具，場景材質選擇工具，模型導入工具。Skybox工具。

2.1.2 VR課件寫作系統

VR課件寫作系統指為了免除教師學習程序設計語言而設計的使用VR交互界面的軟件內置組件。

素材導入模塊：該模塊可以導入外部準備的圖片、文字、音頻、視頻、模型等素材。也可以直接調用素材庫里的模型、動畫、場景等。

文字編輯模塊：該模塊可以在三維虛擬空間中建立立體文本框用于輸入文字并能進行屬性格式編輯，通過控制器上的觸摸板和虛擬鍵盤共同實現文字輸入。

動畫制作模塊：該模塊可以對導入素材的運動路徑和屬性變化進行錄制。通過時間軸和錄制按鈕。可以實現對整個場景一切運動和變化的記錄。速度編輯工具可以控制運動的速度。用戶可以決定在任何地方暫停、播放、快慢放和倒放。

對象關系模塊：該模塊可以規定導入素材的類與對象的關系，便于統一設置和管理。可以自己創建也可以直接套用預設。比如設為“背景”的對象就不收物理效果影響，而設為“物理”的對象就受設置的物理規則的影響。

互動模塊：該模塊可以決定用戶和素材間的互動模式，互動模式主要分為抓取互動，接觸互動，視線接觸互動和無互動。

抓取互動指動作在用戶抓取對象時發生。接觸互動指動作在用戶在虛擬空間中的碰撞箱與對象接觸時發生。視線接觸互動指動作在用戶在HMD中顯示圖像的中心視線與對象接觸時發生。無互動指對象和用戶間沒有互動關系。動作為音視頻的播放，動畫的播放，模型的顯現，文字的顯現，場景的切換等。

2.1.3 課件云分享

課件云分享指用戶在該系統中創建的一切素材，包括單個素材（如制作的模型和動畫等）或整個課件項目都可以上傳到云端素材庫進行分享。也可以從素材庫中下載任何共享的資源。

2.2 學生端

VR課件播放系統：該系統讓用戶可以加載教師制作的課件項目，并在此之中互動。VR課件錄制系統：該系統讓用戶可以錄制自己或其他用戶在此課件中的互動和交互。課件云下載：該功能讓學生可以從素材庫中下載教師上傳的課件項目。課件云評價：該功能讓學生可以對該課件進行評價，評價會顯示在課件下載頁中。

2.3 素材庫

素材庫是所能使用的素材的合集，用戶可以從中提取或上傳素材，分為線上素材庫和本地素材庫。本地素材庫中為系統預設的素材和用戶保存的素材以及用戶本地電腦中的素材。線上素材庫中為用戶上傳或我們官方更新的素材。素材庫的內容分類主要為課件、模型、場景、動畫、化學模擬、對象、函數、邏輯、工具，此分類方法按功能分類，當然，在用戶大量上傳課件和素材后，還可以通過大數據按學科、時間、領域、評價結果等分類。

2.4 線上VR多媒體教室系統

線上VR多媒體教室系統指通過互聯網p2p技術，以教師客戶端為host，學生客戶端為client進行聯機。一個host可以對應多個client，所以一個教師可以同時和多個學生進行互動，甚至如果有其他教師作為client加入，可以實現多個教師學生共同互動與在同一虛擬空間中的沉浸式教學。選用P2P而非c/s模式的原因是，p2p不需要另外建立服務器，簡便成本低，避免了與服務器之間連接不好導致的延遲等問題，并且可以在真實的教室環境中利用局域網快速聯機。所以說，本系統既可以實現教師與學生的教學發生在世界上任何有互聯網的地方，也可以放在傳統教室中應用。

VR設備自帶語音輸入系統，教師和學生可以在此用語音交流。教師在此可以給學生們演示講解課件，或讓學生與課件內容互動。教師也可以現場利用課件寫作工具和素材庫創建教學內容，或開放工具給學生們一起制作，進行啟發式教學。學生與教師互動的同時也可以與同學進行互動，并可以把課堂內容通過錄制系統錄制下來，進行回看和復習。

2.5 其他輸出形式

除了VR頭部顯示器輸出以外，本系統還可以采用傳統顯示器輸出和全息投影輸出兩種形式。在VR頭部顯示器輸出的同時，PC端的傳統顯示器可以展現VR顯示器的內容，讓旁觀者也能看見VR設備穿戴者的視角，除此之外，PC端可以通過鍵鼠操作進行一部分的設計、素材導入等操作，并和VR穿戴者進行一定的互動。對于在系統中用戶建立的模型和素材，本系統還添加了全息投影的輸出模式，建立的模型可以打包以obj格式導出，一方面便于素材格式的統一和素材庫的上傳，另一方面可以通過全息投影模式輸出，例如教師可應用360度全息顯示屏像技術在普通教學環境下向學生全景展示模型。

3 結語

基于“互聯網+”的 VR計算機輔助教學系統基于虛擬現實平臺、互聯網絡、計算機系統、Unity引擎、C#編程語言、數據庫等技術開發，設計符合教育學理論與規律，能夠實現VR平臺上的課件設計和線上教學及反饋。系統的使用可以簡化VR課件的制作難度，降低教師制作VR課件的技術門檻，擴大VR課件制作者的范圍，具有較大的市場價值和發展空間。

【課題項目】江蘇省大學生創新創業訓練省級重點項目《基于互聯網+的虛擬現實（VR）計算機輔助教學系統設計》（編號：201814436006Z）

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