基于虛擬現(xiàn)實的計算機(jī)輔助教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計

王美霞，王富榮

（江蘇航運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南通 226010）

0 引言

計算機(jī)輔助教學(xué)是教師在計算機(jī)技術(shù)的協(xié)助下，完成各類教學(xué)活動以及與學(xué)生進(jìn)行教學(xué)內(nèi)容的討論、課時安排、教學(xué)訓(xùn)練等，是通過對話的形式完成互動和交流的一種教學(xué)方式。自計算機(jī)輔助教學(xué)理論被提出后，隨著現(xiàn)代化科技的不斷進(jìn)步，計算機(jī)輔助教學(xué)也借助著各類多媒體計算機(jī)得以發(fā)展［1］。在教學(xué)模式上，計算機(jī)輔助教學(xué)對傳統(tǒng)教育形成了較大的沖擊力和挑戰(zhàn)，并逐漸成為創(chuàng)新教學(xué)模式當(dāng)中理論與實踐的重要來源，形成了一種全新的教學(xué)手段和方法［2］。

本文為了讓計算機(jī)輔助教學(xué)系統(tǒng)的內(nèi)容可以更加生動，提出了將虛擬現(xiàn)實技術(shù)與計算機(jī)輔助教學(xué)相融合的系統(tǒng)，從而通過直觀的表現(xiàn)形式提高教學(xué)質(zhì)量。通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)與計算機(jī)輔助教學(xué)的結(jié)合，進(jìn)一步發(fā)掘出基于虛擬現(xiàn)實的計算機(jī)輔助教學(xué)系統(tǒng)在教育學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用作用，打破時間與空間上的限制，為學(xué)生的教育提供更加廣闊的教學(xué)領(lǐng)域，并通過虛物實化與實物虛化的手段，為計算機(jī)輔助教學(xué)提供全新的教學(xué)形式。本文通過對基于虛擬現(xiàn)實的計算機(jī)輔助教學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計，將計算機(jī)輔助教學(xué)引入更高更遠(yuǎn)的發(fā)展平臺。

1 基于虛擬現(xiàn)實的計算機(jī)輔助教學(xué)系統(tǒng)硬件設(shè)計

在計算機(jī)輔助教學(xué)快速發(fā)展的過程中，由于受到了傳統(tǒng)計算機(jī)輔助教學(xué)系統(tǒng)在學(xué)習(xí)途徑及教學(xué)資源方面的限制，對于不同學(xué)習(xí)能力水平的學(xué)生而言，無法針對性地起到輔助作用，如何能夠通過不同的教學(xué)手段及適當(dāng)?shù)慕虒W(xué)模式輔助不同能力水平的學(xué)生進(jìn)行教學(xué)，成為計算機(jī)輔助教學(xué)系統(tǒng)又一更高的要求。計算機(jī)輔助教學(xué)系統(tǒng)使計算機(jī)輔助教學(xué)能夠更好地呈現(xiàn)，并更加智能化［3］。教育學(xué)領(lǐng)域的研究學(xué)者提出了更多的教學(xué)方法用于提升系統(tǒng)的性能。

本文選用KN-197ubuntu19.21型號的服務(wù)器設(shè)備為基于虛擬現(xiàn)實的計算機(jī)輔助教學(xué)系統(tǒng)運(yùn)行提供硬件環(huán)境，KN-197ubuntu19.21型號服務(wù)器的配置為雙核CPU，外設(shè)多個可擴(kuò)展處理器，內(nèi)存大小為2 GB，40 GB硬盤。表1為KN-197ubuntu19.21型號服務(wù)器的硬件環(huán)境配置。

表1 KN-197ubuntu19.21型號服務(wù)器的硬件環(huán)境配置

KN-197ubuntu19.21型號服務(wù)器擁有圖形處理及現(xiàn)場可編程邏輯門陣列兩個選項，具備適應(yīng)任何系統(tǒng)應(yīng)用程序的通用能力，為計算機(jī)輔助教學(xué)系統(tǒng)運(yùn)行提供良好平臺。利用該硬件設(shè)備中的雙核多路實現(xiàn)加速器、存儲設(shè)備及教學(xué)資源之間的平衡，在最大程度上提高系統(tǒng)應(yīng)用程序的性能。

基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)，選用主流市場中支持計算機(jī)輔助教學(xué)系統(tǒng)的VR眼鏡，包括支持PC端、Htc Vive，3Glasses以及Oculus的VR眼鏡，完成相應(yīng)的外部設(shè)備對接后，在計算機(jī)輔助教學(xué)課件中選擇與之相對應(yīng)的設(shè)備之間進(jìn)行虛擬現(xiàn)實功能連接，實現(xiàn)學(xué)生對教學(xué)課件的直觀感受［4］。此外，增加藍(lán)牙手柄、Touch手柄等其他外設(shè)裝置的配合使用，方便學(xué)生及相關(guān)人員通過系統(tǒng)中的交互功能對計算機(jī)輔助教學(xué)中的資源進(jìn)行操作和管理。

在虛擬教室中，學(xué)生與老師的雙向交流是教學(xué)系統(tǒng)重點(diǎn)設(shè)計的部分，老師圖文并茂的講解可以有針對性地釋疑知識點(diǎn)，而更重要的是學(xué)生的反饋，包括語音反饋、表情反饋和動作反饋。老師向?qū)W生端的信息傳遞采用VR眼鏡的音視頻功能，其中聲音采用立體聲現(xiàn)場還原技術(shù)，四路擴(kuò)音器分置于VR眼鏡的兩側(cè)，通過共形設(shè)計集成在VR眼鏡的耳部支架中，考慮到虛擬教室的輔助教育功能，在設(shè)計中將擴(kuò)音器的低音部分做了加強(qiáng)，實現(xiàn)更貼近于真實環(huán)境的聲音效果；視頻展示部分設(shè)計了兩路“菲斯”棱鏡光學(xué)折射模塊，利用光學(xué)材質(zhì)間不同的折射率實現(xiàn)狹小空間的光路折疊，其優(yōu)點(diǎn)是可以在近160°的視場內(nèi)實現(xiàn)特寫景物和背景的顯示融合，以便為學(xué)生帶來更接近于真實教室的虛擬體驗。學(xué)生向教師端的反饋信息通過語音采集、表情采集和動作采集3部分構(gòu)成。

語音采集較為簡單，利用成熟的語音識別模塊配以嵌入的語義解析軟件完成，語音采集與傳輸模塊同樣以共形設(shè)計集成于VR眼鏡的耳麥中。學(xué)生語音的傳輸與視頻數(shù)據(jù)共用傳輸通道，分頻復(fù)用。表情采集與動作采集是系統(tǒng)設(shè)計的難點(diǎn)和重點(diǎn)，其目標(biāo)是實現(xiàn)對學(xué)生面部微表情和肢體動作的識別。表情采集以兩路微攝像頭集成于VR眼鏡上，其視軸中心分別對準(zhǔn)學(xué)生的眼睛，實時采集學(xué)生的眉部、眼瞼、眼角和顴骨的微表情變化，提取特征值與嵌入到VR眼鏡中的情緒處理器對比，判斷出高興、疑惑、思索、茫然等表情，進(jìn)而判斷學(xué)生此時對知識的接收是否存在不理解的情況。

基于控制成本考慮，系統(tǒng)設(shè)計的微視頻傳感器采用可見光波段工作，后續(xù)升級版本擬采用中波紅外波段工作，實現(xiàn)對皮下血液流量、流速的采集，將可以識別和判斷更多的情緒，在虛擬顯示中實現(xiàn)情緒維度的突破。動作采集設(shè)備采用4K高清攝像機(jī)索尼FDRAX60，其特點(diǎn)是像素高，3/4視場內(nèi)畸變失真小，可滿足對室內(nèi)人體部位的有效識別。動作采集設(shè)備放置于學(xué)生正前方五米偏上位置，以微俯視角度實時監(jiān)視學(xué)生肢體的動作變化，重要節(jié)點(diǎn)為頭、頸、胸、雙手、小臂、上臂、肩、胯、大腿、膝蓋、小腿幾個部位。在虛擬教室使用前，需調(diào)試動作采集設(shè)備的攝像頭，將視場中心對準(zhǔn)學(xué)生的人體中心位置，保證學(xué)生的身體全部在視場的3/4視場內(nèi)。為方便虛擬教室的布設(shè)，動作采集設(shè)備的攝像頭放置于可兩維運(yùn)動的轉(zhuǎn)塔上，通過人像識別自動抓捕學(xué)生，實現(xiàn)自動化布設(shè)，提高使用的便捷性。升級版本系統(tǒng)可采用左右兩路動作采集設(shè)備，實現(xiàn)對身體側(cè)部動作的拾取，實現(xiàn)立體圖像采集。數(shù)據(jù)傳輸采用千兆專用網(wǎng)，實現(xiàn)高清視頻流和多路語音的雙向傳輸帶寬需求。

2 基于虛擬現(xiàn)實的計算機(jī)輔助教學(xué)系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 基于虛擬現(xiàn)實的計算機(jī)輔助教學(xué)展示

基于虛擬現(xiàn)實的計算機(jī)輔助教學(xué)展示，分為物件、規(guī)則、操控、外設(shè)等，物件展示包括對計算機(jī)輔助教學(xué)物件資源的解析，將各類教學(xué)所需的虛擬模型及場景資源解析后，在系統(tǒng)中顯示，屬于系統(tǒng)中最基礎(chǔ)的展示［5］。規(guī)則展示是將通信規(guī)則與教學(xué)資源調(diào)試，為計算機(jī)輔助教學(xué)提供最基礎(chǔ)的功能服務(wù)［6］。操作展示包括對虛擬物件的擺放以及基礎(chǔ)的漫游功能，這一部分內(nèi)容主要應(yīng)用于用戶體驗層。外設(shè)展示是整個計算機(jī)輔助教學(xué)系統(tǒng)中支持虛擬現(xiàn)實與現(xiàn)實交互的重要組成部分，方便交互外設(shè)的使用。

增加教學(xué)展示大廳為用戶提供更加直觀的方式，可以選擇針對不同學(xué)習(xí)能力水平學(xué)生的課件，同時學(xué)生也可以通過系統(tǒng)教學(xué)展示大廳自主管理課件。圖1為教學(xué)展示大廳的主要功能層次。

圖1 教學(xué)展示大廳主要功能層次

可以看出，教學(xué)展示大廳主要是由教學(xué)課件、用戶信息、學(xué)習(xí)成果以及公告欄4個模塊組成。教學(xué)課件模塊用于展示部分優(yōu)秀教學(xué)課件資源，方便用戶直接進(jìn)行觀看或?qū)①Y源下載并編輯［7］。用戶還可通過分類查找教學(xué)課件的形式在海量資源中搜尋優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源直接完成教學(xué)。在用戶信息模塊中可以使用本系統(tǒng)的用戶基本信息，例如用戶名稱、用戶頭像等，用戶擁有對個人用戶信息進(jìn)行修改的權(quán)限，同時，該模塊方便后期管理人員對用戶權(quán)限的管理。學(xué)習(xí)成果展示模塊主要用于展示用戶自行下載或編輯的教學(xué)課件的學(xué)習(xí)成果，可以通過不同的方法展示，例如沙盤模式、普通編輯模式等，用戶可以在系統(tǒng)中通過列表查詢不同學(xué)生的學(xué)習(xí)成果，找到自己的學(xué)習(xí)成果或?qū)W(xué)習(xí)成果進(jìn)行分類［8］。公告欄模塊用于為用戶推薦優(yōu)質(zhì)的學(xué)習(xí)成果展示或教學(xué)資源分享，公告欄中的具體內(nèi)容應(yīng)根據(jù)不同運(yùn)營商定制化展示。

2.2 學(xué)生學(xué)習(xí)行為評價

利用BP（Back Propagation）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，對計算機(jī)輔助教學(xué)系統(tǒng)中選擇輸出數(shù)據(jù)信息的誤差、輸出前各個模塊中導(dǎo)致其產(chǎn)生誤差的因素進(jìn)行評估，再計算該誤差對前一誤差的影響進(jìn)行評估，通過不斷反復(fù)，完成對計算機(jī)輔助教學(xué)中各個階段的教學(xué)資源劃分精準(zhǔn)程度計算。在BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中對計算機(jī)輔助教學(xué)資源的交互渠道進(jìn)行創(chuàng)建，主要輸入包括影響劃分精準(zhǔn)程度的因素，再將影響因素通過相應(yīng)手段過渡到中間層當(dāng)中［9］。通過數(shù)字資源信息處理核心對傳遞過程中的相關(guān)信息進(jìn)行處理，并將結(jié)果傳輸?shù)捷敵鰧赢?dāng)中。圖2為學(xué)生學(xué)習(xí)行為評價流程。

圖2 學(xué)生學(xué)習(xí)行為評價流程

根據(jù)計算機(jī)輔助教學(xué)資源劃分精準(zhǔn)程度提升影響因素，提出3種不同類型教學(xué)，不同學(xué)習(xí)能力水平的學(xué)生對相同類型題目的正確率計算公式為：

公式（1）中，P1表示視覺型中不同學(xué)習(xí)能力水平學(xué)生對相同類型題目的正確率；k1表示視覺型類型中學(xué)生個數(shù)；k2表示視覺型學(xué)生中答對題目的人數(shù)總和。

公式（2）中，P2表示聽覺型中不同學(xué)習(xí)能力水平學(xué)生對相同類型題目的正確率；k3表示聽覺型中學(xué)生個數(shù)；k4表示聽覺型學(xué)生中答對題目的人數(shù)總和。

公式（3）中，P3表示讀寫型中不同學(xué)習(xí)能力水平學(xué)生對相同類型題目的正確率；k5表示讀寫型中學(xué)生個數(shù)；k6表示讀寫型學(xué)生中答對題目的人數(shù)總和。

劃分視覺型、聽覺型和讀寫型的學(xué)生，與之相對應(yīng)的為視覺型、聽覺型和讀寫型的計算機(jī)輔助教學(xué)資源，因此輸出層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中神經(jīng)元的數(shù)量為3個，用Q=｛q1，q2，q3｝表示，其中q1表示視覺型準(zhǔn)確率；q2表示聽覺型準(zhǔn)確率；q3表示讀寫型準(zhǔn)確率。在BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，隱含層中的神經(jīng)元數(shù)量對計算機(jī)輔助教學(xué)系統(tǒng)本身的性能有著直接的影響，因此還需明確對隱含層中的數(shù)目信息計算公式：

公式（4）中，Xa表示BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)隱含層中數(shù)量；a表示輸入層中單元數(shù)量；b表示輸出層中單元數(shù)量。根據(jù)上述公式計算出相應(yīng)的計算機(jī)輔助教學(xué)系統(tǒng)中各項教學(xué)資源的劃分精準(zhǔn)度，從而通過結(jié)果輸出的模式轉(zhuǎn)換形式，得出評價結(jié)果［10］。同時，教師也可通過結(jié)果對不同類型、不同學(xué)習(xí)能力水平的學(xué)生提供合理的學(xué)習(xí)建議，形成良好的教學(xué)回路。

3 實驗

基于虛擬現(xiàn)實的計算機(jī)輔助教學(xué)系統(tǒng)的實驗，主要是仿照系統(tǒng)在用戶使用過程中，通過相應(yīng)實驗結(jié)果數(shù)據(jù)對該系統(tǒng)性能進(jìn)行分析。

3.1 實驗準(zhǔn)備

首先，利用仿真實驗軟件創(chuàng)建本文計算機(jī)輔助教學(xué)系統(tǒng)與傳統(tǒng)系統(tǒng)的仿真運(yùn)行環(huán)境，根據(jù)計算機(jī)輔助教學(xué)系統(tǒng)的功能創(chuàng)建測試仿真用例，逐漸檢查系統(tǒng)與用戶功能要求是否符合實現(xiàn)假設(shè)。為保證仿真實驗結(jié)果的可靠性，創(chuàng)建系統(tǒng)錯誤數(shù)據(jù)及有效數(shù)據(jù)共600例，其中錯誤數(shù)據(jù)300例，有效數(shù)據(jù)300例。通過實驗判斷系統(tǒng)是否可以正確執(zhí)行。其次，在實驗過程中對不同學(xué)習(xí)風(fēng)格、學(xué)生能力水平等影響實驗結(jié)果的因素進(jìn)行統(tǒng)一設(shè)定。將上述實驗數(shù)據(jù)分別引入本文計算機(jī)輔助教學(xué)系統(tǒng)和傳統(tǒng)計算機(jī)輔助教學(xué)系統(tǒng)當(dāng)中，設(shè)置本文系統(tǒng)為實驗組，傳統(tǒng)系統(tǒng)為對照組。

3.2 實驗結(jié)果及分析

根據(jù)上述實驗準(zhǔn)備完成仿真實驗，并將實驗結(jié)果中的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行記錄，繪制成如表2所示的實驗組與對照組實驗結(jié)果對比。

表2 實驗組與對照組實驗結(jié)果對比

根據(jù)表2中的實驗結(jié)果數(shù)據(jù)可以看出，實驗組的教學(xué)資源分配正確數(shù)量明顯高于對照組的教學(xué)資源分配正確數(shù)量。因此通過仿真實驗進(jìn)一步證明本文提出的基于虛擬現(xiàn)實的計算機(jī)輔助教學(xué)系統(tǒng)與傳統(tǒng)系統(tǒng)相比，有效提高了對不同學(xué)習(xí)能力水平的學(xué)生教學(xué)資源分配的正確率，針對性更強(qiáng)，因此本文系統(tǒng)更適用于實際計算機(jī)輔助教學(xué)。

4 結(jié)語

本文通過對基于虛擬現(xiàn)實的計算機(jī)輔助教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計，有效改善了傳統(tǒng)系統(tǒng)中的師生交流平臺及學(xué)生學(xué)習(xí)平臺，并將相關(guān)移動設(shè)施、虛擬現(xiàn)實技術(shù)引入到該系統(tǒng)當(dāng)中，實現(xiàn)了對計算機(jī)輔助教學(xué)的交流立體化和學(xué)習(xí)智能化，有針對性地對不同學(xué)習(xí)能力的學(xué)生提供符合其自身需要的教學(xué)資源，增加教學(xué)資源的利用率，并更好地為師生提供服務(wù)。