基于互聯(lián)網(wǎng)虛擬世界的虛擬課堂的構(gòu)建探析

摘要：虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）是一種先進(jìn)的計(jì)算多媒體處理技術(shù)，提供使用者對于視覺、嗅覺、聽覺等感官的模擬。虛擬課堂是一個(gè)利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建的沉浸式、仿真式的教學(xué)環(huán)境。OpenSim是一個(gè)開源的虛擬世界平臺(tái)，自帶三維建模系統(tǒng)，可提供了情景化的教學(xué)環(huán)境，教師可以借助其優(yōu)勢，構(gòu)建虛擬教學(xué)環(huán)境和虛擬實(shí)驗(yàn)室，達(dá)到師生間的良好互動(dòng)，促進(jìn)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí);虛擬課堂;OpenSim

中圖分類號(hào)：C642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2020）09-0218-06

1 引言

虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）是最近幾年在ICT業(yè)界出現(xiàn)頻率較高的詞語，他是許多學(xué)科交叉、融合的產(chǎn)物[1]，利用先進(jìn)的圖像處理和模式識(shí)別等技術(shù)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，已經(jīng)在醫(yī)學(xué)、軍事、建筑、娛樂等領(lǐng)域得到了較為廣泛的運(yùn)用。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)開展教育教學(xué)活動(dòng)，教師可以將晦澀難懂的教學(xué)內(nèi)容可視化、形象化、直觀化，學(xué)生在虛擬環(huán)境中做實(shí)驗(yàn)，可以身臨其境地感受事物變化，增強(qiáng)感知能力[2]。OpenSim的虛擬課堂可以模擬真實(shí)環(huán)境，師生可以通過控制人物，利用聊天模塊，語音模塊和表情動(dòng)作進(jìn)行交流。

2 虛擬世界平臺(tái)OpenSim

2.1 0penSim的簡介

OpenSim是一個(gè)開源三維多用戶虛擬平臺(tái)，并支持多個(gè)獨(dú)立的地區(qū)連接到一個(gè)單一的網(wǎng)絡(luò)中心，可以實(shí)現(xiàn)與SecondLife一樣的虛擬世界[3]。任何人都可以運(yùn)行自己的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器透過互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)系在一起。它也可以被用來建立一個(gè)私人的網(wǎng)絡(luò)，類似于一個(gè)私人的Intranet。目前，OpenSim已經(jīng)實(shí)現(xiàn)和sl的互通，國內(nèi)已經(jīng)出現(xiàn)以O(shè)penSim為核心架構(gòu)的3D社區(qū)，其中已經(jīng)開放的有蘭奇3D虛擬社區(qū)。OpenSim也支持部分林登腳本語言。

2.2 0penSim界面使用

2.2.1 語言交流模塊

語言交流模塊是OpenSim虛擬世界平臺(tái)中用戶交流的主要模塊。在OpenSim中有兩種語言交流形式，一種是公共信道（如圖1所示），在這種方式下，用戶所寫的每一句話都會(huì)被在這個(gè)附近的其他用戶所看到的，通過公共信道的交流聊天窗口，師生可以進(jìn)行同一區(qū)域內(nèi)的大討論，相互之間進(jìn)行交互。另一種是私有信道（如圖2所示），用戶只能與自己的好友交流，同時(shí)你的好友也必須在線，在這種方式下，你所寫的信息只能夠你們兩個(gè)人知道。在虛擬課堂的構(gòu)建中，交流模塊是必不可少的，教師和學(xué)生必須通過該模塊進(jìn)行文本交流，相互之間進(jìn)行交互。

2.2.2 物體建造模塊

物體建造模塊也就是OpenSim平臺(tái)自帶的建模T具，同時(shí)也是OpenSim中的重點(diǎn)模塊（如圖3所示）。為了方便用戶自由建設(shè)，該模塊系統(tǒng)給出了基本的建造模型，例如：正方體、圓柱體、球體、圓錐、四棱錐等等。并且可以通過設(shè)置物體中的相關(guān)參數(shù)達(dá)到創(chuàng)造各種物體形狀的目的，這極大地方便了建造虛擬世界的動(dòng)作。

建造模塊下屬的五個(gè)頁面為General（一般）、Object（物體）、Features（特性）、Texture（紋理）、Content（內(nèi)容）。其中Ob-ject頁和Texture頁是我們在建造的過程當(dāng)中最常用的兩個(gè)頁面。Object頁可以直接通過調(diào)整數(shù)據(jù)改變物體的位置、大小和旋轉(zhuǎn)角度等。Texture頁可以改變物體材質(zhì)、表面光澤度和表面光澤等。

2.2.3人物庫存模塊

人物庫存模塊（如圖4所示）里放著每個(gè)用戶在虛擬世界里的所有物品，相當(dāng)于每個(gè)用戶的倉庫，有了這個(gè)模塊我們就能方便存儲(chǔ)、查找和管理已建造的物品。當(dāng)然庫存模塊中除了存儲(chǔ)有建造好的作品外，還存儲(chǔ)著用戶所控制人物的裝飾、物體材質(zhì)、地理位置標(biāo)識(shí)等，用戶也可以編輯特有的人物姿勢和動(dòng)作，作為個(gè)人特色進(jìn)行保存。

2.2.4 語音聊天模塊

為了打破文字聊天的局限性，OpenSim平臺(tái)開發(fā)了語音聊天的模塊（如圖5所示），點(diǎn)擊語音交流模塊的按鈕，在打開的新頁面中輸入要語音聊天的對象，并且邀請對方和獲得對方的同意雙方才能進(jìn)行語音聊天。虛擬課堂的構(gòu)建中，語音模塊必不可少，在有些虛擬課堂和虛擬會(huì)議上，語音交流是首選的交互方式。

2.2.5 好友搜索模塊

在OpenSim虛擬世界中我們可以用好友搜索模塊（如圖6所示）來互相添加自己的好朋友為自己的好友，方便交流與文件的傳遞。當(dāng)我們在虛擬世界中知道了對方的賬號(hào)（一般登錄到OpenSim系統(tǒng)平臺(tái)的用戶的虛擬人物的頭頂上顯示著的內(nèi)容），并且相加對方為好友，那么就可以使用這個(gè)好友搜索模塊，十分方便，操作簡單。在構(gòu)建虛擬課堂的過程中師生相互之間互相加為好友，方便聯(lián)系和交流和管理。

2.2.6虛擬地圖模塊

在OpenSim虛擬世界中，用戶可以查看自己所在區(qū)域的虛擬地圖（如圖7所示），在這張?zhí)摂M地圖上我們可以知道自己虛擬人物的所在位置及整個(gè)區(qū)域的地圖，還可以選擇我們所要到達(dá)的目的地，單擊鼠標(biāo)左鍵即可，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)我們所要去的地方會(huì)出現(xiàn)一個(gè)紅色的柱子，這時(shí)我們有兩種方法可以選擇。一種是根據(jù)屏幕上出現(xiàn)的紅色箭頭的提示，步行到目的地。另一種方式是選擇瞬間移動(dòng)的辦法，選擇好目的地后，直接點(diǎn)擊虛擬地圖的右下角的“Telport”按鈕，就能瞬間移動(dòng)到目的地去，這是最簡單方便省事的辦法。當(dāng)然虛擬地圖上還有很多很實(shí)用的工具，例如：設(shè)置家的所在地、瞬間移動(dòng)回家、查看當(dāng)前所在區(qū)域的在線人數(shù)等。

2.2.7 時(shí)間設(shè)置模塊

由于OpenSim平臺(tái)是對現(xiàn)實(shí)世界的虛擬，因此就離不開時(shí)間觀念，在虛擬的世界中就有白天、黑夜、黃昏和早晨等。在客戶端我們可以看到系統(tǒng)為我們提供了默認(rèn)的四個(gè)時(shí)間段（如圖8所示）：Sunrise（早晨）、Midday（中午）、Sunset（黃昏）和Mid-night（午夜）。當(dāng)然我們可以用Environment Editor（環(huán)境編輯器）來編輯環(huán)境、天空和水等。通過時(shí)間模塊的設(shè)置增強(qiáng)虛擬世界的虛擬性，使用戶有一種置身于現(xiàn)實(shí)之中的感覺。

2.2.8 文件上傳模塊

OpenSim平臺(tái)允許用戶上傳一定格式的文件，允許的圖片格式有：.tag;.bmp;.jpg;.jpeg;.png等五種格式，聲音文件只能是：.wav格式，并且時(shí)間長度不能超過lOs。動(dòng)畫文件只支持.bvh格式的文件。如果想利用第三方建模工具建模后導(dǎo)入到OpenSim中，我們必須把我們的文件轉(zhuǎn)換為.dae格式的文件才能上傳。

2.3 0penSim人物角色技能應(yīng)用

2.3.1人物運(yùn)動(dòng)

OpenSim中的虛擬人物有以下三種運(yùn)動(dòng)方式：行走、奔跑和飛行。運(yùn)動(dòng)過程中用戶使用上、下、左、右方向鍵控制人物前進(jìn)后退和左右轉(zhuǎn)，在虛擬情景中隨意移動(dòng)，與其他3D游戲一樣，可以使用鍵盤上的“W”“A”“S”“D”來代替。快捷鍵“Ctrl”+“R”可以由行走切換至奔跑，按住“Shift”同時(shí)按下向左或向右鍵可以向左右平移。畫面底部的飛行按鈕“Fly”、鍵盤上的“F”或“Home”鍵，或者“Page Up”鍵可以操控虛擬人物飛行。升空后使用鍵盤上“Page Up”及“Page Down”鍵或“E”及“C”可上升與下降。停止飛行按“Stop Flying”鍵即可落回地面。此外OpenSim還提供了teleport（瞬間移動(dòng)）的功能，它可以使角色到達(dá)另外的虛擬情景中。

2.3.2 視角切換

在OpenSim中，用戶可以使用鼠標(biāo)控制虛擬人物的視角，用鼠標(biāo)按住化身背部并移動(dòng)鼠標(biāo)即可四周巡視。“Alt”+鼠標(biāo)左鍵點(diǎn)按住并移動(dòng)鼠標(biāo)，可縮放該物品視角，以及視角圍繞物品轉(zhuǎn)動(dòng)。“Ctrl”+“Alt”+“Shift”+鼠標(biāo)左鍵按住物品并移動(dòng)，可讓視角以該物品為準(zhǔn)平移。按下“Esc”鍵兩次可以重設(shè)視角。另外還可以切換為第一人稱視角。第一人稱視角（ Mouse look）即透過自己化身視野觀看世界，此時(shí)控制方式略有不同。按下“M”鍵即可切換第一人稱視角，而按下“Esc”鍵即關(guān)閉第一人稱視角模式。

在OpenSim客戶端的“View”菜單下，激活“Camera Con-trols”（攝像頭控制）和“Movement Controls”（移動(dòng)控制）會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)控件，我們也可以通過鼠標(biāo)點(diǎn)擊這兩個(gè)控件來控制虛擬人物的視角問題（如圖9所示）。

2.3.3 人物姿勢

在OpenSim中，當(dāng)用戶需要角色做某些動(dòng)作時(shí)，需選擇“Gesture”按鈕，所有的角色動(dòng)作全部都包含在其中。其中一些動(dòng)作適用于本設(shè)計(jì)的虛擬課堂教學(xué)，例如舉手動(dòng)作，可以通過舉手示意來回答教師提出的問題或向教師提出問題;點(diǎn)頭或鼓掌動(dòng)作，當(dāng)需要表示認(rèn)同或贊許時(shí)可以選擇點(diǎn)頭或鼓掌動(dòng)作。這些豐富的動(dòng)作功能使教學(xué)過程顯得生動(dòng)逼真，使教師能夠?qū)崟r(shí)地了解學(xué)生的聽課狀態(tài)。同時(shí)，OpenSim也為用戶提供了豐富的表情功能，如大笑、微笑、尷尬、哭泣等，這些功能同樣安排在“Gesture”按鈕選項(xiàng)當(dāng)中，增強(qiáng)了虛擬課堂交互功能。

2.3.4 外表創(chuàng)建

用戶在第一次進(jìn)入OpenSim虛擬世界時(shí)將自動(dòng)得到一個(gè)角色，在注冊時(shí)用戶為其命名，并根據(jù)自己的想法改變角色的外觀，如圖10所示。

如圖所示，OpenSim為用戶提供了關(guān)于人物造型的各種選項(xiàng)，分別為：body parts（ shape，skin，hair，eyes），clothes（shirtpants， shoes， jacket， gloves， undershirt. underpants， shirt）， body，head，eyes，ears，nose，mouth，chin，tattoo，Iegs.基本包括了角色的所有部分，用戶只需點(diǎn)擊需要改造的相應(yīng)部分，調(diào)整所給出的數(shù)據(jù)范圍，就可從圖中看到相應(yīng)的效果，得到滿意的角色形象。例如：用戶需要對角色的hair（頭發(fā)）樣式進(jìn)行設(shè)置，可點(diǎn)擊“hair”按鈕，出現(xiàn)頭發(fā)編輯界面，如圖II：

2.4 0penSim虛擬環(huán)境中教學(xué)特點(diǎn)

2.4.1 模擬真實(shí)的環(huán)境

情景認(rèn)知理論認(rèn)為知識(shí)必須在真實(shí)情景中呈現(xiàn)，才能激發(fā)學(xué)習(xí)者的認(rèn)知需要[4]。在虛擬環(huán)境中，與教學(xué)相關(guān)的場景將促進(jìn)知識(shí)的遷移和學(xué)習(xí)者對知識(shí)的自動(dòng)構(gòu)建。OpenSim提供了情景化的教學(xué)環(huán)境，為學(xué)習(xí)者提供與真實(shí)環(huán)境相類似的環(huán)境，讓學(xué)習(xí)者了解相關(guān)的背景，同時(shí)，通過逼真的場景、有趣的畫面、豐富的體驗(yàn)來更好地調(diào)動(dòng)和激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。據(jù)國外的研究表明，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣在虛擬環(huán)境中遠(yuǎn)高于真實(shí)環(huán)境，這更有利于增強(qiáng)學(xué)生的記憶效果[5]。

2.4.2 學(xué)習(xí)者有更大主動(dòng)權(quán)

虛擬環(huán)境有助于形成以學(xué)生為中心的學(xué)習(xí)環(huán)境和教學(xué)方式，符合建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論的要求[6]。在基于OpenSim的虛擬環(huán)境中，學(xué)習(xí)者通過虛擬化身進(jìn)行“面對面”的交流，不分年齡地獄種族，平等地學(xué)習(xí)同樣的內(nèi)容。在學(xué)習(xí)的過程中，他們不斷地協(xié)商和協(xié)作，積極參與學(xué)習(xí)活動(dòng)、探索解決問題的答案和建構(gòu)所學(xué)知識(shí)，在上課時(shí)候可以更積極的提問，而不用擔(dān)心影響到教師的教學(xué)過程，師生之間的交流更加方便自然。在這種情況下，學(xué)生就擁有了更大的主動(dòng)權(quán)，有些在現(xiàn)實(shí)中是難以實(shí)現(xiàn)的[7]。

2.4.3 打破時(shí)空的限制

在傳統(tǒng)的教學(xué)活動(dòng)中，老師和學(xué)生必須同時(shí)到達(dá)指定的地點(diǎn)開展教學(xué)活動(dòng)。但有時(shí)因?yàn)橐恍┮蛩氐挠绊懀荒苓_(dá)到這種要求，因此教學(xué)活動(dòng)就不得不停止。但是虛擬環(huán)境中的教學(xué)則可以打破這種限制，沖破時(shí)空的約束而展開。只要在有網(wǎng)絡(luò)的地方，任何學(xué)習(xí)者都可以通過網(wǎng)絡(luò)連接到服務(wù)器，通過客戶端登錄到虛擬課堂中，進(jìn)行虛擬環(huán)境下的遠(yuǎn)程教學(xué)，而不需要考慮教學(xué)的地點(diǎn)和相關(guān)的場所，更無須考慮天氣或其他因素[8]。

3 基于OpenSim的虛擬課堂的構(gòu)建

3.1 虛擬教室的建造

3.1.1 教學(xué)區(qū)

在教學(xué)區(qū)中，共創(chuàng)建8個(gè)教室，每個(gè)教室能容納一個(gè)教師與12個(gè)學(xué)生，教師可以與學(xué)生在其中進(jìn)行授課與學(xué)習(xí)。如圖12所示：

3.1.2 講座區(qū)

在虛擬課堂中創(chuàng)建一個(gè)講座區(qū)，用于進(jìn)行公開大型的講座。座位以階梯式呈現(xiàn)。如圖13所示：

3.1.3 交流休閑區(qū)

交流區(qū)為學(xué)習(xí)者提供自由交流的場所，將交流區(qū)以交流廣場的形式呈現(xiàn)。在廣場中有休閑座位，同時(shí)有一些軍事裝備如：軍用戰(zhàn)車、軍用飛機(jī)、軍用武器等供人們觀賞。如圖14所示：

3.1.4 計(jì)算機(jī)室

在虛擬計(jì)算機(jī)教室中模擬真實(shí)的計(jì)算機(jī)室情景，有虛擬的服務(wù)器，虛擬的電腦等，可以讓用戶在權(quán)限不受限制的時(shí)候進(jìn)行自由訪問。如圖15所示：

3.1.5 實(shí)驗(yàn)室

虛擬教室模擬的是生物實(shí)驗(yàn)室，其中有顯微鏡、離心機(jī)等，教師可以在這種虛擬環(huán)境下講授儀器的使用及理論課程。如圖16所示：

3.1.6 會(huì)議室

在虛擬的會(huì)議室中，可以組織討論、開會(huì)、培訓(xùn)等。教師和學(xué)生可以在里面進(jìn)行自由的交流。如圖17所示：

3.2 虛擬教室的PPT的展示功能的實(shí)現(xiàn)

在OpenSim當(dāng)中呈現(xiàn)圖像的方式是將圖片上傳到OpenSim內(nèi)部，然后以貼圖的方式貼在物體上面，從而呈現(xiàn)出圖像信息。由于在OpenSim中呈現(xiàn)的所有圖片，文字內(nèi)容都是從外部上傳的，比如說：要是有一個(gè)50頁的PPT，那么就要上傳50張圖片，并且由于OpenSim每次限定只能上傳一張圖片，因此就得上傳50次，過程是相當(dāng)?shù)穆闊Ａ硗猓蟼鞯絆penSim當(dāng)中的資源也不容易修改，要對一些內(nèi)容修改的話需要首先將其刪除，然后將修改后的源文件重新上傳。由于虛擬課堂中每次需要用到的教學(xué)內(nèi)容很多，因此此種方式不適合。需要與Moodle平臺(tái)進(jìn)行結(jié)合。

Moodle是一個(gè)制作網(wǎng)絡(luò)課程的軟件包，是一個(gè)自由的開源軟件，作為一個(gè)開源課程管理系統(tǒng)，已經(jīng)被世界各地教育丁作者為學(xué)生建立網(wǎng)上動(dòng)態(tài)網(wǎng)站的首選工具。為了正常運(yùn)行Moo-dle，它需要被安裝在Web服務(wù)器上[9]。我們可以在OpenSim服務(wù)器上搭建Moodle平臺(tái)，我們把在需要用到的教學(xué)資源上傳到Moodle平臺(tái)，然后在OpenSim中通過訪問Moodle平臺(tái)進(jìn)而訪問其中的資源[10]。

PPT展示功能實(shí)現(xiàn)的代碼如下：

pagedown0

{aII=IIGetInventoryNumber（INVENTORY_TEXTURE）;

name=IIGetObjectName0;

value++;

if（value>=total）

{value=0;）

IISetLinkTexture（LINK_SET， IIGetlnventoryName（INVENTO-RY_TEXTURE，value），5）;

IISetText（IIGetInventoryName（INVENTORY_TEXTURE， val-ue），<0.5，1.0，0.5>，1.0）;）

pageup0

f aII=IIGetInventorvNumber（INVENTORY_TEXTURE）;

name=IIGetObjectname0;

if（value>0）

{value--;}

else

{value=all-l;}

IISetLinkTexture（LINK_SET， IIGetInventoryName（INVENTO-RY_TEXTURE，value），5）;

IISetText（IIGetlnventoryName（INVENTORY_TEXTURE. val-ue），<0.5，1.0，0.5>，1.0）;）

default

{state_entry0

{pagedown0;

IISetTimerEvent（time）;}

touch_start（imeger total_number）

{lf（IIGetLinkName（IIDetectedLinkNumber（0》="pagedown”）

{pagedown0;）

else if（IIGetLinkName（IIDetectedLinkNumber（0》=”pageup”）

{pageup0;}）

timer0

{next0;}}

3.3 語音FreeSwitch模塊的搭建

FreeSwitch是一款開源的電話軟交換平臺(tái)，主要的開發(fā)語言是C語言。它有很強(qiáng)的可伸縮性一一從最簡單的軟電話到商業(yè)級(jí)的軟交換平臺(tái)幾乎無所不能。它支持SIP、Skype、H232IAX及Google Talk等通信協(xié)議。另外，它還支持很多高級(jí)的SIP特性，如presence、BLF、SLA以及TCP TLS和sRTP等。它可以作為純SBC使用，如作為T.38及其他點(diǎn)對點(diǎn)通信的代理等。也可以作為B2BUA連接其他開源的VoIP系統(tǒng)，如Open-PBX .Bayonne. YATE .Asterisk等[13]。同時(shí)它使用一種模塊化、可擴(kuò)展性的結(jié)構(gòu)，只有必需的功能和函數(shù)才會(huì)加入內(nèi)核中，從而保證了它能穩(wěn)定運(yùn)行。

在OpenSim中配置FreeSwitch模塊的過程如下：

FreeSwitch的修改：

（1） modules.conf.xml文件：

將：< ！--->

<！--—<

load module="mod siren">->

改為：

（2） xml_curl_conf_xml文件：

將里面的內(nèi)容替換為：

（3） vars.xml文件：

將：

改為：

OpenSim的修改：

（1） opensim.ini文件

將[FreeSwitchVoice]模塊修改為：

Enabled= true

LocaIServiceModule=OpenSim. Services. FreeswitchService.dII：FreeswitchService

FreeswitchServiceURL= http：//180.212.56.28：9000/fsapi

（2） standalonecommon.im文件

將[FreeSwitchService]模塊修改為：

ServerAddress= 180.212.56.28

Realm= 180.212.56.28

SIPProxy= 180.212.56.28：5060

DefaultTimeout= 5000

Context= default

UserName= freeswitch

Password= password

EchoServer= 180.212.56.28

EchoPort= 50505

AttemptSTUN= false

以上所有文件都修改后在重新啟動(dòng)服務(wù)器，登錄后就可以使用語音聊天了，此時(shí)語音聊天按鈕處于激活狀態(tài)如圖18所示：

4 結(jié)語

在傳統(tǒng)的教學(xué)當(dāng)中，教室是課堂的空間載體，課程的安排則是課堂的時(shí)間限制，教師在課堂中起著不可替代的作用，學(xué)生在教師的指導(dǎo)下完成課堂的學(xué)習(xí)，在這種模式下很難引起學(xué)生的興趣和求知欲，也不容易發(fā)揮學(xué)生的獨(dú)立性、主動(dòng)性和積極性。而基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的虛擬課堂則恰恰可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)教學(xué)模式的缺陷。

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【通聯(lián)編輯：王力】

基金項(xiàng)目：天津市哲學(xué)社會(huì)科學(xué)項(xiàng)目（HE3090）：“互聯(lián)網(wǎng)+”時(shí)代大學(xué)課堂教學(xué)模式改革研究——基于MOOC和翻轉(zhuǎn)課堂視角

作者簡介：王海霞（1987-），女，河北東光人，碩士，主要研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)應(yīng)用。