WebGL在線三維虛擬仿真實驗教學項目開發模式探索

韋維

[摘 要] 虛擬仿真實驗是利用現代數字媒體技術服務教學、提高教學效果的重要技術手段。采用網頁與網絡數字媒體技術的在線三維虛擬仿真實驗教學項目，能夠充分發揮移動數字媒體的便捷性、交互性和社交性等優勢，讓實驗教學共享化、開放化。WebGL是在線三維虛擬仿真實驗項目的核心技術，隨著近年來大量的JS三維交互引擎、在線制作平臺的出現，極大地降低了設計和開發難度，甚至可實現免編程的可視化交互設計，為虛擬仿真實驗項目的開發提供了豐富的技術工具。

[關鍵詞] WebGL;虛擬仿真;實驗教學;在線教學

[基金項目] 2019年度廣西藝術學院高等教育改革工程立項項目“虛擬仿真實驗在傳媒類專業課程教學中的應用研究”（2019JGY49）

[作者簡介] 韋 維（1981—），男（壯族），廣西柳州人，藝術學碩士，廣西藝術學院影視與傳媒學院廣告學系助理研究員，主要從事互動廣告、數字媒體技術研究。

[中圖分類號] C229.29 ? [文獻標識碼] A ? [文章編號] 1674-9324（2021）26-0108-04 ? [收稿日期] 2021-03-23

2017年以來，教育部大力推進虛擬仿真實驗室的建設，在中共中央辦公廳、國務院辦公廳印發的《加快推進教育現代化實施方案（2018-2022年）》文件中，要求加快推進智慧教育創新發展，開展國家虛擬仿真實驗教學項目等建設。2020年11月3日，教育部發表《新文科建設宣言》，提出要積極推動人工智能、大數據等現代信息技術與文科專業的深度融合，積極發展文科類新興專業，推動原有文科專業改造升級，實現文科與理工農醫的深度交叉融合，打造文科“金專”，不斷優化文科專業結構，引領和帶動文科專業建設整體水平的提升。2021年全國兩會前夕，民革中央向全國政協十三屆四次會議提交了《關于升級虛擬仿真實驗教學，更好服務創新型人才培養的提案》。因此，把虛擬仿真技術有效地融入教學活動，既符合國家堅定文化自信的發展策略，也是教育改革和創新的重要內容。

虛擬仿真實驗是指綜合各種數字多媒體、信息網絡、虛擬現實等當今各種先進的媒體技術來服務教學活動的一種教學實驗方式。2002年，美國新媒體聯盟（New Media Consortium，NMC）主導的“地平線研究項目”預測和描述了對教育教學產生重要影響的新興、主流和最有前景的教育信息化技術及其發展趨勢。其按年度、分系列發布的《國際教育信息化地平線報告》被視為教育信息化建設與發展的風向標，備受世界各國教育界的關注[1]。2016年前后，多個虛擬現實、增強現實設備投入商用，相關硬件設備及技術落地，虛擬現實技術所帶來的沉浸式體驗給虛擬仿真教學帶來了新的可能，也伴隨著虛擬現實技術的熱潮讓虛擬仿真實驗教育得到更多的重視和發展。

WebGL（Web Graphics Library）是網頁構建語言Html（HyperText Markup Language）相關技術體系中負責高性能圖形渲染的接口，為網頁提供直接調用顯卡（GPU）進行復雜圖形渲染的指令通道，從而提高網頁的圖形渲染效果和性能，是基于Html技術實現在線三維交互內容的核心技術。隨著具有較高兼容性的Html 5.0和WebGL 2.0的出現，以及移動媒體硬件性能的提高，以手機、平板為主的移動媒體也能夠進行一定的三維圖像渲染，給在線虛擬仿真實驗項目的設計和開發帶來了可能。

一、在線三維虛擬仿真技術的優點

虛擬仿真實驗能夠有效提高教學質量，要發揮好網絡信息技術、虛擬現實、混合現實、全景影像等新興媒體表現技術的優勢，通過立體視覺、三維空間、人機交互等方式，提供超越以往的沉浸式認知和學習體驗。沉浸式體驗的學習方式能夠讓教學內容從抽象的理論知識和課本中走出來，以具象、動態、多視角的方式與學生互動，從而提高學習效果。目前，常見的提高沉浸式體驗的單項技術有雙目視覺、全景視覺、三維渲染、三維交互、體感交互等。虛擬現實就是大量地綜合運用了這些技術，能夠帶來較完整和自然的沉浸式體驗。虛擬現實技術雖然比沉浸式體驗效果較好，但是發展到大眾實用階段還有一段距離，價格、軟件和硬件都有一定的要求和限制，通常只能在固定的場所使用。這導致其不適用于對內容分享和傳播有較高要求的領域，如新聞傳播、廣告活動等，也不適合一些需要通過線上分享形式傳播的虛擬仿真實驗項目。如果一條以新聞為內容的虛擬仿真作品在觀看時還需要佩戴沉重的虛擬現實眼鏡、下載安裝指定的應用程序才能看到，那么就很難讓這條新聞信息傳播到大眾當中。采用WebGL技術來創作和開發的在線三維虛擬仿真作品，可以像傳統的網絡頁面那樣，通過手機、平板電腦等移動設備方便快捷地分享給其他用戶。雖然WebGL目前的視覺表現力遠比不上原生的App或本地程序，但是其利于信息傳播的諸多特性非常適用于對畫面渲染質量要求不高的虛擬仿真實驗領域。其優點主要體現在以下幾個方面。

1.跨平臺、跨設備。Html5與WebGL都是構建網頁的技術標準，由于其相對以往標準具有更先進性和兼容性，受到各大平臺的支持，能夠順利在Windows、蘋果、Linux跨系統訪問，同時支持桌面電腦、手機、平板等多平臺訪問，既方便實驗項目的使用，也方便項目的設計和開發。

2.便于分享和傳播。使用WebGL設計與開發的虛擬仿真內容，在使用時不需要額外地安裝軟件，也不需要安裝復雜的硬件設備，直接打開網站頁面或者分享的鏈接即可使用。實驗參與者也可隨時分享給別人，二次分享傳播非常方便，也很容易地遷移到微信小程序、小游戲的分享平臺中，利用社交軟件進行傳播。

3.便于教學評估和評價。由于H5本身就是一種網頁設計語言，能夠發揮網站服務器的優勢，結合大數據分析平臺、人工智能等技術手段進行教學效果的評估和評價，虛擬仿真實驗不再是一個個彼此獨立的實驗單元，而是一個可以進行大規模并行實驗的“實驗云”。