多人網絡虛擬現實兒童科普系統的設計研究

仲于姍

(大連東軟信息學院，遼寧 大連 116023)

0 引 言

隨著中國科學技術的快速發展，高新技術產品逐漸滲透到人們日常生活，使人們的生活越來越智能化，提升了人們的生活質量。在近年來發展快速的高新技術中，虛擬現實技術是一種集三維圖形生成技術、多傳感交互技術、計算機并行處理技術等高新技術于一體的綜合科學技術，憑借良好的沉浸性、交互性、構想性、多感知性等特點，受到眾多研究者的青睞，并廣泛應用于教育、醫學、軍事、娛樂等眾多領域。

在教育領域，基于虛擬現實技術的教育系統是指通過三維建模技術和編程技術構建虛擬的教學場景，并根據教學情境編寫程序，在虛擬場景中設計多種邏輯觸發事件，從而完成教學互動、教學任務、教學測評，達到教學目標的教學輔助系統。用戶可以通過VR硬件交互設備參與虛擬現實教學，與虛擬場景中的道具互動，從多維度獲取所學知識。由于傳統單機虛擬現實教育輔助系統不能滿足多學生用戶的需求，因此基于計算機網絡技術的多人網絡交互式虛擬現實教育輔助系統應運而生，實現了線上多人VR教學的效果。

該文設計了多人網絡虛擬現實兒童科普系統，將多人網絡聯機技術、虛擬現實技術與兒童科普教育結合起來，既可以突破時間與空間的限制, 塑造現實中無法實現或展示的科普場景,創造一種良好的虛擬學習空間，又可以提供多人互動的沉浸式體驗，啟發兒童想象力與創造力，化被動學習為主動探索。在兒童科普系統的設計中，主要采用了模塊化的結構進行整體設計，主要包括網絡聯機模塊、場景加載模塊、知識講解模塊、VR交互模塊、答題模塊等。多種模塊靈活構建，既有利于系統的快速搭建，也有利于系統在其他領域的推廣。

1 虛擬現實兒童科普系統設計

(1)教室場地的設計。

多人網絡虛擬現實兒童科普系統需要部署在一個既可以用于虛擬現實應用開發，又可以進行兒童科普教學的教室中。該教室既需要擁有高性能計算機，工作站和多套HTC VIVE虛擬現實應用開發設備，又需要實現設備間的網絡連接，信息傳輸。教室中的桌椅位置盡量保持固定，與虛擬現實場景中的VR教室桌椅位置保持一致，計算機和VR硬件設備固定在桌椅旁，方便用戶的使用。根據場地的大小，在實驗室的墻上安裝多個VR定位器，提供了360°移動追蹤，實現多臺VR設備的空間定位。通過以上軟硬件的調試部署，為用戶提供一個良好的多人網絡交互式虛擬現實教室。

(2)兒童科普內容的設計。

科普教育是兒童成長階段必不可少的一種教育活動，通過普及基礎科學知識，能夠幫助兒童了解人類的科技發展水平，了解人類與人類社會，了解自然與宇宙，也有助于培養兒童的聯想思維，提升兒童的環保意識、探索意識、創新意識以及自主學習能力與實踐動手能力。結合虛擬現實特性，本系統主要針對一些由于物理限制無法實現、由于成本限制無法人人體驗的，由于效率限制而無法快速便利，由于安全限制而不便體驗的，由于時間空間限制而不可能體驗的科普內容進行虛擬現實教學設計，主要分為三個方向：自然科普、安全教育科普以及紅色教育科普。

(3)系統模塊化設計。

根據多人網絡虛擬現實兒童科普系統中的主要功能，設計系統整體模塊化結構。模塊包括網絡聯機模塊和虛擬現實科普教育業務控制模塊，其中網絡聯機模塊主要負責服務器，VR教師機，VR學生機之間的網絡信息傳遞。虛擬現實科普教育業務控制模塊分為場景加載模塊、知識講解模塊、VR交互模塊、答題模塊四個子模塊，主要負責VR科普課程的教育教學實施。系統搭建時可以先完成網絡聯機模塊的功能，然后根據兒童科普教學內容，按照課時撰寫教學大綱和虛擬現實教學腳本，系統的設計者和開發者根據教學腳本中的要求，制作虛擬現實兒童科普課程系統，實現虛擬現實科普教育業務控制模塊中的功能。基于多人網絡虛擬現實技術的兒童科普系統采用模塊化的設計結構，如圖1所示。

圖1 系統總體模塊化結構

1.1 網絡聯機模塊的設計

虛擬現實兒童科普系統基于計算機網絡技術將服務器與多臺連接HTC VIVE設備的計算機連接起來，形成一個可以相互通信的局域網，如圖2所示。在服務器上部署多人聯機兒童科普系統的服務，在連接了HTC VIVE設備的計算機上部署多人聯機兒童科普系統的客戶端應用，并在需要安裝客戶端的計算機中選取一臺作為教師機，安裝教師客戶端，其余的計算機安裝學生客戶端。學生和教師在客戶端登錄后，可以一起進入虛擬現實場景，并實現VR教師機和多臺VR學生機之間的網絡信息傳遞。

圖2 網絡結構

系統采用C/S的架構模式，適用于一個小型的網速較快的局域網內。系統大部分的數據和計算工作都放在服務器中執行，主要提供信息的傳輸，用戶管理以及同步控制等功能。系統啟動后，當有客戶端成功連到服務端時，服務器按照用戶的機器編號進行角色標識。多個學生和教師同時操作后，服務器根據客戶端傳來的數據同步更新碰撞、學生和教師位置信息，再將同步后的信息分別發送到每個客戶端，最終實現在虛擬場景的多人同步交互學習科普知識的效果。客戶端采用Unity游戲引擎開發，主要負責虛擬場景的顯示、與服務器數據傳輸以及同其他用戶交流等工作。客戶端分為教師端和學生端兩種類型，教師端通過VR教師機發出指令，傳達給VR學生機并控制整體的VR教學進度。學生端通過VR學生機將VR科普教學中的各種交互信息傳遞給服務器，反饋給VR教師機和其他VR學生機。在網絡聯機模塊中，實時傳遞和處理各臺VR設備反饋信息，同步多人VR空間位置，是實現多人網絡虛擬現實角色同步的關鍵，以上的C/S局域網的設計既可以適用于現實空間內多名兒童VR科普教育，又可以應用在多人協作虛擬仿真實驗中。

1.2 虛擬現實科普教育業務控制模塊的設計

1.2.1 場景加載模塊

虛擬現實科普教育系統中的VR場景，需要設計者和開發者根據教學內容采用三維建模軟件，如3dMax、Maya、C4D等，進行三維科普場景的制作，然后將三維場景模型導入游戲引擎，如Unity或UE4，在游戲引擎中編寫邏輯程序，實現多個場景的跳轉加載功能。主要步驟如下：

(1)場景模型的創建。

系統中主要有兩種類型的VR場景，一類是當教師和學生登錄多人網絡虛擬現實兒童科普系統后，首先進入的一個與現實教室桌椅位置相同的VR虛擬現實場景。這個場景是通過測量真實的教室，并使用三維建模軟件，如基于3dMax、C4D、Maya等，等比例制作VR教室場景，學生和教師進入這個場景后，可以看到彼此的虛擬角色，教師可以在這個場景中檢測并調整學生的VR設備，介紹課程和學習目標，等待學生課前準備完畢后，一起加載進入VR科普教學場景。第二類是根據教學內容，設計并制作VR科普教學場景，這一場景主要包括與課程內容相關的模型道具、特效、音效、動畫等等，學生和教師在這一場景中完成科普教學過程。這一類場景的制作較為復雜、細致、美觀，旨在吸引學生的學習興趣，使學生可以身臨其境地學習科普知識。

(2)程序的控制。

場景模型導入Unity游戲引擎后，根據科普課程要求，開發者采用C#編寫程序，實現場景的加載功能、道具的實例化功能、角色動畫播放功能、特效播放功能、UI界面交互功能等。其中，實現多個場景之間的跳轉功能，主要是使用了SceneManager.LoadScene(“場景名字/ID”)語句。當系統運行時，場景跳轉加載功能，則主要是通過教師與UI界面交互，點選按鈕，控制不同場景的加載順序，確保VR教學順利實施。

(3)場景的優化。

虛擬現實兒童科普系統中的VR場景是復雜的、細碎的，并且有很高的真實感和特效方面的要求，為了實現高效與細節并存，提高系統畫質，增強用戶體驗，在保證VR場景質量的情況下，需要進行場景的優化，從而解決大負載情況下的VR人機交互的問題。場景優化主要是針對場景中的紋理、模型、燈光、特效、動畫等資源進行優化。場景的優化主要采用以下兩種方式：一種是用戶看不到的場景不要畫出來，把它提前裁減掉。另一種是用戶可能本來也看不清的場景，就用更低的細節程度把它畫出來。例如，對于場景中的模型進行細節層次劃分，當物體距離觀察者較遠的時候，采用粗糙層次的物體模型，靠近觀察者之后，采用精細層次的物體模型，從而提升渲染效率。

根據以上步驟，可以完成VR兒童科普系統中場景的制作、加載和優化。

1.2.2 知識講解模塊

系統中知識的講解分為兩種形式，如圖3所示，一種是教師頭戴VR頭盔，根據教師客戶端UI界面上的虛擬科普教學內容文字提示，向在座學生講解知識點。另一種是在虛擬場景中創建的VR 3D精靈，將精靈所需要講解的內容，提前錄制成音頻文件，載入系統。通過VR交互，教師控制精靈語音的播放，實現教師與精靈一問一答的效果，推進科普教學內容的進行。通過教師與VR精靈共同講解科普知識的方式，實現虛擬與現實的融合，增強科普教育的趣味性。

圖3 知識講解

1.2.3 VR交互模塊

VR中的交互是將用戶與虛擬場景聯系起來。在多人網絡虛擬現實兒童科普系統中，教師和學生通過VR頭盔和手柄與虛擬的科普場景進行交互，其中VR頭盔的交互方式體現在用戶可以360度自由觀看VR場景。手柄的主要交互方式分為三種，即射線交互、觸碰交互和拾取交互，如圖4所示。授課過程中，教師可以使用手柄的射線交互，控制教師客戶端上的UI界面，也可以實現遠距離道具的選取功能。學生和教師，使用手柄的觸碰和拾取交互，可以實現道具的選擇和移動功能。在手柄觸碰交互過程中，伴隨大量的觸發特效效果，增強了系統的可玩性。在多人網絡虛擬現實兒童科普教育系統中，為防止VR場景中多角色位置混亂的局面，不建議采用手柄交互中的位置瞬移功能。

圖4 手柄交互方式

教師使用VR手柄與虛擬場景中的界面進行交互，控制整個場景的加載、道具的實例化、動畫播放、音頻播放等功能。學生通過VR手柄操控虛擬場景中的道具，完成教師在每個VR授課環節中布置的任務，參與科普課程的互動。教師與學生，學生與學生之間可以通過控制虛擬場景中不同的虛擬角色實現角色與角色之間的互動，系統的交互模式如表1所示。

表1 交互模式

1.2.4 答題模塊

答題模塊在多人網絡虛擬現實兒童科普系統中起到知識檢測和提升學生學習積極性的作用。它主要采用VR交互式的答題形式，教師通過教師客戶端中的UI界面控制學生答題面板和選項模型的出現。當進入答題環節后，學生面前會出現答題面板和選項模型，學生可使用VR手柄觸碰選項道具，如果回答正確，系統會觸發答題正確的特效，如果回答錯誤，系統會提示正確的答案。用模型代替A，B，C，D文字選項，既有利于兒童快速掌握答題交互形式，又有利于增強系統的趣味性。教師根據學生的答題情況進行點評，并控制系統為正確答題的學生頒發虛擬獎章，為錯誤答題的學生頒發鼓勵獎章。通過這種VR交互答題的形式，可以提高學生的學習興趣，鞏固科普知識點，同時加強教師對學生學習情況的掌握，進而促進精準教學。

2 系統的實施流程與效果

2.1 系統的實施流程

多人網絡虛擬現實兒童科普輔助系統的實施流程如圖5所示。首先將VR設備與計算機主機相連，在教室中安裝VR定位基站，調試多臺HTC VIVE設備，完成多臺VR設備的空間定位，將每臺VR設備的VR場景原點，定位在相對應的學生所坐的位置中心。當VR設備正確連接主機后，開啟服務器，檢查主機之間的網絡連接是否有效，打開兒童科普系統的客戶端。然后教師幫助學生佩戴好VR頭盔和手柄，教師也佩戴好VR頭盔和手柄。教師在VR兒童科普系統的UI界面上選擇一節VR科普課程，登錄系統，進入VR教室場景。隨后，通過教師控制系統發出指令，使學生登錄系統，并進入VR教室場景。教師通過VR場景中的UI界面控制場景跳轉到VR科普教學案例場景，在VR科普教學案例場景中，教師通過UI界面控制課程講解進度，動畫的播放，音頻的播放，特效的播放，模型道具的加載等，學生通過VR手柄與場景中的道具進行交互，實現VR交互功能，并進行VR答題檢測，完成授課任務。最后VR課程結束，教師和學生退出系統，完成一次多人網絡虛擬現實兒童科普教學。

圖5 系統實施流程

2.2 實施效果圖

多人網絡虛擬現實兒童科普輔助系統的目的是通過強烈的交互性、沉浸性和趣味性來直觀地表現科學知識，讓兒童游戲性地學習科普知識，增強主動學習的熱情。從系統中選取《破繭成蝶》這一節的VR效果圖，整體的場景以卡通風格為主，顏色較為多樣，比較容易吸引兒童的眼球。圖6是教師和學生登錄系統后首先進入的場景。

圖6 VR實驗室場景圖

圖7所示為多名學生進入科普課堂場景，在VR場景中每名進入課堂的學生都會由一個虛擬卡通角色代替，系統會實時同步學生的空間位置信息。VR場景中有多種可交換道具，學生可以通過手柄使用道具與VR場景進行交互和VR答題。

圖7 多名學生進入科普課堂場景圖

2.3 實施結果

表2 兩組學生在測試中的成績比較

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3 結束語

多人網絡虛擬現實兒童科普系統應用在科普教育中優勢明顯。主要體現在可以通過虛擬現實技術打破時空限制構建科普場景，能夠支持多人網絡虛擬授課，具備良好的人機交互性和用戶體驗性。通過實際的系統驗證，證實此系統對提升學生吸收知識的效率，調動學生學習的積極性有一定的幫助，且具有一定普適性，能夠應用于多種教學系統。