基于Web3D技術的高校體育武術遠程互動教學系統設計

喻龍， 單紫徽， 馬艷， 凡靜

(1.西安交通大學城市學院，體育教研室，陜西，西安 712039;2.西安交通大學，體育中心，陜西，西安 710049;3.西安交通大學城市學院，計算機系，陜西，西安 712039)

0 引言

歷年來體育教學在教學環境中一直被人們忽視，現如今由于武術文化的特殊性，已將其納入體育教學中。在網絡信息技術發展迅速的當下，現代武術教學也可以通過網絡系統進行教學和資源分享[1]，以此達到教學效果提升的目的。在澳大利亞，地廣人稀導致優秀的武術教學資源都集中在大城市，致使教學資源分布不平衡，為了解決這一現狀，澳大利亞政府開設網絡系統教學，隨著近幾年的發展，它的遠程教育普遍達到70%以上，實現教學發展。因此，為了保證高校體育武術能夠得到有效分享，我們需要對高校體育武術遠程互動教學系統進行設計。

李尚濱等[2]提出基于網絡平臺的高校體育武術遠程互動教學系統設計方法，通過對現代IT(information technology)技術的結合，設計出一種動態的、可拓展的高校體育武術考核評價系統框架，但沒有針對用戶需求和系統功能的主要因素進行分析，導致系統性能局限性高等問題。李享等[3]提出互聯網背景下基于ASP(active server pages)技術的高校體育武術遠程互動教學系統設計方法，該方法通過對優化后的共享服務器和共享器的主要結構進行設計，但是該方法沒有解析用戶的需求和系統的主要功能，導致系統獲取的信息不夠全面。WANG等[4]通過收集數據集，設計可編程互連資源，通過數字電路傳輸教學視頻，但是系統在數據接收方面實時效果差，存在教學視頻傳輸延遲時間長的問題。YANG等[5]引入Microsoft Kinect，設計基于骨骼的人體動作理解框架，利用COVRS(非接觸式操作視頻讀取系統)的質量對各種人類活動進行聚類，操作過程中存在CPU利用率低等問題。

為了解決上述方法中存在的問題，本文提出了基于Web3D技術的高校體育武術遠程互動教學系統設計方法。

1 基于高校體育武術系統角色分析及信息管理

1.1 系統用戶信息分析

根據基于Web3D技術的高校體育武術遠程互動教學系統的主要需求，本方法對系統中的用戶進行以下分析。

在基于Web3D技術的高校體育武術遠程互動教學系統中，教師處于重要地位[6]。其中，教師操作模塊的主要功能為教師可以更新和上傳教學信息，也可以上傳各種教學視頻以便學生學習[7]。在教學操作模塊中也具有添加、刪除等功能，可以將這些功能隱藏應用到搜索欄中，便于操作，具體流程如圖1所示。

圖1 教師業務時序圖

同時，學生也是該系統中重要的使用角色，不過高校體育武術遠程互動教學系統不單單只針對傳統意義上的學生，還包含通過其他路徑進入到教學系統內部的學生。由于不同學生處于不同的學習階段，所以特設定在不同學習階段的學生都有課程查看權限[8]，學生們可以根據自身需求選擇教學內容，與此同時也會為學生設定咨詢平臺，以便反饋學習進度及學習狀況，見圖2。

圖2 學生業務時序圖

管理員登錄系統后，需要管理用戶登錄日志，有利于查詢各個用戶對系統的操作，及時對系統進行維護[9]，如圖3所示。

圖3 管理員業務時序圖

老師、學生和管理員在系統內的諸多業務操作都是相互關聯的，并且對不同功能的需求也具有相對獨立性[10]。

1.2 系統功能分析

基于Web3D技術的高校體育武術遠程互動教學系統是一種新形式的網絡教學，為此需要管理系統內部的信息、人員和資源。

教師信息管理分析。系統應管理教師的個人信息、課程資源及教學信息。根據這些信息對教師進行課程安排，并將安排好的日程提交給系統管理員申請開課，完成后把相關日程上傳到教學界面中。

教學課程管理分析。該管理主要根據教師或學校提出的課程進行信息管理操作。通過對課程教學內容及時間的安排，提供增加、刪除、修改等操作，設置不同課程的列表、作業、答疑討論界面等內容。根據課程信息，提供基本教學資料，并為師生建立一個互動交流論壇。教師也可以為學生布置作業及視頻回顧，便于學生復習。

電子白板管理。它的主要功能是使用戶通過網頁形式瀏覽信息，針對不同問題進行討論。在電子白板區域內，學生能夠提出自己的問題，也可以對他人的問題進行討論，教師也會根據不同的問題答疑解惑。

在線交流管理。只有教師和學生才可以使用該功能，其中教師需要主持網絡班級和發表意見[12]；學生則可以在系統內提出問題，等待教師解答。

通過分析用戶的需求及系統的功能，最終根據分析后的信息選擇合適的應用，將其安置到系統設計中，使系統的整體功能能夠處于更加完善、穩定和安全的狀態。

2 系統設計

2.1 系統總體設計

基于Web3D技術的高校體育武術遠程互動教學系統主要以流媒體視頻教學為主，所以系統存有一般流媒體系統的體系結構[13]。其中，服務器端由FMS(flash media server)流媒體服務器和Web服務器組成，主要采用RTMP實時報文(消息)傳輸協議對音視頻進行傳輸[14]；而客戶端是由教師端與學生端組成，具體構架如圖4所示。

圖4 系統構架圖

(1)客戶端。在系統內，用戶能夠根據自身需求對系統進行相應操作[15]。在用戶進入虛擬教室的過程中，系統會通過用戶的身份授予用戶權限，其中教師的權限為能夠將實時音頻及視頻信息發送給學生，并可以和學生進行交流和討論。對于有問題的同學可以通過“舉手”的方式進行發言，而對于違紀的學生可以利用封IP(網絡之間互連的協議)的方式禁止聽課；學生的權限能夠對老師上傳到服務器的音視頻進行接收，可以在線提問并與同學交流討論。

(2)服務器端。FMS流媒體服務器可以通過視頻文件形式將RTMP協議傳輸到客戶端，有利于用戶在線觀看。FMS流媒體服務器能夠對大量并發的連接進行處理，但對客戶端的處理數量有限。而Web服務器能夠對客戶的請求進行響應，可以在客戶端為用戶提供文檔程序和Web服務。

2.2 系統平臺設計

客戶端的音視頻及文本信息主要通過基于Web3D技術的高校體育武術遠程互動教學平臺中的FMS技術接收。它的主要流程為發布端要將文本信息發送到FMS服務器，通過FMS服務器將文本信息廣播到所有客戶端內，為用戶帶來實時共享。

2.3 基于Web3D技術的系統模塊設計

高校體育武術遠程互動教學系統管理主要以B/S(Browser/Server)結構實現，而客戶端通常使用IE瀏覽器完成管理，通過HTTP(hyper text transfer protocol)協議對客戶端程序進行訪問，以此實現基本互動教學，如圖5所示。

圖5 遠程教學系統總模型

根據圖5的設計可以將遠程教育教學系統大致分為三種。根據這三種功能，實現以下功能模塊設計，分別是：角色管理模塊、教學資源制作模塊、虛擬課程模塊及資源上傳/下載模塊。

1)角色管理模塊主要由系統將用戶分為學生、教師和系統管理員等角色。當用戶進入系統時，會根據輸入的用戶名、密碼對其分配該有的權限，下述為各個角色詳細介紹。

(1)教師角色。若用戶以教師的角色對系統進行登錄，那么就可以獲得教師權限，完成對虛擬教室的建立。實現建立后，教師可以在虛擬教室進行相應的教學活動，管理整個虛擬教室，同時具備接收音視頻、實時監測學生情況等操作權限，如圖6所示。

圖6 教師功能模塊圖

(2)學生角色。學生得到授權后可以依照自身需求選擇相應的虛擬教室聽課或參加其他教學活動，具體功能如圖7所示。

圖7 學生功能模塊圖

(3)管理員角色。管理員是整個系統的維護者與管理者，它的具體工作為管理用戶和服務器，對教學任務進行部署，如圖8所示。

圖8 管理員功能模塊圖

2)教學資源制作模塊由教師進入系統接收權限后制作教學資源。在現代多媒體課件中，大多數采用Flash&Java、JavaScript等技術完成教學課件制作，但只有具備交互功能的3D課件才能將教學知識更加形象地展現出來。利用基于Web3D技術對教學課件進行制作，通過“3D+VR+3W”(3 Dimensions+Virtual Reality+World Wide Web)三項綜合技術對課件進行3D建模、虛擬化、網頁制作等操作，最終完成多媒體課件。通過三維形式將課件展現到教學系統內，讓學生在遠程互動教學中達到更好的學習效果。

3)資源上傳/下載模塊主要為了讓學生在課后能夠得到有效學習和復習，教師可以將一些教學資源傳輸到系統內，供學生下載。若學生有好的資源，也可以將文件資源上傳到系統中，供大家分享。

在系統設計中，它的主要內容就是對系統內的模塊進行詳細設計，使用戶對各個模塊的功能組成部分和工作流程得到充分了解，這也是建立基于Web3D技術的高校體育武術遠程互動教學系統的主要依據。

3 實驗與分析

為了驗證基于Web3D技術的高校體育武術遠程互動教學系統設計方法的整體有效性，需要對該方法進行檢測。

采用基于Web3D技術的高校體育武術遠程互動教學系統設計方法(方法1)、基于電子3D虛擬現實的高校體育武術遠程互動教學系統設計方法(方法2)和互聯網背景下基于ASP技術的高校體育武術遠程互動教學系統設計方法(方法3)對系統進行有效測試。

選取100個用戶分別通過方法1、方法2和方法3對系統中的教學資料進行訪問，系統響應時間越短，說明高校體育武術遠程互動教學系統越好，如圖9所示。

圖9 系統響應時間測試

分析圖9中的數據可知，方法1在進行教學資料訪問時所用系統響應時間最短，而方法2和方法3最高達到1.3～1.5 s的系統響應時間，與方法1相差過多。由此可知，方法1的遠程互動教學系統比方法2和方法3好，因為該方法在系統設計前對用戶的需求及系統功能進行了分析，根據分析結果實現系統設計，使系統功能更加完善，進而降低了系統響應時間，如圖10所示。

圖10 系統傳輸教學視頻延時測試

共采取10組教學視頻數據進行系統傳輸測試，根據圖10可知，方法1的視頻傳輸延遲時間要低于方法2和方法3，因為方法1解析了用戶需求及系統功能的因素，為高校體育武術遠程互動教學系統提供了詳盡的信息基礎，使系統設計得更加全面，提高了數據接收的實時性，進而降低了教學視頻傳輸的延遲時間。

選取并發用戶500人，利用方法1、方法2和方法3對系統CPU利用率進行對比測試，如圖11所示，隨著并發用戶數的逐漸增多，方法1的CPU利用率要優于方法2和方法3，因為方法1針對用戶的需求和系統功能的主要原因進行了有效分析，明確了系統功能設計的主要因素，避免了系統局限性低的問題，對系統的拓展性有顯著提升，進而提高了系統CPU利用率。

圖11 CPU利用率對比測試

4 總結

當代社會對武術文化逐漸重視，傳統遠程互動教學系統設計方法存在系統響應時間長、系統傳輸教學視頻延時高和CPU利用率低的問題。根據以上問題提出基于Web3D技術的高校體育武術遠程互動教學系統設計方法，通過對用戶的需求和系統功能的分析，完成系統整體功能設計，再針對系統的總體框架、平臺和模塊的設計實現高校體育武術遠程互動教學系統的總體設計，解決了傳統方法中存在的問題，該系統具有較高的實用性和有效性，在高效體育武術遠程互動教學系統中有著較好的發展前景。