基于虛擬現實的計算機專業線上線下混合式教學系統設計

摘要：針對現行系統在計算機專業線上線下混合式教學場景中應用的流暢性、仿真性較差等問題，文章提出基于虛擬現實的計算機專業線上線下混合式教學系統設計，采用B/S結構（Browser/Server Architecture）模式構建由表示層、業務邏輯層和數據層組成的系統架構。在系統硬件方面對虛擬現實設備選型與設計，在系統軟件方面采用虛擬現實技術構建混合式教學虛擬場景，實現虛擬教學交互，以此完成基于虛擬現實的計算機專業線上線下混合式教學系統設計。實驗證明，設計系統仿真度不低于90%，混合式教學交互中幀數不低于300個，系統仿真性能與流程性能良好，在計算機專業線上線下混合式教學領域具有良好的應用前景。

關鍵詞：虛擬現實；計算機專業；線上線下混合式；B/S結構；虛擬現實

中圖分類號：TP434" 文獻標志碼：A

0 引言

隨著信息技術的快速發展，教育領域正經歷著前所未有的變革。傳統的課堂教學方式，雖然能夠為學生提供基礎的理論知識和實踐經驗，但在培養學生的創新思維、實踐能力以及解決復雜問題的能力上，往往顯得力不從心。尤其是在計算機專業教學中，由于技術的快速更新迭代，傳統教學模式已經難以滿足社會對高素質計算機專業人才的需求^［1］。因此，探索新型的教學模式，尤其是將線上線下混合式教學理念引入計算機專業教學，開發與設計教學系統開展專業教學，已成為當前教育領域研究的熱點^［2］。在線上線下混合式教學模式下，教師可以根據學生的實際需求和興趣點，靈活地選擇教學方式和手段，為學生提供更加個性化、多樣化的學習體驗。

近年來，已經有很多學者對計算機專業線上線下混合式教學系統設計進行了研究，例如，蘇雪瓊等^［3］提出了URAI聯動教學生態系統，采用URAI聯動模式整合與共享學習資源，實現師生、生生之間的線上互動，開展教學活動。吳僑^［4］提出了基于增強現實技術的教學系統，通過增強現實技術實現互動式實驗操作模擬與虛擬物體渲染交互。雖然現有的系統提高了計算機專業教學數字化與信息化水平，提高了教學效率，但是仍然存在一些弊端和不足，在實際應用中系統流暢度較低，單位時間交互中幀數量較少，并且系統對計算機專業虛擬課程仿真度比較低，無法到達預期效果。基于此，本文提出了基于虛擬現實的計算機專業線上線下混合式教學系統。

1 計算機專業線上線下混合式教學系統架構設計

系統架構采用B/S結構模式^［5］，由表示層、業務邏輯層和數據層3部分組成，系統架構如圖1所示。

2 計算機專業線上線下混合式教學硬件設計

2.1 VR設備

虛擬現實（Virtual Reality， VR）設備主要應用于系統線上虛擬教學中，其功能是將系統構建的二維虛擬場景進行三維展示^［6-7］。根據需求此次選用IHFA0-010VR，其主要由定位器、VR眼鏡、控制手柄3部分組成，定位器實現定位用戶在虛擬場景中的位置，VR眼鏡實現虛擬場景投影，控制手柄實現虛擬教學場景控制，賦予學生在場景中的觸感。控制手柄上設定YCV、TVD、YUHB按鍵，分別為控制菜單、虛擬場景選擇、虛擬視角轉換。

2.2 控制器

該控制器以Struts2為基礎，通過對教學系統中的表格數據進行采集和組織，形成一個統一的數據參量對象。Struts2架構會根據使用者所提交的網頁請求類型，自動地將參數物件分配給對應的控制器以供處理，系統調用服務控制接口，處理與表單數據相關的事件^［8-9］。這些事件可能包括數據驗證、業務邏輯處理或數據庫交互等。一旦服務器接口完成數據處理，控制器會將處理結果打包并分發給對應的視圖進行展示。這樣，用戶可以直觀地看到系統對表單數據的處理結果。

3 計算機專業線上線下混合式教學系統軟件設計

系統的核心功能為混合式虛擬教學，因此結合系統架構與硬件設計，采用虛擬現實技術構建混合式教學虛擬場景，實現系統與用戶的虛擬仿真交互^［10］。系統數據庫中存儲著海量的計算機專業實習、實訓圖像，虛擬現實技術是將海量圖像拼接到三維虛擬場景中，仿真實習、實訓場景。由于真實實訓場景的圖像數據格式與虛擬現實所需的數據格式之間存在不兼容的問題，故首先采用加權函數對計算機專業實習、實訓圖像格式轉換，其用公式表示為：

C=∏Sj=1Xj·ac（1）

其中，C為轉化后的計算機專業實習、實訓圖像；j為數據庫中實訓圖像數量；S為數據庫圖像集；Xj為圖像集中第j個實訓圖像；a為圖像權重系數，根據每個圖像的重要性和相關性進行權重分配；c為轉換系數。由于原始圖像可能存在重疊部分，采用二值轉換算法對圖像進行變換處理，對重疊區域僅保留一份，其用公式表示為：

K（x，y）=∑j=1ε·s·Cj（2）

其中，K（x，y）為變換后的圖像K中像素點（x，y）值；ε為平移參數；s為旋轉參數。當數據準備完畢后，利用虛擬現實加載數據庫圖像，利用變換矩陣為這些圖像數據構建一個針對空間場景的二維圖示，這個圖示實際上就是一個虛擬的計算機專業實訓場景，它完全基于真實實訓圖像數據生成，這個場景的構建過程可以如下公式表示：

Z=K（x，y）LV（3）

其中，Z為生成的計算機專業虛擬實訓場景；L為圖像空間維度；V為圖像投影映射矩陣。通過上述一系列圖像轉換和構建過程，將真實計算機專業實訓圖像數據在虛擬現實軟件中進行多維轉換，生成計算機專業虛擬實訓場景，結合系統硬件設備實現混合式教學虛擬交互，以此完成系統設計。

4 實驗論證

4.1 實驗準備與設計

為了使此次研究具有一定的學術與參考價值，采用對比實驗的方式對本文設計的基于虛擬現實的計算機專業線上線下混合式教學系統的流暢性與仿真性進行檢驗，實驗選擇蘇雪瓊等^［3］提出的URAI聯動教學生態系統、吳僑^［4］提出的基于增強現實技術的系統與本文設計系統對比。利用仿真度來檢驗系統教學的仿真性能。仿真度是指虛擬仿真的教學場景與理想場景的相似程度、相關程度以及貼近程度，隨機抽取仿真場景中3個點位，將其與實際場景中點位坐標作差，計算出虛擬教學場景的仿真度，其計算公式為：

E=∫^i∈Ni=1（ei-vi）（ei+vi）/eivi（4）

其中，E為線上線下混合式虛擬教學中虛擬課程仿真度；i為驗證點位數量；N為虛擬課程場景點集；ei、vi分別為課程場景中點位斜率與實際斜率。仿真度值域為0～100%，數值越高，說明系統虛擬課程與實際越相符，學生體驗感越好。

實驗以某所高校為實驗環境，選取該高校計算機專業100名學生與10名教師為系統用戶，按照以上系統硬件與架構完成系統組裝，學生與教師在系統上完成注冊后開展課程線上線下混合式教學。系統應用過程中統計虛擬課程仿真度和混合式教學交互中的幀數，評價系統性能。

4.2 實驗結果與討論

3種系統在計算機專業線上線下混合式教學場景中虛擬課程仿真度和教學交互中幀數如表1—2所示。

從表1中數據可以看出，設計系統仿真度始終高于90%，平均水平為97.35%，比URAI聯動教學生態系統高將近14%，比基于增強現實技術的系統高將近24%，證明在仿真性能方面設計系統更具優勢。從表2中數據可以看出，設計系統交互操作中幀數是URAI聯動教學生態系統的1.24倍，是基于增強現實技術系統的1.35倍，證明在流暢性能方面設計系統也具有優勢。通過以上對比與分析證明，本文設計系統更適用于計算機專業線上線下混合式教學。

5 結語

基于虛擬現實的計算機專業線上線下混合式教學系統設計，不僅是教學領域的一次重要嘗試，更是對未來教育模式的新探索。通過引入虛擬現實技術，成功地為計算機專業的學生創建了一個線上線下無縫銜接、沉浸式的學習平臺。這一系統的設計，不但豐富了教學手段，提升了學生的學習體驗，而且有效地促進了師生之間的交流與互動。這一系統的成功實施，意味著教育技術的進步正在逐步改變著傳統的教學方式，為學生提供更多元化、個性化的學習選擇。同時，也應意識到，系統的設計和實施只是第一步，未來將繼續深入研究和探索，不斷優化和完善這一系統，以滿足學生日益增長的學習需求。

參考文獻

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［10］邊亞東，王凱，袁振霞，等.工程地質學課程野外滑坡監測與工程防治虛擬仿真實驗教學系統建設［J］.中國現代教育裝備，2023（3）：23-27.

（編輯 沈 強編輯）

Design of online and offline hybrid teaching system for computer major based on virtual reality

HUANG" Huijing

（Yichun Vocational Technical College，Yichun 336000， China）

Abstract：" Aiming at the problems of poor fluency and simulation in the application of the current system in blended online and offline teaching scenarios for computer majors， a design of a blended online and offline teaching system for computer majors is based on virtual reality proposed. The article adopts the B/S （Browser/Server Architecture） architecture pattern to construct a system architecture consisting of presentation layer， business logic layer， and data layer. In terms of system hardware， the article selects and designs VR devices， and in terms of system software， uses virtual reality technology to construct a hybrid teaching virtual scene to achieve virtual teaching interaction， thus completing the design of a blended online and offline teaching system for computer majors based on virtual reality. Through experiments， it has been proven that the simulation degree of the designed system is not less than 90%， and the frame number in hybrid teaching interaction is not less than 300. The system simulation performance and process performance are good， and it has good application prospects in the field of online and offline hybrid teaching in computer science.

Key words： virtual reality; computer major; online and offline hybrid; B/S structure; VR equipment