基于虚拟现实技术的高校实验教学资源共享建设研究.doc

基于虚拟现实技术的高校实验教学资源共享建设研究 本文分析了适用于高校实验教学资源建设的VR技术，提出采用兼具网络化、轻量级、沉浸式特征的新型VR技术krpano制作高校实验教学资源。它可以较好提升实验教学效果，节省建设成本，提升高校实验教学资源共享的水平。本文给出了VR实验资源共享平台的建设方案，及VR实验教学资源制作方法。 0引言 国家中长期教育改革和发展规划纲要中明确指出高等教育要加强实验室改革，国家教育信息化十年发展规划中也明确指出，高等教育信息化是促进高等教育改革创新和提高质量的有效途径。因此智能信息化实验平台是如今所有高等院校的必需品。 传统实验教学缺乏师生互动，每个学生在做实验中获得的指导不同，实验教师不能及时掌握学生的真实实验情况，进而无法高效地对每个学生进行实验指导，导致教学效率不高或者效果不均衡。同时，实验内容千篇一律，多是分组演示或验证实验，学生照着现成的实验步骤，这不能吸引学生，也不利于学生创新思维形成。此外，高校实验资源的可重用和共享性也很差。 虚拟现实 （VR） 技术是下一个信息化学习平台，VR能充分展示实验教学内容，能引起学生的学习兴趣，能形成个性化教学效果。VR整合实验教学信息化资源，避免重复投资，实现资源共享；使用VR技术建设共享的实验资源库，包括讲稿、教学大纲、实验实训内容、教学指导、教学评价等信息的VR化。 VR技术有多种，其中轻量级VR技术开发费用低、编程模式灵活，轻量级VR的代表是基于网络技术的Krpano，本文以为，采用Krpano来建设高校实验教学资源是一种创新有价值的方式。 1 VR技术 VR由模拟环境、感知、自然技能和传感设备构成。沉浸式轻量级VR使用手机插入式头盔，内容在手机上运行，它的教学体验让学生置身于实际情景，这对实验教学、现场演示极为有利。通过人机互动交流、计算机虚拟会面使学生在“真实”的实验情境中理解实验意图。 1.1沉浸式VR的实验教学优势 VR能增强实验体验，提升演示效果，学生可以“现场”体验现实生活中很难或无法体验的实验场景、如很激烈的化学反应。能够实现和学生一对一交互，创造个性化实验教学环境，VR 能够“占领”学生的视觉、听觉等多个感觉通道，多感官的参与可以提高学习效率。VR切断了学生与周围世界的感官联系，让学生“沉浸”在与实验交互过程中，隔离了外界干扰，学生很难走神。 1.2沉浸式VR轻量级技术Krpano Krpano是沉浸式VR模式轻量级、基于网络、代码全开源的技术，不受硬件约束。它采用HTML5+js作?榧际趸?础，可看做是浏览器的扩展内核，可以自动生成全景漫游网页。相比unity3D等重型VR，Krpano节约了开发经费与时间，降低了技术难度，灵活应用于互联网和手机端；Krpano是编程语言，可以实现加密认证技术，知识产权问题迎刃而解。 1.3 Krpano能实现的实验教学效果 采用头盔沉浸式Krpano应用于实验教学当中，事前把实验教程编排好，情景式实验内容给用户带来沉浸式的教学体验，学习就像看电影。在VR实验资源丰富时，实验课教师具备将学生“瞬间转移”到任意场景的能力，学生可以随时体验到很多现实实验难以开设的虚拟情境。在高等教育中，采用沉浸式Krpano，传统的实训基地模式将向着虚拟现实实训教育模式发展，只要能够接入网络，异地远程用户可以不受时间限制、空间限制的共享教学资源。这个转变优化了教学资源利用率、提供了全新的共享模式。 2 Krpano对高校实验教学的支撑 为满足新工科建设的实验教学需求，建设全面、生动的实验教学资源库，成为当下高校进行专业建设的工作重点。我国高校实验教学资源相对匮乏，库内资源共享高度有待提高，运行管理体系有待完善。Krpano是一种数字化技术，是一种接近网页编程的软件体系，它可改善上述问题，为高校实验教学提供强有力的技术与经济可行支撑。 2.1 Krpano对实验教学资源建设的支撑 目前，高校数字化实验教学资源建设主要是数码拍摄翻录、PDF等电子文档格式的实验资源、管理信息系统网站。Krpano可以对目前的数字化教学资源建设进行无缝升级，不丢弃原有内容。对以网站来组织的高校实验教学资源，Krpano以html， js技术扩展原网站，原网站的旧教学资源可保存，新开发的VR教学资源可以与旧教学资源并存，通过不同的入口访问不同类型的教学资源，这对于平缓升级实验资源建设有很好的作用。Krpano只是重新对网站进行组织，应用新的js引擎开发VR形式的实验资源。 对教学而言，VR体验在实验教学框架之下不需要教师调整教学法。从VR环境或内容的角度看，其设计要注意如下方面第一，内容的真实可信性。感知觉、动作和触觉体验逼真是最基本的要求。第二，内容的教学性，VR观看过程需要学生的积极参与，在激发学生主动性的同时，会拉开学生之间在体验上的差异。由于沉浸式VR设备的独特性，教师准确感知学生体验是个新的研究课题。 VR具有交互性，学生可以“动手做”，克服了传统实验注入式教学的缺陷；VR的构想性，即感官刺激由计算机实时生成，环境仅受想象力的限制，克服了传统实验呆板的问题。从教学法层面看，VR 世界中探究性解决问题的优势，除了安全、低成本，还体现在系统可以记录探索过程，动态诊断学生的学习情况。 2.2 Krpano对实验资源网络共享的支撑 共享是实验教学资源的一个核心属性，信息共享是当下互联网的特征。Krpano本质是浏览器插件，它提供的VR效果是基于浏览器的，而浏览器又是纯网络工具，只要能接入互联网，就能通过网络共享实验资源，不需要额外设备。 2.3 Krpano对共享模式的支撑 Krpano技术就是web前端开发技术，是HTML5与js的集合，高校原有的技术队伍稍微学习一下，就能掌握，可见Krpano对实验人员是很友好的。相比传统的数字化制作方法，比如制作成网页、制作成PDF、制作成视频，基于Krpano技术的制作只是稍微多一点工作量，比如原来要做成网页，现在是做成有点特殊，带有立体、虚拟效果的网页，可见，Krpano对实验建设的支撑也是很好的。在技术创新方面，Krpano把传统的数字教学资源升级为虚拟场景的数字教学资源，应用了2018年以来出现的最新技术，吸取了现有VR技术和网络技术的精华，是彻底的技术创新。 3基于Krpano的共享教学资源平台建设 3.1平台总体网络结构 实验教学资源平台的构建和传统的互联网信息管理系统无异，学生仍使用互联网或局域网访问实验教学资源，只是呈现设备从PC变成了VR设备，形式从屏幕平面升级为沉浸式立体。学生可不受时空限制的共享教学资源。每个高校在构建VR共享教学平台时，除了建设软资源，硬件只需购买一批可以插入手机的头盔即可。平台总体网络结构如下图1所示。 图1实验教学平台共享网络图 3.2建设流程 在建设流程上，与开发数字化实验教学资源平台原理类似，只是实验内容由课件、动画、视频等变成Krpano文件夹，文件夹里面包含了教学资源信息、虚拟化信息、组织管理信息等，这些信息可以由Krpano的生成工具自动生成，实验教师们不用关注详细结构就可以完成实验教学资源的开发。 3.3教学资源建设案例 为高校旅游专业开发一款景点介绍实验教学课件。选取开发用计算机为安装了win10旗舰版的64位笔记本，安装krpano软件包，形成一个Krpano的工作文件夹，里面有若干可执行程序，开发者不必打开这些可执行文件，这些可执行是在生成VR内容时被krpano的引擎自动调用。准备一些旅游图像序列，赋予有顺序的命名，例如a，b，c，d，放在一个文件夹里面，然后，把图像序列选中，往Krpano工作文件夹里面的某个批处理文件拖拽，Krpano会自动生成全景图。验教学资源以网页形式在手机中打开，手机必须连上互联网能访问到服务器，手机插入VR头盔，学员戴上头盔，在沉浸场景中学习。学员通过头部动作、可以360度浏览全景画面，就能体验到沉浸的虚拟现实效果。转动头部，可以看到画面随之转动。如果有多个场景要切换，可以加入切换箭头，学生转动头部，让一个krapno自带的小十字对准箭头，小十字变成圆圈时，就可切换场景。要更进一步的增加功能，可以打开文件直接编辑，每一个教学资源的访问入口都是一个index.html，编辑同目录里面的XML文件，可以添加VR特效。比如希望场景切换时，需要从左到右类似翻页的过渡特效，在XML文件中修改如下语句为loadscene（scenename， null， MERGE， get（blendmodesblack-out.blend）；这是典型的脚本语法，对于任何一个有网页开发能力的管理员都没有处理难度。 4结语 头盔沉浸式VR技术在高校实验教学资源建设的应用是对于实验资源建设、实验资源共享的一种创新。它避免了平面式教育所导致的用户专注度低、学习效率难以保障等一系列问题，让用户能拥有接受面对面教学的直观体验，加强了教学资源的生动性。该技术基于互联网，克服了实训基地、教室等时间和空间的限制，加强实验资源的可用性、共享性，为高校学生开辟一个随时随地进行高效学习的途径。 本文提出思路可丰富高校的实验教学资源建设技术、推动教学创新，降低了信息化建设成本，增强了共享性，从而促进高校发展。 基金项目受2018年四川大学实验技术立项资助，项目编号20180008。