基于虛擬現(xiàn)實的計算機輔助教學系統(tǒng)設計

王美霞，王富榮

（江蘇航運職業(yè)技術(shù)學院，江蘇 南通 226010）

0 引言

計算機輔助教學是教師在計算機技術(shù)的協(xié)助下，完成各類教學活動以及與學生進行教學內(nèi)容的討論、課時安排、教學訓練等，是通過對話的形式完成互動和交流的一種教學方式。自計算機輔助教學理論被提出后，隨著現(xiàn)代化科技的不斷進步，計算機輔助教學也借助著各類多媒體計算機得以發(fā)展［1］。在教學模式上，計算機輔助教學對傳統(tǒng)教育形成了較大的沖擊力和挑戰(zhàn)，并逐漸成為創(chuàng)新教學模式當中理論與實踐的重要來源，形成了一種全新的教學手段和方法［2］。

本文為了讓計算機輔助教學系統(tǒng)的內(nèi)容可以更加生動，提出了將虛擬現(xiàn)實技術(shù)與計算機輔助教學相融合的系統(tǒng)，從而通過直觀的表現(xiàn)形式提高教學質(zhì)量。通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)與計算機輔助教學的結(jié)合，進一步發(fā)掘出基于虛擬現(xiàn)實的計算機輔助教學系統(tǒng)在教育學領(lǐng)域中的應用作用，打破時間與空間上的限制，為學生的教育提供更加廣闊的教學領(lǐng)域，并通過虛物實化與實物虛化的手段，為計算機輔助教學提供全新的教學形式。本文通過對基于虛擬現(xiàn)實的計算機輔助教學系統(tǒng)進行設計，將計算機輔助教學引入更高更遠的發(fā)展平臺。

1 基于虛擬現(xiàn)實的計算機輔助教學系統(tǒng)硬件設計

在計算機輔助教學快速發(fā)展的過程中，由于受到了傳統(tǒng)計算機輔助教學系統(tǒng)在學習途徑及教學資源方面的限制，對于不同學習能力水平的學生而言，無法針對性地起到輔助作用，如何能夠通過不同的教學手段及適當?shù)慕虒W模式輔助不同能力水平的學生進行教學，成為計算機輔助教學系統(tǒng)又一更高的要求。計算機輔助教學系統(tǒng)使計算機輔助教學能夠更好地呈現(xiàn)，并更加智能化［3］。教育學領(lǐng)域的研究學者提出了更多的教學方法用于提升系統(tǒng)的性能。

本文選用KN-197ubuntu19.21型號的服務器設備為基于虛擬現(xiàn)實的計算機輔助教學系統(tǒng)運行提供硬件環(huán)境，KN-197ubuntu19.21型號服務器的配置為雙核CPU，外設多個可擴展處理器，內(nèi)存大小為2 GB，40 GB硬盤。表1為KN-197ubuntu19.21型號服務器的硬件環(huán)境配置。

表1 KN-197ubuntu19.21型號服務器的硬件環(huán)境配置

KN-197ubuntu19.21型號服務器擁有圖形處理及現(xiàn)場可編程邏輯門陣列兩個選項，具備適應任何系統(tǒng)應用程序的通用能力，為計算機輔助教學系統(tǒng)運行提供良好平臺。利用該硬件設備中的雙核多路實現(xiàn)加速器、存儲設備及教學資源之間的平衡，在最大程度上提高系統(tǒng)應用程序的性能。

基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)，選用主流市場中支持計算機輔助教學系統(tǒng)的VR眼鏡，包括支持PC端、Htc Vive，3Glasses以及Oculus的VR眼鏡，完成相應的外部設備對接后，在計算機輔助教學課件中選擇與之相對應的設備之間進行虛擬現(xiàn)實功能連接，實現(xiàn)學生對教學課件的直觀感受［4］。此外，增加藍牙手柄、Touch手柄等其他外設裝置的配合使用，方便學生及相關(guān)人員通過系統(tǒng)中的交互功能對計算機輔助教學中的資源進行操作和管理。

在虛擬教室中，學生與老師的雙向交流是教學系統(tǒng)重點設計的部分，老師圖文并茂的講解可以有針對性地釋疑知識點，而更重要的是學生的反饋，包括語音反饋、表情反饋和動作反饋。老師向?qū)W生端的信息傳遞采用VR眼鏡的音視頻功能，其中聲音采用立體聲現(xiàn)場還原技術(shù)，四路擴音器分置于VR眼鏡的兩側(cè)，通過共形設計集成在VR眼鏡的耳部支架中，考慮到虛擬教室的輔助教育功能，在設計中將擴音器的低音部分做了加強，實現(xiàn)更貼近于真實環(huán)境的聲音效果；視頻展示部分設計了兩路“菲斯”棱鏡光學折射模塊，利用光學材質(zhì)間不同的折射率實現(xiàn)狹小空間的光路折疊，其優(yōu)點是可以在近160°的視場內(nèi)實現(xiàn)特寫景物和背景的顯示融合，以便為學生帶來更接近于真實教室的虛擬體驗。學生向教師端的反饋信息通過語音采集、表情采集和動作采集3部分構(gòu)成。

語音采集較為簡單，利用成熟的語音識別模塊配以嵌入的語義解析軟件完成，語音采集與傳輸模塊同樣以共形設計集成于VR眼鏡的耳麥中。學生語音的傳輸與視頻數(shù)據(jù)共用傳輸通道，分頻復用。表情采集與動作采集是系統(tǒng)設計的難點和重點，其目標是實現(xiàn)對學生面部微表情和肢體動作的識別。表情采集以兩路微攝像頭集成于VR眼鏡上，其視軸中心分別對準學生的眼睛，實時采集學生的眉部、眼瞼、眼角和顴骨的微表情變化，提取特征值與嵌入到VR眼鏡中的情緒處理器對比，判斷出高興、疑惑、思索、茫然等表情，進而判斷學生此時對知識的接收是否存在不理解的情況。

基于控制成本考慮，系統(tǒng)設計的微視頻傳感器采用可見光波段工作，后續(xù)升級版本擬采用中波紅外波段工作，實現(xiàn)對皮下血液流量、流速的采集，將可以識別和判斷更多的情緒，在虛擬顯示中實現(xiàn)情緒維度的突破。動作采集設備采用4K高清攝像機索尼FDRAX60，其特點是像素高，3/4視場內(nèi)畸變失真小，可滿足對室內(nèi)人體部位的有效識別。動作采集設備放置于學生正前方五米偏上位置，以微俯視角度實時監(jiān)視學生肢體的動作變化，重要節(jié)點為頭、頸、胸、雙手、小臂、上臂、肩、胯、大腿、膝蓋、小腿幾個部位。在虛擬教室使用前，需調(diào)試動作采集設備的攝像頭，將視場中心對準學生的人體中心位置，保證學生的身體全部在視場的3/4視場內(nèi)。為方便虛擬教室的布設，動作采集設備的攝像頭放置于可兩維運動的轉(zhuǎn)塔上，通過人像識別自動抓捕學生，實現(xiàn)自動化布設，提高使用的便捷性。升級版本系統(tǒng)可采用左右兩路動作采集設備，實現(xiàn)對身體側(cè)部動作的拾取，實現(xiàn)立體圖像采集。數(shù)據(jù)傳輸采用千兆專用網(wǎng)，實現(xiàn)高清視頻流和多路語音的雙向傳輸帶寬需求。

2 基于虛擬現(xiàn)實的計算機輔助教學系統(tǒng)軟件設計

2.1 基于虛擬現(xiàn)實的計算機輔助教學展示

基于虛擬現(xiàn)實的計算機輔助教學展示，分為物件、規(guī)則、操控、外設等，物件展示包括對計算機輔助教學物件資源的解析，將各類教學所需的虛擬模型及場景資源解析后，在系統(tǒng)中顯示，屬于系統(tǒng)中最基礎的展示［5］。規(guī)則展示是將通信規(guī)則與教學資源調(diào)試，為計算機輔助教學提供最基礎的功能服務［6］。操作展示包括對虛擬物件的擺放以及基礎的漫游功能，這一部分內(nèi)容主要應用于用戶體驗層。外設展示是整個計算機輔助教學系統(tǒng)中支持虛擬現(xiàn)實與現(xiàn)實交互的重要組成部分，方便交互外設的使用。

增加教學展示大廳為用戶提供更加直觀的方式，可以選擇針對不同學習能力水平學生的課件，同時學生也可以通過系統(tǒng)教學展示大廳自主管理課件。圖1為教學展示大廳的主要功能層次。

圖1 教學展示大廳主要功能層次

可以看出，教學展示大廳主要是由教學課件、用戶信息、學習成果以及公告欄4個模塊組成。教學課件模塊用于展示部分優(yōu)秀教學課件資源，方便用戶直接進行觀看或?qū)①Y源下載并編輯［7］。用戶還可通過分類查找教學課件的形式在海量資源中搜尋優(yōu)質(zhì)教學資源直接完成教學。在用戶信息模塊中可以使用本系統(tǒng)的用戶基本信息，例如用戶名稱、用戶頭像等，用戶擁有對個人用戶信息進行修改的權(quán)限，同時，該模塊方便后期管理人員對用戶權(quán)限的管理。學習成果展示模塊主要用于展示用戶自行下載或編輯的教學課件的學習成果，可以通過不同的方法展示，例如沙盤模式、普通編輯模式等，用戶可以在系統(tǒng)中通過列表查詢不同學生的學習成果，找到自己的學習成果或?qū)W習成果進行分類［8］。公告欄模塊用于為用戶推薦優(yōu)質(zhì)的學習成果展示或教學資源分享，公告欄中的具體內(nèi)容應根據(jù)不同運營商定制化展示。

2.2 學生學習行為評價

利用BP（Back Propagation）神經(jīng)網(wǎng)絡算法，對計算機輔助教學系統(tǒng)中選擇輸出數(shù)據(jù)信息的誤差、輸出前各個模塊中導致其產(chǎn)生誤差的因素進行評估，再計算該誤差對前一誤差的影響進行評估，通過不斷反復，完成對計算機輔助教學中各個階段的教學資源劃分精準程度計算。在BP神經(jīng)網(wǎng)絡中對計算機輔助教學資源的交互渠道進行創(chuàng)建，主要輸入包括影響劃分精準程度的因素，再將影響因素通過相應手段過渡到中間層當中［9］。通過數(shù)字資源信息處理核心對傳遞過程中的相關(guān)信息進行處理，并將結(jié)果傳輸?shù)捷敵鰧赢斨?。圖2為學生學習行為評價流程。

圖2 學生學習行為評價流程

根據(jù)計算機輔助教學資源劃分精準程度提升影響因素，提出3種不同類型教學，不同學習能力水平的學生對相同類型題目的正確率計算公式為：

公式（1）中，P1表示視覺型中不同學習能力水平學生對相同類型題目的正確率；k1表示視覺型類型中學生個數(shù)；k2表示視覺型學生中答對題目的人數(shù)總和。

公式（2）中，P2表示聽覺型中不同學習能力水平學生對相同類型題目的正確率；k3表示聽覺型中學生個數(shù)；k4表示聽覺型學生中答對題目的人數(shù)總和。

公式（3）中，P3表示讀寫型中不同學習能力水平學生對相同類型題目的正確率；k5表示讀寫型中學生個數(shù)；k6表示讀寫型學生中答對題目的人數(shù)總和。

劃分視覺型、聽覺型和讀寫型的學生，與之相對應的為視覺型、聽覺型和讀寫型的計算機輔助教學資源，因此輸出層BP神經(jīng)網(wǎng)絡中神經(jīng)元的數(shù)量為3個，用Q=｛q1，q2，q3｝表示，其中q1表示視覺型準確率；q2表示聽覺型準確率；q3表示讀寫型準確率。在BP神經(jīng)網(wǎng)絡中，隱含層中的神經(jīng)元數(shù)量對計算機輔助教學系統(tǒng)本身的性能有著直接的影響，因此還需明確對隱含層中的數(shù)目信息計算公式：

公式（4）中，Xa表示BP神經(jīng)網(wǎng)絡隱含層中數(shù)量；a表示輸入層中單元數(shù)量；b表示輸出層中單元數(shù)量。根據(jù)上述公式計算出相應的計算機輔助教學系統(tǒng)中各項教學資源的劃分精準度，從而通過結(jié)果輸出的模式轉(zhuǎn)換形式，得出評價結(jié)果［10］。同時，教師也可通過結(jié)果對不同類型、不同學習能力水平的學生提供合理的學習建議，形成良好的教學回路。

3 實驗

基于虛擬現(xiàn)實的計算機輔助教學系統(tǒng)的實驗，主要是仿照系統(tǒng)在用戶使用過程中，通過相應實驗結(jié)果數(shù)據(jù)對該系統(tǒng)性能進行分析。

3.1 實驗準備

首先，利用仿真實驗軟件創(chuàng)建本文計算機輔助教學系統(tǒng)與傳統(tǒng)系統(tǒng)的仿真運行環(huán)境，根據(jù)計算機輔助教學系統(tǒng)的功能創(chuàng)建測試仿真用例，逐漸檢查系統(tǒng)與用戶功能要求是否符合實現(xiàn)假設。為保證仿真實驗結(jié)果的可靠性，創(chuàng)建系統(tǒng)錯誤數(shù)據(jù)及有效數(shù)據(jù)共600例，其中錯誤數(shù)據(jù)300例，有效數(shù)據(jù)300例。通過實驗判斷系統(tǒng)是否可以正確執(zhí)行。其次，在實驗過程中對不同學習風格、學生能力水平等影響實驗結(jié)果的因素進行統(tǒng)一設定。將上述實驗數(shù)據(jù)分別引入本文計算機輔助教學系統(tǒng)和傳統(tǒng)計算機輔助教學系統(tǒng)當中，設置本文系統(tǒng)為實驗組，傳統(tǒng)系統(tǒng)為對照組。

3.2 實驗結(jié)果及分析

根據(jù)上述實驗準備完成仿真實驗，并將實驗結(jié)果中的數(shù)據(jù)信息進行記錄，繪制成如表2所示的實驗組與對照組實驗結(jié)果對比。

表2 實驗組與對照組實驗結(jié)果對比

根據(jù)表2中的實驗結(jié)果數(shù)據(jù)可以看出，實驗組的教學資源分配正確數(shù)量明顯高于對照組的教學資源分配正確數(shù)量。因此通過仿真實驗進一步證明本文提出的基于虛擬現(xiàn)實的計算機輔助教學系統(tǒng)與傳統(tǒng)系統(tǒng)相比，有效提高了對不同學習能力水平的學生教學資源分配的正確率，針對性更強，因此本文系統(tǒng)更適用于實際計算機輔助教學。

4 結(jié)語

本文通過對基于虛擬現(xiàn)實的計算機輔助教學系統(tǒng)的設計，有效改善了傳統(tǒng)系統(tǒng)中的師生交流平臺及學生學習平臺，并將相關(guān)移動設施、虛擬現(xiàn)實技術(shù)引入到該系統(tǒng)當中，實現(xiàn)了對計算機輔助教學的交流立體化和學習智能化，有針對性地對不同學習能力的學生提供符合其自身需要的教學資源，增加教學資源的利用率，并更好地為師生提供服務。