基于VR设备的课堂教学辅助应用的设计

导语：虚拟现实（VR）是现阶段科技研究热点之一，其所提供的高自由度沉浸式体验可以满足现阶段课堂教育对教学手段方式创新的需求。本文围绕VR在课堂教学中的应用展开研究，综合VR的优势与现阶段课堂教学的需求，考虑技术的发展现状和趋势，展望VR应用于课堂教学的关键技术与典型应用场景，根据现有的技术资料，构建了一套可作为VR辅助教学应用的系统，为未来VR设备的课堂教学辅助应用设计提供参考。

关键词：VR;课堂教学；应用展望；系统设计

1 引言

人民教育家陶行知说过“教育是立国之本“，而近年来教育越来越显出其重要性，甚至成为检验综合国力的重要标准。2016年全国各级各类学历教育在校生为2.6亿人[1]，如此庞大的教育规模使得教育方式和手段的创新成为现阶段重要研究领域之一。

课堂教学是当前教育的主体与最常见形式，其形式为老师和学生交互，辅以课件或模型的展示理解，因而展示与互动成为课堂教学的基础因素，其直接影响课堂教学的质量。发展现有交互和展示方式，或提供全新的手段，可以提高教育质量和教学趣味，而VR技术正提供了改变现有课堂教学方式的可用手段。

虚拟现实（Virtual Reality，即VR）利用电脑模拟三维空间的虚拟世界，提供视觉、听觉、触觉等感官的体验，让使用者可以及时、无地观察三维空间内的事物。VR技术使交互方式上升到一个新的档次、新的维度，创造出突破空间的展示与交互环境。教学手段发展到现在，相比原来只有粉笔和黑板的时代已有了质的改变，尤其投影仪、电子白板等数码设备的应用，极大驱动了教学手段多样性和教学质量的提高。但以上所有的设备都无法突破空间的，且很难真正做到精确模拟和实时交互，而VR技术的感知性多样、浸没感强、交互性突出、构想性灵活的特点，恰合当前教学展示与交互的发展需求。

本文针对VR在教学中的应用开展研究，调研现有方案的不足，基于5G、人工智能等新技术，提出未来VR在教学中的方案，使得教学交互性更强、展示更直观、趣味性更高，并具有体验功能。基于现有课程形式及内容，展望了VR在教学中应用方式，并最终提出一套技术方案，以实现模型展示、模拟课堂环境、师生交互等功能。2 VR应用于课堂教学的关键技术展望

现阶段VR技术不断发展，并开始被引入课堂应用，如上海某学校在天文课堂应用VR技术，使学生可以身临其境地观察天体。该系统中，老师用平板电脑为主控端，包含多套学生用的VR眼镜及教育软件。结果表明VR技术很好地达到了预期目的，提升了学生的学习积极性与参与性，但同时也暴露出现阶段VR的缺点，如单套48万元的高昂成本、长时间应用后头晕、展示方式单一等。目前VR应用于课堂教学仍处于探索阶段，研究多集中在雏形设计及应用设想阶段，未来仍具有广阔的研究空间。

分析VR的发展现状，可以看出现有设备的计算能力、装置成本、设备体积、设备便携性及应用范围方面存在明显的不足，而通过引入分布式云计算、5G技术可解决上述问题。

（1）分布式云计算技术

云计算可为VR提供大规模的计算能力支持，提高计算速度、计算能力、应用规模。目前该技术成熟，框架多样，可针对VR的应用开展适应性能力改进。同时该技术可降低硬件及运营费用，降

• 58 •

低VR设备成本。

（2）5G技术

通信已经进入4G到5G的过渡阶段[2]，而5G技术符合VR对传输速度、实时性、传输容量的需求。5G技术尚处试验阶段，但其基础技术和架构已经成型，随着大规模MIMO技术、基于滤波器组的多载波技术、超密集异构网络技术、无线传输技术和无线网络架构等关键技术的突破[3]，已具备商业应用条件。

3 VR在教学中的应用场景展望

VR技术的优点主要表现在安全性、高自由度、直观交互性、沉浸式体验等方面。其中安全性是指VR技术所构建的拟真环境不会对人体造成伤害；高自由度是指使用者可灵活变换观察视角；直观可交互性是指VR可提升展示环境或物体的真实感，并提供多种交互方案；沉浸式体验是指VR可提供视觉、听觉、触觉等感官体验。基于以上特点，本文从展示应用、体验应用、互动应用方面，展望了VR在教学中的应用场景。3.1 展示应用

应用1：微观结构展示

用于生物、化学课程，建立细胞VR结构模型，使用VR设备进行微观视角查看，实现细胞和原子微观结构的展示，取代不够直观的二维图像与无交互功能、粗糙的三维模型，具有形象直观、吸引性强、利于记忆的特点。

应用2：地形地貌展示

用于地理课程，实现各种地形的展示，如极端地形海底火山、海沟、火山口、地球内部等，也可展示宏观或微观的垂直或水平结构，如一片池塘的模型，一座山的层次模型等，该应用突破了空间，具有形象直观的优点。

应用3：沉浸式展示

用于美术课程，实现艺术作品环境的营造，加强艺术审美的感知。此外还可提供作画的背景，给予画家度多角度的观察环境，便于细节的勾勒与描绘，具有自由度高、体验感强的特点。3.2 体验应用

应用1：语境体验

用于语文、英语课程，营造阅读环境，给予沉浸式的审美感知。例如在阅读文章时，由VR设备提供环境背景，便于阅读者理解情节、情感共鸣，相比于原来仅靠感知与想象，优化了阅读体验。 应用2：危险或理想实验体验

用于物理化学生物等课程，模拟现实不具备的理想环境或危险实验环境[4]，如理想斜面实验、爆炸实验等，具有操作性强、可重复、安全的特点。

应用3：设计交互体验

用于建筑和设计，利用VR建模软件，进行建筑设计的模拟建立等，实现建筑材料的感知、强度的测试、建筑模型的建立，自由度高且有助于拓宽思路。3.3 互动应用

应用1：远程教学互动

系统可模拟远程教学、实时课程会议的环境，实现云端教育。应用时老师与学生以客户端形式接入，基于第三方平台进行实时交流，相比于实体线下课堂更为方便，相比于线上会议具有更的感官体验与实时互动，便于交流。

应用2：师生互动

基于联机，VR客户端提供可交互、安全理想的训练环境，实

ELECTRONICS WORLD・探索与观察现学生、老师与虚拟器材、虚拟环境的互动反馈，如应用于攀岩教学中，既可以规避伤害，又得以使老师实时指导学生的动作，实现安全训练和高度交互[5]。

（5）其它功能包括味觉嗅觉触觉等的反馈系统。4.4 开发系统

开发系统是一种建模软件，可使老师学生方便、灵活、直观地完成教学相关VR场景构建，是一种通用基础软件。由创作平台、分享平台等组成。

（1）创作平台，主要完成建模的创作，一般步骤包括：①由基础图形完成三维图的生成；②开展3D图像渲染；③基于物理引擎完成场景的演示与测试。

（2）分享平台，主要作为建模完成之后成品的数据库及分享平台，由客户端和云数据平台组成，能让使用者在线共享建模作品，如教学资料、实验模型等。

4 VR系统应用于课堂教学的系统方案设计

基于现有技术及应用特点，设计一套VR教学系统，系统包含云端系统、通信系统、VR客户端系统与开发系统等，各分系统功能及原理如下。4.1 云端系统

云端系统用于完成数据的处理，具有数据量大、计算能力强、资源丰富的特点，主要由高性能计算模块、数据输入/输出模块、存储模块组成，各功能模块原理如下。

（1）高性能计算模块，主要完成数据运算，基于分布式或集中式云计算的原理，利用在线高性能计算机实现集中处理数据。

（2）数据输入/输出模块，用于数据在云端系统、通信系统之间的输入和输出。

（3）存储模块，具有大存储空间，用来储存VR系统上传的数据。4.2 通信系统

通信系统可完成VR客户端数据的上传和云端系统处理结果的反馈，具有传输速度快、数据容量大、时延小的特点，满足VR数据云端处理传输需要。通信系统基于5G系统搭建数据传输网络，具有速快量大时延小的特点。4.3 VR客户端系统

VR客户端系统可以完成虚拟环境的构建，同时接收用户信息输入，给予反馈，为用户提供多感官沉浸式体验。由视觉系统，听觉系统，方位跟踪设备和其他功能单位组成，各功能单元原理如下。（1）客户端无线通信系统，主要完成客户端对通信系统的接入与信息的传输。

（2）视觉系统，以头盔显示器为核心，给予沉浸式的大角度观察视角。

（3）听觉系统，基于人工智能和计算机处理系统[6]，完成语音识别、声音合成与声音定位等功能。

（4）方位跟踪设备，以方位、数据手套和数据衣为主体，实现手势动作方位的感知与触觉反馈。

5 结束语

本文针对VR设备在未来课堂教学中的应用，针对现阶段成本高、运算能力弱、使用范围有限等问题，提出了利用分布式云计算、5G技术进行解决的设想，并完成了关键技术展望。基于VR自身的特点，梳理出展示、体验与互动等三个应用方向，结合各课程的实际需求，完成了8种应用场景展望。最后基于关键技术及实际应用场景，提出了一套包含云端系统、通信系统、VR客户端系统、开发系统的应用于课堂教学的系统设计方案。随着关键技术的发展与成熟，经过不断地研究，VR技术的现有缺点将被逐渐弥补，其在未来课堂教学中的应用更加广泛。（作者单位：杭州市第二中学）引文

①http://www.moe.gov.cn/jyb_sjzl/sjzl_fztjgb/201707/t20170710_309042.html.②冯逸.从5G与4G的比较中展望通信未来[J].数字通信世界,2017(12).③尤肖虎,潘志文,高西奇,等.5G移动通信发展趋势与若干关键技术[J].中国科学:信息科学,2014,44(5):551-563.

④芦璐,徐乐乐.VR技术对物理教学的影响[J].现代商贸工业,2017(12):161-162.

⑤李学恒,裴晶晶.VR技术在体育教学中的应用[J].电脑编程技巧与维护,2011(6):107-108.

⑥顾险峰.人工智能的历史回顾和发展现状[J].自然杂志,2016,38(3):157-166.

（上接第57页）

工修正或相应的数据库自动修正。由于以上试验需要采集的数据较多，恒温时间也比较长，一般只对批量大，长时间在线加工的品种进行。小批量的品种，根据我们已做过的其它品种的试验，其修正值近似的按以下通用经验公式进行修正（注意正负号，高于20℃为负值，低于20℃为正值）：

4 结论

活塞在非标准温度下控制测量误差的方法，一是采用同材质的测量对规，此种方法简单、成本低，缺点是对规制造成本高；二是采用钢制对规，通过Minitab软件找出钢制对规在不同温度差下与活塞直径差的变化规律，通过公式来修正，采用此种方法需要采集试验数据较多，大批量加工时适合使用。企业在生产过程，要根据加工条件、批量大小，采用简单、可靠的控制方法。

引文

①张艳花等.Minitab软件在计量数据管理中的应用[J].计量技术,2010(8):66-68.

②刘立明.活塞销孔和外圆直径检测在非恒温条件下的校正[J].内燃机配件,2005,12(2):47-48.

③孟淑琴.高温差下活塞外圆精加工尺寸控制[J].内燃机配件,2005,13(4):15-16.

④朱爱民,张建志.测量不确定度的实际应用[J].计量技术,2005(5):49-52.⑤王蔚晨等.高精度活塞直径测量的新进展[J].计量学报,2006(9):77-79.作者简介：张宝国（1969—），男，硕士，滨州学院机场学院副教授、高级工程师，主要从事高效加工与数控刀具的研究与教学工作，已在中文核心以上期刊发表论文15篇。

图3 拟合线图

修正值=7.98×10×被测直径×(20℃－实际温度) (单位mm)

-6

• 59 •