☆ 梁智杰 冉利龍 萬 嵩

（西南科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院，四川綿陽 621010）

一、引言

教學(xué)導(dǎo)航系統(tǒng)的主要任務(wù)就是為學(xué)習(xí)者準(zhǔn)確地提供學(xué)習(xí)定位，并幫助其制定學(xué)習(xí)策略和組織知識(shí)結(jié)構(gòu)，以增強(qiáng)學(xué)習(xí)者的定位意識(shí)，提高學(xué)習(xí)效率[1]。目前，國內(nèi)的教育機(jī)構(gòu)已紛紛嘗試開發(fā)教學(xué)導(dǎo)航系統(tǒng)，比較有代表性的就是“北大英雄”。它是一款以北京大學(xué)為背景的角色扮演游戲，玩家在游戲中扮演一名北大新生，在校園內(nèi)進(jìn)行報(bào)到注冊(cè)、領(lǐng)取校園卡、熟悉校內(nèi)選課、學(xué)生自主中心、社團(tuán)、食堂、圖書館等生活情景。通過此類教育游戲，不僅可以使新生直觀地感受北大校園風(fēng)光，而且對(duì)他們從入學(xué)到畢業(yè)很多教學(xué)活動(dòng)環(huán)節(jié)進(jìn)行引導(dǎo)和有效定位，使學(xué)生提前適應(yīng)并融入校園生活[2]。

但是，在遠(yuǎn)程教育方面尚無此類導(dǎo)航系統(tǒng)的研究。由于現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育過程中學(xué)生和教師、學(xué)生與學(xué)生時(shí)空準(zhǔn)永久性分離的特點(diǎn)，使得遠(yuǎn)程學(xué)生無法像普通全日制在校生一樣實(shí)時(shí)開展學(xué)習(xí)活動(dòng)，準(zhǔn)確掌握教學(xué)管理信息；不知道在某個(gè)時(shí)段應(yīng)該做什么，如何去做，從而造成嚴(yán)重的“迷航”現(xiàn)象，也削弱了遠(yuǎn)程學(xué)習(xí)者對(duì)學(xué)校的歸屬感。

基于此，文章在研究現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育機(jī)構(gòu)輔助支持服務(wù)的基礎(chǔ)之上，提出了一種基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的遠(yuǎn)程教育導(dǎo)航系統(tǒng)，并提供了新的開發(fā)途徑和模式。

二、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)概述及其在遠(yuǎn)程教育導(dǎo)航中應(yīng)用的必要性

（一）虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)及其特性

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Virtual Reality,簡稱VR），又稱靈境技術(shù)[4]。是信息技術(shù)領(lǐng)域近年來十分活躍的研究方向，它匯集了多項(xiàng)高新技術(shù)，包括：計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、多媒體技術(shù)、人機(jī)接口技術(shù)、人工智能、傳感器技術(shù)、高度并行的實(shí)時(shí)計(jì)算技術(shù)、仿真技術(shù)及人類行為學(xué)研究等。它可以帶給用戶更逼真的體驗(yàn)，為人類探索宏觀和微觀世界以及由于各種條件不能身臨現(xiàn)場直接觀察事物提供了極大的便利。

虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)具有的三個(gè)關(guān)鍵要素：“沉浸感（Im?mersion）、交互性（Interaction）、想象性（Imagination）”。可以用“3I”一詞來生動(dòng)地描述。

1.沉浸感

虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的沉浸感主要來自于用戶對(duì)虛擬環(huán)境的多方位感知，除了我們常見的視覺和聽覺外，還包括觸覺、力覺、嗅覺甚至運(yùn)動(dòng)感知。為了達(dá)到理想的仿真效果，虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)應(yīng)該具備人類在現(xiàn)實(shí)生活中所有的感知功能。但鑒于目前的科技水平的局限性，虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中應(yīng)用相對(duì)比較成熟的僅僅是視覺、聽覺和觸覺沉浸，有關(guān)味覺、嗅覺等其它相關(guān)的感知技術(shù)目前尚在研究之中。

2.交互性

交互性是指用戶與虛擬環(huán)境所包括的各種對(duì)象之間的相互作用。虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)能夠提供豐富的、方便的、基于自然技能的人機(jī)交互手段，這些手段使得參與者能對(duì)虛擬環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)的操縱，能從環(huán)境中得到反饋信息，也能使系統(tǒng)了解參與者的關(guān)鍵部位的狀態(tài)、位置、變形等各種系統(tǒng)需要收集的數(shù)據(jù)[3]。與多媒體技術(shù)有所不同，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)強(qiáng)調(diào)人與虛擬環(huán)境之間的交互方式要更加自然，并實(shí)時(shí)產(chǎn)生與客觀世界中一樣的感受。

3.想象性

想象性作為虛擬世界的起點(diǎn)，是多種虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的體驗(yàn)方式。虛擬世界雖然是對(duì)現(xiàn)實(shí)的模擬，但所模擬的對(duì)象卻是虛擬存在的；它以現(xiàn)實(shí)世界為基礎(chǔ)，卻可以創(chuàng)造超越現(xiàn)實(shí)的情境。所以，它可以更好地發(fā)揮人類的認(rèn)知探索能力。當(dāng)用戶沉浸在多維空間中，依靠自己的認(rèn)知能力和感知能力全方位地獲取信息，發(fā)揮主觀能動(dòng)性，形成新的構(gòu)思，這種構(gòu)思結(jié)果反饋到系統(tǒng)中去，系統(tǒng)會(huì)將處理的狀態(tài)實(shí)時(shí)反饋給用戶，如此周而復(fù)始，可以為用戶創(chuàng)造出一個(gè)學(xué)習(xí)—?jiǎng)?chuàng)新—再學(xué)習(xí)—再創(chuàng)新的循環(huán)模式，隨著用戶不同的反應(yīng)，帶給用戶更加廣闊的想象空間，從而促進(jìn)學(xué)習(xí)者的想象力和創(chuàng)造力發(fā)展。

（二）虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在遠(yuǎn)程教育導(dǎo)航中應(yīng)用的必要性

在傳統(tǒng)的全日制教育中，學(xué)習(xí)者不僅能夠從課堂內(nèi)學(xué)到書本知識(shí)，而且可以通過同學(xué)間在課外的各種互動(dòng)、社交活動(dòng)等過程完成學(xué)習(xí)，這些活動(dòng)甚至能夠創(chuàng)造比課堂內(nèi)更為豐富的非結(jié)構(gòu)化知識(shí)體系和社會(huì)體驗(yàn)。正是這些自發(fā)的課外互動(dòng)交流，使得學(xué)生建立起對(duì)同窗學(xué)友的認(rèn)同感，校友關(guān)系成為他們終生的寶貴社會(huì)資源[4]。

但是，遠(yuǎn)程教育因?yàn)槠洫?dú)特的辦學(xué)特性，遠(yuǎn)程學(xué)習(xí)者只是登錄課程網(wǎng)站進(jìn)行自學(xué)，特別是入學(xué)教育、選課、實(shí)踐活動(dòng)、畢業(yè)設(shè)計(jì)選題等重要的活動(dòng)也都是以獨(dú)立個(gè)體的方式利用互聯(lián)網(wǎng)與學(xué)校交互，因此，其“在?！钡捏w驗(yàn)是抽象和平面的——“在?！钡扔凇霸诰W(wǎng)頁上”。學(xué)生之間互動(dòng)很少，缺乏一個(gè)共同的時(shí)空，來激發(fā)他們之間的自發(fā)交互行為。盡管目前很多遠(yuǎn)程教育部門也嘗試了以BBS、虛擬學(xué)習(xí)社區(qū)為主要形式的師生、生生之間的互動(dòng)空間。但是這種手段只能支持以課程學(xué)習(xí)為主要?jiǎng)訖C(jī)和帶有明確學(xué)習(xí)目的的交互行為。因此，遠(yuǎn)程教育學(xué)生往往很難建立對(duì)校友的認(rèn)同感和對(duì)學(xué)校的歸屬感。如何利用新型的多感知媒體有效激發(fā)遠(yuǎn)程學(xué)習(xí)者之間的自發(fā)交互，從而使他們獲得較強(qiáng)的在校生活體驗(yàn)成為了一個(gè)亟待解決的問題。

作為一種新興的教學(xué)媒體，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為解決現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育中所存在的諸多制約因素提供了新的思路。其能夠?yàn)閷W(xué)生提供生動(dòng)、逼真的學(xué)習(xí)環(huán)境，學(xué)生能夠成為虛擬環(huán)境的一名參與者，在虛擬環(huán)境中扮演一個(gè)角色，這對(duì)于調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，突破教學(xué)的重點(diǎn)、難點(diǎn)，培養(yǎng)學(xué)生的技能都起到積極的作用。

在現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育領(lǐng)域通過引入虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，能夠構(gòu)造虛擬校園，模擬虛擬教師、實(shí)現(xiàn)虛擬實(shí)驗(yàn)，這將為學(xué)生提供一個(gè)真實(shí)的學(xué)習(xí)場景，極大地激發(fā)其學(xué)習(xí)熱情，調(diào)動(dòng)其學(xué)習(xí)積極性，從而達(dá)到建構(gòu)主義教學(xué)思想的本原。

三、系統(tǒng)概念層次的設(shè)計(jì)

對(duì)于遠(yuǎn)程學(xué)習(xí)者而言，基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的導(dǎo)航是一個(gè)引導(dǎo)遠(yuǎn)程學(xué)習(xí)者實(shí)施學(xué)習(xí)活動(dòng)的交互平臺(tái)。該系統(tǒng)不僅僅能以三維可視化的方式對(duì)校園實(shí)景進(jìn)行模擬，而且可以對(duì)遠(yuǎn)程教育學(xué)院的學(xué)生從入學(xué)到畢業(yè)一系列息息相關(guān)的教學(xué)活動(dòng)進(jìn)行演示和交互導(dǎo)航，使他們提前參與學(xué)習(xí)活動(dòng)，從而對(duì)遠(yuǎn)程教育機(jī)構(gòu)的教學(xué)活動(dòng)和教務(wù)流程進(jìn)行深層次的理解，以便更好地接受學(xué)習(xí)支持服務(wù)。具體來說，該導(dǎo)航系統(tǒng)包含3個(gè)互相聯(lián)系的功能模塊。

（一）引導(dǎo)遠(yuǎn)程學(xué)習(xí)者實(shí)施學(xué)習(xí)活動(dòng)

遠(yuǎn)程學(xué)習(xí)者從入學(xué)到畢業(yè)，有很多教學(xué)管理環(huán)節(jié)與他們的學(xué)習(xí)息息相關(guān)，例如：網(wǎng)絡(luò)教育國家統(tǒng)一入學(xué)考試、在線學(xué)習(xí)、期末輔導(dǎo)答疑、統(tǒng)考、學(xué)位申請(qǐng)以及畢業(yè)設(shè)計(jì)等。學(xué)習(xí)者能否準(zhǔn)確把握這些教學(xué)環(huán)節(jié)并及時(shí)整合自己的學(xué)習(xí)進(jìn)度是非常重要的。但目前很多學(xué)生對(duì)網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院提供的各種學(xué)習(xí)支持服務(wù)還一知半解。所以，該系統(tǒng)可以為學(xué)生提供一個(gè)三維“虛擬校園”空間，替代原來的WWW網(wǎng)站作為遠(yuǎn)程學(xué)生訪問各種學(xué)習(xí)功能的門戶。

學(xué)生以Avatar（替身）的形式進(jìn)入三維空間后，通過在其中的沉浸式交互，導(dǎo)航到各種學(xué)習(xí)活動(dòng)所需的子系統(tǒng)，如課件瀏覽、在線測試、在線答疑、問題討論、成績查詢等。學(xué)生在虛擬世界中找一個(gè)替身為自己完成相應(yīng)的“任務(wù)”，每一個(gè)模塊都有語音導(dǎo)航和教師的虛擬替身給予過程指導(dǎo)，使之在充分了解網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院提供的各種學(xué)習(xí)支持服務(wù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步學(xué)習(xí)更深層次的知識(shí)。

當(dāng)然，并不要求學(xué)習(xí)功能本身也必須通過Avatar的形式在虛擬世界里進(jìn)行。完全可以用超鏈接的方式將這些原有的學(xué)習(xí)功能系統(tǒng)的訪問界面綁定到虛擬校園的特定空間結(jié)構(gòu)上。比如：可以用一個(gè)虛擬行政樓表示一個(gè)教務(wù)系統(tǒng)的訪問入口，學(xué)生進(jìn)入這個(gè)辦公室后，界面就可以切換到原有的教務(wù)系統(tǒng)網(wǎng)站。

（二）實(shí)體校園虛擬化

虛擬現(xiàn)實(shí)世界是一個(gè)計(jì)算機(jī)仿真的三維在線虛擬環(huán)境，為身處不同地點(diǎn)的人們跨越空間限制、以一種具有強(qiáng)烈沉浸感的方式進(jìn)行交互。三維虛擬校園[5]，是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育領(lǐng)域中最典型的具體應(yīng)用。通過對(duì)校園內(nèi)的實(shí)體進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，并通過三維實(shí)景模擬的方式，使遠(yuǎn)程學(xué)習(xí)者能身臨其境感受優(yōu)美的校園風(fēng)光、良好的教學(xué)環(huán)境和教學(xué)資源，可隨意選擇校園中的景點(diǎn)和參觀路線，全方位地感受校園生活。

（三）在線交互

3D環(huán)境中的交互包括人機(jī)交互和人人交互兩個(gè)方面。人機(jī)交互即替身與三維虛擬環(huán)境之間、替身與虛擬實(shí)體之間的交互。用戶通過鼠標(biāo)、鍵盤等設(shè)備在三維空間中完成課程選擇、領(lǐng)取學(xué)習(xí)材料包等活動(dòng)。人人交互即學(xué)生與教師、學(xué)生與學(xué)生之間可以在虛擬場景中進(jìn)行實(shí)時(shí)文本聊天和信息交流。

遠(yuǎn)程教育學(xué)生接觸最多的是校外學(xué)習(xí)中心，因此，以校外學(xué)習(xí)中心的職能為研究出發(fā)點(diǎn)，在對(duì)遠(yuǎn)程教育機(jī)構(gòu)為學(xué)習(xí)者提供的各種教學(xué)服務(wù)進(jìn)行調(diào)查分析的基礎(chǔ)之上開發(fā)出三維虛擬現(xiàn)實(shí)導(dǎo)航系統(tǒng)。在上述概念層次設(shè)計(jì)的指引下，設(shè)計(jì)了導(dǎo)航系統(tǒng)的相應(yīng)功能總體實(shí)現(xiàn)方案（如圖1）。

圖1 學(xué)習(xí)活動(dòng)和機(jī)構(gòu)相關(guān)職能部門結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)模擬出了遠(yuǎn)程教育學(xué)生的入學(xué)典禮、登陸學(xué)習(xí)平臺(tái)、領(lǐng)取學(xué)習(xí)材料、集中面授學(xué)習(xí)、參加考試、實(shí)踐活動(dòng)、畢業(yè)設(shè)計(jì)選題及答辯、申報(bào)學(xué)位、領(lǐng)取畢業(yè)證、參加學(xué)位授予儀式等一系列活動(dòng)。將這些活動(dòng)整合后設(shè)計(jì)為一個(gè)角色闖關(guān)游戲[6]，采用任務(wù)驅(qū)動(dòng)的理念，讓學(xué)習(xí)者接受并完成學(xué)習(xí)任務(wù)。

其次，幫助學(xué)生理解學(xué)習(xí)中心與遠(yuǎn)程教育各個(gè)部門之間的聯(lián)系，對(duì)各個(gè)部門的職能范圍加深理解，以便他們?cè)诓煌膶W(xué)習(xí)階段求助于不同的職能部門。比如：招生部門負(fù)責(zé)入學(xué)證件的審核、組織入學(xué)考試、錄取通知書的發(fā)放；教務(wù)服務(wù)部負(fù)責(zé)試卷的評(píng)閱；教學(xué)服務(wù)部負(fù)責(zé)成績處理和學(xué)習(xí)材料包的發(fā)放；課程資源部提供課程素材和相應(yīng)學(xué)習(xí)資源支持服務(wù)。

四、系統(tǒng)功能總體實(shí)現(xiàn)方案

系統(tǒng)具有3大基本功能，分別是三維場景漫游、情景模擬和二維三維聯(lián)動(dòng)交互。三維場景漫游，是實(shí)現(xiàn)Ava?tar（替身）位置平移、視角旋轉(zhuǎn)、環(huán)繞等靈活、交互式的漫游功能，用戶可以在三維場景中前進(jìn)、后退、提升降低視點(diǎn)，并提供了飛行、繞物旋轉(zhuǎn)等多種瀏覽模式。情景模擬，制作了遠(yuǎn)程學(xué)習(xí)者從入學(xué)到畢業(yè)一系列教學(xué)活動(dòng)演示說明，以情景動(dòng)畫的方式展示給學(xué)習(xí)者。二維三維聯(lián)動(dòng)交互，是將各個(gè)教學(xué)職能部門在三維虛擬世界中對(duì)應(yīng)具體的建筑物信息，用戶在漫游過程中，也可以與其他學(xué)習(xí)者在虛擬世界中碰面并以文字的方式進(jìn)行交流。

（一）平臺(tái)選擇及應(yīng)用軟件選擇

隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的快速發(fā)展和應(yīng)用，國內(nèi)外出現(xiàn)了應(yīng)用該技術(shù)的各種開發(fā)工具。目前使用較多的虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)有 Virtools、Quest3D、VR-platform（國產(chǎn)）、Web max等。其中，Virtools平臺(tái)以其強(qiáng)大的三維引擎功能和豐富的交互式控制腳本受到了較多專業(yè)人士的信賴，從項(xiàng)目的交互功能設(shè)計(jì)需求角度考慮，本研究選擇了Virtools平臺(tái)。此外，三維場景建模及動(dòng)畫制作軟件采用了3ds Max，建模輔助設(shè)計(jì)軟件采用了AutoCAD，平面設(shè)計(jì)軟件則采用了Photoshop。

（二）系統(tǒng)開發(fā)流程

虛擬現(xiàn)實(shí)導(dǎo)航系統(tǒng)的開發(fā)主要分為以下4個(gè)階段（如圖2）。

圖2 系統(tǒng)開發(fā)流程

（1）數(shù)據(jù)收集：在前期需求分析的基礎(chǔ)上，為了突出實(shí)景的逼真效果，收集了建筑物CAD圖紙、實(shí)物規(guī)格和尺寸、實(shí)地拍攝樣圖及表面紋理及貼圖。

（2）三維虛擬場景的搭建：利用3ds max分批逐次對(duì)場景進(jìn)行建模并制作相關(guān)情景動(dòng)畫，最后將整個(gè)場景烘焙導(dǎo)出。

（3）導(dǎo)航及交互動(dòng)能設(shè)計(jì)：主要包括場景交互功能腳本添加、替身交流信息制作、語音導(dǎo)航功能和虛擬場景中建筑物對(duì)應(yīng)的超鏈接添加。Virtools提供了5個(gè)可選的功能模塊，即物理屬性模塊（physics Pack）、虛擬展示模塊（VR Pack）、多用戶網(wǎng)絡(luò)服務(wù)模塊（Multi-user Server Pack）、人工智能模塊（AI Pack）和游戲開發(fā)模塊（Xbox Kit），其中包含了500多個(gè)行為腳本模塊避免了繁雜冗長的動(dòng)態(tài)交互設(shè)計(jì)與程序代碼編寫，就能輕松實(shí)現(xiàn)角色的物理屬性及行為設(shè)定[7]。

（4）系統(tǒng)生成及發(fā)布：對(duì)系統(tǒng)相應(yīng)界面進(jìn)行美工處理和設(shè)計(jì)，并最終發(fā)布成基于B/S模式的三維導(dǎo)航系統(tǒng)。

五、結(jié)束語

本文從現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育缺乏課外自發(fā)交互的現(xiàn)狀出發(fā)，基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)設(shè)計(jì)了一種新型的遠(yuǎn)程教育導(dǎo)航系統(tǒng)。遠(yuǎn)程學(xué)習(xí)者以虛擬化身的方式在三維實(shí)景校園中進(jìn)行人機(jī)之間、人人之間的交互，以任務(wù)驅(qū)動(dòng)的方式參與從入學(xué)到畢業(yè)的一系列息息相關(guān)的活動(dòng)，從而增加遠(yuǎn)程學(xué)習(xí)者同窗之間彼此認(rèn)同感和對(duì)學(xué)校的歸屬感。隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的普及，將該系統(tǒng)與移動(dòng)學(xué)習(xí)終端（如智能手機(jī)、Ipad等）相結(jié)合將是我們下一階段的主要工作。

[1]宋京燕,龍祖利.導(dǎo)航系統(tǒng)在遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)教學(xué)管理中的應(yīng)用研究[J].中國成人教育,2009,（11）:47-48.

[2]王利絨,朱東鳴.基于虛擬現(xiàn)實(shí)的教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].中國遠(yuǎn)程教育,2011,（1）:67-69.

[3]葉步偉,馬德俊.虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)及其在遠(yuǎn)程教育中的應(yīng)用[J].繼續(xù)教育研究,2011,（6）:79-82.

[4]謝偉凱,申瑞民.一種基于虛擬世界和社交網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程教育校園生活平臺(tái)模型[J].中國遠(yuǎn)程教育,2009,(12):66-74.

[5]梁智杰,李眾立.VR-platform校園漫游系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用,2010,(9):124-127.

[6]萬嵩.探游式教學(xué)資源——提高成人教育績效的資源建設(shè)范式[J].中國電化教育,2011,(12):69-72.

[7]杜麗,林筑英,尹兵.網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)游戲開發(fā)中的VR技術(shù)應(yīng)用[J].中國遠(yuǎn)程教育,2011,(7):76-80.