3DVC的交互行为及设计

李鸣华， 李玉洁

(浙江师范大学 教师教育学院,浙江 金华 321004)

0 引 言

教学交互是教学环境中学习者与教师、学习者与学习资源、学习者与学习者之间的双向交流[1-2]，是一种学习者知识建构和相互启发认知的基础[3].而教学交互过程中学习者所体现出来的行为方式，往往因教学环境的不同而有所变化.随着网络教育的不断发展，在网络学习平台、虚拟学习社区、虚拟学习空间、BLOG、微博等环境都开展了不同程度的教学与应用，但这种非面对面的学习效果一直不是很理想.究其原因，学习者习惯于面对面的课堂教学，课堂教学中师生之间、生生之间、学生与资源之间用自然、方便、直接的交互行为进行交流，而网络环境下却无法做到.

交互行为问题一直受到国内外学者的共同关注，从不同侧面展开了研究：理论层面上，分析与研究交互行为的特点及影响因素，认为教学策略、学习主题、学习者的学习动机等对虚拟学习社区中学习者的交互有显著影响[4-8];实践应用层面上，开展在线课程的交互讨论分析，如对BBS上的留言进行统计分析[9];技术层面上，研究交互行为的实现技术，如角色分配、代理墙、多智能体结构等[10-12].综观现有的研究，关注二维虚拟学习环境的较多，关注三维空间环境的较少；关注教学活动较多,而对其可操作性及可视化方面的研究相对较少；关注网上在线课程的交互行为较多，而针对交互行为的设计、开发研究较少.

相对于二维的网络学习平台，三维虚拟教室(3D Virtual Classroom，简称3DVC)能够比较真实地重现课堂教学情境，沿用以往传统课堂所熟悉的交互行为开展教学交互.但是，现有的3DVC系统在交互行为方面不同程度地存在一些问题[13].例如：用户化身的行为单调，协调性不好，用户对化身不能自如操控等.所以，本文研究3DVC的交互行为，试图将3DVC的智能性作进一步的提高，优化3DVC的整体性能，更好地支持教学交互.

1 交互行为的类型与特点

1.1 传统课堂教学环境的交互行为

传统课堂教学中，学生与教师、学生与学生、学生与教学资源之间的互动是直接的接触,或者说是面对面交流中同步进行的.学生的问题随时可以得到教师的解答，教师通过与学生的接触不仅可以监督、控制学生的学习，而且还可以主动激发学生的学习热情，满足学生在学习上的非知识性的心理需求，从而保证学生正确地进行知识建构[14].

传统课堂教学环境下的交互行为可从以下4个维度来体现：

1)言语表达：讲、说、读、写等;

2)肢体操作：指点、举手、转头、行走、坐下、起立等;

3)器官感知：视、听、触、嗅等;

4)态度：喜、怒、哀、乐等.

其中,教师和学生的讲、说等均是口头方式，教师的讲课并不是一气呵成的，在教学期间师生可实时提问、解答；学生和学生之间的交互行为具体有：答疑、讨论、实时交流等.但课堂上的情景对话需要提前设计或现场随机模拟.

1.2 二维虚拟教学环境下的交互行为

二维虚拟教学环境中，交互行为的类型可分为：学生与用户界面的交互、学生与学习资源的交互、师生交互、生生互动.

由于二维虚拟学习环境中的用户界面和学习资源都是以多媒体形式表示的，所以学生与它们之间的交互比传统课堂更丰富，更具有挑战性，如图1所示.师生和生生之间的交互行为，如：答疑、讨论、自由交流、在情境教学中进行角色分配等，可有同步交互和异步交互之分，而传统的课堂教学基本属于同步交互，从这一点来看，二维虚拟环境中的交互行为较具多样性.

图1 二维虚拟环境下学生和界面间的交互

具体的交互行为可从以下3个维度体现：

1)语言表达：发布信息、回复信息、记录笔记;

2)肢体动作：鼠标点击、键盘输入;

3)器官感知：视、听.

1.3 三维虚拟教学环境下的交互行为

三维虚拟环境教学中的交互行为类型可以归纳为导航、选择、操纵、系统控制4种[15].其特点是：在模拟传统教学环境的基础上，增加了二维虚拟环境网络技术和虚拟现实技术的使用，比二维虚拟环境增加了空间感知、运动感知和路径导航的交互行为，增强语音在教学过程中的应用.

具体的交互行为也可从以下4个维度体现：

1)言语表达：讲、说、读、发布信息、回复信息、记录笔记;

2)肢体操作：指点、举手、转头、行走、坐下、起立、点击鼠标、键盘输入等;

3)器官感知：视、听、触;

4)态度感知：喜、怒、哀、乐等.

2 3DVC体系结构

为了创设与真实教室逼真的虚拟教室，完成教室的基本教学功能，实现师生之间的自如交互，运用多代理技术，对系统功能、场景调度、师生行为及服务器群进行协同管理，创建一个拟生态的、分布式的三维虚拟教室，从而解决非面对面教学所带来的各种弊端.

虚拟教室系统采用C/S结构，整个环境由客户端和服务器端构成，客户端与服务器端通过Internet进行通讯,如图2所示.整个结构分为3层，即用户层、代理总控制层和服务器层.

图2 虚拟教室系统结构框图

1)用户层：用户主要包括学习者、教师、管理员等.通过注册登录，即可进入3DVC系统.浏览器采用支持IE的3D浏览器插件，用户通过简单而友好的界面，轻松实现各种交互.

2)代理总控制层：是虚拟教室显示其智能性的核心模块，支持虚拟环境中的智能控制和协同通讯，主要包含环境、化身、导航、教学、行为等引擎代理子模块和多代理协同管理子模块.每个引擎代理，根据3DVC的变化向服务器调用相应的数据信息.引擎代理将变化的信息反馈给多代理协同管理模块.多代理协同管理模块负责对各个引擎代理所发生的变化作出响应，进行管理与协调，同时处理多用户协同通信时出现的问题.

3)服务器层：主要包括场景服务器、Web服务器和会话服务器.采用多服务器模式，方便数据的管理与更新，支持不同的协议规范.如场景服务器包括3D场景模型、3D化身模型、会话管理等，通过SIP、Enet协议实现传输.通信服务器包括远程教学中所需的视、音频信号，通过RTP协议实现双向通信.

3 交互行为设计

3.1 用户化身代理的行为设计

3DVC除了支持其他虚拟教室所拥有的各种教学活动外，还能够支持足够的行为真实感.在其实现过程中设计了一个多代理引擎系统，包括交互代理、教学代理、环境代理、化身行为代理.

如图3所示，如果用户化身要发生一个单一动作行为，那么化身代理就直接调用线程池里的一个基本动作，实现化身动作.如果用户化身要发生多个动作行为，那么通过代理套接字Agsocket调用服务器端行为引擎代理中的行为脚本和行为决策，实现复杂动作.

图3 行为引擎代理框架

3.2 场景动态追踪和用户化身寻径

1)空间场景切换的目的是为了突出教学活动的主体，与真实教室上课一样，当教师讲课时，学生会自觉地将视线转移到教师身上，而当学生发言时，所有的目光都会转向发言者.为显示方便，在教室内固定架设3台虚拟摄像机，在屏幕的正上方架设1台摄像机，用于摄取学生场景；教室的正后方架设2台摄像机，一台用来获取电子屏幕的场景,另一台用来摄取教室全景，也是默认场景[16].

定义一个三维实体代理作为场景跟踪的目标点，将初始位置设置为教室空间的中心位置，即在水平方向上与教室的左右、前后均居中，高度方向上只要离开地面即可.同时为该实体定义相关属性和参数，如应用图形数据、路径搜索、动作、移动速度等；该实体每次所选择的路径从当前位置开始搜索一条到达目标位置的最短路径；若有多个学生要求发言，则该实体要进行冲突处理，屏蔽其余的发言者，并将选中的发言者的坐标位置作为该实体的追踪目标，实现场景刷新和显示.

2)为了使用户化身不穿越任何一个场景对象，不飘浮在空中，设定了场景地面属性、静态碰撞群、动态碰撞群等[17].为了使用户化身能够从任意位置行走到指定座位，在虚拟教室的每张桌子上设置一个三维对象，当用户点击该对象后，用户化身便会沿着从起始点到目标点之间的多条可选路径中的最短路径(采用A*搜索算法)走到目标点，如图4所示.图4中,“*”表示路径节点;①表示教师和学生化身寻径的预设路径.此外，教师除了学生的有效路径外，还包括讲台周围的路径，用②表示.只要教师或学生成功登录3DVC系统，他们所代表的化身实体就会出现在场景中.

图4 化身智能寻径的路径图

图5 3DVC中师生之间的交互行为

4 3DVC交互行为的实例

根据3DVC的体系结构，实现了各种交互行为，教师与学生之间可通过文本、视频、音频等进行身如实境的交互.

1)师生之间的交互行为.课堂上，师生化身之间的面对面交流的画面呈现如图5所示:(a)和(b)为一组.图5(a)是一位学生向老师举手示意要提出问题;图5(b)是教师转向提问学生的方向并作答.(c)和(d)为一组.图5(c)是教师群发作业的画面，完成作业布置任务;图5(d)是学生同时接受作业的画面，其中“1”表示作业接收.师生上下摆动的手势和他们敲打键盘的动作是同步映射的.图5实现了同步交互，可实时问答课堂问题.

2)生生之间的交互行为.图6显示的是学生在虚拟的聊天室进行课内外信息交流的场景.这种环境可引导学生进行深层心理上的愉悦体验，并可实现情感交流，有效提升学生的学习体验.图6(a)中学生1转向学生3对话;图6(b)中学生1、2共同转向学生3进行信息交流;图6(c)中箭头指向的文本框是本地聊天信息记录的显示(每个参与者均可及时输入并获得消息);图6(d)显示的是虚拟物品交换画面，其中一位学生转头要求另一位学生发一份电子邮件，实现实时发送和接受.

图6 3DVC中生生之间的交互行为

3)师生与界面的交互.如图7所示,图7(a)显示的是PowerPoint在线教学的画面.教师的讲课伴随语音播放、手势和文本的显示.图7(b)和图7(c)是界面的智能选择，场景的切换.图7(b)表示进入课堂环境;图7(c)表示进入聊天室.

(a)PowerPoint在线教学 (b)切换场景进入课堂环境 (c)切换场景进入聊天室 图7 师生与界面之间的交互

总之，用户化身可以产生多种动作，如行走、举手、转头等，在谈话的同时伴有文本显示和化身动作显示.师生也可以通过视、音频进行互动交流.在这种虚拟环境中，师生的面部表情动作可能不具形象感，但较二维虚拟教学环境更有利于学生之间的互相督促和提醒.通过不同场景的切换，也使得学生之间的情感交流更为丰富，为学生的个性化学习提供了可能性.

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