基于虚拟现实技术的高校实验教学资源共享建设研究

董凯宁　孟津

摘 要 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。

关键词 虚拟现实 Krpano 高校 实验教学资源 共享

中图分类号：TP393 文献标识码：A

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作為技术基础，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2016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。實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（blendmodes[black-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2017年四川大学实验技术立项资助，项目编号20170008。

参考文献

[1] 董凯宁，孟津.基于虚拟现实技术的职业院校可共享教学资源研究[J].教育现代化，2017（12）：81-84.

[2] 刘德建，刘晓琳，张琰，陆奥帆，黄荣怀.虚拟现实技术教育应用的潜力、进展与挑战[J].开放教育研究，2016，22（04）：25-31.

[3] 杨江涛.虚拟现实技术的国内外研究现状与发展[J].信息通信，2015（01）：136-138.

[4] 赵洁，薛照明，张洪.管理类专业创新型实验教学体系与教学模式探索[J].现代教育技术，2012（04）：159-161.

[5] 冯曰欣，贾昆嵛.深化高校管理类专业实验教学改革的思考[J].实验室科学，2015（06）：118-122.