一种兴趣驱动的沉浸式网络教学模式的设计与教学实践

陈敏 汤晓安 孙海洋 仇焕青 刘小红 张竞超

摘要：以有效提高网络教学的学习兴趣为目标，研究并构建一种新的沉浸式的网络教学平台，借助VR（虚拟现实）头盔和智能手机等设备，构建沉浸式的网络虚拟实训和虚拟教学环境，改变传统的网络教学模式，将网络教学打造为身临其境的虚拟课堂，激发学习热情，提高学习兴趣，进而有效提升教学效果。

关键词：兴趣驱动;沉浸式;网络教学;虚拟现实

中图分类号：G642 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2019）33-0157-03

1概述

“需求牵引，兴趣驱动”是当代教育的主要特征与着力点，其中，“需求牵引”是一种被动和强制学习方式，而“兴趣驱动”是一种主动学习方式，因此“兴趣驱动”是提高学习热情、激发创新能力的关键。目前，以“需求牵引”为目标的教育体系建设已经基本完善，而如何提升“兴趣驱动”的教学能力则仍在探索中。

网络教学是课堂教学的重要补充，是指借助计算机、网络等技术，通过音频、视频、以及交互式多媒体等进行教学的方式。当前，网络教学主要以慕课、微课、以及WEB交互等为主要手段。网络教学与课堂教学的主要区别在于，前者是在无监督的条件下进行，无课堂纪律等方面的硬性要求，因此对学生的自觉性要求较高，而提高学习兴趣是关键，灵活多样的内容组织、引人人胜的教学方式、身临其境的学习体验等对提高网络教学的效果至关重要。

虚拟现实技术，特别是嵌入式虚拟现实技术是当前的研究热点，该技术通过头盔、立体眼镜等设备可营造出震撼逼真和引人人胜的虚拟场景。目前，将虚拟现实技术应用于网络教学，各高校进行了有意义的尝试，但基本局限于三维浏览等简单功能，且沉浸感不强，不能有效支持课程教学和实验。

基于此，研究一种以兴趣驱动为引领的，以沉浸式教学为基本特征的网络教学模式，形成完善的教学模式与评价机制具有重要的现实意义。本文首先分析嵌入式虚拟现实技术的实现原理和技术基础，然后给出沉浸式网络教学平台的设计方案和实现的基本步骤，最后给出此平台的教学实施过程与教学效果分析。

2沉浸式双目立体视觉基础

人们通过对现实场景的观察而获得立体感，并进而产生身临其境的感受，相应的，对虚拟场景的观察也基于此原理。人的双眼间距约为65mm，当人观察三维空间的立体目标时，双眼的观察角度稍有不同，视网膜上的成像具有细微差别，这就是双目视差。大脑皮层的视觉中枢将双眼视网膜成像进行融合最终形成具有深度感的视觉信号。当观察者双眼处于水平时，两眼视线是水平方向，视网膜上成像的视差称为水平视差;当双眼不是出于水平时，视网膜上成像会形成垂直方向上的视差，称为纵向视差。在一般的虚拟现实系统中，除非针对特定的场景需求，纵向视差一般不作考虑。立体视差模型如下图所示。

显然，当视差为正时，空间点将位于平面后方，视差为负时，空间点位于双眼和屏幕之间，视差为零时，空间点位于屏幕上。

3沉浸式网络教学平台设计

沉浸式网络教学平台包括立体视频生成、虚实合成、网站建设与内容发布等基本步骤。

3.1立体视频生成

式（2.3）中，d为人眼与相机屏幕的距离，直接反映为相机的焦距;e为双眼间距，通常为65cm左右。a为空间同一点在双眼中的左右位置差，因此，只要使用有一定水平间距的两个相机对同一物体进行拍摄，就可以获得相应的视差图像。

双目相机结构设计如下：

如图2所示，双目相机由三脚架固定，三脚架高度可适当调节，双目相机的镜头保持在同一水平线，通过调整旋钮调整好镜头间距后固定，通过USB接口与外部系统连接实现视频的同步拍摄和传输。

通过双目相机，可以同时获取同一场景不同视差的视频图像，然后分别传送给相应的眼睛佐右眼）。目前，完成此类功能的设备较多，主要是VR头盔+智能手机的模式，其中，VR头盔具有分割左右眼视线的作用，同时具有相应的姿态传感器;智能手机则负责显示和计算。

3.2虚实合成

虚实合成的目的是将双目相机视频和虚拟场景进行合成。双目相机拍摄的视频主要为课堂授课或者实操视频，为降低教学环境要求，减少成本，同时也不改变教师的授课环境和习惯，对教师的授课和演示过程进行原位跟随拍摄，即原来在教室上课或在实验室操作的，依然在教室或实验室，不改变原来的地点和进度。虚拟场景主要用于创建场景丰富的虚拟教室和实验室环境，以提高教学环境的身临其境感。

虚实合成的基本流程如下：

Stepl计算双目视频的特征匹配点，以确定场景深度

我们以课堂教学为例，以黑板和教师相应的特征点进行匹配，如下图所示：

通常，我们采用SIFT（Scale Invariant Feature Transform）算法或SURF（Speeded Up Robust Features）算法进行特征匹配，基于OpenCV进行开发。

Step2建立教室或实验室环境虚拟场景

借助相关虚拟现实建模软件，如3D MAX或Unity 3D，我们可以建立满足需要的虚拟教室或实验室场景，如下图所示：

Step3虚拟场景与视频融合

将双目视频放置与虚拟场景背景中的黑板处，设置两个虚拟相机对所有虚拟场景都可见，如下图所示：

3.3网站建设与内容发布

首先建立相应课程的远程教学网站，然后将合成好的双目视频发布至网站。当进行远程学习时，将双目视频下载安装至嵌入式VR头盔即可，其效果和观看3D电影相同。

4教学实施与教学效果分析

基于我们建立的沉浸式远程教学系统，针对湖南信息学院和湖南交通工程学院两所院校的《Java程序设计》和《微机原理》课程进行了教学实践，其中，湖南信息学院选取了2017级软件工程专业共4个班212名本科生进行了幻ava程序设计》教学对比实验，湖南交通工程学院2017级电信专业2个班共92名本科生进行了《微机原理》教学对比实验。基本实施过程如下：

（1）对两所院校的学生按自然班进行分类，其中，2个幻aYa程序设计》班和1个《微机原理》班，共计3个实验班级增加沉浸式网络教学环节，其余3个班级按原有模式正常教学。

（2）购置每个班购置4套VR头盔设备，共12套，课余时间轮流使用。

（3）实验时间跨度为1个学期，跟随课堂教学，作为课堂教学的补充手段。

（4）设置具体评价参数，记录并观察学习效果。

我们对实施效果设置了主观和客观两类评价指标，其中，主观评价指标主要包括学习兴趣、课堂活跃程度、互动积橱陸、回答问题积极程度等，客观评价指标主要包括课程实验优秀/良好率、理论考试优秀/良好率等指标。

实验结果表明，在主观评价指标上，进行了沉浸式课程辅助教学的班级，对课程学习表现出了浓厚兴趣，上课积极互动，课后交流频繁。在客观评价指标上，《Java程序设计》实验班级的课程实验实训的优秀率提高约10%，良好率提高12%，期末考试班平均分提高15.7%;《微机原理》实验班级的课程实验实训的优秀率提高约20%，良好率提高10%，期末考试班平均分提高26.8%。由此可以看出，采取沉浸式网络辅助教学，其教学效果无论主观还是客观评价指标上均有较大程度提升;再者，《微机原理》课程较幻aYa程序设计》课程提升更为明显，这是因为《微机原理》课程的硬件内容更多，采用沉浸式教学更加有利于展现计算机结构、硬件组成，对加深学习内容的理解更有帮助。

下一步地改进在于，一是VR头盔设备的采购需要增加一定投入，本文用于實验的设备套数出现不足，因而不得不轮流交叉使用;二是用于显示的智能手机是使用学生自己的手机，由于品牌型号各不相同，和VR头盔的匹配有部分会出现问题。