基于虚拟现实的英语远程多媒体教学系统设计

李培云 宋志峰

摘  要： 传统的英语远程多媒体教学系统，交互能力较差，导致学生对于英语的学习热情不高，因此文中设计基于虚拟现实的英语远程多媒体教学系统。该系统选用3D扫描仪以三維立体检测的方式辅助建模，三维视觉显示设备显示虚拟的教学立体场景，手套和操作杆等交互设备发送学习指令、接收教学信息反馈，实现该教学系统在硬件上的设计。利用小平面模拟实物曲面，参考误差函数调整虚拟教学场景中的模块尺寸，根据像素分辨率计算公式调整模块像素，以此搭建虚拟场景。通过VRML语言程序模拟设备功能，根据响应函数完成教学程序的触发、数据传递以及版面转换，至此实现基于虚拟现实的教学系统设计。实验结果表明，与传统的英文远程多媒体教学系统相比，所设计教学系统的人机交互能力更强，学生的学习兴趣更浓厚。由此可见，所设计的教学系统可以运用到实际的英语教学工作中。

关键词： 远程多媒体教学; 系统设计; 虚拟现实; 辅助建模; 人机交互; 系统测试

中图分类号： TN912.34?34; G434                 文献标识码： A                      文章编号： 1004?373X（2020）14?0161?03

Design of English long?distance multimedia teaching system based on virtual reality

LI Peiyun1， SONG Zhifeng2

（1. Hohhot University for Nationalities， Hohhot 010010， China; 2. College of Engineering， Henan University， Puyang 457000， China）

Abstract： As the traditional English long?distance multimedia teaching system has poor interactive ability， which causes the students′low enthusiasm for the English learning， a English long?distance multimedia teaching system based on virtual reality is designed. In the system， 3D scanner is used to aided modeling with the way of 3D detection， the 3D visual display equipment is applied to display the virtual teaching 3D scene， the interactive equipments such as gloves and operating lever are used to send the learning instructions and receive the teaching information feedback， so as to realize the design of the teaching system on the hardware. The real surface is simulated with a small plane， the module size in the virtual teaching scene is adjusted by means of the reference error function， and the module pixel is adjusted according to the calculation formula of the pixel resolution， so that the virtual scene is constructed. The device function is simulated through the VRML language program， the teaching program′s trigger， data transfer and layout conversion are completed according to the response function， and thus the teaching system design based on virtual reality is realized. The experimental results show that， in comparison with the traditional English long?distance multimedia teaching system， the designed teaching system has stronger human?computer interaction ability， and the students are more interested in learning. It can be seen that the designed teaching system can be applied to the actual English teaching work.

Keywords： long?distance multimedia teaching; system design; virtual reality; aided modeling; human?computer interaction; system testing

0  引  言

虚拟现实技术可将现实环境模拟成三维动态模型，使用户不受空间或时间的限制，沉浸到该环境中。应用到教育行业中，通过营造一個“自主学习、人机交互”的教学环境，可提升学生的学习兴趣，增强学生对知识的掌握能力，因此设计基于虚拟现实技术的英语教学系统[1]。该系统打破传统教学理念，将学生被动式学习转换成主动学习，将模块化的英文知识，转化成动态的虚拟场景;学生通过与虚拟人物对话，提升英语应用能力;人机交互让学生可以在教学系统中实时提问，该系统再将问题反馈给学生或老师，实现了多元化的教学方式[2]。

1  系统硬件设计

虚拟现实技术所需要的系统硬件包括3D扫描仪、3D立体显卡、环形投影屏幕、位置追踪仪、数据手套等硬件设备。系统硬件结构如图1所示[3]。

要想将虚拟现实技术应用在教育系统中，要对教学内容建立三维模型，通过虚拟模型增强学生的沉浸感。而在英语教学建模的过程中，需要模拟的实际物体往往形状各异、规则不一，传统的硬件设备无法模拟出这样的模型，因此在该系统中加入3D扫描仪辅助建模。该扫描仪以三维立体检测的方式，以非接触的形式扫描实际中的环境，得到实物表面的三维点云数据，通过计算机生成虚拟数字模型[4]。

新型三维视觉显示设备为学生提供虚拟现实的教学立体场景，以多条发射光线的折射能力实现全像视觉。该设备将使用者与外界隔离，可以令学生处于完全沉浸状态，不易受到外界环境干扰[5]。

而虚拟现实交互设备是所设计的教学系统硬件中最不可或缺的一个硬件，它包含数据手套、力矩球、操纵杆、触觉反馈装置和力感反馈装置。将数据手套或其他操作设备与信号处理电路相连接，将人手的姿态或设备操作状态与虚拟环境中的数据信息高强度互动，令学生沉浸在虚拟的教学环境中，感受国外风土人情，提高学习自主性与灵活性[6]。

2  系统软件设计

2.1  搭建三维虚拟教育环境

基于模型的技术和基于图像的绘制技术在3ds MAX软件中实现场景搭建。将扫描得到的实体数据信息上传到计算机中，利用小平面模拟实物曲面，创建出实物的基本几何体，根据要求，利用误差调整函数调整单个模型的尺寸，通过模型组建、拼接，制作出三维模型[7]。调整模型尺寸的误差函数为：

[δ=Δps=λωi-ss] （1）

式中：[δ]表示实际相对误差，是绝对误差与实际真值之比;[Δp]表示绝对误差，该误差既指出数据相差大小，又表明该差别的正负方向;[λ]是一个系数，表示虚拟模型组件之间的配比;[ωi]表示所绘制出的，由[i]个单独子模型组装形成的独立虚拟模型[8]。

再根据英语教学系统的要求，调整所建立模型的参数，获得不同分辨率的虚拟模型，满足该教学系统的显示需求。设所设计的模型横向存在[xi]个像素点，纵向存在[yi]个像素点，此时该模型的总像素[9]为[z=xiyi]。以此调整模块的像素分辨率，计算表达式为：

[f1=l1cos θtn?zf2=l2cos θtn?z] （2）

式中：[f1]为正方向上的模型像素;[f2]为反方向上的模型像素;[l1]为正方向上的模型长度;[l2]为反方向上模型长度;[θ]表示光照角度;[t]为每一阶段的光照时长;[n]为每一方向中的模型组成表面数。基于上述公式，搭建如图2所示的三维虚拟教学场景[10]。

图2是根据卢浮宫实景搭建的虚拟教学环境。在该环境中模拟一个问路的对话场景，学生通过与环境中的虚拟人物对话，实现英语口语练习目的[11]。

2.2  实现人机交互

英语多媒体教学系统的核心就在于对交互功能的设计。固定视频展示台旋转轴，使镜头旋转角度保持在规定数值之间[12]。利用VRML语言模拟设备，设置硬件设备的运动三维坐标，满足虚拟场景在空间上的变换，部分运行代码如下：

DEF Cylinder01?TIMER TimeSensor {loop TRUE enabled FALSE cycleInterval }

TimeSensor

DEF xiabie?POS?INTERP Position Interpolator

key{0，0.2，0.22，0.47…0.54，0.57，}

keyValue{36.54 3.766?3.345…16.87 3.766?35.45}

DEF xiabie?ROT?INTERP Orientation Interpolator

key{0，0.2，0.22，0.47…0.54，0.57，}

keyValue{1000，1000…0 ?1 0 ?1.134}

按照上述代码编制的指令程序，设置教学场景中的动态演示规则，将产生一定时长的动态教学场景导入VRML中，实现所设定的交互功能[13]。将行为交互模块赋予在虚拟角色上，以流程图的形式，区分交互模块的运行处理顺序。根据预先设定的教学系统框架，安排英语多媒体教学系统的运行机制，利用响应函数，完成复杂教学程序的触发、数据传递以及版面转换[14]。该响应函数的计算表达式为：

[gw=mq-ki] （3）

式中：[gw]表示[w]教学程序下的响应函数;[m]表示软件反应常规系数;[q]表示英语教学等级;[ki]表示选中的第[i]个操作目标下，软件教学页面综合反应系数。利用该函数触发学生学习英语时的操作程序，从而根据一系列的连锁反应，快速进入虚拟场景中[15]。

3  测试系统效果

为测试系统性能，将传统的教学系统与所设计的系统进行比较，找出二者的功能差别。