WebGL在线三维虚拟仿真实验教学项目开发模式探索

韦维

[摘 要] 虚拟仿真实验是利用现代数字媒体技术服务教学、提高教学效果的重要技术手段。采用网页与网络数字媒体技术的在线三维虚拟仿真实验教学项目，能够充分发挥移动数字媒体的便捷性、交互性和社交性等优势，让实验教学共享化、开放化。WebGL是在线三维虚拟仿真实验项目的核心技术，随着近年来大量的JS三维交互引擎、在线制作平台的出现，极大地降低了设计和开发难度，甚至可实现免编程的可视化交互设计，为虚拟仿真实验项目的开发提供了丰富的技术工具。

[关键词] WebGL;虚拟仿真;实验教学;在线教学

[基金项目] 2019年度广西艺术学院高等教育改革工程立项项目“虚拟仿真实验在传媒类专业课程教学中的应用研究”（2019JGY49）

[作者简介] 韦 维（1981—），男（壮族），广西柳州人，艺术学硕士，广西艺术学院影视与传媒学院广告学系助理研究员，主要从事互动广告、数字媒体技术研究。

[中图分类号] C229.29   [文献标识码] A   [文章编号] 1674-9324（2021）26-0108-04   [收稿日期] 2021-03-23

2017年以来，教育部大力推进虚拟仿真实验室的建设，在中共中央办公厅、国务院办公厅印发的《加快推进教育现代化实施方案（2018-2022年）》文件中，要求加快推进智慧教育创新发展，开展国家虚拟仿真实验教学项目等建设。2020年11月3日，教育部发表《新文科建设宣言》，提出要积极推动人工智能、大数据等现代信息技术与文科专业的深度融合，积极发展文科类新兴专业，推动原有文科专业改造升级，实现文科与理工农医的深度交叉融合，打造文科“金专”，不断优化文科专业结构，引领和带动文科专业建设整体水平的提升。2021年全国两会前夕，民革中央向全国政协十三届四次会议提交了《关于升级虚拟仿真实验教学，更好服务创新型人才培养的提案》。因此，把虚拟仿真技术有效地融入教学活动，既符合国家坚定文化自信的发展策略，也是教育改革和创新的重要内容。

虚拟仿真实验是指综合各种数字多媒体、信息网络、虚拟现实等当今各种先进的媒体技术来服务教学活动的一种教学实验方式。2002年，美国新媒体联盟（New Media Consortium，NMC）主导的“地平线研究项目”预测和描述了对教育教学产生重要影响的新兴、主流和最有前景的教育信息化技术及其发展趋势。其按年度、分系列发布的《国际教育信息化地平线报告》被视为教育信息化建设与发展的风向标，备受世界各国教育界的关注[1]。2016年前后，多个虚拟现实、增强现实设备投入商用，相关硬件设备及技术落地，虚拟现实技术所带来的沉浸式体验给虚拟仿真教学带来了新的可能，也伴随着虚拟现实技术的热潮让虚拟仿真实验教育得到更多的重视和发展。

WebGL（Web Graphics Library）是网页构建语言Html（HyperText Markup Language）相关技术体系中负责高性能图形渲染的接口，为网页提供直接调用显卡（GPU）进行复杂图形渲染的指令通道，从而提高网页的图形渲染效果和性能，是基于Html技术实现在线三维交互内容的核心技术。随着具有较高兼容性的Html 5.0和WebGL 2.0的出现，以及移动媒体硬件性能的提高，以手机、平板为主的移动媒体也能够进行一定的三维图像渲染，给在线虚拟仿真实验项目的设计和开发带来了可能。

一、在线三维虚拟仿真技术的优点

虚拟仿真实验能够有效提高教学质量，要发挥好网络信息技术、虚拟现实、混合现实、全景影像等新兴媒体表现技术的优势，通过立体视觉、三维空间、人机交互等方式，提供超越以往的沉浸式认知和学习体验。沉浸式体验的学习方式能够让教学内容从抽象的理论知识和课本中走出来，以具象、动态、多视角的方式与学生互动，从而提高学习效果。目前，常见的提高沉浸式体验的单项技术有双目视觉、全景视觉、三维渲染、三维交互、体感交互等。虚拟现实就是大量地综合运用了这些技术，能够带来较完整和自然的沉浸式体验。虚拟现实技术虽然比沉浸式体验效果较好，但是发展到大众实用阶段还有一段距离，价格、软件和硬件都有一定的要求和限制，通常只能在固定的场所使用。这导致其不适用于对内容分享和传播有较高要求的领域，如新闻传播、广告活动等，也不适合一些需要通过线上分享形式传播的虚拟仿真实验项目。如果一条以新闻为内容的虚拟仿真作品在观看时还需要佩戴沉重的虚拟现实眼镜、下载安装指定的应用程序才能看到，那么就很难让这条新闻信息传播到大众当中。采用WebGL技术来创作和开发的在线三维虚拟仿真作品，可以像传统的网络页面那樣，通过手机、平板电脑等移动设备方便快捷地分享给其他用户。虽然WebGL目前的视觉表现力远比不上原生的App或本地程序，但是其利于信息传播的诸多特性非常适用于对画面渲染质量要求不高的虚拟仿真实验领域。其优点主要体现在以下几个方面。

1.跨平台、跨设备。Html5与WebGL都是构建网页的技术标准，由于其相对以往标准具有更先进性和兼容性，受到各大平台的支持，能够顺利在Windows、苹果、Linux跨系统访问，同时支持桌面电脑、手机、平板等多平台访问，既方便实验项目的使用，也方便项目的设计和开发。

2.便于分享和传播。使用WebGL设计与开发的虚拟仿真内容，在使用时不需要额外地安装软件，也不需要安装复杂的硬件设备，直接打开网站页面或者分享的链接即可使用。实验参与者也可随时分享给别人，二次分享传播非常方便，也很容易地迁移到微信小程序、小游戏的分享平台中，利用社交软件进行传播。

3.便于教学评估和评价。由于H5本身就是一种网页设计语言，能够发挥网站服务器的优势，结合大数据分析平台、人工智能等技术手段进行教学效果的评估和评价，虚拟仿真实验不再是一个个彼此独立的实验单元，而是一个可以进行大规模并行实验的“实验云”。