基于虚拟现实的教育创新网络远程管理系统设计

刘雅婧，王庆钰，王 英，闫 帆，李景文，张鑫生，杨旭光

（吉林大学，吉林长春 130062）

0 引 言

当今社会，教育创新的主要驱动力为技术创新，其主要原因是科技的发展带动了社会生产力的提升，所以对人才提出了更多的要求。因此，需要对原有的旧教育制度进行改革创新，以此培养出能够满足社会需求的新型人才，势必会导致教育创新[1]。教育创新主要是以新思想、新行为以及新事物为载体的，在不断实践中实现与教育新方式的融合，最终达到新教育制度以及学习模式的创新及实践的目的[2]。近些年来，我国对于创新型人才培养的重视程度不断提升，传统的教学模式已经难以满足当今教学的任务，因此必须要加快教育改革步伐，进而培养一大批实用型创新性人才。通过新技术以实现教育创新已经得到了社会的广泛关注，也取得了一定的应用成果，例如基于EVE-NG 的虚拟网络教育管理系统[3]以及基于移动云平台的教育管理系统[4]等，但是这些系统在设计过程中没能够考虑到用户体验性，实际应用效果并不好，因此急需引入新技术以及新方案以解决这些问题。

虚拟现实因具有显著的交互性、沉浸感等多种优势，已经在社会的各个领域得到了广泛应用。它主要是通过还原某种场景以提升用户体验感，充分调动学习者的思维与情感，提升学习者学习过程的交互性[5]，因此该技术在教育领域的应用具有可行性。所以本文引入虚拟现实技术，设计一种新的教育创新网络远程管理系统。

1 教育创新网络远程管理系统设计

在教育领域，利用虚拟现实技术主要是通过构建虚拟场景来改变学习者的学习模式，利用交互式体验教育来代替传统的灌输式教育，使得学习者所面对的不再是书本中的理论知识，而是在具体的实际场景中的应用知识[6]。虚拟仿真场景是异构场景，不受到时间与空间方面的制约，能够在同一时间为处于不同地域的学习者提供学习服务，可以大幅度提升学习者对于知识的吸收速率[7]。因此，本文引入虚拟现实技术进行教育创新网络远程管理设计，该系统由学习模块、作业管理模块、数据分类存储模块、数据库模块和稳定性测试模块组成。该系统的整体架构如图1 所示。

图1 系统整体架构

1.1 基于虚拟现实的学习模块设计

利用大数据挖掘技术抽取学生教学内容中的知识点，并利用虚拟现实技术对这些知识点进行重现，使得知识点能够变得更为浅显易懂的同时，也能够令学生可以进入到相关的虚拟现实场景中进行体验式学习。学生可以利用相关查询手段获取当前学习内容，并在所构建的虚拟现实场景中更加清晰地了解知识点，将原本枯燥乏味的文字变得更加生动有趣，并利用交互式手段激发自主探索的学习人群，使得学生潜移默化地就能够实现知识的吸收，提升学习质量与效果[8]。基于虚拟现实的学习过程如图2 所示。

图2 基于虚拟现实的学习过程

按照上述学习过程，能够使学生完成不同阶段的学习目标，并利用多样化的操作设备使得学生能够在虚拟现实环境中变化自身形象，也可以使得学生可以更好更快地融入到学习场景中去。在该场景中能够充分调动学生的多种感官，并利用引导性的文字及交互模块，使学生主动完成探究性学习，提升学生对于知识的接受程度[9-10]。虚拟现实场景构建与加载过程如图3 所示。

图3 虚拟现实场景构建与加载过程

1.2 作业管理模块

作业管理模块是教育创新网络远程管理系统的一个重要模块，该模块管理员以及教师可以根据学生个人信息对已批阅的作业信息进行查询。该模块也能够支持其他信息的快速查找，学生可以获取作业的详细信息，也可以实现作业的远程下载，还能够支持作业批阅查看等[11-12]。该模块也支持优秀作业展示，教师将学生提交的优秀作业发送至数据库中，并且可以在系统相关页面进行展示，以供学生学习优秀作业的解题思路，最终达到提升教育质量的目标。作业管理模块如图4所示。

图4 作业管理模块

1.3 数据分类存储模块

假设S描述的是具有n个数据样本的教育信息资源集合，该集合的数据属性有m个，即该资源集合中有m个类别Ci(i=1,2,…,m)，数据类属性值为mi的信息样本数用ni进行描述，其计算公式如下：

式中：n1,n2,…,nm表示各大数据的存储模块；pi表示隶属度函数。

假设教育信息资源样本数据属性A具有k个不同的属性值，分别用a1,a2,…,ak表示。当A属于判断属性时，则需要将S划分为k个子集，分别用S1j,S2j,…,Smj表示。在此基础上可以假设Sj表示S中样本数据属性A值为aj的子集，nij表示子集Sj中属于Ci的样本数据量，则A的划分结果可以表示为：

则Sj的计算公式为：

式中pij表示的是Sj中数据隶属于Ci的概率。

若系统选择A作为教育信息资源样本数据的分类判断属性[13]，则数据分类存储结果可以表示为：

若系统不选择A作为教育信息资源样本数据的分类判断属性，则需要重新设计判断属性，并重复上述步骤，直至输出数据分类结果，并将这些数据分区存储至数据库中[14-15]。

1.4 数据库模块

由于MySQL 数据库具有速度快、空间占用率低以及应用简单等多种优势，因此本文将MySQL 数据库作为教育创新网络远程管理系统的数据库。数据库的设计是以教育创新网络远程管理的实际需求为基础的，并提供不同类型数据的存储服务。在系统数据库中利用E-R 图对实体和属性之间的连接关系进行描述，具体如图5 所示。

图5 E-R 图

教育创新网络远程管理系统的数据库中包括了多个数据表，例如系统信息表、教师信息子表、管理员信息子表、学生信息子表、课程信息子表等。其中，系统数据表如表1 所示。

表1 系统数据表

学生信息子表如表2 所示。课程信息子表如表3所示。

表2 学生信息子表

表3 课程信息子表

1.5 稳定性测试模块

粒子群算法中粒子位置的一般表示形式如下：

式中：ω表示惯性权重；c1，c2分别表示两个不同的非负常数；r1，r2分别表示在[]0,1 区间内的随机数；表示大数据信息资源库；表示当前位置，分别表示粒子最优历史位置以及粒子群最优历史位置。

假设在t时刻粒子群中某个粒子的位置用x(t)进行描述，利用p进行粒子群空间搜索，粒子收敛可以用下式进行描述：

因此考虑一维优化问题，所以需要对式（5）进行调整，结果表示为：

假设φ1=c1r1,φ2=c2r2,φ=φ1+φ2，表示远程设计模块，即离散时间线性系统方程可以表示为：

将该系统方程应用至教育创新网络远程管理系统稳定性测试中去，将方程结果作为系统稳定性判别依据，由于粒子的状态与矩阵G的特征值具有相关性，即系统稳定需要满足的条件如下：

G的全部特征值λ1，λ2要比1 小，G的特征值计算公式如下：

当|φ-ω-1 |＞2 时，其特征值为2 个实根，此时教育创新网络远程管理系统具有不稳定性，需要相关维护人员及时处理。

当|φ-ω-1 |＜2 时，其特征值为2 个复根，当且仅当0 ＜ω＜1 以及1 ≤ω≤2 时，教育创新网络远程管理系统具有稳定性。

当|φ-ω-1 |=2 时，教育创新网络远程管理系统处于临界状态。

根据以上分析，需要系统管理员密切关注系统变化，以便做出应对措施。

2 实验测试

2.1 实验设置

为了验证本文所设计基于虚拟现实的教育创新网络远程管理系统的实际应用性能，需要进行测试分析。本次测试采用3.3 GHz Intel Core i3-2120CPU、4 GB 内存机器，操作系统为Windows，仿真软件为Matlab 7.0。在此基础上，将文献[3]所设计的基于B/S 架构的教育管理系统以及文献[4]所设计的基于移动云平台的教育管理系统作为实验对比系统，进一步比较三种系统的综合应用性能。

2.2 实验结果分析

采用问卷调查的形式对120 名学生进行系统满意度问卷调查，满意度评分满分为10 分。其中有效回收问卷110 份，有效回收率为91.7%，将有效问卷平均分为10 组，每组取平均分，则三种系统的用户满意度对比结果如表4 所示。

表4 用户满意度比较结果

由表4 可知，与文献[3]系统以及文献[4]系统相比，本文所设计系统的用户满意度最高，实际应用效果更好。在上述基础上进行系统响应时间比较，结果如图6所示。

图6 响应时间比较

分析图6 可知，与文献[3]系统以及文献[4]系统相比，本文所设计系统能够实现快速响应，且响应时间变化较为稳定，从侧面证明了该系统的稳定性更好。

3 结 论

现今教育方式越来越多元化，教育领域正在迎来一场重大革新，因此为促进我国教育行业的进一步发展，本文设计了一种基于虚拟现实的教育创新网络远程管理系统，并通过仿真实验验证了该系统优越性，但是仍然存在以下不足：

1）现阶段粒子群算法具有一定优势，但仍存在一些问题，因此后续在研究的过程中，重点针对如何提升算法的速度以及满意度等方面进行研究。

2）当前模拟实验存在一定的局限性，且由于时间仓促，并没有将更多的参数纳入到实验中，后续将采用大量的时间对整个系统的性能进行进一步验证。