基于虚拟现实的英语远程多媒体教学系统设计

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　　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扫描仪以三维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，通过营造一个“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、触覺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：
　　式中：[δ]表示实际相对误差，是绝对误差与实际真值之比;
　　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：
　　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：
　　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。
　　3.1  实验准备
　　将所设计系统与传统系统，分别传至2台配置相同的计算机上。实验选用2根1 024 MB的内存组成通信双通道，中央处理器双核2.65 GHz，GF9800GT显卡支持3D模型，预装64位操作系统Windows XP。
　　将VRML浏览器装入有虚拟现实技术教学系统的电脑中，为保证该系统可以正常播放Cult3D英语教学内容，下载Cycore系列插件。软件安装完毕后，运行两个教学系统，测试该实验环境。1 h后两个系统均能正常运行，没有出现运行不稳定和错误屏幕的现象，说明该实验环境设置符合实验要求。
　　3.2  结果分析
　　将所设计的教学系统下的测试结果标记为A，将传统的教学系统下的测试结果标记为B，随机挑选100名学生，分别利用两种教学系统学习，得到如图3所示的系统交互性对比结果。
　　通过图3中A组测试结果可知，所设计的教学系统，其信息提交次数与信息反馈次数大致相同，主动交互与被动交互程度曲线波动剧烈，说明该系统交互频繁，向正在使用该系统的操作者，实时主动反馈教学信息，当使用者提出问题的同时，及时对问题作出解释;而从B组的测试结果可以看出，同样的信息数据提交前提下，该系统的主动交互曲线与被动交互曲线并没有出现剧烈波动，说明该系统的交互性并不高，主动反馈教学信息的能力差，同时对于使用者的提问，其反馈也并不积极。通过对比可以看出，传统的教学系统交互性差，影响学生的学习兴趣。
　　4  结  语
　　科技发展的今天，虚拟现实技术越来越多地应用到社会各个领域。添加虚拟现实技术后的教学系统，作为一种全新的教学模式，对学生英语知识水平的提高，有很大的助力。该系统不仅解决老师备课时，查找教学资料繁琐的问题，提高了教学环境和教学环节的跟踪能力及掌控能力，学生通过及时提问、实时信息反馈，解决学习疑问，提高对英文知识的掌握能力。但此项系统在原始数据录入这一操作环节比较复杂，因此还要对海量原始数据的采集与收录进行处理。 　　参考文献
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