基于虚拟课堂的师范生技能训练实验平台设计与开发_1.docx

基于虚拟课堂的师范生技能训练实验平台设计与开发 摘要：本文基于虚拟现实技术，设计开发了用于师范生技能训练的虚拟课堂综合实验平台实验平台主要包括训练过程中的备课环节、上课环节以及下课环节文章介绍了该系统的组成特点、设计方案、开发流程以及实施过程技能训练系统根据不同师范生的实际需求，采取不同的实践教学控制策略，模拟真实课堂教学环境和教学过程，能够解决师范生在训练中的各类实际问题，有助于提高师范生的教学技能关键词：虚拟课堂，实践教学，虚拟现实基金项目：本文系浙江省自然科学基金项目“基于虚拟课堂的多模态学习系统构建技术研究”（LY19F020036）、全国教育信息技术研究课题“‘互联网+’时代教师职业教育的模式研究”（186130008）、温州大学教学改革项目“基于VR虚拟课堂的师范生训练系统设计”（18jg08）研究成果虚拟现实（Virtual Reality）技术，简称VR，是20世纪80年代新崛起的一种综合集成技术，涉及计算机图形学、人机交互技术、传感技术、人工智能等它由计算机硬件、软件以及各种传感器等生成三维信息而构成虚拟环境，可以逼真地模拟现实世界（甚至是不存在的）的事物和环境，人投入到这种环境中，立即有“亲临其境”的感觉，并可亲自操作，自然地与虚拟环境进行交互，[1]虚拟现实技术因此受益匪浅并得到日新月异的发展。

随着虚拟现实技术的成熟与应用的普及，该技术在国内外已用于多个领域，如心理治疗训练、高成本或高危场所训练、教育培训以及新人面试训练等场合，通过虚拟环境训练协助练习者在训练过程中发现问题并且给予及时的指导和帮助，增强练习者的技能或提高练习者的训练效率[2]然而，目前在国内外还没有人将虚拟现实技术用于师范生培训，或用虚拟现实技术建立一个师范生能够用于班级管理能力训练、累积信心、提高课堂教学技能及增长教学经验的虚拟课堂一、实验平台需求分析目前的课堂教学中所构建的课堂环境，贵在学生能够直接参与这类真实、具体的课堂环境，并获得真实的体验感受，但因为受制于教学场地、教育环境以及经费、资源等因素，很多学校的课堂环境一旦建设完成，后期的使用基本都处于固定的模式中，没有改变的空间，有些可以改变的地方无非就是采用活动的桌椅，上课的教师只能采用改变桌椅的排列方式来改变上课的形式；[3]同时由于课程专业性的限制，这类课堂环境一般只适合这类课程使用，其他课程想用这类课堂环境就需要将其他课堂所需的设备、器材以及资源等都搬进来，才能开展该教学活动虚拟课堂环境是通过计算机产生的一个数字化的教学、学习环境，教室内的陈设与真实的教室一模一样，并且所有的设备、桌椅和陈设都可以随课程的需要而变换，是一个能充分体现和满足教学者需要的课堂环境。

相对真实课堂环境而言，虚拟课堂环境学习资源丰富、环境轻松灵活，给教师和学生提供了轻松自由、自主自导的教学和学习方式[4]随着虚拟现实技术的发展，虚拟课堂环境的真实情境性、参与性、体验性以及沉浸感和存在感，在促进教学者的教学、帮助学生对知识的理解、发挥学生的主动性等方面将有积极影响在虚拟课堂环境中，教师或学生可以借助头盔，通过操控计算机、或其他虚拟现实设备使自己置身于该虚拟环境之中，然后与环境中的人或物以实时互动的方式进行教学或学习，感受智慧学习，体验个性化的教学和学习，并从中获得身临其境的感受通过对虚拟课堂环境的设计和开发，引导教师和学生积极参与其中，可以让课堂教学突破时间、空间及经费等因素的限制，让师生体验到与课堂教学环境相同，甚至更优的感受[5]虚拟课堂环境的使用现已成为高校教学改革的研究热点，正吸引越来越多的研究者和教师的关注二、实验平台方案设计虚拟课堂实验平台建立的目的是以帮助师范生建立较好的教学技能为目标，主要解决两个核心问题，即虚拟课堂环境的设计和用户操作虚拟环境的实现虚拟课堂环境的设计必须具有很高的生态效度，同时也必须结合较新的人机交互技术使师范生以相对人性化的方式与虚拟课堂中的学生、物体以及环境进行交互。

[6]要达成以上目标则首先需要聚集各专业教师的丰富教学经验，以问卷、讨论以及自我报告的方式汇集各专业教师较一致认为师范生应该具备的教学知识及经验，并且根据所汇集的意见尽可能设计出对应的虚拟课堂教学情境实验平台主要由一个主系统、四个子系统构建起集交互式仿真、情境互动、教学互动、资源管理、教学评议于一体的实验教学应用系统主要功能描述如下：（1）系统平台支持课堂场景包导入功能；支持自然环境系统，支持时间系统，能够表现一天内的时间和光影变化；具备教室环境和常用教具、电教设备等；支持课堂教学中的图文教学内容展示；支持用户修改图片和教学文字内容2）支持导入、管理、删除3D角色；支持添加、修改角色动画；支持角色IK动画技术，实现角色视线跟随等动作特效；支持多套UI界面切换；支持2D和3D UI系统；UI操作支持鼠标和手势操作3）支持用户自定义虚拟课堂场景布置；支持虚拟现实动作捕捉设备；支持课堂教学素材资源扩展同时，系统通过模块化设计，便于后期教学内容的扩展和硬件设备的兼容支持根据教学的要求和教师及师范生的需求，设计出具体架构如图1所示图1　虚拟课堂教学软件环境的设计架构三、实验平台开发流程虚拟课堂项目开发从需求分析开始到最后平台使用，经历了多个环节，用到的主要是Unity3D软件和Steam VR软件。

项目开发的基本流程如图2所示[7]图2　虚拟课堂开发流程1.需求分析在确定项目启动后，首先是对项目进行需求分析，根据虚拟课堂的场地规格，结合教学的实际需要和各专业教师课堂中的真实教学视频以及交互式虚拟现实系统，通过问卷、讨论以及自我报告的方式汇集各专业教师和学生的需求，并根据所汇集的意见尽可能设计出对应的虚拟课堂教学情境，分析课堂内的展示内容和摆放位置2.素材的收集与整理完成需求分析后，选择一个标准通用的实体教室，收集教室的大小尺寸以及讲台、黑板的大小尺寸，教室内应有的对象等各种图片，同时将各学科上课需要用到的器材、设备等分别拍照并进行筛选和分类另外，还需要对虚拟课堂中的铃声、旁白以及其他视频进行收集和编辑3.虚拟课堂的空间设计和三维建模虚拟课堂的空间环境一定是一个有真实感的生态教室，其空间大小、布局、光线和色彩等都非常重要，都会影响使用者的感知体验根据前面的分析和收集的素材，参照实体教室的结构和学科特点，设计虚拟课堂的空间布局，并在Unity3D软件中将虚拟课堂的空间模型制作出来虚拟课堂中各要素要风格统一、交互性强，能吸引使用者的注意力4.图片视频资源的处理使用者的教学课件在导入虚拟课堂中后，都以图片的形式展示。

另外，虚拟课堂中的器材和设备大部分也以图片的形式呈现，因此图片像素的处理是至关重要的特别是对实体拍摄得到的图片需要用专业的软件进行加工处理，一般需要进行裁剪和调色，对于有特殊要求的图片还要进行特殊处理，以增强虚拟课堂环境中的效果5.引擎中场景的制作在Unity3D软件中制作教室的墙体、桌椅、学生、黑板等各种模型，设置好它们的材质和属性等，并将它们分别进行保存接着在软件中建立虚拟课堂，导入这些模型，再在场景中放置灯光，设置后期效果，最后进行反复调整直至达到满意的视觉效果[8]6.提示语的制作请专业配音人员录制场景中需要的旁白，然后按内容分割成不同的片段进行保存在虚拟课堂的适当位置和适当时间触发动作，当使用者进入某区域（如禁止入内区域）或课程进行到某时段（如课间时段）时，自动播放相应的提示语也可以在操作界面上制作语音控制的按钮7.视频的嵌入和控制在教学中经常会使用到视频资源，虚拟课堂环境中也一样需要，因此，首先应在虚拟课堂的某个位置设置一个播放区域，调整好区域的大小与视频的大小一致，接着对该视频设置视频触发器，可通过在操作界面上设置按钮进行播放控制，当使用者点击按钮时，可在设置的区域内播放视频。

8.语音关键字的制作和处理使用者进入虚拟课堂后，所有的教学或学习活动都是按照真实的课堂教学来进行的，因此与虚拟学生之间有各种真实的语音交互要让虚拟学生听懂使用者的命令，使用前先在系统上预存一些上课必要的语音关键字或语音关键句，并将这些语音保存到系统中，当使用者的讲课中涉及这些语音关键字时，语音识别系统自动转换为虚拟学生能听懂的命令，虚拟学生就会根据语音做出相应的动作9.沉浸式虚拟课堂的运动控制沉浸式虚拟课堂系统中使用者的操控方式与其他的虚拟系统不同，使用者是从头盔显示器中观察虚拟环境并通过手柄或注视点进行交互控制我校的虚拟课堂系统使用的是HTC vive中的Steam VR组件进行测试，当使用者戴上头盔后，红外跟踪定位器会捕捉到人的活动区域，激光定位器会捕获到头部的运动和方向，头盔中会显示出对应变化的景象[9]当使用者按下手柄上圆盘键时，图像中会出现一条抛物线，松开按键后，使用者会瞬间移动到抛物线末端所在的位置，使用者通过这种“乾坤大挪移”的方式在虚拟课堂中运动10.优化和打包发布完成所有的开发设计后，删除不需要的内容，对各项参数进行检查和优化，最后将项目输出为exe可执行文件四、实验平台实施方法基于虚拟课堂的师范生技能训练实验平台，其场景所包括的教室、人物、教具等都是在Unity 3D软件中开发完成的，整个训练系统包括备课模块、上课模块和下课模块。

在上课模块中，为充分还原真实的课堂情境，还在其中设置了学生提问、学生聊天、学生之间起争执、学生看或玩、学生睡觉等事件[10]实验平台系统在使用过程中的流程大致可以分为以下几个过程首先是师范生设置自己的课程信息、姓名以及授课时间，如图3所示完成信息的设置后，将教学所需要的资料如PPT等课件导入到实验平台中，随着讲课内容的增加，虚拟学生提问的概率也相应增加，因此师范生需要根据自己的学科内容，在上课前将学生的提问提前设置好，然后设置好问题的关键字，当虚拟学生的问题涉及设置的关键字后，就会调出相应的问题，如图4所示图3　课程信息设置界面图4　问题及答案设置界面 -全文完-。