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基于ARUP的桌面虚拟现实教学软件开发模型建构 摘要：桌面虚拟现实教学软件是虚拟现实技术在计算机辅助教学领域的应用实例，是多媒体教学软件向虚拟化、智能化、网络化发展的体现本文以敏捷软件开发思想为指导，将RUP统一过程软件开发模型与Scrum敏捷软件开发方法相结合，形成一种ARUP敏捷统一软件开发框架和管理方法，并基于ARUP框架与教学系统设计方法，结合桌面虚拟现实技术特点，建构了桌面虚拟现实教学软件开发模型，且依据此模型实施了摄影虚拟实验室的设计与开发，对桌面虚拟现实教学软件的开发有一定指导作用关键词：桌面虚拟现实教学软件，软件开发模型，ARUP，Scrum，EON Studio一、引言随着《中国虚拟现实产业白皮书》的发布，我国虚拟现实产业进入了迅速发展时期，[1]虚拟现实研究也已成为教育技术的重要研究方向[2]教育部成立了虚拟现实应用工程研究中心，[3]启动了国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作，计划每年产生100个虚拟仿真实验教学中心，[4]以有效推动虚拟现实在教育行业的发展未来虚拟现实技术将在基础教育、高等教育、成人教育等领域得到广泛应用，[3]将革新知识获取的渠道和学习交互的方式，形成一个全新的教育生态系统。

[5]虚拟现实可以分为桌面虚拟现实、沉浸式虚拟现实、分布式虚拟现实、增强虚拟现实四大类，目前限制虚拟现实在教育中广泛应用的主要因素有两个：一是产生和维护高沉浸感的虚拟现实设备与环境价格昂贵；二是佩戴虚拟现实设备给学习者带来的生理和心理的不适感，因此相对低沉浸感的桌面虚拟现实显示出在教育教学中的良好应用前景[6]桌面虚拟现实作为一种低成本的虚拟现实技术，因其良好的视听感受、实时的人机交互以及便捷的网络传输等优势，更多地应用于中小型教学软件开发，形成了多种以桌面虚拟现实学习环境为核心的教学应用软件，如虚拟实验室、虚拟教育游戏、虚拟漫游系统等，可以统称为桌面虚拟现实教学软件桌面虚拟现实教学软件既是应用于教学的计算机程序，又是具有特定教学功能的教学材料，还具有沉浸、交互、构想三个虚拟现实技术特性，[1]因此其具有程序性、教学性、[7]虚拟性三重属性，它的开发是一个利用桌面虚拟现实技术和教学设计方法对软件系统和教学系统实施并行设计开发的过程，是一个对技术要求较高、相对复杂的软件开发过程目前虚拟现实教学系统的开发多以技术为主线，大致分为媒体素材与三维模型制作、虚拟场景设计与实现、交互控制设计与实现、系统测试与发布几个阶段，开发过程重视技术工具的应用，缺少教学设计理论和相关学科知识的支持，缺少合理有效的教学软件开发模型作为指导。

虽然有部分研究体现了教学设计和软件工程思想，阐述了简单的开发流程，[8-10]但未对虚拟现实教学软件的开发过程与方法做出系统阐述因此，为适应桌面虚拟现实教学软件开发过程的复杂性，规避风险、降低成本，同时保证软件开发的质量和效率，构建一个具有理论指导和实践参考价值的桌面虚拟现实教学软件开发模型是虚拟现实教学应用领域中值得研究的课题二、桌面虚拟现实教学软件开发模型建构思路与方法依据桌面虚拟现实教学软件的三重属性，可以在厘定其概念范围的基础上，结合桌面虚拟现实技术特点，参考已有的教学软件开发模型，利用软件工程和教学设计理论与方法来共同建构桌面虚拟现实教学软件的开发模型1.桌面虚拟现实教学软件及其核心技术分析(1)桌面虚拟现实教学软件定义桌面虚拟现实是一种低沉浸感的虚拟现实，它是利用计算机生成一种可交互的三维虚拟环境，用户使用标准外设，如鼠标、键盘等，通过计算机屏幕观察和操纵虚拟环境与对象，实现实时人机交互的技术[11]桌面虚拟现实教学软件就是利用桌面虚拟现实技术开发的教学应用软件，其狭义定义是指根据教学目标开发的，以多媒体与交互式三维模拟环境为表现方式，以超媒体结构组织的具有一定沉浸感和实时人机交互，用于呈现特定教学内容、反映特定教学策略、实现特定教学功能的三维模拟程序，也可称为虚拟现实程序。

其广义定义是指以桌面虚拟现实技术为核心，并综合其它支持ActiveX插件的主程序(如Visual Basic、Director等)或其它软件开发技术设计开发的除虚拟展示教学和虚拟实验外，功能更为全面的教学软件系统2)桌面虚拟现实核心技术分析实现桌面虚拟现实的方法大致有三种：①基于语言编程，即采用底层图形开发接口OpenGL或DirectX，或是Java3D技术、VRML虚拟现实建模语言等编程实现三维图形系统[12]②基于二维图像，即对物体和环境进行实地的多角度环视拍摄，将形成的静止图像进行后期缝合，建立实景化虚拟空间，并通过加载播放程序来完成展示[13]常用软件有QTVR、PixMaker等，主要用于虚拟漫游系统的开发③基于三维建模，这类虚拟现实软件支持多种格式三维模型的导人，可使用已封装的功能节点实现对三维虚拟环境的交互操作，可嵌入支持ActiveX插件的其它主程序，实现多种形式的显示发布[14]常用软件有Virtools、EON Studio等，可用于网络虚拟展示、网络虚拟游戏或其它大型虚拟现实系统的开发综上，桌面虚拟现实的核心技术主要体现在虚拟环境建模、人机交互和实时显示三方面虚拟现实程序的开发过程可以概括为虚拟建模、交互操作、显示发布三个阶段，具体如图1所示。

图1 桌面虚拟现实程序开发流程2.教学软件开发模型的相关研究目前教学软件开发模型主要是基于教学系统设计方法与软件工程开发模型来建构的曾有研究者基于传统软件开发模型提出了教学软件的瀑布开发模型[15]、原型开发模型[16]、螺旋开发模型[17]，这类模型虽然在一定程度上体现了迭代开发的思想，但仍强调开发过程的阶段性和顺序性，难以适应系统需求的快速变化，且对开发过程缺乏系统的阐述和规定也有研究者提出了基于RUP统一过程的多媒体课件开发模型[18]和基于RUP改进模型的教学软件开发模型，[19]这种模型充分体现了迭代增量的开发思想，为教学软件开发提供了一个相对稳定的框架结构，具有较好的通用性，但缺少对开发过程管理方法的阐述敏捷方法是以代码为核心的、富于灵活性的新型软件开发方法，可通过有效沟通和紧密协作来简化、管理和控制软件开发过程，以适应系统需求的快速变化，为软件开发提供过程管理框架，已有研究者提出应用XP极限编程敏捷方法管理教育软件开发过程，[20]也有研究将RUP过程模型与敏捷方法有效结合，形成兼具二者优势的ARUP敏捷统一软件开发方法，[21]因此可以尝试使用ARUP敏捷统一方法来更好地指导教学软件的开发。

3.RUP与Scrum相结合的ARUP软件开发模型(1)RUP统一过程软件开发模型RUP(Rational Unified Process)统一软件开发模型综合了多种软件开发模型的优点，是一个具有通用性的二维软件开发模型，如图2所示[22]横轴代表软件开发过程的时间维度，以初始、细化、构造和交付四个迭代阶段展现软件开发的生命周期，体现了开发过程的动态结构；纵轴代表软件开发过程的内容维度，以需求、分析设计、实现等九个核心工作流阐明了迭代过程执行的相关活动，体现了开发过程的静态结构RUP模型是以用例驱动、以基本架构为中心、以迭代和增量方式进行软件开发的图2 RUP统一过程软件开发模型(2)Scrum敏捷软件开发方法Scrum是目前应用较为广泛的敏捷软件开发方法，包括了一系列核心实践和预定义角色，如图3所示[23]Scrum开发过程由多个Sprint迭代周期组成，每个Sprint起始首先由产品负责人编写产品功能订单(Product Backlog)，再由Scrum开发团队讨论确定本次Sprint迭代需要完成的开发任务，并按照优先级排序形成迭代开发任务列表(Sprint Backlog)进入开发周期后，每个工作日都要组织每日简会，团队成员相互通告工作进度，并以燃尽图(Burndown chart)表示剩余工作量。

在Sprint末期，将召开评审会议，将阶段性成果展示给产品负责人和用户，获得反馈意见，最后召开回顾会议，总结问题和经验，为下一个Sprint周期做好准备Scrum的工作流程可以体现出4个重要核心实践，即客户现场、面对面交流、持续集成和频繁发布[24]图3 Scrum敏捷软件开发方法(3)ARUP敏捷统一过程软件开发框架与管理方法可见，RUP模型可以为教学软件开发提供一个相对稳定的框架结构，但本身过于复杂，在实际应用中往往需要进行裁剪，缺乏对中小型项目的支持，而Scrum敏捷方法可以用于简化和管理RUP迭代开发过程本研究将Scrum敏捷方法与RUP模型相结合，建立一种ARUP(Agile Rational Unified Process)敏捷统一过程软件开发框架和管理方法，即在继承RUP模型用例驱动和迭代开发思想的基础上，利用Scrum敏捷方法合理简化RUP框架结构，沿用Scrum的预定角色和各项会议制度协调管理RUP迭代开发过程，并积极开展Scrum的核心实践将用户作为开发团队的成员，通过用户与开发人员以及开发人员之间面对面的有效沟通来快速获得用户需求变化和反馈信息，及时交流开发情况，提高软件开发效率，以体现客户现场和面对面交流的核心实践，同时在迭代开发中秉持以代码为核心，持续进行系统功能集成，并通过积极发布和测试软件系统来发现问题，修补漏洞，以快速灵活地适应系统需求的不断变化，实现增量开发，以体现持续集成和频繁发布的核心实践。

ARUP综合了RUP模型与Scrum方法的优点，在整体框架上遵循RUP的主要结构，在管理方法上继承Scrum的核心实践，同时具有通用性和灵活性，更适用于中小型教学软件的开发ARUP既是利用Scrum思想对RUP过程的适当裁剪，也是利用RUP思想对Scrum的合理扩充，其核心思想是以人为本，用例驱动，增量迭代，拥抱变化的有序开发过程[25]三、桌面虚拟现实教学软件开发模型建构依据上述ARUP敏捷统一过程软件开发框架与管理方法，以桌面虚拟现实教学软件的广义定义为标准，结合教学系统设计模式和桌面虚拟现实技术特点，本文从教学设计与系统设计两条路径出发，提出了桌面虚拟现实教学软件开发模型，将其生命周期分为初始、细化、构造、交付4个阶段，包括6个核心工作流，其中需求建模、分析设计、实现、测试、部署为活动工作流，项目管理为支持工作流，如图4所示图4 基于ARUP的桌面虚拟现实教学软件开发模型1.桌面虚拟现实教学软件开发模型的核心工作流(1)需求建模需求建模的目标是了解项目处理的问题域，以及初步确定解决问题的可行方案，主要执行在初始阶段，经过2次迭代分别完成教学需求建模和系统需求建模，可以使用自由图表或UML图表示。

通过用户需求分析了解主要的教学需求和系统需求根据教学需求描述，通过教学目标分析、教学内容分析和学习者分析，建立教学目标的层次关系，教学内容的逻辑关系，明确学习者的认知特点、认知水平、学习风格等智力与非智力因素，形成教学目标模型、领域知识模型和学习者模型，共同构成教学需求模型根据系统需求描述，识别系统主要用例并以用例图表示，形成系统用例模型，分析系统核心业务流程，识别重要领域概念，建立表示实体类型及相互关系的概念类图，形成领域对象模型根据系统用例建立用户界面草图或原型，形成用户界面模型，通过可行性分析设计系统基本体系结构与开发技术路线以上模型共同构成了系统需求模型将由教学需求模型和系统需求模型提炼出的主要教学目标任务与系统功能需求按优先级排列，形成教学任务表与系统功能表，其作用类似于Scrum的产品功能订单，即教学软件开发的概要任务列表2)分析设计分析设计是对教学需求模型和系统需求模型的细化扩展，主要执行在细化阶段，通过2次迭代分别完成教学设计与系统设计教学设计主要根据教学目标模型和领域知识模型对教学目标和教学内容进一步分析细化。