论文部分内容阅读
摘要：随着虚拟仿真技术的不断发展，Web VR技术以较强的沉浸感、良好的互动性、无须插件直接浏览等优势在丰富教学手段上越来越发挥其强大的作用，尤其对传统枯燥的网络教学或者远程教学，通过Web VR创造逼真的学习环境，不仅改变学生的学习方式，更能带动学生学习的积极性，达到提高学习效率的目的。
关键词：Web VR；虚拟仿真；网络教学
中图分类号：G424 文献标识码：A
文章编号：1009-3044（2019）09-0102-02
Abstract：With the continuous development of virtual simulation technology， Web VR technology plays a more and more powerful role in enriching teaching means with its advantages of strong immersion， good interaction and no need of plug-in direct browsing. Especially for traditional boring network teaching or distance teaching， it creates a lifelike learning environment through Web VR， not only does it change the learning style of students， but also stimulate the enthusiasm of students， and achieve the purpose of improving learning efficiency.
Key words：Web VR； Virtual simulation； Network teaching
随着互联网技术的飞快发展，加速了计算机网络技术产品的更新迭代，如今，越来越多的新时代网络技术产品成为传统教学中不可或缺的辅助成分。虚拟现实技术作为一种仿真技术，以其强烈的逼真性、沉浸性，互动性，成为当下最热门的一种新型教学手段[1]。众所周知，培养专业知识扎实、并且具有高素质的人才，是高职高专教育的最基本的目的，然而，在高职高专教育中，更为重要的是在于对高技能型人才的培养，即要培养有真正实际操作能力的实用性技能人才[2]。动手能力的提高又在于教学过程中大量的实践操作环节，传统的教学方式往往由于缺少相应的设备、场地，或者实际操作过程中存在的不确定危险，都会给学生的实践动手操作带来一定程度上的困扰，从而无法保证能够达到预期的教学效果[3]。
虚拟仿真技术就可以模拟真实世界的场景，为学生提供一个集视觉、听觉、触觉为一体的仿真环境。基于Web VR的网络教学方法可以弥补传统教学模式中存在的很多不足之处，尤其是在那些既耗时、耗钱、又耗力的实训教学过程，只需要通过仿真技术，就可以轻松地为学生提供一个沉浸感极强的实践场景和学习环境，通过交互技术、增强技术的应用，为学生营造一个如临其境的真实场景，并以听、视、触、互动等多种体感方式，让学生轻松的参与学习活动，从而激发学生学习的积极性，提高学生的学习质量和动手能力[1]。
1 Web VR的概念
Web VR即Web VR，是一种在浏览器中渲染3D图形的JavaScript API，也就是说，如果在3D网站的浏览器上进行点击，就会进入一个3D空间[4]。
Web VR的实现，就是将我们对VR的体验，移植到了浏览器上，从而可以通过使用浏览器，来达到体验VR的一种全新方式。它以互联网技术和虚拟现实技术作为基础，并在三維图形生成技术、计算机仿真学，多媒体传感技术等基础上，通过计算机网络，实现对真实环境的全面仿真，给学生创造出如临其境的体会，以此来达到一个更加直观、形象的模拟实践场景，带动学生的学习积极性，提高学生的学习效率。
如今浏览器供应商正在开发并增强其浏览器，使其能够使用VR技术。市面上已经出现了安卓版Chrome、火狐Nightly、三星互联网、微软Edge、Chromium、Servo和Oculus Carmel浏览器。我们可以通过电脑或手机，加上网络连接就可以用VR头显来浏览VR网站。
2 Web VR开发方式
在Web上开发VR应用，有下面三种方式：
1）HTML5 Java Script WebGL WebVR API
WebGL是一种跨平台的网页3D绘图标准，用于基于OpenGL ES的底层3D图形API，通过HTML 5画布元素公开给ECMAScript，可以为HTML5 Canvas提供硬件3D加速渲染[5]。使用WebGL与WebVR API结合，在常规Web端三维应用的基础上通过API与VR设备进行交互，进而得到对应的VR实现，把Web带入3D的时代。
WebVR API目前可用于安装了Firefox nightly的Oculus Rift、Chrome的实验性版本和Samsung Gear VR的浏览器。
2）传统引擎 Emscripten
如今我们所看到的三维城市、虚拟校园等，都是通过传统引擎如Unity 3D、虚幻引擎等开发出来的具有交互功能的三维虚拟场景，这些虚拟场景能够带给我们如临其境般的体验[6]。而作为一款编译工具链——Emscripten，它能够将C或C 编译成JavaScript，并提供很多C或C 所使用的库函数，当进行web编程的时候，就可以轻松地去使用这些库。
因此，在这些传统引擎开发的内容的基础上，就可以使用Emscripten编译工具，将C或C 代码移植到Java Script版本中，进而实现Web端的VR[6]。 3）Mozilla的A-Frame方案
A-Frame是一个可以在HTML中创建三维场景的框架，通过定制HTML元素即可快速创建VR网页。它构建在WebGL接口之上，内置了Three.js开发框架，采用ECS模式，即实体-组件-系统（Entity Component System， ECS），是三维游戏中常见且理想的设计模式[7]。A-Frame虽基于游戏领域经常使用的实体组件系统，但却定位于Web开发，使用标记语言以及使用JavaScript语言来进行操作，最终达到在网页中获得三维虚拟现实体验的设计目标。
3 Web VR在教学系统中的优势
相对于传统的教学模式，基于web VR的网络教学带来了全新的教学模式和教学理念，创新了教学方法以及实验手段，变革学生的受教方式，它以计算机图形学为基础，利用相关的软硬件设备，创造出一种逼真的现实世界，模仿特定的教学环境和实践场景[8]，具有以下优势：
1）使用的直接性
浏览器即可体验，无须安装。支持WebVR的浏览器，比如Chrome、火狐、Edge和三星网络浏览器等，都是支持WebVR API参数的主流浏览器。在使用这些浏览器进行浏览时，如果浏览的内容是我们日常所看到的2D内容的时候，并不会产生什么不同的效果，但是如果浏览的内容是WebVR内容，这时，利用浏览器，我们就能够轻松的和3D内容进行交互，比如通过对位置上的反应来响应你的移动操作。此时，在浏览器上还会出现相应的提示按钮，比如“进入VR”的按钮，来让你选择是否要进入VR模式，同时可以利用VR设备，如头显，将手机插入到头显中，来达到更加真实的沉浸感[9]。也就是说，当一个用户从浏览2D网站跳到WebVR体验中时，能够达到无缝的衔接，很容易进入模拟场景，实现虚拟场景教学和学习。
2）模拟实验教学场景
Web VR包含了计算机虚拟仿真技术，利用虚拟技术可以模拟出如物理、化学、生物等各种实验室，这种模拟实验室不仅可以节省真实实验室昂贵的仪器设备的费用，而且实验场景基本接近真实的实验场景，学生可以在这样的模拟环境中，进行学习和交流，同样能够达到相应的教学效果。利用虚拟现实技术建立起来的虚拟实验室，无论是实验设备，还是其他相关的实验部件，全都是虚拟出来的，所以可以根据实际需要，随时生成新的设备，确保模拟实验室的先进性[10]。从而保证了教学内容的不断更新，进而加速和巩固学生学习知识的过程。
3）通过人机交互，避免真实操作带来的危害
虚拟现实所具有的沉浸性和交互性，对学生的技能训练有着非常重要的实际辅助作用。利用虚拟实验室，学生可以通过操作虚拟实验器材进行实验，就可以不用亲身接触一些危险的环节，从而完成技能的实践。比如，数控课是一门实践性非常强的学科，在实践操作过程中，可能會因为操作不当，或其他不可控因素，给学生带来安全隐患。这种情况下，通过VR实现对数控加工的场景进行虚拟仿真，包括操作过程中，使用对金属材料进行切割的刀具等各个模块，通过鼠标操作和相应指令的输入，就可以和仿真系统进行交互，从而使学生掌握数控知识和操作技能[3]。又如在做化学实验时，可以避免危险化学品带来的安全问题，同时也可以多次实验，更深刻地、形象地理解科学原理。
4）跨平台性
Web VR本身还具有一个非常强大的优势，它具有能够跨越网站、移动端和VR平台来达到众多用户的能力，通过发布Web VR服务，并且这些WebVR服务是可以运行在任何浏览器上的，就能够到达更多的用户，包括几乎每一种设备[9]。也就是说，通过Web VR 可以实现用户之间的交互，让VR中的用户和VR外的用户进行连接，从而很容易实现学生与学生之间的互动交流，激发学习热情，提高学习效率。
4 总结
随着教育形式的多样化以及计算机技术在教育领域的深入应用，VR学习环境对传统的教学方式和学习方式产生了深远的影响。传统教学模式通过简单的图片、声音或者文字达到传递知识的目的，而VR可以通过一系列实时生成的模拟真实场景的信息，如听觉、触觉以及感知（未来还会增加嗅觉和味觉）等来创造学习场景，其最典型特点就是“如临其境”，这也正好体现了教育原理中的“情景构建”意识，使“情景构建”生动化、形象化。将Web VR技术融入网络教学的设计中，必将对传统的教学方式和学习方式产生深远的影响，创建更高效的教学环境，提高学习效率。
参考文献：
[1] 鲁徐.web VR在网络教学中的应用[J] .中国商界，中国商界，2010（11）：394.
[2] 吴敏.计算机仿真技术在实践教学中的作用[J].岳阳职业技术学院学报，2004，19（4）.
[3] 秦景良.虚拟仿真技术在大学物理实验室教学中的应用[J].广西民族大学学报，2011，17（3）.
[4] 汤兆平.基于虚拟现实技术的网络动态课件设计与实现[J].科技管理研究所，2010（17）.
[5] Daniel A，Guttentag.Virtual reality：Applications and inplication for tourism[J].Tourism management，2010（1）
[6] 谭云兰.基于web VR的井冈山虚拟旅游系统架构设计[J].井冈山大学学报，2012，3（6）.
[7] 王学璠.基于A-Frame的虚拟现实应用[J].计算机时代，2018（3）.
[8] 任艺.WEBVR和RIA技术在新媒体中的应用[J].硅谷，2013（2）.
[9] 陈伟娜.WebVR技术在短期商业会展中的应用研究[J].现代计算机（专业版），2017（21）.
[10] 林定.一种基于WebVR的网络数据三维树形可视化[J].系统仿真学报，2018（7）.
【通联编辑：唐一东】
关键词：Web VR；虚拟仿真；网络教学
中图分类号：G424 文献标识码：A
文章编号：1009-3044（2019）09-0102-02
Abstract：With the continuous development of virtual simulation technology， Web VR technology plays a more and more powerful role in enriching teaching means with its advantages of strong immersion， good interaction and no need of plug-in direct browsing. Especially for traditional boring network teaching or distance teaching， it creates a lifelike learning environment through Web VR， not only does it change the learning style of students， but also stimulate the enthusiasm of students， and achieve the purpose of improving learning efficiency.
Key words：Web VR； Virtual simulation； Network teaching
随着互联网技术的飞快发展，加速了计算机网络技术产品的更新迭代，如今，越来越多的新时代网络技术产品成为传统教学中不可或缺的辅助成分。虚拟现实技术作为一种仿真技术，以其强烈的逼真性、沉浸性，互动性，成为当下最热门的一种新型教学手段[1]。众所周知，培养专业知识扎实、并且具有高素质的人才，是高职高专教育的最基本的目的，然而，在高职高专教育中，更为重要的是在于对高技能型人才的培养，即要培养有真正实际操作能力的实用性技能人才[2]。动手能力的提高又在于教学过程中大量的实践操作环节，传统的教学方式往往由于缺少相应的设备、场地，或者实际操作过程中存在的不确定危险，都会给学生的实践动手操作带来一定程度上的困扰，从而无法保证能够达到预期的教学效果[3]。
虚拟仿真技术就可以模拟真实世界的场景，为学生提供一个集视觉、听觉、触觉为一体的仿真环境。基于Web VR的网络教学方法可以弥补传统教学模式中存在的很多不足之处，尤其是在那些既耗时、耗钱、又耗力的实训教学过程，只需要通过仿真技术，就可以轻松地为学生提供一个沉浸感极强的实践场景和学习环境，通过交互技术、增强技术的应用，为学生营造一个如临其境的真实场景，并以听、视、触、互动等多种体感方式，让学生轻松的参与学习活动，从而激发学生学习的积极性，提高学生的学习质量和动手能力[1]。
1 Web VR的概念
Web VR即Web VR，是一种在浏览器中渲染3D图形的JavaScript API，也就是说，如果在3D网站的浏览器上进行点击，就会进入一个3D空间[4]。
Web VR的实现，就是将我们对VR的体验，移植到了浏览器上，从而可以通过使用浏览器，来达到体验VR的一种全新方式。它以互联网技术和虚拟现实技术作为基础，并在三維图形生成技术、计算机仿真学，多媒体传感技术等基础上，通过计算机网络，实现对真实环境的全面仿真，给学生创造出如临其境的体会，以此来达到一个更加直观、形象的模拟实践场景，带动学生的学习积极性，提高学生的学习效率。
如今浏览器供应商正在开发并增强其浏览器，使其能够使用VR技术。市面上已经出现了安卓版Chrome、火狐Nightly、三星互联网、微软Edge、Chromium、Servo和Oculus Carmel浏览器。我们可以通过电脑或手机，加上网络连接就可以用VR头显来浏览VR网站。
2 Web VR开发方式
在Web上开发VR应用，有下面三种方式：
1）HTML5 Java Script WebGL WebVR API
WebGL是一种跨平台的网页3D绘图标准，用于基于OpenGL ES的底层3D图形API，通过HTML 5画布元素公开给ECMAScript，可以为HTML5 Canvas提供硬件3D加速渲染[5]。使用WebGL与WebVR API结合，在常规Web端三维应用的基础上通过API与VR设备进行交互，进而得到对应的VR实现，把Web带入3D的时代。
WebVR API目前可用于安装了Firefox nightly的Oculus Rift、Chrome的实验性版本和Samsung Gear VR的浏览器。
2）传统引擎 Emscripten
如今我们所看到的三维城市、虚拟校园等，都是通过传统引擎如Unity 3D、虚幻引擎等开发出来的具有交互功能的三维虚拟场景，这些虚拟场景能够带给我们如临其境般的体验[6]。而作为一款编译工具链——Emscripten，它能够将C或C 编译成JavaScript，并提供很多C或C 所使用的库函数，当进行web编程的时候，就可以轻松地去使用这些库。
因此，在这些传统引擎开发的内容的基础上，就可以使用Emscripten编译工具，将C或C 代码移植到Java Script版本中，进而实现Web端的VR[6]。 3）Mozilla的A-Frame方案
A-Frame是一个可以在HTML中创建三维场景的框架，通过定制HTML元素即可快速创建VR网页。它构建在WebGL接口之上，内置了Three.js开发框架，采用ECS模式，即实体-组件-系统（Entity Component System， ECS），是三维游戏中常见且理想的设计模式[7]。A-Frame虽基于游戏领域经常使用的实体组件系统，但却定位于Web开发，使用标记语言以及使用JavaScript语言来进行操作，最终达到在网页中获得三维虚拟现实体验的设计目标。
3 Web VR在教学系统中的优势
相对于传统的教学模式，基于web VR的网络教学带来了全新的教学模式和教学理念，创新了教学方法以及实验手段，变革学生的受教方式，它以计算机图形学为基础，利用相关的软硬件设备，创造出一种逼真的现实世界，模仿特定的教学环境和实践场景[8]，具有以下优势：
1）使用的直接性
浏览器即可体验，无须安装。支持WebVR的浏览器，比如Chrome、火狐、Edge和三星网络浏览器等，都是支持WebVR API参数的主流浏览器。在使用这些浏览器进行浏览时，如果浏览的内容是我们日常所看到的2D内容的时候，并不会产生什么不同的效果，但是如果浏览的内容是WebVR内容，这时，利用浏览器，我们就能够轻松的和3D内容进行交互，比如通过对位置上的反应来响应你的移动操作。此时，在浏览器上还会出现相应的提示按钮，比如“进入VR”的按钮，来让你选择是否要进入VR模式，同时可以利用VR设备，如头显，将手机插入到头显中，来达到更加真实的沉浸感[9]。也就是说，当一个用户从浏览2D网站跳到WebVR体验中时，能够达到无缝的衔接，很容易进入模拟场景，实现虚拟场景教学和学习。
2）模拟实验教学场景
Web VR包含了计算机虚拟仿真技术，利用虚拟技术可以模拟出如物理、化学、生物等各种实验室，这种模拟实验室不仅可以节省真实实验室昂贵的仪器设备的费用，而且实验场景基本接近真实的实验场景，学生可以在这样的模拟环境中，进行学习和交流，同样能够达到相应的教学效果。利用虚拟现实技术建立起来的虚拟实验室，无论是实验设备，还是其他相关的实验部件，全都是虚拟出来的，所以可以根据实际需要，随时生成新的设备，确保模拟实验室的先进性[10]。从而保证了教学内容的不断更新，进而加速和巩固学生学习知识的过程。
3）通过人机交互，避免真实操作带来的危害
虚拟现实所具有的沉浸性和交互性，对学生的技能训练有着非常重要的实际辅助作用。利用虚拟实验室，学生可以通过操作虚拟实验器材进行实验，就可以不用亲身接触一些危险的环节，从而完成技能的实践。比如，数控课是一门实践性非常强的学科，在实践操作过程中，可能會因为操作不当，或其他不可控因素，给学生带来安全隐患。这种情况下，通过VR实现对数控加工的场景进行虚拟仿真，包括操作过程中，使用对金属材料进行切割的刀具等各个模块，通过鼠标操作和相应指令的输入，就可以和仿真系统进行交互，从而使学生掌握数控知识和操作技能[3]。又如在做化学实验时，可以避免危险化学品带来的安全问题，同时也可以多次实验，更深刻地、形象地理解科学原理。
4）跨平台性
Web VR本身还具有一个非常强大的优势，它具有能够跨越网站、移动端和VR平台来达到众多用户的能力，通过发布Web VR服务，并且这些WebVR服务是可以运行在任何浏览器上的，就能够到达更多的用户，包括几乎每一种设备[9]。也就是说，通过Web VR 可以实现用户之间的交互，让VR中的用户和VR外的用户进行连接，从而很容易实现学生与学生之间的互动交流，激发学习热情，提高学习效率。
4 总结
随着教育形式的多样化以及计算机技术在教育领域的深入应用，VR学习环境对传统的教学方式和学习方式产生了深远的影响。传统教学模式通过简单的图片、声音或者文字达到传递知识的目的，而VR可以通过一系列实时生成的模拟真实场景的信息，如听觉、触觉以及感知（未来还会增加嗅觉和味觉）等来创造学习场景，其最典型特点就是“如临其境”，这也正好体现了教育原理中的“情景构建”意识，使“情景构建”生动化、形象化。将Web VR技术融入网络教学的设计中，必将对传统的教学方式和学习方式产生深远的影响，创建更高效的教学环境，提高学习效率。
参考文献：
[1] 鲁徐.web VR在网络教学中的应用[J] .中国商界，中国商界，2010（11）：394.
[2] 吴敏.计算机仿真技术在实践教学中的作用[J].岳阳职业技术学院学报，2004，19（4）.
[3] 秦景良.虚拟仿真技术在大学物理实验室教学中的应用[J].广西民族大学学报，2011，17（3）.
[4] 汤兆平.基于虚拟现实技术的网络动态课件设计与实现[J].科技管理研究所，2010（17）.
[5] Daniel A，Guttentag.Virtual reality：Applications and inplication for tourism[J].Tourism management，2010（1）
[6] 谭云兰.基于web VR的井冈山虚拟旅游系统架构设计[J].井冈山大学学报，2012，3（6）.
[7] 王学璠.基于A-Frame的虚拟现实应用[J].计算机时代，2018（3）.
[8] 任艺.WEBVR和RIA技术在新媒体中的应用[J].硅谷，2013（2）.
[9] 陈伟娜.WebVR技术在短期商业会展中的应用研究[J].现代计算机（专业版），2017（21）.
[10] 林定.一种基于WebVR的网络数据三维树形可视化[J].系统仿真学报，2018（7）.
【通联编辑：唐一东】