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基于互联网虚拟世界的虚拟课堂的构建探析

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摘要：虚拟现实（VR）是一种先进的计算多媒体处理技术，提供使用者对于视觉、嗅觉、听觉等感官的模拟。虚拟课堂是一个利用虚拟现实技术构建的沉浸式、仿真式的教学环境。OpenSim是一个开源的虚拟世界平台，自带三维建模系统，可提供了情景化的教学环境，教师可以借助其优势，构建虚拟教学环境和虚拟实验室，达到师生间的良好互动，促进学生的学习兴趣，提高教学效果。

关键词：虚拟现实;虚拟课堂;OpenSim

中图分类号：C642 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2020）09-0218-06

1 引言

虚拟现实（VR）是最近几年在ICT业界出现频率较高的词语，他是许多学科交叉、融合的产物[1]，利用先进的图像处理和模式识别等技术实现人机交互。虚拟现实技术，已经在医学、军事、建筑、娱乐等领域得到了较为广泛的运用。利用虚拟现实技术开展教育教学活动，教师可以将晦涩难懂的教学内容可视化、形象化、直观化，学生在虚拟环境中做实验，可以身临其境地感受事物变化，增强感知能力[2]。OpenSim的虚拟课堂可以模拟真实环境，师生可以通过控制人物，利用聊天模块，语音模块和表情动作进行交流。

2 虚拟世界平台OpenSim

2.1 0penSim的简介

OpenSim是一个开源三维多用户虚拟平台，并支持多个独立的地区连接到一个单一的網络中心，可以实现与SecondLife一样的虚拟世界[3]。任何人都可以运行自己的网络服务器透过互联网联系在一起。它也可以被用来建立一个私人的网络，类似于一个私人的Intranet。目前，OpenSim已经实现和sl的互通，国内已经出现以OpenSim为核心架构的3D社区，其中已经开放的有兰奇3D虚拟社区。OpenSim也支持部分林登脚本语言。

2.2 0penSim界面使用

2.2.1 语言交流模块

语言交流模块是OpenSim虚拟世界平台中用户交流的主要模块。在OpenSim中有两种语言交流形式，一种是公共信道（如图1所示），在这种方式下，用户所写的每一句话都会被在这个附近的其他用户所看到的，通过公共信道的交流聊天窗口，师生可以进行同一区域内的大讨论，相互之间进行交互。另一种是私有信道（如图2所示），用户只能与自己的好友交流，同时你的好友也必须在线，在这种方式下，你所写的信息只能够你们两个人知道。在虚拟课堂的构建中，交流模块是必不可少的，教师和学生必须通过该模块进行文本交流，相互之间进行交互。

2.2.2 物体建造模块

物体建造模块也就是OpenSim平台自带的建模T具，同时也是OpenSim中的重点模块（如图3所示）。为了方便用户自由建设，该模块系统给出了基本的建造模型，例如：正方体、圆柱体、球体、圆锥、四棱锥等等。并且可以通过设置物体中的相关参数达到创造各种物体形状的目的，这极大地方便了建造虚拟世界的动作。

建造模块下属的五个页面为General（一般）、Object（物体）、Features（特性）、Texture（纹理）、Content（内容）。其中Ob-ject页和Texture页是我们在建造的过程当中最常用的两个页面。Object页可以直接通过调整数据改变物体的位置、大小和旋转角度等。Texture页可以改变物体材质、表面光泽度和表面光泽等。

2.2.3人物库存模块

人物库存模块（如图4所示）里放着每个用户在虚拟世界里的所有物品，相当于每个用户的仓库，有了这个模块我们就能方便存储、查找和管理已建造的物品。当然库存模块中除了存储有建造好的作品外，还存储着用户所控制人物的装饰、物体材质、地理位置标识等，用户也可以编辑特有的人物姿势和动作，作为个人特色进行保存。

2.2.4 语音聊天模块

为了打破文字聊天的局限性，OpenSim平台开发了语音聊天的模块（如图5所示），点击语音交流模块的按钮，在打开的新页面中输入要语音聊天的对象，并且邀请对方和获得对方的同意双方才能进行语音聊天。虚拟课堂的构建中，语音模块必不可少，在有些虚拟课堂和虚拟会议上，语音交流是首选的交互方式。

2.2.5 好友搜索模块

在OpenSim虚拟世界中我们可以用好友搜索模块（如图6所示）来互相添加自己的好朋友为自己的好友，方便交流与文件的传递。当我们在虚拟世界中知道了对方的账号（一般登录到OpenSim系统平台的用户的虚拟人物的头顶上显示着的内容），并且相加对方为好友，那么就可以使用这个好友搜索模块，十分方便，操作简单。在构建虚拟课堂的过程中师生相互之间互相加为好友，方便联系和交流和管理。

2.2.6虚拟地图模块

在OpenSim虚拟世界中，用户可以查看自己所在区域的虚拟地图（如图7所示），在这张虚拟地图上我们可以知道自己虚拟人物的所在位置及整个区域的地图，还可以选择我们所要到达的目的地，单击鼠标左键即可，我们会发现我们所要去的地方会出现一个红色的柱子，这时我们有两种方法可以选择。一种是根据屏幕上出现的红色箭头的提示，步行到目的地。另一种方式是选择瞬间移动的办法，选择好目的地后，直接点击虚拟地图的右下角的“Telport”按钮，就能瞬间移动到目的地去，这是最简单方便省事的办法。当然虚拟地图上还有很多很实用的工具，例如：设置家的所在地、瞬间移动回家、查看当前所在区域的在线人数等。

2.2.7 时间设置模块

由于OpenSim平台是对现实世界的虚拟，因此就离不开时间观念，在虚拟的世界中就有白天、黑夜、黄昏和早晨等。在客户端我们可以看到系统为我们提供了默认的四个时间段（如图8所示）：Sunrise（早晨）、Midday（中午）、Sunset（黄昏）和Mid-night（午夜）。当然我们可以用Environment Editor（环境编辑器）来编辑环境、天空和水等。通过时间模块的设置增强虚拟世界的虚拟性，使用户有一种置身于现实之中的感觉。

2.2.8 文件上传模块

OpenSim平台允许用户上传一定格式的文件，允许的图片格式有：.tag;.bmp;.jpg;.jpeg;.png等五种格式，声音文件只能是：.wav格式，并且时间长度不能超过lOs。动画文件只支持.bvh格式的文件。如果想利用第三方建模工具建模后导入到OpenSim中，我们必须把我们的文件转换为.dae格式的文件才能上传。

2.3 0penSim人物角色技能应用

2.3.1人物运动

OpenSim中的虚拟人物有以下三种运动方式：行走、奔跑和飞行。运动过程中用户使用上、下、左、右方向键控制人物前进后退和左右转，在虚拟情景中随意移动，与其他3D游戏一样，可以使用键盘上的“W”“A”“S”“D”来代替。快捷键“Ctrl”+“R”可以由行走切换至奔跑，按住“Shift”同时按下向左或向右键可以向左右平移。画面底部的飞行按钮“Fly”、键盘上的“F”或“Home”键，或者“Page Up”键可以操控虚拟人物飞行。升空后使用键盘上“Page Up”及“Page Down”键或“E”及“C”可上升与下降。停止飞行按“Stop Flying”键即可落回地面。此外OpenSim还提供了teleport（瞬间移动）的功能，它可以使角色到达另外的虚拟情景中。

2.3.2 视角切换

在OpenSim中，用户可以使用鼠标控制虚拟人物的视角，用鼠标按住化身背部并移动鼠标即可四周巡视。“Alt”+鼠标左键点按住并移动鼠标，可缩放该物品视角，以及视角围绕物品转动。“Ctrl”+“Alt”+“Shift”+鼠标左键按住物品并移动，可让视角以该物品为准平移。按下“Esc”键两次可以重设视角。另外还可以切换为第一人称视角。第一人称视角（ Mouse look）即透过自己化身视野观看世界，此时控制方式略有不同。按下“M”键即可切换第一人称视角，而按下“Esc”键即关闭第一人称视角模式。

在OpenSim客户端的“View”菜单下，激活“Camera Con-trols”（摄像头控制）和“Movement Controls”（移动控制）会出现两个控件，我们也可以通过鼠标点击这两个控件来控制虚拟人物的视角问题（如图9所示）。

2.3.3 人物姿势

在OpenSim中，当用户需要角色做某些动作时，需选择“Gesture”按钮，所有的角色动作全部都包含在其中。其中一些动作适用于本设计的虚拟课堂教学，例如举手动作，可以通过举手示意来回答教师提出的问题或向教师提出问题;点头或鼓掌动作，当需要表示认同或赞许时可以选择点头或鼓掌动作。这些丰富的动作功能使教学过程显得生动逼真，使教师能够实时地了解学生的听课状态。同时，OpenSim也为用户提供了丰富的表情功能，如大笑、微笑、尴尬、哭泣等，这些功能同样安排在“Gesture”按钮选项当中，增强了虚拟课堂交互功能。

2.3.4 外表创建

用户在第一次进入OpenSim虚拟世界时将自动得到一个角色，在注册时用户为其命名，并根据自己的想法改变角色的外观，如图10所示。

如图所示，OpenSim为用户提供了关于人物造型的各种选项，分别为：body parts（ shape，skin，hair，eyes），clothes（shirtpants， shoes， jacket， gloves， undershirt. underpants， shirt）， body，head，eyes，ears，nose，mouth，chin，tattoo，Iegs.基本包括了角色的所有部分，用户只需点击需要改造的相应部分，调整所给出的数据范围，就可从图中看到相应的效果，得到满意的角色形象。例如：用户需要对角色的hair（头发）样式进行设置，可点击“hair”按钮，出现头发编辑界面，如图II：

2.4 0penSim虚拟环境中教学特点

2.4.1 模拟真实的环境

情景认知理论认为知识必须在真实情景中呈现，才能激发学习者的认知需要[4]。在虚拟环境中，与教学相关的场景将促进知识的迁移和学习者对知识的自动构建。OpenSim提供了情景化的教学环境，为学习者提供与真实环境相类似的环境，让学习者了解相关的背景，同时，通过逼真的场景、有趣的画面、丰富的体验来更好地调动和激发学生的学习兴趣。据国外的研究表明，学生的学习兴趣在虚拟环境中远高于真实环境，这更有利于增强学生的记忆效果[5]。

2.4.2 学习者有更大主动权

虚拟环境有助于形成以学生为中心的学习环境和教学方式，符合建构主义学习理论的要求[6]。在基于OpenSim的虚拟环境中，学习者通过虚拟化身进行“面对面”的交流，不分年龄地狱种族，平等地学习同样的内容。在学习的过程中，他们不断地协商和协作，积极参与学习活动、探索解决问题的答案和建构所学知识，在上课时候可以更积极的提问，而不用担心影响到教师的教学过程，师生之间的交流更加方便自然。在这种情况下，学生就拥有了更大的主动权，有些在现实中是难以实现的[7]。

2.4.3 打破时空的限制

在传统的教学活动中，老师和学生必须同时到达指定的地点开展教學活动。但有时因为一些因素的影响，不能达到这种要求，因此教学活动就不得不停止。但是虚拟环境中的教学则可以打破这种限制，冲破时空的约束而展开。只要在有网络的地方，任何学习者都可以通过网络连接到服务器，通过客户端登录到虚拟课堂中，进行虚拟环境下的远程教学，而不需要考虑教学的地点和相关的场所，更无须考虑天气或其他因素[8]。

3 基于OpenSim的虚拟课堂的构建

3.1 虚拟教室的建造

3.1.1 教学区

在教学区中，共创建8个教室，每个教室能容纳一个教师与12个学生，教师可以与学生在其中进行授课与学习。如图12所示：

3.1.2 讲座区

在虚拟课堂中创建一个讲座区，用于进行公开大型的讲座。座位以阶梯式呈现。如图13所示：

3.1.3 交流休闲区

交流区为学习者提供自由交流的场所，将交流区以交流广场的形式呈现。在广场中有休闲座位，同时有一些军事装备如：军用战车、军用飞机、军用武器等供人们观赏。如图14所示：

3.1.4 计算机室

在虚拟计算机教室中模拟真实的计算机室情景，有虚拟的服务器，虚拟的电脑等，可以让用户在权限不受限制的时候进行自由访问。如图15所示：

3.1.5 实验室

虚拟教室模拟的是生物实验室，其中有显微镜、离心机等，教师可以在这种虚拟环境下讲授仪器的使用及理论课程。如图16所示：

3.1.6 会议室

在虚拟的会议室中，可以组织讨论、开会、培训等。教师和学生可以在里面进行自由的交流。如图17所示：

3.2 虚拟教室的PPT的展示功能的实现

在OpenSim当中呈现图像的方式是将图片上传到OpenSim内部，然后以贴图的方式贴在物体上面，从而呈现出图像信息。由于在OpenSim中呈现的所有图片，文字内容都是从外部上传的，比如说：要是有一个50页的PPT，那么就要上传50张图片，并且由于OpenSim每次限定只能上传一张图片，因此就得上传50次，过程是相当的麻烦。另外，上传到OpenSim当中的资源也不容易修改，要对一些内容修改的话需要首先将其删除，然后将修改后的源文件重新上传。由于虚拟课堂中每次需要用到的教学内容很多，因此此种方式不适合。需要与Moodle平台进行结合。

Moodle是一个制作网络课程的软件包，是一个自由的开源软件，作为一个开源课程管理系统，已经被世界各地教育丁作者为学生建立网上动态网站的首选工具。为了正常运行Moo-dle，它需要被安装在Web服务器上[9]。我们可以在OpenSim服务器上搭建Moodle平台，我们把在需要用到的教学资源上传到Moodle平台，然后在OpenSim中通过访问Moodle平台进而访问其中的资源[10]。

PPT展示功能实现的代码如下：

pagedown0

{aII=IIGetInventoryNumber（INVENTORY_TEXTURE）;

name=IIGetObjectName0;

value++;

if（value>=total）

{value=0;）

IISetLinkTexture（LINK_SET， IIGetlnventoryName（INVENTO-RY_TEXTURE，value），5）;

IISetText（IIGetInventoryName（INVENTORY_TEXTURE， val-ue），<0.5，1.0，0.5>，1.0）;）

pageup0

f aII=IIGetInventorvNumber（INVENTORY_TEXTURE）;

name=IIGetObjectname0;

if（value>0）

{value--;}

else

{value=all-l;}

IISetLinkTexture（LINK_SET， IIGetInventoryName（INVENTO-RY_TEXTURE，value），5）;

IISetText（IIGetlnventoryName（INVENTORY_TEXTURE. val-ue），<0.5，1.0，0.5>，1.0）;）

default

{state_entry0

{pagedown0;

IISetTimerEvent（time）;}

touch_start（imeger total_number）

{lf（IIGetLinkName（IIDetectedLinkNumber（0》="pagedown”）

{pagedown0;）

else if（IIGetLinkName（IIDetectedLinkNumber（0》=”pageup”）

{pageup0;}）

timer0

{next0;}}

3.3 语音FreeSwitch模块的搭建

FreeSwitch是一款开源的电话软交换平台，主要的开发语言是C语言。它有很强的可伸缩性一一从最简单的软电话到商业级的软交换平台几乎无所不能。它支持SIP、Skype、H232IAX及Google Talk等通信协议。另外，它还支持很多高级的SIP特性，如presence、BLF、SLA以及TCP TLS和sRTP等。它可以作为纯SBC使用，如作为T.38及其他点对点通信的代理等。也可以作為B2BUA连接其他开源的VoIP系统，如Open-PBX .Bayonne. YATE .Asterisk等[13]。同时它使用一种模块化、可扩展性的结构，只有必需的功能和函数才会加入内核中，从而保证了它能稳定运行。

在OpenSim中配置FreeSwitch模块的过程如下：

FreeSwitch的修改：

（1） modules.conf.xml文件：

将：< ！--->

<！--—<

load module="mod siren">->

改为：

（2） xml_curl_conf_xml文件：

将里面的内容替换为：

（3） vars.xml文件：

将：

改為：

OpenSim的修改：

（1） opensim.ini文件

将[FreeSwitchVoice]模块修改为：

Enabled= true

LocaIServiceModule=OpenSim. Services. FreeswitchService.dII：FreeswitchService

FreeswitchServiceURL= http：//180.212.56.28：9000/fsapi

（2） standalonecommon.im文件

将[FreeSwitchService]模块修改为：

ServerAddress= 180.212.56.28

Realm= 180.212.56.28

SIPProxy= 180.212.56.28：5060

DefaultTimeout= 5000

Context= default

UserName= freeswitch

Password= password

EchoServer= 180.212.56.28

EchoPort= 50505

AttemptSTUN= false

以上所有文件都修改后在重新启动服务器，登录后就可以使用语音聊天了，此时语音聊天按钮处于激活状态如图18所示：

4 结语

在传统的教学当中，教室是课堂的空间载体，课程的安排则是课堂的时间限制，教师在课堂中起着不可替代的作用，学生在教师的指导下完成课堂的学习，在这种模式下很难引起学生的兴趣和求知欲，也不容易发挥学生的独立性、主动性和积极性。而基于虚拟现实技术的虚拟课堂则恰恰可以弥补传统教学模式的缺陷。

参考文献：

[1]刘勉，张际平.虚拟现实视域下的未来课堂教学模式研究[J].中国电化教育，2018（5）：30-37.

[2]刘建.虚拟现实技术在智慧课堂中的应用[J].中国教育技术装备，2018（9）：36，43.

[3]顾瑞春，王静宇.基于OpenSim的3D多用户虚拟教学系统研究[J].科技信息，2013（18）：4-5.

[4]R.M.加涅，著王小明，译，教学设计原理[M].上海：华东师范大学出版社，2018.

[5] Lee J，Hong N L，Ling N L.An analysis of students' preparationfor the virtual learning environment[J].The Internet and HigherEducation， 2001，4（3/4）：23 1-242.

[6]何克抗.建构主义——革新传统教学的理论基础（上）[J].电化教育研究，1997，18（3）.

[7]刘革平.基于Second Life的情境式网络学习系统研究[J].现代远距离教育，2008（3）：57-59.

[8]刘凤田，刘玉兰.虚拟现实技术及其在教育领域中的应用研究[J].河北农业大学学报（农林教育版），2005，7（1）：13-15.

[9]Moodle，http：//www.moodle.org/wiki/Main_Page.

[10]蔡苏，余胜泉，从Sloodle看三维虚拟学习环境的发展趋势[J].开放教育研究，2010，16（2）：98-104.

[11]Kolb，D.A.experiential learning： Experience as the source oflearning anddevelopment. Englewood Cliffs，NJ： Prentics-Hall，1984：54-56.

【通联编辑：王力】

基金项目：天津市哲学社会科学项目（HE3090）：“互联网+”时代大学课堂教学模式改革研究——基于MOOC和翻转课堂视角

作者简介：王海霞（1987-），女，河北东光人，硕士，主要研究方向为计算机应用。

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