【摘要】虚拟网络教室在增强在线教学的灵活性、可交互性等方面具有重要的作用，但传统虚拟网络教室以网络教学资源共享平台和以视音频为核心的在线网络教学平台为主，所创建的虚拟学习环境缺乏真实感、师生之间的交流与互动比较单一。根据云计算的特点和真实感虚拟学习情景构建的要求，利用开源云计算平台OpenStack和分布式虚拟现实开发了一种支持用户管理、真实感3D虚拟角色自动生成、在线课堂教学、在线答疑等的真实感3D虚拟网络教室，并研究其开发与实现过程，最后以《大学英语》在线课堂教学为例分析该3D虚拟网络教室的稳定性和可用性，实验证明该系统能够有效增强虚拟学习环境的真实性和交互性。
【关键词】云计算；3D虚拟网络教室；云存储；分布式虚拟现实技术；真实感虚拟角色
【中图分类号】G40-057 【文献标识码】B 【论文编号】1009--8097(2011)11－0087―04
引言
虚拟网络教室是利用计算机网络技术和虚拟现实技术实现的一种在线同步交互式虚拟教学平台，具备传统教室的课件展示、课堂互动、课堂演示等多种功能，可为位于世界不同地理位置的学生和教师提供一个交互式虚拟教学环境，从而将传统的课堂教学延伸到可接入互联网的任何地方，从而为不同地域的师生提供更真实的、可共享的在线互动式虚拟学习环境，如WizlQ、Blackboard、Virtual-U、Learning Space、Second Life、ActiveWorld等。然而，传统的虚拟网络教室主要以视频、声音、文字和图像为主要媒介来创建虚拟学习环境，缺乏真实感的场景和人物角色、交互方式比较简单、系统性能较差，不能很好地再现传统教室的各项功能，也不能有效激发学生的学习欲望。云计算技术的快速发展、计算机硬件性能的不断提升以及真实感虚拟现实技术的成熟为真实感3D虚拟网络教室的发展与应用提供了重要的基础，研究云计算技术支持下的真实感3D虚拟网络教室对于创建更具真实感、实时性、高互动性的虚拟学习情景具有十分重要的意义。
一 云计算支持下的真实感3D虚拟网络教室
1 云计算相关技术
云计算是在分布式计算、网格计算等基础上发展形成的一种新型共享式基础架构，它将分布于不同地理位置的计算资源集中起来，并由软件实现资源的自动调度与分配，整个过程无需人为参与。云计算的主体是由多台服务器构成的大型数据中心和计算中心，并通过虚拟化技术为用户提供强大计算能力和海量存储资源以及丰富的个性化网络服务，所处理的数据存储在远程的数据中心、运行的各种应用程序执行在远程的计算中心，用户只要接入互联网即可通过个人电脑、平板电脑等终端设备方便快捷地享受云计算所提供的各种服务和应用。
云计算是虚拟化技术和软件即服务(SaaS，Software as aService)两者的结合，其核心是将某一或某几个数据中心的计算资源虚拟化之后，向用户提供以计算资源为形式的服务，其相关的技术主要有虚拟化技术、网络计算、分布式计算、Web2.0、SaaS等，如图1所示。
2 真实感3D虚拟网络教室的设计
真实感3D虚拟网络教室已成为当前教育信息化领域关注的热点问题之一。首先，云计算技术的发展为真实感3D虚拟网络教室提供了可灵活调配的海量存储资源和高性能计算资源，能够有效降低运行成本；其次，真实感虚拟现实技术的应用能够快速构建具有高度真实感的3D虚拟教室场景和3D虚拟师生角色，为其推广应用提供了基础；最后，高速网络通信技术是3D虚拟网络教室能够不受网络带宽和昂贵网络通信费用的限制，使用户以较低的费用充分体验流畅、逼真的虚拟学习情景。
(1)真实感3D虚拟网络教室的体系架构
真实感3D虚拟网络教室的体系架构如图2所示，底层的云计算基础平台由物理资源和虚拟化软件来构成，主要是为上层的数据库系统、真实感3D虚拟网络教室等提供高性能计算资源和海量存储资源；中间层的中间件主要实现对虚拟化之后的硬件资源进行管理和调度，并对来自上层的用户资源请求做出响应；上层的数据库系统主要为真实感3D虚拟网络教室提供用户管理、用户数据管理、学习资源管理等。
(2)真实感3D虚拟网络教室的功能模块
在平台主页上，首先对该3D虚拟网络教室的体系架构、主要功能、使用方法等进行说明，以便用户对该平台的使用产生浓厚的兴趣。为保证该平台能被合理、有效地利用，只有使用姓名、年龄、E-Mail、所学专业、所在单位、个人照片等真实信息注册并通过平台管理者审核的合法用户才能登录平台，用户登录平台之后便可通过提交自己近期的个人生活照片来在线生成一个自己的3D虚拟化身，以此作为虚拟网络教室中自己的替身来参加相应的教学和学习活动。同时，平台管理员将在平台主页上实时发布近期将开展的在线课堂教学活动及其相应的链接，用户可根据自己的需要来选择相应的虚拟课堂进行在线学习活动，当在线课堂教学活动开始5分钟之后其链接自动关闭，用户将无法再进入该虚拟课堂进行学习活动，以保证在线课堂教学活动的正常进行。
在线课堂是真实感3D虚拟网络教室的核心功能，当教师和学生按照计划进入在线课堂之后，由教师开始主持本课堂的教学活动，与真实课堂教学环境一样，学生将在教室中找到某一个座位之后坐下，教师可利用教室中的虚拟投影仪、电子白板等进行在线教学活动，如进行集中讲授、展示课件、课堂互动等，学生也可举手向老师提问，使教师和学生能够体验到与真实教室十分类似的虚拟学习情景。同时，教师也可将学生分成不同的学习小组进行在线协作学习、分组讨论等。这样，教师和学生能够通过操控自己的虚拟化身在3D虚拟网络教室中的行为来表达自己的情感、实现更逼真的在线课堂教学互动，达到更理想的在线教学效果。
为解决课后学生的各种疑难问题，教师和学生可以通过视频通讯、语音通讯和电子白板等方式进行在线互动。视频通讯和语音通讯能够让教师和学生就共同需要解决的问题快速达成共识，在具体交流的过程中可借助电子白板进行协同式文字编辑、自由书写与绘画、共享式展示和标注图像与文档。这样，位于不同地域的教师和学生就可以像在真实教室一样进行流畅的课外答疑与课后互动，进一步巩固和提高在线课堂教学的效果。
二 真实感3D虚拟网络教室的开发
1 云存储技术
云存储是将分布于高速数据通信网络中的大量异构存储设备通过硬件资源虚拟化方式集合在一起，通过统一管理与调度共同为云端用户提供大容量、高速数据传输与存储服务的一种系统。云存储系统具有较高的安全性和可靠性，能够面向大规模、复杂网络环境的异地用户提供高速数据存储和管理，需要存储服务的用户只需向云计算服务提供商申请所需要大小的存储空间即可，避免了存储系统的重复建设以及维护与管理费用。
2 分布式虚拟现实技术
分布式虚拟现实技术是一种支持多用户进行分布式在线 交互、信息共享、复杂虚拟环境实时绘制，构建集视、听、触觉为一体的三维虚拟交互式环境的计算机仿真技术，目前比较成熟的分布式虚拟现实应用系统主要有Second Life、ActiveWorld等。云计算支持下的真实感3D虚拟网络教室是一种典型的分布式虚拟现实应用系统，能够支持真实感虚拟教室场景的组建、虚拟角色之间的实时通讯以及虚拟角色与虚拟教室中相关教学道具的交互和响应。
3 真实感3D角色交互式生成技术
真实感3D角色生成技术是根据真实世界中的物理对象，采用相应的计算机图形算法生成逼真3D虚拟对象的一种技术。为方便用户根据自己的个性化特征采用与系统交互的方式生成具有真实感的3D虚拟化身，笔者采用当前比较成熟的3D虚拟化身自动生成软件来帮助用户构建自己的真实感3D虚拟化身，用户只需在软件中设置自己的体形特征、所需的交互式动作等即可自动生成具有真实感的3D虚拟化身，以此在3D虚拟网络教室中与教师和其他同学进行各种虚拟互动。
三 云计算支持下的3D虚拟网络教室应用
1 技术实现
首先，OpenStack是RackSpace公司与美国航空航天局(NASA)共同支持的一个开源云计算项目，包括提供自动创建和管理的云计算平台与支持大量可扩展对象存储的云存储两大部分。笔者利用开源OpenStack部署真实感3D虚拟网络教室的基础云计算实验平台，使用一台普通个人计算机作为客户机，采用一台图形工作站作为控制节点和计算节点：在图形工作站上安装CentOS 5操作系统和MySQL数据库，并完成网络IP的配置，使其可以与个人计算机互通；安装并配置OpenStack云计算平台的服务程序和控制程序。其次，利用3D实时应用程序开发引擎ShiVa、多用户应用服务器ShiVaServer、分布式虚拟现实应用开发工具包等基于OpenStack云计算平台开发和部署3D虚拟网络教室这一多用户分布式虚拟现实系统。最后，真实感3D虚拟网络教室和真实感3D虚拟角色的快速构建是本系统开发的核心和难点，采用三维室内场景构建软件Sweet Home 3D来帮助系统平台管理者构建相应的真实感3D虚拟网络教室场景，用户可借助虚拟化身制作工具Avatar Studio使用交互式方法来构建带有动画的真实感3D虚拟角色。
平台管理员利用Sweet Home 3D构建真实感3D虚拟网络教室场景的一般流程是：首先设计好3D虚拟网络教室的布局，然后从SweetHome 3D自带的模型库中导入相应的课桌、电灯、门、窗户等基本场景对象，对于投影仪、电子白板等Sweet Home 3D内置模型库中没有的3D虚拟对象可采用3DSMax或Maya来进行建模或者直接从网络上下载相应的模型资源并导入到3D虚拟网络教室中。用户利用Avatar Studio生成具有动画的真实感3D角色模型的一般流程是：用户首先在系统中输入自己的年龄、性别、民族、肤色、个人照片等基本特征信息后，系统便会自动生成一个相应的3D虚拟角色；然后用户比照自身特征可对生成的3D虚拟角色进行适当修改，如添加动作和各种装饰品、更换眼镜等操作，在保证3D虚拟角色真实感的同时，激励用户适当对自己的虚拟替身进行装饰，以激发学习者采用该平台进行在线学习的兴趣和积极性。
2 应用分析
大学英语是各专业本科生必修的一门公共基础课程，丰富、逼真的教学情景有助于激发和维持学生学习英语知识的兴趣，故笔者选取本校大一新生采用该真实感3D虚拟网络教室开展为期8周的《大学英语》在线课堂教学。实验证明，该系统只需教师和学生具备基本的计算机操作知识即可熟练应用，系统的稳定性和可靠性已经达到了在教学实践中应用的要求，且通过与同年级其他班级学生学习效果的比较，采用该虚拟网络教室可明显提高学生学习英语的兴趣和效果。四结束语
真实感3D虚拟网络教室充分利用了云计算技术和云存储技术的优势，不仅使其性能和稳定性得到了大幅度提升，而且用户可利用该平台很方便地构建具有高度真实感的虚拟学习环境，实验证明该3D虚拟网络教室在实践教学过程中具有良好的教学效果。本文所研究的3D虚拟网络教室虽然解决了虚拟学习环境的真实感问题，但主要适用于《大学英语》、《大学语文》、《思想道德修养》等文科类基础课程的在线课堂教学，对于操作性和实验性较强的理工类课程并不适用，还有待于相关研究者针对具体专业课程教学实际进一步研究和开发功能更丰富的3D虚拟网络教室。