李鳴華， 李玉潔

(浙江師范大學(xué) 教師教育學(xué)院,浙江 金華 321004)

0 引 言

教學(xué)交互是教學(xué)環(huán)境中學(xué)習(xí)者與教師、學(xué)習(xí)者與學(xué)習(xí)資源、學(xué)習(xí)者與學(xué)習(xí)者之間的雙向交流[1-2]，是一種學(xué)習(xí)者知識(shí)建構(gòu)和相互啟發(fā)認(rèn)知的基礎(chǔ)[3].而教學(xué)交互過(guò)程中學(xué)習(xí)者所體現(xiàn)出來(lái)的行為方式，往往因教學(xué)環(huán)境的不同而有所變化.隨著網(wǎng)絡(luò)教育的不斷發(fā)展，在網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺(tái)、虛擬學(xué)習(xí)社區(qū)、虛擬學(xué)習(xí)空間、BLOG、微博等環(huán)境都開(kāi)展了不同程度的教學(xué)與應(yīng)用，但這種非面對(duì)面的學(xué)習(xí)效果一直不是很理想.究其原因，學(xué)習(xí)者習(xí)慣于面對(duì)面的課堂教學(xué)，課堂教學(xué)中師生之間、生生之間、學(xué)生與資源之間用自然、方便、直接的交互行為進(jìn)行交流，而網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下卻無(wú)法做到.

交互行為問(wèn)題一直受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的共同關(guān)注，從不同側(cè)面展開(kāi)了研究：理論層面上，分析與研究交互行為的特點(diǎn)及影響因素，認(rèn)為教學(xué)策略、學(xué)習(xí)主題、學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)等對(duì)虛擬學(xué)習(xí)社區(qū)中學(xué)習(xí)者的交互有顯著影響[4-8];實(shí)踐應(yīng)用層面上，開(kāi)展在線課程的交互討論分析，如對(duì)BBS上的留言進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析[9];技術(shù)層面上，研究交互行為的實(shí)現(xiàn)技術(shù)，如角色分配、代理墻、多智能體結(jié)構(gòu)等[10-12].綜觀現(xiàn)有的研究，關(guān)注二維虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境的較多，關(guān)注三維空間環(huán)境的較少；關(guān)注教學(xué)活動(dòng)較多,而對(duì)其可操作性及可視化方面的研究相對(duì)較少；關(guān)注網(wǎng)上在線課程的交互行為較多，而針對(duì)交互行為的設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)研究較少.

相對(duì)于二維的網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺(tái)，三維虛擬教室(3D Virtual Classroom，簡(jiǎn)稱3DVC)能夠比較真實(shí)地重現(xiàn)課堂教學(xué)情境，沿用以往傳統(tǒng)課堂所熟悉的交互行為開(kāi)展教學(xué)交互.但是，現(xiàn)有的3DVC系統(tǒng)在交互行為方面不同程度地存在一些問(wèn)題[13].例如：用戶化身的行為單調(diào)，協(xié)調(diào)性不好，用戶對(duì)化身不能自如操控等.所以，本文研究3DVC的交互行為，試圖將3DVC的智能性作進(jìn)一步的提高，優(yōu)化3DVC的整體性能，更好地支持教學(xué)交互.

1 交互行為的類型與特點(diǎn)

1.1 傳統(tǒng)課堂教學(xué)環(huán)境的交互行為

傳統(tǒng)課堂教學(xué)中，學(xué)生與教師、學(xué)生與學(xué)生、學(xué)生與教學(xué)資源之間的互動(dòng)是直接的接觸,或者說(shuō)是面對(duì)面交流中同步進(jìn)行的.學(xué)生的問(wèn)題隨時(shí)可以得到教師的解答，教師通過(guò)與學(xué)生的接觸不僅可以監(jiān)督、控制學(xué)生的學(xué)習(xí)，而且還可以主動(dòng)激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，滿足學(xué)生在學(xué)習(xí)上的非知識(shí)性的心理需求，從而保證學(xué)生正確地進(jìn)行知識(shí)建構(gòu)[14].

傳統(tǒng)課堂教學(xué)環(huán)境下的交互行為可從以下4個(gè)維度來(lái)體現(xiàn)：

1)言語(yǔ)表達(dá)：講、說(shuō)、讀、寫(xiě)等;

2)肢體操作：指點(diǎn)、舉手、轉(zhuǎn)頭、行走、坐下、起立等;

3)器官感知：視、聽(tīng)、觸、嗅等;

4)態(tài)度：喜、怒、哀、樂(lè)等.

其中,教師和學(xué)生的講、說(shuō)等均是口頭方式，教師的講課并不是一氣呵成的，在教學(xué)期間師生可實(shí)時(shí)提問(wèn)、解答；學(xué)生和學(xué)生之間的交互行為具體有：答疑、討論、實(shí)時(shí)交流等.但課堂上的情景對(duì)話需要提前設(shè)計(jì)或現(xiàn)場(chǎng)隨機(jī)模擬.

1.2 二維虛擬教學(xué)環(huán)境下的交互行為

二維虛擬教學(xué)環(huán)境中，交互行為的類型可分為：學(xué)生與用戶界面的交互、學(xué)生與學(xué)習(xí)資源的交互、師生交互、生生互動(dòng).

由于二維虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境中的用戶界面和學(xué)習(xí)資源都是以多媒體形式表示的，所以學(xué)生與它們之間的交互比傳統(tǒng)課堂更豐富，更具有挑戰(zhàn)性，如圖1所示.師生和生生之間的交互行為，如：答疑、討論、自由交流、在情境教學(xué)中進(jìn)行角色分配等，可有同步交互和異步交互之分，而傳統(tǒng)的課堂教學(xué)基本屬于同步交互，從這一點(diǎn)來(lái)看，二維虛擬環(huán)境中的交互行為較具多樣性.

圖1 二維虛擬環(huán)境下學(xué)生和界面間的交互

具體的交互行為可從以下3個(gè)維度體現(xiàn)：

1)語(yǔ)言表達(dá)：發(fā)布信息、回復(fù)信息、記錄筆記;

2)肢體動(dòng)作：鼠標(biāo)點(diǎn)擊、鍵盤輸入;

3)器官感知：視、聽(tīng).

1.3 三維虛擬教學(xué)環(huán)境下的交互行為

三維虛擬環(huán)境教學(xué)中的交互行為類型可以歸納為導(dǎo)航、選擇、操縱、系統(tǒng)控制4種[15].其特點(diǎn)是：在模擬傳統(tǒng)教學(xué)環(huán)境的基礎(chǔ)上，增加了二維虛擬環(huán)境網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的使用，比二維虛擬環(huán)境增加了空間感知、運(yùn)動(dòng)感知和路徑導(dǎo)航的交互行為，增強(qiáng)語(yǔ)音在教學(xué)過(guò)程中的應(yīng)用.

具體的交互行為也可從以下4個(gè)維度體現(xiàn)：

1)言語(yǔ)表達(dá)：講、說(shuō)、讀、發(fā)布信息、回復(fù)信息、記錄筆記;

2)肢體操作：指點(diǎn)、舉手、轉(zhuǎn)頭、行走、坐下、起立、點(diǎn)擊鼠標(biāo)、鍵盤輸入等;

3)器官感知：視、聽(tīng)、觸;

4)態(tài)度感知：喜、怒、哀、樂(lè)等.

2 3DVC體系結(jié)構(gòu)

為了創(chuàng)設(shè)與真實(shí)教室逼真的虛擬教室，完成教室的基本教學(xué)功能，實(shí)現(xiàn)師生之間的自如交互，運(yùn)用多代理技術(shù)，對(duì)系統(tǒng)功能、場(chǎng)景調(diào)度、師生行為及服務(wù)器群進(jìn)行協(xié)同管理，創(chuàng)建一個(gè)擬生態(tài)的、分布式的三維虛擬教室，從而解決非面對(duì)面教學(xué)所帶來(lái)的各種弊端.

虛擬教室系統(tǒng)采用C/S結(jié)構(gòu)，整個(gè)環(huán)境由客戶端和服務(wù)器端構(gòu)成，客戶端與服務(wù)器端通過(guò)Internet進(jìn)行通訊,如圖2所示.整個(gè)結(jié)構(gòu)分為3層，即用戶層、代理總控制層和服務(wù)器層.

圖2 虛擬教室系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1)用戶層：用戶主要包括學(xué)習(xí)者、教師、管理員等.通過(guò)注冊(cè)登錄，即可進(jìn)入3DVC系統(tǒng).瀏覽器采用支持IE的3D瀏覽器插件，用戶通過(guò)簡(jiǎn)單而友好的界面，輕松實(shí)現(xiàn)各種交互.

2)代理總控制層：是虛擬教室顯示其智能性的核心模塊，支持虛擬環(huán)境中的智能控制和協(xié)同通訊，主要包含環(huán)境、化身、導(dǎo)航、教學(xué)、行為等引擎代理子模塊和多代理協(xié)同管理子模塊.每個(gè)引擎代理，根據(jù)3DVC的變化向服務(wù)器調(diào)用相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息.引擎代理將變化的信息反饋給多代理協(xié)同管理模塊.多代理協(xié)同管理模塊負(fù)責(zé)對(duì)各個(gè)引擎代理所發(fā)生的變化作出響應(yīng)，進(jìn)行管理與協(xié)調(diào)，同時(shí)處理多用戶協(xié)同通信時(shí)出現(xiàn)的問(wèn)題.

3)服務(wù)器層：主要包括場(chǎng)景服務(wù)器、Web服務(wù)器和會(huì)話服務(wù)器.采用多服務(wù)器模式，方便數(shù)據(jù)的管理與更新，支持不同的協(xié)議規(guī)范.如場(chǎng)景服務(wù)器包括3D場(chǎng)景模型、3D化身模型、會(huì)話管理等，通過(guò)SIP、Enet協(xié)議實(shí)現(xiàn)傳輸.通信服務(wù)器包括遠(yuǎn)程教學(xué)中所需的視、音頻信號(hào)，通過(guò)RTP協(xié)議實(shí)現(xiàn)雙向通信.

3 交互行為設(shè)計(jì)

3.1 用戶化身代理的行為設(shè)計(jì)

3DVC除了支持其他虛擬教室所擁有的各種教學(xué)活動(dòng)外，還能夠支持足夠的行為真實(shí)感.在其實(shí)現(xiàn)過(guò)程中設(shè)計(jì)了一個(gè)多代理引擎系統(tǒng)，包括交互代理、教學(xué)代理、環(huán)境代理、化身行為代理.

如圖3所示，如果用戶化身要發(fā)生一個(gè)單一動(dòng)作行為，那么化身代理就直接調(diào)用線程池里的一個(gè)基本動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)化身動(dòng)作.如果用戶化身要發(fā)生多個(gè)動(dòng)作行為，那么通過(guò)代理套接字Agsocket調(diào)用服務(wù)器端行為引擎代理中的行為腳本和行為決策，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜動(dòng)作.

圖3 行為引擎代理框架

3.2 場(chǎng)景動(dòng)態(tài)追蹤和用戶化身尋徑

1)空間場(chǎng)景切換的目的是為了突出教學(xué)活動(dòng)的主體，與真實(shí)教室上課一樣，當(dāng)教師講課時(shí)，學(xué)生會(huì)自覺(jué)地將視線轉(zhuǎn)移到教師身上，而當(dāng)學(xué)生發(fā)言時(shí)，所有的目光都會(huì)轉(zhuǎn)向發(fā)言者.為顯示方便，在教室內(nèi)固定架設(shè)3臺(tái)虛擬攝像機(jī)，在屏幕的正上方架設(shè)1臺(tái)攝像機(jī)，用于攝取學(xué)生場(chǎng)景；教室的正后方架設(shè)2臺(tái)攝像機(jī)，一臺(tái)用來(lái)獲取電子屏幕的場(chǎng)景,另一臺(tái)用來(lái)攝取教室全景，也是默認(rèn)場(chǎng)景[16].

定義一個(gè)三維實(shí)體代理作為場(chǎng)景跟蹤的目標(biāo)點(diǎn)，將初始位置設(shè)置為教室空間的中心位置，即在水平方向上與教室的左右、前后均居中，高度方向上只要離開(kāi)地面即可.同時(shí)為該實(shí)體定義相關(guān)屬性和參數(shù)，如應(yīng)用圖形數(shù)據(jù)、路徑搜索、動(dòng)作、移動(dòng)速度等；該實(shí)體每次所選擇的路徑從當(dāng)前位置開(kāi)始搜索一條到達(dá)目標(biāo)位置的最短路徑；若有多個(gè)學(xué)生要求發(fā)言，則該實(shí)體要進(jìn)行沖突處理，屏蔽其余的發(fā)言者，并將選中的發(fā)言者的坐標(biāo)位置作為該實(shí)體的追蹤目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景刷新和顯示.

2)為了使用戶化身不穿越任何一個(gè)場(chǎng)景對(duì)象，不飄浮在空中，設(shè)定了場(chǎng)景地面屬性、靜態(tài)碰撞群、動(dòng)態(tài)碰撞群等[17].為了使用戶化身能夠從任意位置行走到指定座位，在虛擬教室的每張桌子上設(shè)置一個(gè)三維對(duì)象，當(dāng)用戶點(diǎn)擊該對(duì)象后，用戶化身便會(huì)沿著從起始點(diǎn)到目標(biāo)點(diǎn)之間的多條可選路徑中的最短路徑(采用A*搜索算法)走到目標(biāo)點(diǎn)，如圖4所示.圖4中,“*”表示路徑節(jié)點(diǎn);①表示教師和學(xué)生化身尋徑的預(yù)設(shè)路徑.此外，教師除了學(xué)生的有效路徑外，還包括講臺(tái)周圍的路徑，用②表示.只要教師或?qū)W生成功登錄3DVC系統(tǒng)，他們所代表的化身實(shí)體就會(huì)出現(xiàn)在場(chǎng)景中.

圖4 化身智能尋徑的路徑圖

圖5 3DVC中師生之間的交互行為

4 3DVC交互行為的實(shí)例

根據(jù)3DVC的體系結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了各種交互行為，教師與學(xué)生之間可通過(guò)文本、視頻、音頻等進(jìn)行身如實(shí)境的交互.

1)師生之間的交互行為.課堂上，師生化身之間的面對(duì)面交流的畫(huà)面呈現(xiàn)如圖5所示:(a)和(b)為一組.圖5(a)是一位學(xué)生向老師舉手示意要提出問(wèn)題;圖5(b)是教師轉(zhuǎn)向提問(wèn)學(xué)生的方向并作答.(c)和(d)為一組.圖5(c)是教師群發(fā)作業(yè)的畫(huà)面，完成作業(yè)布置任務(wù);圖5(d)是學(xué)生同時(shí)接受作業(yè)的畫(huà)面，其中“1”表示作業(yè)接收.師生上下擺動(dòng)的手勢(shì)和他們敲打鍵盤的動(dòng)作是同步映射的.圖5實(shí)現(xiàn)了同步交互，可實(shí)時(shí)問(wèn)答課堂問(wèn)題.

2)生生之間的交互行為.圖6顯示的是學(xué)生在虛擬的聊天室進(jìn)行課內(nèi)外信息交流的場(chǎng)景.這種環(huán)境可引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行深層心理上的愉悅體驗(yàn)，并可實(shí)現(xiàn)情感交流，有效提升學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗(yàn).圖6(a)中學(xué)生1轉(zhuǎn)向?qū)W生3對(duì)話;圖6(b)中學(xué)生1、2共同轉(zhuǎn)向?qū)W生3進(jìn)行信息交流;圖6(c)中箭頭指向的文本框是本地聊天信息記錄的顯示(每個(gè)參與者均可及時(shí)輸入并獲得消息);圖6(d)顯示的是虛擬物品交換畫(huà)面，其中一位學(xué)生轉(zhuǎn)頭要求另一位學(xué)生發(fā)一份電子郵件，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)發(fā)送和接受.

圖6 3DVC中生生之間的交互行為

3)師生與界面的交互.如圖7所示,圖7(a)顯示的是PowerPoint在線教學(xué)的畫(huà)面.教師的講課伴隨語(yǔ)音播放、手勢(shì)和文本的顯示.圖7(b)和圖7(c)是界面的智能選擇，場(chǎng)景的切換.圖7(b)表示進(jìn)入課堂環(huán)境;圖7(c)表示進(jìn)入聊天室.

(a)PowerPoint在線教學(xué) (b)切換場(chǎng)景進(jìn)入課堂環(huán)境 (c)切換場(chǎng)景進(jìn)入聊天室 圖7 師生與界面之間的交互

總之，用戶化身可以產(chǎn)生多種動(dòng)作，如行走、舉手、轉(zhuǎn)頭等，在談話的同時(shí)伴有文本顯示和化身動(dòng)作顯示.師生也可以通過(guò)視、音頻進(jìn)行互動(dòng)交流.在這種虛擬環(huán)境中，師生的面部表情動(dòng)作可能不具形象感，但較二維虛擬教學(xué)環(huán)境更有利于學(xué)生之間的互相督促和提醒.通過(guò)不同場(chǎng)景的切換，也使得學(xué)生之間的情感交流更為豐富，為學(xué)生的個(gè)性化學(xué)習(xí)提供了可能性.

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