基于电子3D虚拟现实的翻转课堂远程教学系统设计
刘红兵 郭辉
摘 要： 为了提高翻转课堂远程教学的视觉感官性和智能控制性，提出基于电子3D虚拟现实的翻转课堂远程教学系统设计方案。在Multigen Creator软件开发环境中进行教学系统的软件设计，采用3D虚拟现实技术进行翻转课堂教学场景的远程视景仿真，建立三维教学场景模型，结合Vega Prime视景开发技术建立翻转课堂远程教学的可视化仿真程序，并进行多线程的程序加载和网络控制设计。测试结果表明，设计翻转课堂远程教学系统可视化教学效果较好，系统可靠稳定。
关键词： 电子； 3D； 虚拟现实； 翻转课堂； 远程教学系统
中图分类号： TN99?34； TP391.9 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）22?0051?03
Abstract： In order to improve the visual sense and intelligent control of the flipped classroom remote teaching， a design scheme of the remote teaching system based on the 3D virtual electronic is put forward. The software design of the teaching system was carried out in the Multigen Creator software development environment. 3D virtual reality technology is used to simulate the remote flip classroom teaching scene build 3D teaching scene model. In combination with Vega Prime scene developing technology， the visual simulation program of the flipped classroom development technology is established， and the program loading multi thread and network control design is performed. The test results show that the flipped classroom remote teaching system has a good remote teaching effect， and the system is reliable and stable.
Keywords： electronics； 3D； virtual reality； flipped classroom； distance learning system
0 引 言
随着教学改革的不断深入，课堂教学模式不断进步和发展，翻转课堂作为一种新的教学模式，在现代教学中得到广泛应用，翻转课堂模式下教学是通过教学角色互换，翻转课堂是一种新型的多媒体信息教学模式，可适应各个学科的远程多媒体互动教学需求[1]。在翻转课堂教学模式下，需要设计一种计算机视觉模式下的3D远程教学系统，提高教学环境和教学环节的跟踪和掌控能力，为了提高翻转课堂远程教学的视觉感官性和智能控制性，提出一种基于电子3D虚拟现实的翻转课堂远程教学系统设计方案。首先进行系统开发环境描述和系统总体构架设计，再进行翻转课堂远程教学系统的软件开发设计和测试分析，得出有效性结论。
1 总体构架模型
1.1 翻转课堂远程教学系统开发原理
在电子3D虚拟现实视景仿真环境下构建翻转课堂远程教学系统，首先构建教学系统的总体结构模型，进行开发环境搭建和体系结构模型设计，在Mutigen Creator和嵌入式开发环境下进行Lynx Prime图形界面设计，对教学系统的顶层设计采用多线程调度和场景渲染方法，在静态视景模型库中，电子3D虚拟现实的翻转课堂远程教学系统分为三层体系结构[2]。其中，感知控制层是通过传感器设备为用户提供实时流畅的可视化界面，采用无线射频识别和多媒体感知技术教学场景的信息化采集和多媒体渲染，调用由图形界面Lynx Prime设计生成多媒体教学数据库，在数据库中进行翻转课堂的教学资源信息采集和調度。基于标准模板库（STL）和C++编程进行3D虚拟现实设计，建立翻转课堂的视景仿真模型，定义.acf、配置.acf 和系统运行仿真的信息处理程序，结合多线程技术进行网络通信开发[3]。
构建翻转课堂远程教学的中间件，基于压缩感知的鲁棒可分离方法进行软件调度，用户代理服务器端通过双工通信为用户提供信息管理服务，翻转课堂远程教学系统的网络传输层建立在异构网、移动通信网以及校园网络环境中。系统采用Browser/Server结构进行用户代理服务器设计，SIP代理服务器的作用是协商通信双方的多媒体信息流编码格式，在SDP协议中建立3D虚拟现实视景仿真软件，实现对翻转课堂远程教学系统的界面显示和业务逻辑控制。根据上述设计原理，构建翻转课堂远程教学系统开发框架结构如图1所示。
1.2 翻转课堂远程教学系统的功能模块结构
在Multigen Creator 3.2开发环境下进行翻转课堂远程教学系统的总体设计。在感知控制层定义用户行为；基于多样化top?k shapelets转换方法进行网络切换和课堂教学多媒体切换的远程控制；以校园网、局域网和互联网为基础进行远程网络通信系统设计。通信协议将 C/S和B/S模式结合在一起，基于基础的网络架构方法，翻转课堂远程教学的各种设备的输入/输出端口采用统一的接口设计，实现翻转课堂远程教学系统远程开机关机，教学电动幕布的启动和数据信息检索等功能[4]。
教学系统的模块化设计包括硬件设计和软件设计部分，其中，硬件模块采用Prime提供的API函数直接调用开发组件进行核心控制模块的集成设计，采用3D虚拟技术进行8～16位数据线扩展，实现对远程多媒体教学信息的集成调度和输出控制。在vpApp类中通过集成封装方法封装VP应用程序，进行DSP控制，对串口进行正确配置，通过编程和接口调用vpModule：：initializeModule初始化应用程序。在Vega Prime中进行应用程序加载。初始化内存分配，在vpApp类控制终端接收控制程序设计[5]，驱动配置程序，完成软件设计。
2 系统软件开发实现
在电子3D虚拟现实视景仿真环境下进行翻转课堂远程教学系统的三层体系结构设计，基于TCP/IP协议和C/S模型构建多媒体教学平台，进行远程教学系统的视景仿真设计，视景仿真的软件设计包括网络通信模块、数据采集模块、界面渲染和3D建模模块。初始化场景（scene graph）通过串口接收控制程序设计[6]，使用以下句法进行3D虚拟现实仿真模块的用户定制：
在驱动配置程序设计中装载 .acf 文件，以计算机微处理器的形式控制各个多媒体教学设备，对于协议栈中SIP消息通过指向链表路由通道进行串行总线控制，SIP消息是由一个SIP 会话时钟（Start?Line）、一个或多个字段（Field）组成的消息头。远程中央控制机采用4G通信和互联网通信技术向翻转课堂远程教学系统发送时钟访问脉冲，通过接口访问控制，实现QoS管理， 提高翻转课堂远程教学的实时性和资源互通性，进一步进行SIP消息控制，利用OpenStack进行视景渲染，myApp?>configure（）用来解析.acf，格式为：
根据上述分析，将翻转课堂远程教学系统的串行总线控制首址赋给地址指针，在Linux操作系统中建立软件的开发环境，通过Vega Prime中提供的AudioSoundSpatial模块建立三维教学场景模型。在接口访问的服务能力层SCL架构下[7]，利用WEB?GIS浏览器进行信息传输和视景开发，实现电子3D虚拟现实仿真。
3 仿真实验
在对电子3D虚拟现实视景仿真环境下的翻转课堂远程教学系统软件开发设计基础上，进行仿真实验分析。实验采用PXI?8155总线传输方式进行教学资源调度，用Socket编程构建翻转课堂远程教学系统的状态字结构，见表1。
根据上述仿真场景设定，采用ActivityGroup软件进行翻转课堂的电子3D虚拟现实模拟，得到视景仿真结果如图2所示。
分析图2结果表明，本文设计的翻转课堂远程教学系统可视化教学效果较好，系统可靠稳定，具有较好的应用实践性。
4 结 语
本文提出基于电子3D虚拟现实的翻转课堂远程教学系统设计方案，并进行实验分析发现设计的翻转课堂远程教学系统可视化教学效果较好，系统可靠稳定。
参考文献
[1] 刘有耀，杨鹏程.基于JavaCC的C代码自动并行化的设计与实现[J].计算机应用，2016，36（9）：2422?2426.
[2] 袁永，段奇智，张毅，等.油井数据采集及高效DLL函数数据传输性能实现[J].计算机与数字工程，2013，41（10）：1628?1631.
[3] 高立军.教学质量测评系统的设计与实现[J].科技通报，2012，28（2）：193?195.
[4] 闫昭，刘磊.基于数据依赖关系的程序自动并行化方法[J].吉林大学学报（理学版），2010，48（1）：94?98.
[5] 陆兴华，甄汉健，段五星.嵌入式多模控制系统的容错性控制器设计[J].机械与电子，2016，34（4）：62?65.
[6] 董昕.一种新的数字集群通信系统网关内存测试方法[J].现代电子技术，2015，38（7）：34?38.
[7] RAHMAN A， MUHAMMAH H， SUNGYOUNG L， et al. Rough set?based approaches for discretization： a compact reviews [J]. Artificial intelligence review， 2015， 44（2）： 235?263.
摘 要： 为了提高翻转课堂远程教学的视觉感官性和智能控制性，提出基于电子3D虚拟现实的翻转课堂远程教学系统设计方案。在Multigen Creator软件开发环境中进行教学系统的软件设计，采用3D虚拟现实技术进行翻转课堂教学场景的远程视景仿真，建立三维教学场景模型，结合Vega Prime视景开发技术建立翻转课堂远程教学的可视化仿真程序，并进行多线程的程序加载和网络控制设计。测试结果表明，设计翻转课堂远程教学系统可视化教学效果较好，系统可靠稳定。
关键词： 电子； 3D； 虚拟现实； 翻转课堂； 远程教学系统
中图分类号： TN99?34； TP391.9 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）22?0051?03
Abstract： In order to improve the visual sense and intelligent control of the flipped classroom remote teaching， a design scheme of the remote teaching system based on the 3D virtual electronic is put forward. The software design of the teaching system was carried out in the Multigen Creator software development environment. 3D virtual reality technology is used to simulate the remote flip classroom teaching scene build 3D teaching scene model. In combination with Vega Prime scene developing technology， the visual simulation program of the flipped classroom development technology is established， and the program loading multi thread and network control design is performed. The test results show that the flipped classroom remote teaching system has a good remote teaching effect， and the system is reliable and stable.
Keywords： electronics； 3D； virtual reality； flipped classroom； distance learning system
0 引 言
随着教学改革的不断深入，课堂教学模式不断进步和发展，翻转课堂作为一种新的教学模式，在现代教学中得到广泛应用，翻转课堂模式下教学是通过教学角色互换，翻转课堂是一种新型的多媒体信息教学模式，可适应各个学科的远程多媒体互动教学需求[1]。在翻转课堂教学模式下，需要设计一种计算机视觉模式下的3D远程教学系统，提高教学环境和教学环节的跟踪和掌控能力，为了提高翻转课堂远程教学的视觉感官性和智能控制性，提出一种基于电子3D虚拟现实的翻转课堂远程教学系统设计方案。首先进行系统开发环境描述和系统总体构架设计，再进行翻转课堂远程教学系统的软件开发设计和测试分析，得出有效性结论。
1 总体构架模型
1.1 翻转课堂远程教学系统开发原理
在电子3D虚拟现实视景仿真环境下构建翻转课堂远程教学系统，首先构建教学系统的总体结构模型，进行开发环境搭建和体系结构模型设计，在Mutigen Creator和嵌入式开发环境下进行Lynx Prime图形界面设计，对教学系统的顶层设计采用多线程调度和场景渲染方法，在静态视景模型库中，电子3D虚拟现实的翻转课堂远程教学系统分为三层体系结构[2]。其中，感知控制层是通过传感器设备为用户提供实时流畅的可视化界面，采用无线射频识别和多媒体感知技术教学场景的信息化采集和多媒体渲染，调用由图形界面Lynx Prime设计生成多媒体教学数据库，在数据库中进行翻转课堂的教学资源信息采集和調度。基于标准模板库（STL）和C++编程进行3D虚拟现实设计，建立翻转课堂的视景仿真模型，定义.acf、配置.acf 和系统运行仿真的信息处理程序，结合多线程技术进行网络通信开发[3]。
构建翻转课堂远程教学的中间件，基于压缩感知的鲁棒可分离方法进行软件调度，用户代理服务器端通过双工通信为用户提供信息管理服务，翻转课堂远程教学系统的网络传输层建立在异构网、移动通信网以及校园网络环境中。系统采用Browser/Server结构进行用户代理服务器设计，SIP代理服务器的作用是协商通信双方的多媒体信息流编码格式，在SDP协议中建立3D虚拟现实视景仿真软件，实现对翻转课堂远程教学系统的界面显示和业务逻辑控制。根据上述设计原理，构建翻转课堂远程教学系统开发框架结构如图1所示。
1.2 翻转课堂远程教学系统的功能模块结构
在Multigen Creator 3.2开发环境下进行翻转课堂远程教学系统的总体设计。在感知控制层定义用户行为；基于多样化top?k shapelets转换方法进行网络切换和课堂教学多媒体切换的远程控制；以校园网、局域网和互联网为基础进行远程网络通信系统设计。通信协议将 C/S和B/S模式结合在一起，基于基础的网络架构方法，翻转课堂远程教学的各种设备的输入/输出端口采用统一的接口设计，实现翻转课堂远程教学系统远程开机关机，教学电动幕布的启动和数据信息检索等功能[4]。
教学系统的模块化设计包括硬件设计和软件设计部分，其中，硬件模块采用Prime提供的API函数直接调用开发组件进行核心控制模块的集成设计，采用3D虚拟技术进行8～16位数据线扩展，实现对远程多媒体教学信息的集成调度和输出控制。在vpApp类中通过集成封装方法封装VP应用程序，进行DSP控制，对串口进行正确配置，通过编程和接口调用vpModule：：initializeModule初始化应用程序。在Vega Prime中进行应用程序加载。初始化内存分配，在vpApp类控制终端接收控制程序设计[5]，驱动配置程序，完成软件设计。
2 系统软件开发实现
在电子3D虚拟现实视景仿真环境下进行翻转课堂远程教学系统的三层体系结构设计，基于TCP/IP协议和C/S模型构建多媒体教学平台，进行远程教学系统的视景仿真设计，视景仿真的软件设计包括网络通信模块、数据采集模块、界面渲染和3D建模模块。初始化场景（scene graph）通过串口接收控制程序设计[6]，使用以下句法进行3D虚拟现实仿真模块的用户定制：
在驱动配置程序设计中装载 .acf 文件，以计算机微处理器的形式控制各个多媒体教学设备，对于协议栈中SIP消息通过指向链表路由通道进行串行总线控制，SIP消息是由一个SIP 会话时钟（Start?Line）、一个或多个字段（Field）组成的消息头。远程中央控制机采用4G通信和互联网通信技术向翻转课堂远程教学系统发送时钟访问脉冲，通过接口访问控制，实现QoS管理， 提高翻转课堂远程教学的实时性和资源互通性，进一步进行SIP消息控制，利用OpenStack进行视景渲染，myApp?>configure（）用来解析.acf，格式为：
根据上述分析，将翻转课堂远程教学系统的串行总线控制首址赋给地址指针，在Linux操作系统中建立软件的开发环境，通过Vega Prime中提供的AudioSoundSpatial模块建立三维教学场景模型。在接口访问的服务能力层SCL架构下[7]，利用WEB?GIS浏览器进行信息传输和视景开发，实现电子3D虚拟现实仿真。
3 仿真实验
在对电子3D虚拟现实视景仿真环境下的翻转课堂远程教学系统软件开发设计基础上，进行仿真实验分析。实验采用PXI?8155总线传输方式进行教学资源调度，用Socket编程构建翻转课堂远程教学系统的状态字结构，见表1。
根据上述仿真场景设定，采用ActivityGroup软件进行翻转课堂的电子3D虚拟现实模拟，得到视景仿真结果如图2所示。
分析图2结果表明，本文设计的翻转课堂远程教学系统可视化教学效果较好，系统可靠稳定，具有较好的应用实践性。
4 结 语
本文提出基于电子3D虚拟现实的翻转课堂远程教学系统设计方案，并进行实验分析发现设计的翻转课堂远程教学系统可视化教学效果较好，系统可靠稳定。
参考文献
[1] 刘有耀，杨鹏程.基于JavaCC的C代码自动并行化的设计与实现[J].计算机应用，2016，36（9）：2422?2426.
[2] 袁永，段奇智，张毅，等.油井数据采集及高效DLL函数数据传输性能实现[J].计算机与数字工程，2013，41（10）：1628?1631.
[3] 高立军.教学质量测评系统的设计与实现[J].科技通报，2012，28（2）：193?195.
[4] 闫昭，刘磊.基于数据依赖关系的程序自动并行化方法[J].吉林大学学报（理学版），2010，48（1）：94?98.
[5] 陆兴华，甄汉健，段五星.嵌入式多模控制系统的容错性控制器设计[J].机械与电子，2016，34（4）：62?65.
[6] 董昕.一种新的数字集群通信系统网关内存测试方法[J].现代电子技术，2015，38（7）：34?38.
[7] RAHMAN A， MUHAMMAH H， SUNGYOUNG L， et al. Rough set?based approaches for discretization： a compact reviews [J]. Artificial intelligence review， 2015， 44（2）： 235?263.
