VR沉浸式學(xué)習(xí)環(huán)境創(chuàng)設(shè)的探究

皮健 李文東

摘要：本文重點提出了VR沉浸式學(xué)習(xí)環(huán)境的設(shè)計理念與原則，并創(chuàng)設(shè)了VR虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境教學(xué)應(yīng)用經(jīng)典案例——可視化3D公寓，以期為VR沉浸式學(xué)習(xí)環(huán)境的創(chuàng)設(shè)助力。

關(guān)鍵詞：VR虛擬現(xiàn)實技術(shù)；沉浸式學(xué)習(xí)環(huán)境；可視化；3D；交互

中圖分類號：G434 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 論文編號：1674-2117（2018）10-0105-03

前言

當(dāng)前，在教育領(lǐng)域，已經(jīng)有越來越多的學(xué)者看到了VR技術(shù)在課堂學(xué)習(xí)環(huán)境中的重要性，如黃榮懷教授提出的智慧學(xué)習(xí)環(huán)境具有的特征之一就是智慧學(xué)習(xí)環(huán)境應(yīng)實現(xiàn)物理環(huán)境與虛擬環(huán)境的融合，在智慧環(huán)境中，對物理環(huán)境的感知、監(jiān)控和調(diào)節(jié)功能進一步增強，增強現(xiàn)實等技術(shù)的應(yīng)用使虛擬環(huán)境與物理環(huán)境無縫融合。[1]

VR虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境所提供的大量建構(gòu)工具體系和表現(xiàn)區(qū)域，能夠提高學(xué)習(xí)者的主觀能動性，這與皮亞杰“把實驗室搬到課堂中去”的構(gòu)想與實踐，以及“學(xué)習(xí)是一種真實情境的體驗”的建構(gòu)主義觀是相符合的。[2]

VR虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境的基本特性及仿真體驗

G.Burdea和Philippe Coiffet簡明地表示了VR技術(shù)具有的三個最突出的特征——交互性（Interaction）、沉浸感（Immersion）和構(gòu)想性（Imagination），也就是人們所稱的VR的“3I”特性。[3]

1.交互性（Interaction）

交互性是指學(xué)習(xí)者對虛擬環(huán)境內(nèi)物體的可操作程度和從環(huán)境中得到反饋的自然程度（包括實時性）。學(xué)習(xí)者可以用手等觸覺器官去直接接觸環(huán)境中的物體，如果是用手抓取，手就有握著東西的感覺，能感覺物體的重量，物體隨著手的移動而移動。學(xué)習(xí)者還可以直接觀察與控制對象的各種參數(shù)，如運動方向、速度等。

2.沉浸感（Immersion）

沉浸感又稱為臨場感，是指學(xué)習(xí)者感到作為主角存在于模擬環(huán)境中的真實程度。沉浸感被認(rèn)為是VR系統(tǒng)的性能尺度，它需要以下諸多方面的特性：視覺感知、聽覺感知、力覺感知、觸覺感知、運動感知、味覺感知、嗅覺感知等。理想的VR就是應(yīng)該具有人所具有的多種感知功能。

3.構(gòu)想性（Imagination）

人類在許多領(lǐng)域面臨著前所未有或前所難為而又必須解決和突破的問題，如核試驗、核反應(yīng)堆維護、氣象及自然災(zāi)害預(yù)報、醫(yī)療手術(shù)的模擬等。在教育領(lǐng)域也不例外，如化學(xué)實驗中鎂條燃燒、氯氣的生成、王水的作用等，都存在著危險性；還有物理實驗中牛頓第二定律、比薩斜塔實驗等。由于受到環(huán)境等因素限制，實驗的展開存在難度，而VR技術(shù)為解決和處理這些問題提供了新方法和新途徑。

VR沉浸式學(xué)習(xí)環(huán)境的設(shè)計理念與原則

1.真實與精確

“真實”認(rèn)知活動要求的VR沉浸式學(xué)習(xí)環(huán)境的設(shè)計必須要真實與精確，這樣才會對學(xué)習(xí)者知識的建構(gòu)起到幫助和促進作用。學(xué)習(xí)者能通過虛擬的裝備進行操作，其操作動作、信息顯示、信號流程等與實裝一致。

2.系列與整合

教學(xué)內(nèi)容的呈現(xiàn)要有銜接性；反饋的知識點要有獨立性；認(rèn)知信息要有綜合性，可跨學(xué)科、跨地域整合。在VR沉浸式學(xué)習(xí)環(huán)境中，學(xué)習(xí)者通過體驗對認(rèn)知經(jīng)驗進行建構(gòu)，這種建構(gòu)過程需要通過新舊經(jīng)驗的相互作用來實現(xiàn)。這就要求設(shè)計者要全面了解教學(xué)內(nèi)容，要針對教學(xué)層次，明確教學(xué)要求，通過模塊組合，給出學(xué)科課程系列統(tǒng)整框架，從而使VR沉浸式學(xué)習(xí)環(huán)境中，教學(xué)內(nèi)容連貫、銜接得當(dāng)并全面。

在VR沉浸式學(xué)習(xí)環(huán)境的教學(xué)內(nèi)容設(shè)計過程中，整合不僅指將教學(xué)內(nèi)容系列化模塊組合系統(tǒng)框架，還要跨學(xué)科、跨領(lǐng)域。在整合過程中，抓住各學(xué)科課程系列的最佳整合點，并將其作為最佳整合點課程系列的聯(lián)結(jié)點和發(fā)展線索之要素，來進行整體推進全面發(fā)展整合的策略。STEAM的教育理念就是立足于每一學(xué)科的特殊性，并彼此間滲透，培養(yǎng)學(xué)生各學(xué)科間的綜合素養(yǎng)。

3.交互與協(xié)作

VR沉浸式學(xué)習(xí)環(huán)境中，交互方式有學(xué)習(xí)者與控制對象之間的交互、學(xué)習(xí)者與虛擬人物之間的交互、學(xué)習(xí)者與學(xué)習(xí)者之間的交互。學(xué)習(xí)者與控制對象之間的交互，主要是指學(xué)習(xí)者借助專用的三維交互設(shè)備，與虛擬環(huán)境中的對象發(fā)生交互，學(xué)習(xí)者可直接操作“控制對象”的各種參數(shù)，如運動方向、速度等，系統(tǒng)則向用戶反饋信息。學(xué)習(xí)者與虛擬人物之間的交互，是指虛擬人物會配合學(xué)習(xí)者完成認(rèn)知任務(wù)，如回答學(xué)習(xí)者問題或幫助學(xué)習(xí)者完成對控制對象的操作。學(xué)習(xí)者與學(xué)習(xí)者之間的交互，以化身的方式進行文字、語音、肢體語言等多種形式的溝通和交流，在完成任務(wù)等認(rèn)知活動中，進行協(xié)作或競爭，并產(chǎn)生人與人之間交往的認(rèn)同感。借助三維環(huán)境的化身功能，可以實現(xiàn)學(xué)習(xí)者態(tài)度和情感的變化與表達(dá)，從而根本性地變革傳統(tǒng)教學(xué)模式，使學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)體驗過程，從“獨白”走向“對話”，從“個體式學(xué)習(xí)”走向“合作式學(xué)習(xí)”。

4.實踐與趣味

VR沉浸式學(xué)習(xí)環(huán)境的設(shè)計要具有實踐性、可操作性；VR沉浸式學(xué)習(xí)環(huán)境并不是將二維平面的圖片變成三維立體的畫面，而是向?qū)W習(xí)者提供可視化、可實踐、可操作的虛擬空間，從而對認(rèn)知經(jīng)驗進行建構(gòu)。實操訓(xùn)練課程模塊可對虛擬裝備進行與實裝一致的操作訓(xùn)練和拆裝訓(xùn)練；維修課程模塊可進行模擬維修操作。實操過程中，可與任務(wù)驅(qū)動教學(xué)法相結(jié)合，模擬與作戰(zhàn)部隊相適應(yīng)的作戰(zhàn)任務(wù)，來提高學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)趣味。

在VR沉浸式學(xué)習(xí)環(huán)境的設(shè)計中，引人入勝的故事情節(jié)、夢幻般探險、錯綜復(fù)雜的關(guān)卡、富有魅力的角色、非線性探索及高難度挑戰(zhàn)，以及逼真的畫面效果、與音效或其他感官效果的合成都帶給學(xué)習(xí)者身臨其境的趣味體驗。

5.評價反饋與操作管理

因為不同學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)風(fēng)格、認(rèn)知習(xí)慣、情感結(jié)構(gòu)、已往經(jīng)歷等不一樣，從而生成自己對事物的情感感受、領(lǐng)悟和體驗也不一樣。在以學(xué)習(xí)者為中心的教學(xué)理念指導(dǎo)下，VR沉浸式學(xué)習(xí)環(huán)境中評價方式多種多樣，評價標(biāo)準(zhǔn)個性化，評價反饋時間靈活自由，從而使得評價對學(xué)習(xí)者發(fā)揮最大作用。例如，在體驗活動中，通過通關(guān)等方式來進行評價；在體驗活動后，通過頭腦風(fēng)暴、評價報告等方式進行評價。

同時，在VR沉浸式學(xué)習(xí)環(huán)境中系統(tǒng)還能進行訓(xùn)練管理，記錄教學(xué)、自學(xué)和訓(xùn)練的時間、內(nèi)容、人員等信息，并對學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)行為進行深入分析，了解學(xué)習(xí)過程、交互方式、使用習(xí)慣偏好、關(guān)聯(lián)規(guī)則和時態(tài)規(guī)則等，在進行信息處理和解釋學(xué)習(xí)績效后，為學(xué)習(xí)者提供首選、可信的方法等，從而為學(xué)習(xí)者提供個性化服務(wù)和信息推薦。

裝潢藝術(shù)設(shè)計專業(yè)案例：可視化3D公寓

裝潢藝術(shù)設(shè)計專業(yè)培養(yǎng)學(xué)習(xí)者具備裝飾藝術(shù)設(shè)計與創(chuàng)作等方面的知識和能力。下面，筆者就為裝飾藝術(shù)設(shè)計專業(yè)的學(xué)習(xí)者創(chuàng)設(shè)VR沉浸式學(xué)習(xí)環(huán)境——可視化3D公寓。

1.開發(fā)工具與VR沉浸式體驗設(shè)備

開發(fā)工具選擇Unity，它是由Unity Technologies公司開發(fā)的專業(yè)跨平臺游戲開發(fā)及虛擬現(xiàn)實引擎。[4]

VR沉浸式體驗設(shè)備是主機VR，且使用頭盔顯示器和運動控制器的主機VR系統(tǒng)，沉浸感和交互性最佳，學(xué)習(xí)者可以得到最佳的個體體驗（如右圖）。[5]

2.創(chuàng)建場景

在程序中，構(gòu)建一個基于城市的居民區(qū)的大規(guī)模的3D場景。建筑外部和房屋內(nèi)部細(xì)致到位，學(xué)習(xí)者可以在城市內(nèi)進行探索，并查看公寓單元的平面布置圖，通過定制界面對建筑物的細(xì)節(jié)進行查看和操作。在程序中構(gòu)建一個虛擬人，并在每個公寓單元內(nèi)設(shè)關(guān)卡，學(xué)習(xí)者在虛擬人的協(xié)作下，通過不斷地提高樓層數(shù)，穿越一個個關(guān)卡，最后獲得一枚勛章。

3.教學(xué)模塊

裝潢藝術(shù)設(shè)計專業(yè)課程包括素描、字體與標(biāo)志設(shè)計、3D建模設(shè)計、圖形設(shè)計、平面廣告設(shè)計、計算機美術(shù)輔助等。在“可視化3D公寓”中，教學(xué)模塊串聯(lián)了各門課程的融合點，將以上專業(yè)課的課程內(nèi)容進行整合，提供整套學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)，并將整套學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)系列化，通過系列內(nèi)容由易到難地呈現(xiàn)。同時，將碎片化的學(xué)習(xí)變成由若干系列組成的整體，且不同的公寓又呈現(xiàn)不同的知識體系。

教學(xué)內(nèi)容的呈現(xiàn)渠道分為音頻、文字、3D數(shù)字化模型。學(xué)習(xí)者進入該環(huán)節(jié)進行學(xué)習(xí)體驗時，程序就將該環(huán)節(jié)的教學(xué)內(nèi)容通過語音講解的方式播放出來，并在該環(huán)節(jié)的公寓單元內(nèi)放置通關(guān)寶典，用文字記錄該環(huán)節(jié)的教學(xué)內(nèi)容。同時，該環(huán)節(jié)的公寓單元內(nèi)樣板間及3D數(shù)字化模型，向?qū)W習(xí)者展示教學(xué)內(nèi)容，學(xué)習(xí)者還可以向虛擬人發(fā)問來得到對教學(xué)內(nèi)容的講解。

4.體驗?zāi)K

本模塊主要應(yīng)用于學(xué)習(xí)者學(xué)后練習(xí)體驗，對知識實踐應(yīng)用和該環(huán)節(jié)學(xué)習(xí)效果考核。學(xué)習(xí)者運用本環(huán)節(jié)知識要點來完成該環(huán)節(jié)給出的任務(wù)，任務(wù)正確完成即可通關(guān)。

5.拓展模塊

本模塊主要應(yīng)用于學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)之外的體驗，既包括自主制作的學(xué)習(xí)內(nèi)容及娛樂，也有開放的合作單位的教學(xué)內(nèi)容。學(xué)習(xí)者可以自主裝飾設(shè)計公寓單元空間，制作家具及家居裝飾物，并通過實踐體驗，隨時調(diào)整和修改。程序中記錄下學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)體驗、自主拓展的大數(shù)據(jù)，對學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)給予指導(dǎo)和建議。

結(jié)束語

VR沉浸式學(xué)習(xí)環(huán)境重點在于學(xué)習(xí)者的感受，使學(xué)習(xí)者能在虛擬環(huán)境中做到真實體驗、沉浸其中、超越其上、交互自如。相信隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展，VR虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境將會成為未來學(xué)習(xí)的重要工具并會被普遍應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

[1]朱福軍，鄭萌，顧倩頤.VR技術(shù)視角下課堂學(xué)習(xí)環(huán)境革新與重構(gòu)[J].中國教育技術(shù)裝備，2017（2）.

[2]蔡蘇，張晗.VR/AR教育應(yīng)用案例及發(fā)展趨勢[J].數(shù)字教育，2017（3）.

[3]郭天太.基于VR的虛擬測試技術(shù)及其應(yīng)用基礎(chǔ)研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2005.

[4]Unity Technologies.unity5.x從入門到精通[M].北京：中國鐵道出版社，2017.

[5]劉革平，謝濤.三維虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境綜述[J].中國電化教育，2015（9）.

作者簡介：皮健，女，碩士，大連職工大學(xué)副教授，研究方向為教育技術(shù)學(xué)。