基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的微生物知識(shí)科普產(chǎn)品設(shè)計(jì)探索

陳彥穎 曾雪

摘 要 為培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維、實(shí)踐能力，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在微生物教學(xué)中的應(yīng)用將抽象的科學(xué)概念以可視化方式呈現(xiàn)，打破傳統(tǒng)的授課方式，使教與學(xué)更生動(dòng)具象，更加符合人類的認(rèn)知習(xí)慣。通過虛擬場(chǎng)景的構(gòu)建、交互知識(shí)點(diǎn)的設(shè)計(jì)，使肉眼不可見的，但是生活中無處不在的微生物躍然眼前，以“微世界——探秘微生物王國(guó)”虛擬現(xiàn)實(shí)微生物知識(shí)科普產(chǎn)品設(shè)計(jì)為例，實(shí)踐了微生物互動(dòng)式教學(xué)中虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用的可行性，為微生物教學(xué)的改革與發(fā)展提供了理論與應(yīng)用借鑒意義。

關(guān)鍵詞 虛擬現(xiàn)實(shí); 科普產(chǎn)品; 微生物

引用本文格式 陳彥穎，曾雪.基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的微生物知識(shí)科普產(chǎn)品設(shè)計(jì)探索——以“微世界——探秘微生物王國(guó)”VR設(shè)計(jì)為例[J].創(chuàng)意設(shè)計(jì)源，2020（6）：4-10.

Abstract In order to cultivate students' innovative thinking and practical ability， the application of virtual reality technology in microbiology teaching presents abstract scientific concepts in a visual way， breaking the traditional teaching method， making teaching and learning more vivid and concrete， and more in line with human cognitive habits. Through the construction of virtual scenes and the design of interactive knowledge points， the microbes that are invisible to the naked eye but are ubiquitous in life come to the forefront. Taking the design of virtual reality microbial knowledge popular science products of "Micro World——Exploring the Kingdom of Microorganisms" as an example， practicing the feasibility of the application of virtual reality technology in microbiology interactive teaching， providing theoretical and application reference significance for the reform and development of microbiology teaching.

Key Words VR/AR;popular science products; microorganism

[基金項(xiàng)目]本文系2020年度教育部人文社會(huì)科學(xué)研究一般項(xiàng)目“藝術(shù)介入與臨床醫(yī)學(xué)有關(guān)問題研究”（項(xiàng)目編號(hào)：20YJCZH012）;2018年度湖南省技術(shù)創(chuàng)新引導(dǎo)計(jì)劃項(xiàng)目“微世界——探秘微生物王國(guó)，微生物知識(shí)科普宣傳系列”（項(xiàng)目編號(hào)：2018ZK4030）階段性成果。

引言

隨著新媒體技術(shù)的高速發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)等新媒體技術(shù)不再局限于高科技領(lǐng)域的應(yīng)用，除了全息投影成像、3D/4D電影、視頻，目前已用于教育領(lǐng)域的新媒體數(shù)字內(nèi)容還包括FLASH動(dòng)畫、虛擬現(xiàn)實(shí)成像等[1]，已經(jīng)嘗試被應(yīng)用的新媒體內(nèi)容有虛擬現(xiàn)實(shí)與全息投影等新技術(shù)[2]208。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Virtual Reality，簡(jiǎn)稱VR）是一種具有特殊功能的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，它可以讓人們“創(chuàng)建”和“感受”虛擬世界[3]。不僅僅具有人機(jī)交互、傳感技術(shù)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)還融合了媒體技術(shù)、仿真模擬等技術(shù)，把多方位、多感官的體驗(yàn)帶給使用者，讓視、聽、觸覺等帶給在仿真的虛擬環(huán)境中的受眾[4]。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以讓體驗(yàn)者具有身臨其境的“真實(shí)”體驗(yàn)，在虛擬現(xiàn)實(shí)世界中，可以讓受眾進(jìn)行包括信息交流、互動(dòng)體驗(yàn)等交互性操作[5]。不僅僅是在醫(yī)學(xué)、軍事、航空領(lǐng)域，自問世以來，這種全新的人機(jī)交互模式也在工業(yè)產(chǎn)品等各個(gè)領(lǐng)域受到關(guān)注并且被應(yīng)用起來[2]208。當(dāng)前，人機(jī)交互模式在許多科技博物館、科普教育基地等場(chǎng)所也被廣泛運(yùn)用，拓展科普實(shí)踐方式的創(chuàng)新。如何利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為傳統(tǒng)教學(xué)方式注入新的血液，特別是針對(duì)專業(yè)化較強(qiáng)的學(xué)科，教學(xué)中難以用語言和文字表達(dá)的抽象化概念，嘗試?yán)锰摂M現(xiàn)實(shí)技術(shù)，為學(xué)生提供動(dòng)態(tài)的、開放的結(jié)構(gòu)化互動(dòng)教學(xué)方式，是科普教育的改革與創(chuàng)新。

基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的互動(dòng)式教學(xué)，本文對(duì)國(guó)內(nèi)外的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行了簡(jiǎn)要的梳理，并以“微世界——探秘微生物王國(guó)”微生物知識(shí)虛擬現(xiàn)實(shí)交互設(shè)計(jì)為例，探索了應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)微生物專業(yè)互動(dòng)式的教學(xué)實(shí)踐模式。

一、虛擬現(xiàn)實(shí)在國(guó)內(nèi)外教育領(lǐng)域中的應(yīng)用及特點(diǎn)

（一）虛擬現(xiàn)實(shí)在國(guó)內(nèi)外教育中的應(yīng)用現(xiàn)狀

在教學(xué)方面，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)展示出巨大的潛力，不僅僅是具有構(gòu)想性、交互性、直觀性，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)還具有形象性、沉浸性等特點(diǎn)，具有感受心理沉浸、創(chuàng)設(shè)學(xué)習(xí)情境、動(dòng)感交互穿越、激發(fā)學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，同時(shí)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)還能實(shí)現(xiàn)跨界知識(shí)融合、跨越時(shí)空界限等優(yōu)勢(shì)。一方面，學(xué)習(xí)者可以利用虛擬現(xiàn)實(shí)進(jìn)行隨時(shí)實(shí)地的自主學(xué)習(xí)。比如，Google公司使用一部智能手機(jī)和一副價(jià)格低廉的3D眼鏡構(gòu)建VR設(shè)備，眼鏡是可以由用戶自己組裝的橡皮筋、凸透鏡、紙板和魔力貼等小部件組成的，這就是Card-board產(chǎn)品[2]209。另一方面，為幫助人們記憶和理解，以三維形式呈現(xiàn)難以肉眼可視的東西，通過虛擬現(xiàn)實(shí)提供的“真實(shí)”場(chǎng)景實(shí)現(xiàn)。比如，外科醫(yī)生利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)成千上萬的醫(yī)學(xué)生的真實(shí)操作教學(xué)。最后，豐富的交互方式和身臨其境的感受可以由虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)提供，不僅可以讓學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣通過這種新穎的方式被喚起，同時(shí)有利于構(gòu)建知識(shí)體系，讓學(xué)習(xí)者可以具有觀察、操作及與他人合作的機(jī)會(huì)[6]。

AR技術(shù)已經(jīng)在國(guó)外的教學(xué)中被廣泛使用。美國(guó)紐約應(yīng)急管理辦公室應(yīng)用高級(jí)災(zāi)害管理模擬器（ADMS）進(jìn)行安全教育方面的AR教育培訓(xùn)課程。由Environmental Tectonics公司開發(fā)的ADMS的應(yīng)用中融入了人工智能技術(shù)。由應(yīng)急辦建成的，專注于指揮模擬的城市虛擬副本系統(tǒng)可以讓市民通過操縱桿穿行在虛擬城市之中。在這其中，為實(shí)現(xiàn)應(yīng)急需求，可以通過指揮者引導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)點(diǎn)的穿越，來實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)溝通滿足應(yīng)急需求[7]214。為讓學(xué)生對(duì)AR/VR有更好的認(rèn)知和感知，美國(guó)科格威爾工藝學(xué)院（Concordia University， Ir-vine）設(shè)立了AR/VR課程，這是全球首次開設(shè)這門課程，不僅對(duì)AR/VR的故事進(jìn)行敘述，同時(shí)讓學(xué)生去掌握開發(fā)人機(jī)界面及交互的設(shè)計(jì)原則和技能。為提高文化科學(xué)學(xué)習(xí)效率，格林內(nèi)爾學(xué)院（Grinnell College）對(duì)混合現(xiàn)實(shí)（Mixed Reallity）和AR/VR技術(shù)進(jìn)行探索，該學(xué)院同時(shí)開設(shè)沉浸式體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)室（Grinnell College Immersive Experiences Lab），復(fù)現(xiàn)歷史場(chǎng)景，探索AR/VR技術(shù)在教學(xué)匯總的應(yīng)用[8]。為改進(jìn)醫(yī)學(xué)院學(xué)生訓(xùn)練，工作于Barts Health NHS Trust（巴茲保健和國(guó)民信托）的英國(guó)一流癌癥外科醫(yī)生之一——Shafi Ahmed博士在皇家倫敦醫(yī)院給千上萬的醫(yī)學(xué)院學(xué)生直播一場(chǎng)對(duì)結(jié)腸癌病人進(jìn)行的手術(shù)，這場(chǎng)手術(shù)讓虛擬現(xiàn)實(shí)成為一個(gè)強(qiáng)大的教育工具[9]。為解決體育場(chǎng)疏散問題，密西西比大學(xué)籌建了Sport Evac項(xiàng)目，該項(xiàng)目為實(shí)現(xiàn)人類面對(duì)危險(xiǎn)的行為的分析研究，對(duì)場(chǎng)內(nèi)70 000人面對(duì)危險(xiǎn)的第一反應(yīng)進(jìn)行觀察[7]214。

VR技術(shù)作為一種輔助工具在設(shè)計(jì)創(chuàng)新中有著廣泛的應(yīng)用，在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中利用VR技術(shù)來增強(qiáng)各種設(shè)計(jì)活動(dòng)。通用汽車設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室的工程師將VR技術(shù)應(yīng)用在汽車運(yùn)動(dòng)和交互作用下的可視性評(píng)估[10]，使用CAVE（基于投影的沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)顯示系統(tǒng)）模擬夜間駕駛員的視野，以研究?jī)x表盤遮蓋炫光對(duì)駕駛員側(cè)窗玻璃的影響。福特FiVE實(shí)驗(yàn)室的工藝工程師利用HMD（頭戴式顯示器）來了解3D車輛設(shè)計(jì)的美學(xué)品質(zhì)，將具有不同內(nèi)飾材料的車輛模型加載到虛擬環(huán)境中，并對(duì)其外觀、感受和個(gè)性進(jìn)行比較。同時(shí)VR技術(shù)憑借其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，在文化知識(shí)傳播中發(fā)揮巨大作用[11]。公司利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)宣傳產(chǎn)品和品牌文化以吸引消費(fèi)者。萬豪集團(tuán)推出了VR客房體驗(yàn)，使消費(fèi)者可以在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的幫助下體驗(yàn)酒店生活[12]。2016年，Hirayetal開發(fā)了VR漫游探索系統(tǒng)，不僅可以讓游客通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)參觀重建后的百川圍城歷史村落，還可以通過3D動(dòng)畫展示工匠的施工過程，并通過VR控制手柄讓游客參與其中[13]。

（二）虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教學(xué)中的特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)，AR技術(shù)的合理有效應(yīng)用可以提供全新的教學(xué)體驗(yàn)。文字和圖片結(jié)合的靜態(tài)知識(shí)的傳遞形式是在傳統(tǒng)教學(xué)模式中所采用的，相比于傳統(tǒng)教學(xué)模式，AR技術(shù)可以將知識(shí)動(dòng)態(tài)化，使學(xué)生更好地接受和理解老師所傳授的知識(shí)，利用這樣的方式，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣也可以被進(jìn)一步激發(fā)[7]215?；谔摂M現(xiàn)實(shí)技術(shù)的互動(dòng)式教學(xué)是一種創(chuàng)新的科普教育教學(xué)模式，其具有下面的特點(diǎn)：

第一，可視化特點(diǎn)。基于仿真和交互性，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能以更生動(dòng)、直觀、全面的方式呈現(xiàn)抽象的知識(shí)，用沉浸式體驗(yàn)增強(qiáng)學(xué)生的代入感[14]。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將科學(xué)內(nèi)容融入“真實(shí)”情境中，抽象知識(shí)點(diǎn)的信息可視化設(shè)計(jì)，真實(shí)并且直觀地在虛擬環(huán)境中充分發(fā)揮了“刺激”作用，使體驗(yàn)者產(chǎn)生正確的認(rèn)知反應(yīng)。

第二，情景式學(xué)習(xí)特點(diǎn)。在一定的情境中，學(xué)習(xí)者才能學(xué)習(xí)、應(yīng)用與實(shí)踐，要想構(gòu)建知識(shí)的意義，就需要結(jié)合真實(shí)的活動(dòng)或特殊情境[15]，然后，學(xué)習(xí)者也是在“真實(shí)”的情景中學(xué)習(xí)與探索各類多樣化的問題。體驗(yàn)者通過自主探究或?qū)懽鱽硗瓿蓪W(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)過程在抽象經(jīng)驗(yàn)與具體經(jīng)驗(yàn)之間互相轉(zhuǎn)化，從而獲得經(jīng)驗(yàn)與已有的認(rèn)知形成關(guān)聯(lián)性。

第三，建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論特點(diǎn)。知識(shí)需要學(xué)生自己去構(gòu)建而不是由老師簡(jiǎn)單地將知識(shí)傳遞給學(xué)生，這是建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論的內(nèi)容，學(xué)生不應(yīng)該是知識(shí)單方面的接受者，而是需要雙方互動(dòng)式的加護(hù)，并且主動(dòng)構(gòu)建意義[16]。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)通過提供一個(gè)“真實(shí)”的環(huán)境，讓體驗(yàn)者基于自身的認(rèn)知與經(jīng)驗(yàn)去主動(dòng)獲得知識(shí)，為實(shí)現(xiàn)抽象的感念的集體化，需要利用模擬的場(chǎng)景，突破勝利與時(shí)空的限制，讓體驗(yàn)者探索與觀察微觀世界，將體驗(yàn)者的想象力與創(chuàng)造力被激發(fā)出來[2]209。

二、“微世界——探秘微生物王國(guó)”虛擬現(xiàn)實(shí)在科普教育中的應(yīng)用實(shí)踐

下面是以“微世界——探秘微生物王國(guó)”虛擬現(xiàn)實(shí)的微生物知識(shí)教育資源設(shè)計(jì)開發(fā)為例，從教育資源的特征與需求、選題依據(jù)、內(nèi)容設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)制作四個(gè)方面分析虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在互動(dòng)式教學(xué)中的應(yīng)用實(shí)踐。

（一）微生物學(xué)虛擬現(xiàn)實(shí)教育資源的特征與需求

微生物教育從中小學(xué)生的科普教育到大學(xué)的專業(yè)教育是一個(gè)多層次的系統(tǒng)，傳統(tǒng)的教學(xué)方式以講授式為主。未來虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的介入將為微生物教學(xué)中新型互動(dòng)式教學(xué)模式的形成提供可能。學(xué)校教育是立足于課堂、基于教材、傳播經(jīng)驗(yàn)的授受式學(xué)習(xí)，那么與此配合，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)介入的教學(xué)特征則可以是基于實(shí)物、傳播直接經(jīng)驗(yàn)的體驗(yàn)式學(xué)習(xí)、互動(dòng)式學(xué)習(xí)。因此，微生物學(xué)領(lǐng)域虛擬現(xiàn)實(shí)教育資源的設(shè)計(jì)開發(fā)應(yīng)當(dāng)考慮觀眾的特點(diǎn)，以已有的方式呈現(xiàn)其所需要傳播的知識(shí)。在教育資源的開發(fā)與設(shè)計(jì)過程中，合理注入知識(shí)內(nèi)容，即微生物知識(shí)的傳播與教學(xué)相結(jié)合，利用情景導(dǎo)入、懸念吸引等方式來增強(qiáng)趣味性與互動(dòng)性。

（二）選題依據(jù)

微生物是生命科學(xué)領(lǐng)域重要的分支學(xué)科，它既是生命科學(xué)理論研究的核心，又是一門應(yīng)用性極強(qiáng)的學(xué)科。大學(xué)生物學(xué)各專業(yè)及生物學(xué)相關(guān)的專業(yè)都將微生物學(xué)設(shè)置為基礎(chǔ)課程。在中小學(xué)中也有關(guān)于微生物的科普教育課程，其主要的教學(xué)方式包括：課本基礎(chǔ)內(nèi)容、網(wǎng)絡(luò)、益智小游戲、各地宣傳展板等傳統(tǒng)形式。例如：小學(xué)課本教學(xué)課程“無處不在的微生物”以實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐性的課程形式體現(xiàn)，注重培養(yǎng)孩子的觀察力與動(dòng)手能力。形式為基礎(chǔ)課堂形式，針對(duì)人群為小學(xué)生。初中課本教學(xué)課程“生物圈中的微生物”以網(wǎng)絡(luò)形式體現(xiàn)，如：中國(guó)科學(xué)院微生物研究所 （http：//www.im.cas.cn/）、中國(guó)國(guó)家地理中文網(wǎng)、知乎（http：//www.zhihu.com/）、果殼（http：//www.guokr.com/）。另外，還有科研院校及場(chǎng)所與中小學(xué)校聯(lián)合舉行各類微生物科普活動(dòng)，如中國(guó)科學(xué)院微生物所舉辦“探夢(mèng)微生物”科普開放活動(dòng)等。

本研究圍繞中小學(xué)生微生物知識(shí)虛擬現(xiàn)實(shí)教育資源開發(fā)展開。微生物體積微小，因而很難用肉眼看到它們，但它們非常普遍，與我們的生活息息相關(guān)。微生物會(huì)給人類帶來可怕的疾病，但是與此同時(shí)，人們無時(shí)不刻地也在利用微生物，比如制作美味的食物、肥沃土壤、戰(zhàn)勝疾病等。微生物與人類關(guān)系十分密切，所以對(duì)微生物的科普也是十分有必要的。結(jié)合微生物的特性，（如微生物體積較小，一般是通過顯微鏡進(jìn)行觀察，無論在觀察和科普方面都較為不易），本項(xiàng)目可以較好地發(fā)揮虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的優(yōu)越性，設(shè)計(jì)整合“微世界”流動(dòng)虛擬現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)空間。使用者可以以虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為依托，體驗(yàn)在顯微鏡下才能觀察到的特殊景象，對(duì)微生物有一個(gè)較好的認(rèn)識(shí)。

（三）內(nèi)容設(shè)計(jì)

本研究在對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行研究之初，定下了三個(gè)目標(biāo)，希望能夠通過本次實(shí)踐研究，可以達(dá)成：1.針對(duì)中小學(xué)生開展科普項(xiàng)目展示設(shè)計(jì)，展示項(xiàng)目能夠充分體現(xiàn)創(chuàng)新性和互動(dòng)性;2.整個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)后產(chǎn)生的交互體驗(yàn)，能夠具有高成熟度和可推廣性;3.在設(shè)計(jì)實(shí)施過程中，提出的建議應(yīng)當(dāng)從中小學(xué)生的需求角度出發(fā)，切實(shí)際、重成果。

設(shè)計(jì)實(shí)施目標(biāo)技術(shù)指標(biāo)包括與產(chǎn)品相關(guān)的軟硬件技術(shù)平臺(tái)研發(fā)與建設(shè)。虛擬現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)空間充分應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)最新研發(fā)成果、成熟技術(shù)與軟硬件平臺(tái)，通過集成與研發(fā)相結(jié)合的方式，服務(wù)于高新科技領(lǐng)域內(nèi)容的科普化工作，升級(jí)、提高展陳技術(shù)手段，拓展科普內(nèi)容，提升科普能力。主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)包括：1.根據(jù)現(xiàn)有微生物的形象，可對(duì)場(chǎng)景中的形態(tài)及視覺效果進(jìn)行再設(shè)計(jì)，使其更符合中小學(xué)生這類受眾的風(fēng)格，提高對(duì)用戶的吸引度。2.利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，設(shè)計(jì)整合“微世界”流動(dòng)虛擬現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)空間。空間內(nèi)，充分發(fā)揮虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)沉浸、交互和構(gòu)想的特性，在視覺、聽覺、觸覺等多通道感知方面進(jìn)行設(shè)計(jì)，希望給受眾帶來較強(qiáng)的臨場(chǎng)感，讓觀眾仿佛置身于微生物的世界去感知周邊事物的變化。在整個(gè)體驗(yàn)中，觀眾不僅可以學(xué)到新的知識(shí)，還可以通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)體驗(yàn)在微生物的作用下產(chǎn)生的物質(zhì)的變化。3.科普產(chǎn)品后續(xù)可作為中小學(xué)生實(shí)踐課程的一部分，開拓中小學(xué)生實(shí)業(yè)豐富中小學(xué)生的課余生活。

設(shè)計(jì)中，不僅需要考慮設(shè)計(jì)向人們傳達(dá)知識(shí)的有效性，還要考慮到人們對(duì)科普活動(dòng)的反饋與互動(dòng)，在獲得科普知識(shí)的同時(shí)去積極思考該科普知識(shí)帶來影響，最終驗(yàn)證研究假設(shè)成立。在設(shè)計(jì)中，運(yùn)用“科普環(huán)境信息場(chǎng)”理論，充分考慮內(nèi)因和外因的影響作用，人、環(huán)境、產(chǎn)品三要素缺一不可，三者關(guān)系相互連接相互依存，運(yùn)用綜合型思考模式進(jìn)行設(shè)計(jì)，解決研究過程中發(fā)現(xiàn)的一系列問題[17]。首先，跨學(xué)科研究法，需要運(yùn)用醫(yī)學(xué)、傳播學(xué)、生物學(xué)、心理學(xué)等多學(xué)科的理論和成果，從整體上對(duì)項(xiàng)目課題進(jìn)行宏觀分析。當(dāng)今，學(xué)科間的聯(lián)系日漸緊密，在后續(xù)實(shí)踐運(yùn)用方面中也需要多學(xué)科的輔助與結(jié)合才能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品多功能的組合。其次，文獻(xiàn)研究法，通過大量閱讀相關(guān)的文獻(xiàn)，并對(duì)各家各派的觀點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)與歸納，從內(nèi)容的科學(xué)性上給予保證，掌握科普內(nèi)容涉及問題的各個(gè)角度觀點(diǎn)。另外，盡可能全面了解課題的發(fā)展歷史和國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，從而輔助課題的研究。微生物學(xué)的體系龐大，應(yīng)用前景廣闊，所以本次研究需要清晰梳理其中包含的微生物科普知識(shí)，了解透徹后再進(jìn)行方案的設(shè)計(jì)。最后，技術(shù)表達(dá)，通過既定的方案設(shè)計(jì)，在繁雜的知識(shí)點(diǎn)中，找出重要的知識(shí)進(jìn)行表現(xiàn)，從中抽象形成簡(jiǎn)潔有效的故事腳本，結(jié)合運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行表現(xiàn)。

遵循“超現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)、多感知互動(dòng)、跨時(shí)空創(chuàng)想”的核心理念，互動(dòng)參與場(chǎng)景可以在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中實(shí)現(xiàn)，突破科普的時(shí)空局限，將身臨其境般的互動(dòng)體驗(yàn)帶給公眾，讓公眾的創(chuàng)造力和想象力充分激發(fā)。主要建設(shè)內(nèi)容如下：“微世界——探秘微生物王國(guó)”微生物科普宣傳系列（結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)）微生物（個(gè)體難以用肉眼觀察的一切微小生物）不僅包括顯微藻類、一些小型的原生生物在內(nèi)的一大類生物群體，還存在像病毒、細(xì)菌、真菌更小的生物中。不僅包含有工農(nóng)業(yè)、環(huán)保，同時(shí)食品、醫(yī)藥等諸多領(lǐng)域也涵蓋在內(nèi)[18]。

（四）設(shè)計(jì)制作

在微生物這一科普內(nèi)容的選擇下，虛擬現(xiàn)實(shí)的科普優(yōu)點(diǎn)十分突出。在科普的過程中，我們可以提供視、聽、觸等多方面的感受使參與者“沉浸”于模擬環(huán)境中。這是普通2D科普所不能比擬的。當(dāng)然虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在科普領(lǐng)域尚不成熟，需要在實(shí)踐的過程中慢慢摸索，但它將不斷走向成熟，在科普領(lǐng)域乃至各行各業(yè)中將得到廣泛應(yīng)用，并發(fā)揮神奇的作用。

首先，科普腳本設(shè)計(jì)。科普腳本是本次設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，它是設(shè)計(jì)師對(duì)于科學(xué)理論內(nèi)容的理解和翻譯，確保腳本的科學(xué)性與傳播性是非常重要的。本次腳本的重點(diǎn)放在如何對(duì)散點(diǎn)知識(shí)進(jìn)行有效流暢的串聯(lián)。并且如何將單調(diào)的文字內(nèi)容變得有意思，讓單調(diào)的科學(xué)知識(shí)變得生動(dòng)起來，是需要重點(diǎn)思考的問題，也是本次研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。本次項(xiàng)目腳本整理分為兩部分：科普游戲的腳本和科普文本的確定與整理。

其次，游戲腳本設(shè)計(jì)?？破沼螒虻哪_本是整個(gè)科普展示的基礎(chǔ)，為了給本次的展示營(yíng)造一個(gè)豐滿的故事情節(jié)，我們運(yùn)用文學(xué)的表現(xiàn)形式，為本次展示設(shè)計(jì)兩個(gè)故事線，一條明線，一條暗線。暗線為明線提供豐富的故事背景，豐滿故事情節(jié)。在暗線的故事設(shè)置為主角（體驗(yàn)者）運(yùn)用科技手段，從未來穿越回爺爺小時(shí)候生活的房子，想去看看當(dāng)時(shí)的環(huán)境和爺爺?shù)纳顮顟B(tài)。明線主要為體驗(yàn)者展現(xiàn)一個(gè)清晰的科普流程，指引體驗(yàn)者在體驗(yàn)過程中得到一個(gè)清晰的指示，從而形成一個(gè)流暢的科普體驗(yàn)。在明線的故事設(shè)置為主角（體驗(yàn)者）到達(dá)爺爺?shù)姆块g門口，推開門想去看看屋里的場(chǎng)景，通過設(shè)備檢測(cè)，看到屋內(nèi)存在著各種各樣的細(xì)菌，于是主角（體驗(yàn)者）去逐一查看微生物的特性，有益的微生物留下，有害的微生物消滅。所有的交互流程全部集中在明線的設(shè)置中，在明線的前期通過兩段文字的展示來體現(xiàn)暗線的存在。

最后，軟硬件操作設(shè)計(jì)。包括硬件選擇與科普流程設(shè)計(jì)兩個(gè)部分：

硬件選擇采用虛幻引擎與HTC Vive結(jié)合的形式：

作為中國(guó)唯一授權(quán)機(jī)構(gòu) GA游戲教育基地的EPIC是全球頂級(jí)的游戲開發(fā)公司，開發(fā)了虛幻引擎4①。這是一個(gè)完整的游戲開發(fā)平臺(tái)，主要面向于DirectX 11&12個(gè)人電腦和下一代游戲機(jī)，數(shù)據(jù)生成工具和基礎(chǔ)支持不僅包含在內(nèi)，游戲開發(fā)者需要的大量的核心技術(shù)也可以被提供。較高的易用性是其設(shè)計(jì)的目的，這樣明確的目的也在程序編寫和數(shù)據(jù)生成有所側(cè)重，少量的協(xié)助由程序員提供給設(shè)計(jì)人員，游戲的數(shù)據(jù)資源就可以盡可能多地被開發(fā)出來，可視化環(huán)境可以在開發(fā)過程中實(shí)現(xiàn)，具有便利的實(shí)際操作;先進(jìn)的應(yīng)用程序框架的可擴(kuò)展性是虛幻引擎4為程序員提供的，各種類型的游戲的建立、測(cè)試和發(fā)布都可以在這個(gè)框架中發(fā)布。虛幻引擎的主要功能：1.支持高級(jí)的 DirectX 11&12渲染功能;2.Cascade VFX 視覺特效編輯器提供了創(chuàng)建精細(xì)復(fù)雜物體所需的工具;3.基于物理著色方式的新材質(zhì)管線流程;4.使用藍(lán)圖可視化腳本快速進(jìn)行創(chuàng)建原型等操作，而無須觸及一行代碼。集成了十余種在行業(yè)領(lǐng)先的中間件技術(shù)，包括 NVIDIA PhysX、Autodesk Gameware、Enlighten、Umbra、Oculus VR 及其他軟件庫。

在 MWC2015上發(fā)布的實(shí)現(xiàn)VR虛擬現(xiàn)實(shí)頭戴式產(chǎn)品的HTC Vive，是2015年3月由Valve和HTC聯(lián)合開發(fā)，利用 Vive 功能的虛擬現(xiàn)實(shí)游戲可以在應(yīng)用了Valve 的 Steam VR 提供的技術(shù)的 Steam 平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)[19]。不僅僅是包含一個(gè)頭戴式顯示器、兩個(gè)單手持控制器，HTC Vive 為實(shí)現(xiàn)使用者的沉浸式體驗(yàn)，控制器的定位系統(tǒng)（Lighthouse）和追蹤顯示器能同時(shí)在一個(gè)空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)的功能也被包含在內(nèi) [20]。不需要借助攝像頭的Valve 的專利的控制器定位系統(tǒng) Lighthouse也被應(yīng)用了進(jìn)來，為找到運(yùn)動(dòng)物體的位置，采用激光和光敏傳感器實(shí)現(xiàn)，用戶在一定范圍內(nèi)移動(dòng)位置是可以在HTC Vive 中允許的。相比于 PS VR 和Oculus Rift ，這是最大的優(yōu)勢(shì)[21]。

科普流程設(shè)計(jì)（見圖1）：1.門外站立狀態(tài)，左手放大鏡、右手空;2.看到提示后“應(yīng)該沒錯(cuò)，時(shí)光機(jī)顯示就是這里，這就是那時(shí)爺爺住的地方。”“這扇門好像是開著的，推開看看”，進(jìn)入游戲場(chǎng)景;3.初始進(jìn)入場(chǎng)景后提示文本“屋里沒有人呢，不知道爺爺去哪里了” “這個(gè)屋里檢測(cè)到有很多微生物的存在，有的還是高致病的細(xì)菌” “去看看紫色霧氣的地方到底是什么微生物，順便幫爺爺打掃一下，以免爺爺生病。”;4.6個(gè)交互點(diǎn)同時(shí)閃動(dòng)（見圖2）;5.放大鏡觸碰交互點(diǎn)，彈出科普窗口;6.選擇點(diǎn)擊科普窗口下方按鈕“清潔打掃”“無需打掃”;7.選擇正確，交互結(jié)束。選擇錯(cuò)誤彈出彈窗，點(diǎn)擊確定結(jié)束。

（五）設(shè)計(jì)效果展示

場(chǎng)景一：過渡場(chǎng)景

開門后進(jìn)入第二場(chǎng)景（見圖3），進(jìn)入前期，有關(guān)于故事情節(jié)的再次提示，設(shè)定體驗(yàn)者為一個(gè)從未來穿越到過去，并尋找爺爺故居的人物形象。初始位置設(shè)定在一扇虛掩的門前，門前有關(guān)于整個(gè)故事背景的提示，體驗(yàn)者可通過文字提示和周圍的環(huán)境體驗(yàn)整個(gè)故事及情節(jié)。體驗(yàn)者用游戲手柄點(diǎn)擊門，便可推開門，隨后進(jìn)入360°的室內(nèi)環(huán)境全景視角。整個(gè)故事從體驗(yàn)者推開門之后正式開始。

場(chǎng)景二：舊屋環(huán)境全景視角

在一間木質(zhì)、石材的老房子里透漏著點(diǎn)點(diǎn)的燈光，外面的天已經(jīng)黑了，墻角還有爺爺收藏的酒桶。整個(gè)房間是以木頭、石材為主的老房子，有兩間臥室，書房和餐廳應(yīng)有盡有。木質(zhì)的桌子上有點(diǎn)了一半的蠟燭、剛剛采下的南瓜、喝了一半的酒瓶子。角落的書架上還有爺爺愛看的書。在房間里有一些冒著紫色煙霧的地方（見圖4），分布在房間的各個(gè)角落。

體驗(yàn)者來到這里是為了找尋以前與爺爺一起的有關(guān)記憶，但是透過高科技的設(shè)備觀察到了房間內(nèi)的一些微生物，便開始打掃了起來。房間場(chǎng)景為風(fēng)格化的生活場(chǎng)景，紫色煙霧為可以交互的科普點(diǎn)，有相關(guān)的光標(biāo)指引。體驗(yàn)者需通過手柄去觸摸光標(biāo)，便可得出科普文本（見圖5）。

整個(gè)場(chǎng)景存在6個(gè)交互點(diǎn)，觸摸彈出文本有6種微生物圖解（見圖6），分別為結(jié)核桿菌、黑曲霉、金黃色葡萄球菌、枯草芽孢桿菌、破傷風(fēng)桿菌、銅綠假單胞菌。科普文本與劇情相結(jié)合，在文本末尾需要體驗(yàn)者判斷該微生物是有害還是有益，并通過選擇確定是否進(jìn)行清掃處理，該交互模式希望在簡(jiǎn)單的操作中鞏固體驗(yàn)者所學(xué)習(xí)到的科普知識(shí)，在一定程度上學(xué)以致用。

體驗(yàn)者進(jìn)行操作之后會(huì)出現(xiàn)兩種情況（見圖7），回答正確或者錯(cuò)誤，系統(tǒng)將進(jìn)一步提示，單擊確定后，游戲繼續(xù)。

“微世界——探秘微生物王國(guó)”是應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)設(shè)計(jì)制作的微生物知識(shí)科普產(chǎn)品，目的旨在教與學(xué)的過程中培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)、學(xué)習(xí)能力和實(shí)踐能力。設(shè)計(jì)通過前期調(diào)研、設(shè)計(jì)制作、產(chǎn)品測(cè)試三個(gè)步驟完成，驗(yàn)證了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在微生物互動(dòng)式教學(xué)中的應(yīng)用可行性，也為未來微生物教育中虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展提供了借鑒意義。

結(jié)語

基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的微生物教育資源設(shè)計(jì)，相對(duì)于傳統(tǒng)的授受式教學(xué)方式能夠有效提升學(xué)生的興趣，增加互動(dòng)性，充分體現(xiàn)了科學(xué)性與趣味性的完美結(jié)合。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)開發(fā)微生物專業(yè)教育資源的設(shè)計(jì)，讓學(xué)生從“只能看”變?yōu)椤澳芸从帜軇?dòng)”，真正意義上實(shí)現(xiàn)了微生物教育領(lǐng)域的互動(dòng)式教學(xué)模式。

隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的日趨成熟，VR技術(shù)與微生物學(xué)教育的結(jié)合方式會(huì)越來越多樣。作為該產(chǎn)品的進(jìn)一步建設(shè)設(shè)想，將對(duì)微生物科普部分進(jìn)一步圖形可視化，以多模態(tài)及多角度方式呈現(xiàn)微生物形態(tài)及其行為方式，能夠給予學(xué)生沉浸式的微生物學(xué)習(xí)體驗(yàn)。期待未來虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能在微生物學(xué)教育中得到更加廣泛的應(yīng)用。

注釋

①虛幻引擎4; 游戲入門學(xué)習(xí).網(wǎng)絡(luò)http：//blog.sina.com.

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陳彥穎 曾雪

中南大學(xué)