VR虛擬科技館系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

魏本宏　倪清　張宗禹　高曉曉　胡永斌

摘 要：虛擬科技館具有公共性、沉浸性和交互性等重要特征，是有效解決當(dāng)前實(shí)體科技館數(shù)量少、規(guī)模小、城鄉(xiāng)分布不均、開放性不足等諸多問(wèn)題的有效途徑之一，將在科普教育中發(fā)揮重要作用。文章首先基于情境認(rèn)知理論和具身認(rèn)知理論，對(duì)VR虛擬科技館進(jìn)行模塊設(shè)計(jì)、場(chǎng)景設(shè)計(jì)和交互設(shè)計(jì);然后，進(jìn)行虛擬科技館的場(chǎng)景設(shè)計(jì)、動(dòng)畫制作和交互功能的實(shí)現(xiàn);最后，邀請(qǐng)學(xué)習(xí)者對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了試用評(píng)價(jià)。

關(guān)鍵詞：科技館;虛擬科技館;具身認(rèn)知;虛擬現(xiàn)實(shí)

中圖分類號(hào)：G434? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1673-8454（2020）10-0030-04

一、虛擬科技館的來(lái)由及價(jià)值

科技館是以開展科學(xué)教育展覽和科技活動(dòng)為主的教育場(chǎng)所，也是學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)知識(shí)的第二課堂[1]?？萍拣^有可供學(xué)習(xí)者探索、實(shí)踐和親手操作的模型、產(chǎn)品和設(shè)備，能夠讓學(xué)習(xí)者了解科學(xué)原理、科學(xué)應(yīng)用、科學(xué)發(fā)展方面的最新知識(shí)。自20世紀(jì)30年代英、法等國(guó)誕生世界上第一批科技館以來(lái)，科技館事業(yè)在世界各國(guó)有了飛速發(fā)展。進(jìn)入21世紀(jì)，我國(guó)政府高度重視科技館事業(yè)，其發(fā)展勢(shì)頭強(qiáng)勁，已經(jīng)在全國(guó)范圍內(nèi)建成了一批規(guī)模較大的科技館，至2017年我國(guó)建成開放的標(biāo)準(zhǔn)科技館數(shù)量已達(dá)867座[2]。

然而，我國(guó)科技館數(shù)量與人口總數(shù)的比例與發(fā)達(dá)國(guó)家還存在較大的差距。據(jù)美國(guó)ASTC的統(tǒng)計(jì)，2017年美國(guó)科學(xué)中心 （博物館）共有328座，每百萬(wàn)人均擁有科學(xué)中心（博物館）1.18個(gè)[3]。我國(guó)科技類博物館的建設(shè)如火如荼，但是我國(guó)也是一個(gè)人口大國(guó)，館的數(shù)量和人口總數(shù)仍然不相匹配。此外，相對(duì)于美國(guó)科技館的分散式分布，中國(guó)科技館主要集中于經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)省份和城市，西部地區(qū)科技館建設(shè)偏少。因此，國(guó)內(nèi)科技館大都面臨數(shù)量較少、規(guī)模較小、城鄉(xiāng)分布不均、開放性不足等問(wèn)題[4]，讓科技館成為中小學(xué)生的第二課堂的需求難以滿足。針對(duì)這些問(wèn)題，虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，VR）技術(shù)以其沉浸性、交互性和構(gòu)想性為這些問(wèn)題的解決提供了切實(shí)可行的方案。

利用VR技術(shù)構(gòu)建的虛擬科技館，可以在一定程度上緩解科技館數(shù)量空缺和分布不均的問(wèn)題，還可以革新科技館的陳列式展覽方式，讓學(xué)習(xí)者能夠從中獲取生動(dòng)形象、豐富多樣的科技知識(shí)，了解科技的進(jìn)步及其對(duì)社會(huì)發(fā)展的作用[5]。具體來(lái)說(shuō)，虛擬科技館具有以下價(jià)值：①打造虛擬三維資源，打破時(shí)空限制，實(shí)現(xiàn)資源優(yōu)化、廣化、形象化和共享化;②三維可視化導(dǎo)覽，向?qū)W習(xí)者展現(xiàn)更逼真立體、生動(dòng)形象的科技展品，傳授現(xiàn)代科技知識(shí)，展示科技的進(jìn)步及其對(duì)社會(huì)發(fā)展的作用，從而提升科技館的展教水平;③實(shí)時(shí)更新傳播最新科技成果，完成虛擬場(chǎng)景的搭建，拉近公眾與科學(xué)的距離，提升服務(wù)的科學(xué)性和時(shí)效性等。

據(jù)此，本研究利用VR技術(shù)創(chuàng)建虛擬科技館，打造沉浸式情境，讓學(xué)習(xí)者沉浸在虛擬科技館中進(jìn)行虛擬漫游，通過(guò)生動(dòng)形象、立體顯示的資源與高效有趣的互動(dòng)進(jìn)行虛擬科技館的導(dǎo)覽，從而讓科技館真正成為了學(xué)習(xí)者的第二課堂。此外，VR虛擬科技館的成本較低，隨時(shí)都能訪問(wèn)和使用，作為科技館的重要補(bǔ)充顯得尤為重要。

二、虛擬科技館系統(tǒng)構(gòu)建的理論基礎(chǔ)

VR技術(shù)具有沉浸性和交互性的特點(diǎn)，基于VR技術(shù)的虛擬科技館能夠自然地繼承其特點(diǎn)。虛擬科技館從情境創(chuàng)設(shè)、身體交互等方面提供支持，讓學(xué)習(xí)者的身體參與實(shí)際的認(rèn)知活動(dòng)，為學(xué)習(xí)者提供體驗(yàn)式學(xué)習(xí)過(guò)程。其主要支持理論包括情境學(xué)習(xí)理論和具身認(rèn)知理論。

1.情境學(xué)習(xí)理論

由于一個(gè)人的認(rèn)知和行為總是在某個(gè)情境中發(fā)生的，所以會(huì)受到相應(yīng)環(huán)境的約束，即認(rèn)知和行為是具有情境性的。情境認(rèn)知理論認(rèn)為，認(rèn)知應(yīng)該發(fā)生在其所根植的一個(gè)復(fù)雜的特定社會(huì)情境中，該理論非常注重學(xué)習(xí)者與情境的交互活動(dòng)在其認(rèn)知過(guò)程中的意義[6]。保證知識(shí)與情境、知識(shí)與生活的一體化是“到情境中去”的真正意義與作用[7]。情境認(rèn)知理論的核心在于，情境化是所有認(rèn)知和行為的根本，認(rèn)知和行為是交互并且不可分割的，不能離開情境去談?wù)J知，情境性是認(rèn)知和行為的特性和組成部分[8]。

虛擬科技館能夠在打破現(xiàn)實(shí)空間和環(huán)境限制的情況下，創(chuàng)設(shè)出近乎真實(shí)的科技館交互情境。根據(jù)情境認(rèn)知理論的觀點(diǎn)，在虛擬科技館的設(shè)計(jì)、開發(fā)中，應(yīng)把科普知識(shí)的學(xué)習(xí)交互融入到創(chuàng)設(shè)的環(huán)境中，讓學(xué)習(xí)者真正做到在情境中認(rèn)知。

2.具身認(rèn)知理論

具身認(rèn)知理論認(rèn)為人的身體和認(rèn)知與環(huán)境是一個(gè)和諧統(tǒng)一體，更加強(qiáng)調(diào)人的認(rèn)知是來(lái)自于身體和環(huán)境的交互作用。由于身體參與了認(rèn)知的整個(gè)心理過(guò)程，所以認(rèn)知是被身體作用于環(huán)境的活動(dòng)塑造出來(lái)的，同時(shí)，認(rèn)知對(duì)環(huán)境的適應(yīng)也是通過(guò)身體及其活動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)[9][10]。

虛擬科技館的交互體驗(yàn)是借助VR的頭戴顯示設(shè)備和體感手柄來(lái)完成，學(xué)習(xí)者穿戴設(shè)備進(jìn)入虛擬的情境中，在視覺(jué)上會(huì)有完全沉浸于真實(shí)情境的感覺(jué)，通過(guò)體感手柄可以擁有基礎(chǔ)的震動(dòng)觸感，完成與場(chǎng)景的認(rèn)知交互。身體的參與是提高學(xué)習(xí)效率的重要途徑[11]，在虛擬科技館中，學(xué)習(xí)者及其身體是學(xué)習(xí)的主體，抽象和復(fù)雜的知識(shí)概念在身體與環(huán)境互動(dòng)中逐步建立起來(lái)。

三、虛擬科技館的設(shè)計(jì)

1.構(gòu)成模塊設(shè)計(jì)

參考實(shí)體科技館的常設(shè)展示項(xiàng)目并充分利用VR技術(shù)的特點(diǎn)，本項(xiàng)目確定了科技館大廳、動(dòng)物世界、地心探索、地震體驗(yàn)、視覺(jué)認(rèn)知等五個(gè)子模塊（見(jiàn)圖1）。研究基于 Unity 3D VR引擎進(jìn)行創(chuàng)建，根據(jù)不同需求提供了豐富的方式進(jìn)行顯示，包括桌面式、頭盔式等，由VR手柄提供交互信息。根據(jù)虛擬科技館的設(shè)計(jì)理念，并結(jié)合VR技術(shù)，分別設(shè)計(jì)了各場(chǎng)館中情景化和交互性相結(jié)合的功能模塊，包括場(chǎng)景展示、交互漫游體驗(yàn)以及場(chǎng)館教學(xué)。

2.展廳場(chǎng)景設(shè)計(jì)

在虛擬科技館的場(chǎng)景中，如果只是將實(shí)體科技館的資源轉(zhuǎn)化成數(shù)字信息，然后進(jìn)行堆砌，這是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，而是應(yīng)當(dāng)發(fā)揮VR技術(shù)的構(gòu)想性特征，讓現(xiàn)實(shí)中無(wú)法實(shí)現(xiàn)或展示的內(nèi)容成為可能，彌補(bǔ)客觀條件的不足，創(chuàng)造一種良好的虛擬學(xué)習(xí)空間。如在地心探索主題場(chǎng)館中，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了地下仿真礦洞場(chǎng)景（見(jiàn)圖2），學(xué)習(xí)者可以乘坐通往地下的電梯（運(yùn)用相對(duì)運(yùn)動(dòng)原理使人產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)的體驗(yàn)），進(jìn)入地下礦洞，開展煤礦知識(shí)的場(chǎng)景式學(xué)習(xí)。又如在圖3所示的動(dòng)物世界館中，本系統(tǒng)用VR技術(shù)還原原始生態(tài)環(huán)境，使學(xué)習(xí)者獲得臨境體驗(yàn)。因此虛擬科技館也在一定程度上節(jié)約了實(shí)體場(chǎng)景打造的成本。

3.交互漫游設(shè)計(jì)

虛擬科技館在交互導(dǎo)覽方面，主要包括交互界面設(shè)計(jì)、指示牌、游覽圖設(shè)計(jì)、智能尋徑、展品展示控制設(shè)計(jì)（旋轉(zhuǎn)、放大、拉近拉遠(yuǎn)）、行走設(shè)計(jì)等。交互導(dǎo)覽及控制設(shè)計(jì)是VR的核心技術(shù)之一，關(guān)乎VR沉浸感的效果如何。虛擬科技館中交互式沉浸性的學(xué)習(xí)體驗(yàn)?zāi)軌蜃寣W(xué)習(xí)者將被動(dòng)學(xué)習(xí)、接收信息轉(zhuǎn)化為主動(dòng)探索、粘性學(xué)習(xí)，進(jìn)一步啟發(fā)學(xué)習(xí)者的想象力與創(chuàng)造力，激發(fā)創(chuàng)造性思維。本系統(tǒng)在各場(chǎng)館的設(shè)計(jì)中注重引導(dǎo)學(xué)習(xí)者參與各種交互活動(dòng)，以學(xué)習(xí)者身體位置移動(dòng)、按手柄按鈕、頭部轉(zhuǎn)動(dòng)、體驗(yàn)手柄震動(dòng)等方式為主，一定程度上實(shí)現(xiàn)了學(xué)習(xí)者身體的參與。如地震體驗(yàn)館（見(jiàn)圖4）分為體驗(yàn)?zāi)Ｊ胶陀?xùn)練模式，在訓(xùn)練模式中為強(qiáng)化學(xué)習(xí)者對(duì)逃生知識(shí)的掌握，系統(tǒng)會(huì)提示學(xué)習(xí)者沿著正確的路線，移動(dòng)到相對(duì)安全的三角地帶。

4.場(chǎng)館教學(xué)設(shè)計(jì)

科技館功能的最終落腳點(diǎn)在于對(duì)學(xué)習(xí)者科學(xué)素養(yǎng)的提升，主動(dòng)了解科學(xué)知識(shí)。因此，虛擬科技館系統(tǒng)中的教學(xué)設(shè)計(jì)部分是關(guān)鍵。本系統(tǒng)采用問(wèn)題引導(dǎo)的教學(xué)模式，通過(guò)對(duì)學(xué)習(xí)者設(shè)置問(wèn)題障礙，引發(fā)學(xué)習(xí)者主動(dòng)求知的欲望，自主學(xué)習(xí)知識(shí)內(nèi)容，再作答相應(yīng)問(wèn)題，方可進(jìn)入下一關(guān)。如在地心探索館中，系統(tǒng)將知識(shí)自然地呈現(xiàn)在場(chǎng)景中，引導(dǎo)學(xué)習(xí)者進(jìn)行探索學(xué)習(xí)（見(jiàn)圖5）。

四、虛擬科技館的開發(fā)

本研究以Unity 3D為主要的開發(fā)平臺(tái)，借助3ds Max軟件對(duì)虛擬科技館場(chǎng)景及虛擬物體進(jìn)行創(chuàng)建;結(jié)合C#編程語(yǔ)言以及SteamVR、VRTK等插件進(jìn)行腳本編寫，實(shí)現(xiàn)科技館漫游、虛擬物體拾取以及交互設(shè)置等功能。借助HTC VIVE硬件設(shè)計(jì)開發(fā)虛擬科技館，實(shí)現(xiàn)了沉浸性、跨場(chǎng)景交互體驗(yàn)。依據(jù)開發(fā)流程，現(xiàn)把本研究主要的開發(fā)步驟和關(guān)鍵技術(shù)描述如下：

1.構(gòu)建場(chǎng)景

三維建模對(duì)虛擬科技館沉浸性的體驗(yàn)有重要影響，逼真的三維模型可以提供更真實(shí)的體驗(yàn)。

（1）導(dǎo)入模型

新建一個(gè)Unity工程，將3ds Max中創(chuàng)建的模型導(dǎo)入到Unity工程中，右擊Assets文件夾，選擇import new Asset，并選擇要導(dǎo)入的模型，在Project窗口中即可看到模型。

（2）創(chuàng)建場(chǎng)景

在新建的工程中創(chuàng)建一個(gè)新場(chǎng)景，把導(dǎo)入的資源直接拖拽到編輯器Scene窗口中，按照科技館的比例，對(duì)模型進(jìn)行編輯，接著給模型添加剛體和碰撞體組件，使模型具有真實(shí)的物理屬性。例如，在地震體驗(yàn)館中，給房間中物品添加剛體，使之在模擬地震時(shí)，受重力自由下落（見(jiàn)圖6）。

2.設(shè)置動(dòng)畫

3ds Max Unity中有兩種可用的動(dòng)畫組件，分別是Animation和Animator， 前者控制單一動(dòng)畫播放，后者控制多個(gè)動(dòng)畫轉(zhuǎn)換。

（1）Unity中創(chuàng)建Animation動(dòng)畫

在模型上添加Animation組件，將模型的動(dòng)畫賦值給Animation，并將Play Automatically打上勾，讓動(dòng)畫自動(dòng)運(yùn)行。例如，動(dòng)物世界館中動(dòng)物的動(dòng)畫設(shè)置（見(jiàn)圖7）。

（2）Unity中創(chuàng)建Animator動(dòng)畫

在模型上添加Animator組件，在Project面板中創(chuàng)建Animator Controller，將Animator Controller賦值給到Animator組件。接著選中Animator Controller文件，點(diǎn)擊Open即打開控制器，在Animator Controller中創(chuàng)建一個(gè)新狀態(tài)，為其指定一個(gè)動(dòng)作，添加動(dòng)畫，并設(shè)置按箭頭控制動(dòng)畫的流向，添加觸發(fā)的事件。完成上面的設(shè)置后，即可通過(guò)代碼控制動(dòng)畫狀態(tài)的切換。

3.添加交互

自然多樣的交互可以提高沉浸感，虛擬科技館中的體感交互包括場(chǎng)館的漫游、對(duì)虛擬物體的觸摸抓取和對(duì)UI中按鈕的點(diǎn)擊。

（1）場(chǎng)館漫游的實(shí)現(xiàn)

本研究通過(guò)Unity 3D編輯器，借助SteamVR和VRTK插件實(shí)現(xiàn)VR場(chǎng)景的設(shè)置。首先，刪除原場(chǎng)景中的Main Camera，導(dǎo)入SteamVR和VRTK。其次，將“SteamVR”下“Prefabs”文件夾下的 “CameraRig”拖入到場(chǎng)景中，配置完成VRTK。

給Controller Right（右手柄）添加“VRTK_ControllerEvents”腳本監(jiān)聽手柄按鍵，添加“VRTK_Straight Pointer Render”腳本渲染直線和射線，添加“VRTK_Pointer”腳本讓手柄發(fā)射射線。創(chuàng)建空物體取名Teleport，并添加傳送器腳本“VRTK_BasicTeleport”用來(lái)實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景之間的轉(zhuǎn)換。例如，在視覺(jué)認(rèn)知館中的漫游如圖8所示。

（2）觸摸抓取的實(shí)現(xiàn)

本研究通過(guò)HTC Vive手柄與虛擬科技館中物體碰撞檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬物體的觸摸、拾取等交互操作。被拾取的物體需要具有Collider和Rigidbody，添加“VRTK_InteractableObject”腳本，勾選“Is Grabbale”，手柄控制器要添加 “VRTK_InteractGrab”和“VRTK_InteractTouch”腳本，“Grab Button”下拉菜單可以設(shè)置拾取按鈕。

（3）UI點(diǎn)擊的實(shí)現(xiàn)

本研究通過(guò)HTC Vive手柄發(fā)射的射線與Unity 3D中的Canvas的碰撞檢測(cè)，扣動(dòng)手柄扳機(jī)觸發(fā)點(diǎn)擊事件，實(shí)現(xiàn)UI的交互。結(jié)合上面手柄發(fā)射射線的功能，首先在Controller Right（右手柄）上添加“VRTK_UIPointer”腳本，在Canvas（畫布）上添加“VRTK_UICanvas”腳本，接著在Canvas的Button上添加“Box collider”組件，最后完成按鈕的交互處理邏輯。例如，在“地心探索館”通過(guò)手柄射線實(shí)現(xiàn)選擇對(duì)應(yīng)的選項(xiàng)，如圖9所示。

4.調(diào)試與導(dǎo)出作品

首先，在Game窗口下點(diǎn)擊“Play”運(yùn)行，依次測(cè)試各個(gè)功能模塊，檢查是否達(dá)到預(yù)期效果;接著，在Console窗口查看輸出的錯(cuò)誤信息并再次修改調(diào)試;最后，在Unity 3D編輯器選擇“File/BuildSetting”，點(diǎn)擊“Add Open Scenes”添加各個(gè)場(chǎng)景，在Platform中選擇PCStandalone平臺(tái)導(dǎo)出。

五、試用評(píng)價(jià)

本研究共計(jì)向30名江蘇師范大學(xué)師生進(jìn)行了VR虛擬科技館體驗(yàn)訪談，教師3人，學(xué)生27人，學(xué)生平均年齡為20歲。訪談主要從四個(gè)方面收集師生對(duì)VR虛擬科技館的體驗(yàn)反饋，經(jīng)過(guò)分析后得出訪談結(jié)果如下：①沉浸感方面，師生認(rèn)為VR呈現(xiàn)方式給人帶來(lái)一種身臨其境的感覺(jué)，非常有趣，他們十分愿意在VR虛擬科技館中進(jìn)行體驗(yàn)。如有學(xué)生表示：“VR體驗(yàn)的沉浸感極強(qiáng)，如果不是我能感到自己穿戴著VR設(shè)備，還真以為自己在一個(gè)真實(shí)的科技館中進(jìn)行體驗(yàn)”。②交互性方面，師生認(rèn)為VR交互方式比較切近真實(shí)交互，操作上也并不復(fù)雜，學(xué)習(xí)者體驗(yàn)較好。有學(xué)生說(shuō)：“只需要按手柄上對(duì)應(yīng)的按鈕和程序中的按鈕就可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的操作，如移動(dòng)自己到一個(gè)合適的位置，這種交互十分便捷”。③有用性方面，師生認(rèn)為在VR虛擬科技館進(jìn)行體驗(yàn)與在真實(shí)科技館中體驗(yàn)的感覺(jué)相差不大，并且在VR虛擬科技館中可以更加全面、多角度地觀看展品，比在真實(shí)科技館中體驗(yàn)效果更好。如李老師說(shuō)：“VR虛擬科技館相比于真實(shí)科技館和普通形式的虛擬科技館來(lái)說(shuō)，最大的優(yōu)點(diǎn)就在于可以在各個(gè)角度觀看展品，甚至可以直接拿起展品觀看”。④滿意度方面，師生對(duì)VR虛擬科技館比較滿意，認(rèn)為與普通形式的虛擬科技館相比，VR虛擬科技館更具沉浸感和交互性，更加貼近在真實(shí)科技館中的感受。有學(xué)生甚至表示：“VR虛擬科技館十分有趣，有機(jī)會(huì)我會(huì)自己買一套VR設(shè)備，這樣我和我的親戚朋友們就可以隨時(shí)進(jìn)行體驗(yàn)”。

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（編輯：魯利瑞）