VR沉浸式學習環境創設的探究

皮健 李文東

摘要：本文重點提出了VR沉浸式學習環境的設計理念與原則，并創設了VR虛擬學習環境教學應用經典案例——可視化3D公寓，以期為VR沉浸式學習環境的創設助力。

關鍵詞：VR虛擬現實技術；沉浸式學習環境；可視化；3D；交互

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

前言

當前，在教育領域，已經有越來越多的學者看到了VR技術在課堂學習環境中的重要性，如黃榮懷教授提出的智慧學習環境具有的特征之一就是智慧學習環境應實現物理環境與虛擬環境的融合，在智慧環境中，對物理環境的感知、監控和調節功能進一步增強，增強現實等技術的應用使虛擬環境與物理環境無縫融合。[1]

VR虛擬學習環境所提供的大量建構工具體系和表現區域，能夠提高學習者的主觀能動性，這與皮亞杰“把實驗室搬到課堂中去”的構想與實踐，以及“學習是一種真實情境的體驗”的建構主義觀是相符合的。[2]

VR虛擬學習環境的基本特性及仿真體驗

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

1.交互性（Interaction）

交互性是指學習者對虛擬環境內物體的可操作程度和從環境中得到反饋的自然程度（包括實時性）。學習者可以用手等觸覺器官去直接接觸環境中的物體，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。學習者還可以直接觀察與控制對象的各種參數，如運動方向、速度等。

2.沉浸感（Immersion）

沉浸感又稱為臨場感，是指學習者感到作為主角存在于模擬環境中的真實程度。沉浸感被認為是VR系統的性能尺度，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就是應該具有人所具有的多種感知功能。

3.構想性（Imagination）

人類在許多領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、核反應堆維護、氣象及自然災害預報、醫療手術的模擬等。在教育領域也不例外，如化學實驗中鎂條燃燒、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。由于受到環境等因素限制，實驗的展開存在難度，而VR技術為解決和處理這些問題提供了新方法和新途徑。

VR沉浸式學習環境的設計理念與原則

1.真實與精確

“真實”認知活動要求的VR沉浸式學習環境的設計必須要真實與精確，這樣才會對學習者知識的建構起到幫助和促進作用。學習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

教學內容的呈現要有銜接性；反饋的知識點要有獨立性；認知信息要有綜合性，可跨學科、跨地域整合。在VR沉浸式學習環境中，學習者通過體驗對認知經驗進行建構，這種建構過程需要通過新舊經驗的相互作用來實現。這就要求設計者要全面了解教學內容，要針對教學層次，明確教學要求，通過模塊組合，給出學科課程系列統整框架，從而使VR沉浸式學習環境中，教學內容連貫、銜接得當并全面。

在VR沉浸式學習環境的教學內容設計過程中，整合不僅指將教學內容系列化模塊組合系統框架，還要跨學科、跨領域。在整合過程中，抓住各學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結點和發展線索之要素，來進行整體推進全面發展整合的策略。STEAM的教育理念就是立足于每一學科的特殊性，并彼此間滲透，培養學生各學科間的綜合素養。

3.交互與協作

VR沉浸式學習環境中，交互方式有學習者與控制對象之間的交互、學習者與虛擬人物之間的交互、學習者與學習者之間的交互。學習者與控制對象之間的交互，主要是指學習者借助專用的三維交互設備，與虛擬環境中的對象發生交互，學習者可直接操作“控制對象”的各種參數，如運動方向、速度等，系統則向用戶反饋信息。學習者與虛擬人物之間的交互，是指虛擬人物會配合學習者完成認知任務，如回答學習者問題或幫助學習者完成對控制對象的操作。學習者與學習者之間的交互，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，在完成任務等認知活動中，進行協作或競爭，并產生人與人之間交往的認同感。借助三維環境的化身功能，可以實現學習者態度和情感的變化與表達，從而根本性地變革傳統教學模式，使學習者的學習體驗過程，從“獨白”走向“對話”，從“個體式學習”走向“合作式學習”。

4.實踐與趣味

VR沉浸式學習環境的設計要具有實踐性、可操作性；VR沉浸式學習環境并不是將二維平面的圖片變成三維立體的畫面，而是向學習者提供可視化、可實踐、可操作的虛擬空間，從而對認知經驗進行建構。實操訓練課程模塊可對虛擬裝備進行與實裝一致的操作訓練和拆裝訓練；維修課程模塊可進行模擬維修操作。實操過程中，可與任務驅動教學法相結合，模擬與作戰部隊相適應的作戰任務，來提高學習者的學習趣味。

在VR沉浸式學習環境的設計中，引人入勝的故事情節、夢幻般探險、錯綜復雜的關卡、富有魅力的角色、非線性探索及高難度挑戰，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習者身臨其境的趣味體驗。

5.評價反饋與操作管理

因為不同學習者的學習風格、認知習慣、情感結構、已往經歷等不一樣，從而生成自己對事物的情感感受、領悟和體驗也不一樣。在以學習者為中心的教學理念指導下，VR沉浸式學習環境中評價方式多種多樣，評價標準個性化，評價反饋時間靈活自由，從而使得評價對學習者發揮最大作用。例如，在體驗活動中，通過通關等方式來進行評價；在體驗活動后，通過頭腦風暴、評價報告等方式進行評價。

同時，在VR沉浸式學習環境中系統還能進行訓練管理，記錄教學、自學和訓練的時間、內容、人員等信息，并對學習者的學習行為進行深入分析，了解學習過程、交互方式、使用習慣偏好、關聯規則和時態規則等，在進行信息處理和解釋學習績效后，為學習者提供首選、可信的方法等，從而為學習者提供個性化服務和信息推薦。

裝潢藝術設計專業案例：可視化3D公寓

裝潢藝術設計專業培養學習者具備裝飾藝術設計與創作等方面的知識和能力。下面，筆者就為裝飾藝術設計專業的學習者創設VR沉浸式學習環境——可視化3D公寓。

1.開發工具與VR沉浸式體驗設備

開發工具選擇Unity，它是由Unity Technologies公司開發的專業跨平臺游戲開發及虛擬現實引擎。[4]

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

2.創建場景

在程序中，構建一個基于城市的居民區的大規模的3D場景。建筑外部和房屋內部細致到位，學習者可以在城市內進行探索，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節進行查看和操作。在程序中構建一個虛擬人，并在每個公寓單元內設關卡，學習者在虛擬人的協作下，通過不斷地提高樓層數，穿越一個個關卡，最后獲得一枚勛章。

3.教學模塊

裝潢藝術設計專業課程包括素描、字體與標志設計、3D建模設計、圖形設計、平面廣告設計、計算機美術輔助等。在“可視化3D公寓”中，教學模塊串聯了各門課程的融合點，將以上專業課的課程內容進行整合，提供整套學習環節，并將整套學習環節系列化，通過系列內容由易到難地呈現。同時，將碎片化的學習變成由若干系列組成的整體，且不同的公寓又呈現不同的知識體系。

教學內容的呈現渠道分為音頻、文字、3D數字化模型。學習者進入該環節進行學習體驗時，程序就將該環節的教學內容通過語音講解的方式播放出來，并在該環節的公寓單元內放置通關寶典，用文字記錄該環節的教學內容。同時，該環節的公寓單元內樣板間及3D數字化模型，向學習者展示教學內容，學習者還可以向虛擬人發問來得到對教學內容的講解。

4.體驗模塊

本模塊主要應用于學習者學后練習體驗，對知識實踐應用和該環節學習效果考核。學習者運用本環節知識要點來完成該環節給出的任務，任務正確完成即可通關。

5.拓展模塊

本模塊主要應用于學習者學習之外的體驗，既包括自主制作的學習內容及娛樂，也有開放的合作單位的教學內容。學習者可以自主裝飾設計公寓單元空間，制作家具及家居裝飾物，并通過實踐體驗，隨時調整和修改。程序中記錄下學習者學習體驗、自主拓展的大數據，對學習者的學習給予指導和建議。

結束語

VR沉浸式學習環境重點在于學習者的感受，使學習者能在虛擬環境中做到真實體驗、沉浸其中、超越其上、交互自如。相信隨著虛擬現實技術的發展，VR虛擬學習環境將會成為未來學習的重要工具并會被普遍應用。

參考文獻：

[1]朱福軍，鄭萌，顧倩頤.VR技術視角下課堂學習環境革新與重構[J].中國教育技術裝備，2017（2）.

[2]蔡蘇，張晗.VR/AR教育應用案例及發展趨勢[J].數字教育，2017（3）.

[3]郭天太.基于VR的虛擬測試技術及其應用基礎研究[D].杭州：浙江大學，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.三維虛擬學習環境綜述[J].中國電化教育，2015（9）.

作者簡介：皮健，女，碩士，大連職工大學副教授，研究方向為教育技術學。