虛擬現(xiàn)實技術(shù)在科普教育中的應(yīng)用

周佳卉 徐蕾 劉楠 顧潔燕 王瑜

摘 要 虛擬現(xiàn)實技術(shù)由于其交互性、沉浸性、構(gòu)想性、直觀性、形象性，近年來已被廣泛應(yīng)用于科普教育活動中。通過梳理虛擬現(xiàn)實技術(shù)在國內(nèi)外的應(yīng)用情況及理論基礎(chǔ)，探討了博物館虛擬現(xiàn)實科普教育資源的特征與需求，并以上海自然博物館的昆蟲VR系列視頻為例，介紹博物館虛擬現(xiàn)實科普教育資源的開發(fā)與設(shè)計。

關(guān)鍵詞 博物館 科普教育 虛擬現(xiàn)實

0 引言

隨著網(wǎng)絡(luò)通信與多媒體技術(shù)的高速發(fā)展，使得科普教育活動的形式不斷多樣化。目前，在科普教育活動中常見的多媒體數(shù)字內(nèi)容主要包括：視頻、flash動畫、3D/4D電影、虛擬現(xiàn)實成像以及全息投影成像等[1]。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)，是一種可以創(chuàng)建和體驗虛擬世界的計算機系統(tǒng)[2]。它融合利用了計算機圖形技術(shù)、人機接口技術(shù)、多媒體技術(shù)、傳感技術(shù)、仿真技術(shù)等，可以讓受眾在仿真的虛擬環(huán)境中擁有視覺、聽覺、觸覺等多方位、多感官體驗[3]。利用虛擬現(xiàn)實，受眾可與虛擬世界中的各種對象進(jìn)行交互性操作，如互動體驗或信息交流，從而獲得身臨其境的“真實”體驗[4]。這種全新的人機交互模式自問世以來，已經(jīng)被迅速擴展并融入醫(yī)學(xué)、軍事航空、工業(yè)仿真等各個領(lǐng)域，同時它在科普教育中也有著極高的應(yīng)用價值。隨著我國科普教育事業(yè)的不斷創(chuàng)新與發(fā)展，承擔(dān)著非正規(guī)教育職能的博物館也應(yīng)當(dāng)思考，如何利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)更好地開展科普教育工作。

本文簡要梳理了虛擬現(xiàn)實技術(shù)在國內(nèi)外的應(yīng)用情況及理論基礎(chǔ)，并以上海自然博物館的昆蟲VR系列視頻為例，介紹了博物館虛擬現(xiàn)實科普教育資源的開發(fā)與設(shè)計，以期拋磚引玉，為同行提供一些參考。

1 虛擬現(xiàn)實在國內(nèi)外科普教育中的應(yīng)用

虛擬現(xiàn)實技術(shù)具有沉浸性、交互性、構(gòu)想性、直觀性、形象性等特點，在教學(xué)中的應(yīng)用潛力巨大，具有激發(fā)學(xué)習(xí)動機、創(chuàng)設(shè)學(xué)習(xí)情境、增強學(xué)習(xí)體驗、感受心理沉浸、跨越時空界限、動感交互穿越和跨界知識融合等多方面的優(yōu)勢[5]。首先，虛擬現(xiàn)實為自主學(xué)習(xí)提供了有利的條件，學(xué)習(xí)者可以利用設(shè)備隨時隨地進(jìn)行自主學(xué)習(xí)。比如，Google公司推出的Cardboard，雖然僅包含紙板、凸透鏡、橡皮筋、魔力貼等簡單的小部件，但用戶卻可以自己組裝，以非常低廉的價格擁有一副3D眼鏡，再加上一部智能手機就構(gòu)成了VR設(shè)備。其次，虛擬現(xiàn)實提供的“真實”場景可將難以想象的東西以三維形式直接呈現(xiàn)出來，幫助學(xué)習(xí)者對知識的理解和記憶。比如，外科醫(yī)生可利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，對成千上萬的醫(yī)學(xué)生進(jìn)行手術(shù)教學(xué)[6]。最后，由于虛擬現(xiàn)實技術(shù)創(chuàng)造了身臨其境的感受與豐富的交互體驗，新穎的形式可以喚起學(xué)習(xí)者的興趣，為學(xué)習(xí)者提供觀察、操作及與他人合作的機會，促進(jìn)了知識的建構(gòu)過程[5，7]。

在科普教育中使用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，一方面可以突破時間與空間的限制，模糊受眾的年齡限制，讓現(xiàn)實中無法實現(xiàn)或展示的內(nèi)容成為可能，彌補客觀條件的不足，創(chuàng)造一種良好的虛擬學(xué)習(xí)空間。另一方面，沉浸式體驗也讓受眾將被動學(xué)習(xí)、接收信息轉(zhuǎn)化為主動探索、粘性學(xué)習(xí)，進(jìn)一步啟發(fā)受眾的想象力與創(chuàng)造力，激發(fā)創(chuàng)造性思維，成為一種科普教育傳播的新渠道[3]。

目前，虛擬現(xiàn)實技術(shù)在國外科普教育中的應(yīng)用涉及科學(xué)實驗、科普游戲等。英國廣播公司拍攝了紀(jì)錄片《地球》，借助虛擬現(xiàn)實技術(shù)帶領(lǐng)觀眾觀察已經(jīng)滅絕的生物——恐龍;瑞士巴塞爾大學(xué)通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)幫助學(xué)生深入了解人體胸腔器官的結(jié)構(gòu);西班牙國立考古博物館推出了一款虛擬現(xiàn)實應(yīng)用，向觀眾展示不同時期的西班牙，從舊石器時代的洞穴深處、羅馬帝國時期的城市廣場到阿拉伯統(tǒng)治時期的街頭集市。此外，影片《紫禁城：天子的宮殿》利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)重現(xiàn)考古發(fā)掘場景，展現(xiàn)故宮內(nèi)一些無法對外開放的景點，讓觀眾能夠了解文物及其背后的故事。在首都博物館的“王后、母親、女將——紀(jì)念殷墟婦好墓考古發(fā)掘四十周年特展”中，觀眾可以通過VR眼鏡“親臨”婦好墓穴，前往內(nèi)部上下六層，一睹隨葬品的現(xiàn)場風(fēng)貌。

綜上所述，虛擬現(xiàn)實技術(shù)呈現(xiàn)的是一個動態(tài)、開放的環(huán)境，受眾可以從任意有價值的角度觀察虛擬世界的元素，進(jìn)行交互性操作，從而獲得“真實”的體驗。

2 虛擬現(xiàn)實在科普教育中應(yīng)用的理論基礎(chǔ)

2.1 建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論

建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論認(rèn)為學(xué)習(xí)不是由教師把知識簡單傳遞給學(xué)生，而是由學(xué)生自己建構(gòu)知識的過程，也就是說，學(xué)習(xí)不是被動接收信息，而是主動構(gòu)建意義[1]。虛擬現(xiàn)實技術(shù)通過獨特的沉浸式體驗，讓觀眾能夠在“真實”的環(huán)境中，基于自身已有的認(rèn)知水平和經(jīng)驗，去主動獲取知識與信息，分析知識的合理性。同時，虛擬現(xiàn)實技術(shù)擁有構(gòu)想性特征，它模擬的場景將抽象的概念具象化，讓觀眾可以突破生理與時空限制，進(jìn)入宏觀或微觀世界去探索與觀察，打破固有的思維模式，激發(fā)想象力與創(chuàng)造力。

2.2 情境體驗式學(xué)習(xí)理論

情境體驗式學(xué)習(xí)理論融合了情境學(xué)習(xí)理論與體驗式學(xué)習(xí)理論[8]。情境學(xué)習(xí)理論認(rèn)為，知識的學(xué)習(xí)、運用與實踐都是在一定的情境中進(jìn)行的，知識的意義應(yīng)該在真實的活動或情境中建構(gòu)，學(xué)習(xí)者在真實的情境中學(xué)習(xí)與探究才能最終對各類問題形成多樣化的解決策略。體驗式學(xué)習(xí)主要是通過學(xué)習(xí)者自主探究或協(xié)作的方式來學(xué)習(xí)，它認(rèn)為學(xué)習(xí)過程是抽象經(jīng)驗和具體經(jīng)驗之間相互轉(zhuǎn)化的過程，注重學(xué)習(xí)過程中的經(jīng)驗轉(zhuǎn)換和情感升華。虛擬現(xiàn)實技術(shù)通過創(chuàng)設(shè)生動真實的情境，引導(dǎo)觀眾將獲取的經(jīng)驗與已有的認(rèn)知相聯(lián)系。

2.3 自主學(xué)習(xí)理論

自主學(xué)習(xí)理論是指學(xué)習(xí)者自主選擇學(xué)習(xí)內(nèi)容、目標(biāo)、材料、策略與模式，強調(diào)學(xué)習(xí)者與環(huán)境之間的相互作用以及協(xié)作學(xué)習(xí)的重要性，自主學(xué)習(xí)的過程以自主探究、啟發(fā)式學(xué)習(xí)、協(xié)作式學(xué)習(xí)為主[8]。在虛擬現(xiàn)實技術(shù)創(chuàng)設(shè)的虛擬學(xué)習(xí)情境中，觀眾可以進(jìn)行自主學(xué)習(xí)與合作探究，并通過交互性操作了解學(xué)習(xí)進(jìn)程與反饋，因此，觀眾可以充分發(fā)揮自主性，通過探究活動和相互協(xié)作來建構(gòu)知識。

2.4 沉浸理論

沉浸理論又稱為“流體驗理論”，是指當(dāng)個體全身心投入一件事并獲得愉悅感達(dá)到忘我境地時，就產(chǎn)生了心流，這種狀態(tài)是學(xué)習(xí)者融入虛擬情境中進(jìn)行學(xué)習(xí)體驗的最佳狀態(tài)。虛擬現(xiàn)實技術(shù)提供的沉浸式體驗，有助于觀眾提高學(xué)習(xí)效能與效果。在虛擬環(huán)境中，觀眾是學(xué)習(xí)與探究的主體，其學(xué)習(xí)興趣、效率、動機等方面都有所提高[8]。

2.5 行為主義學(xué)習(xí)理論

行為主義學(xué)習(xí)理論認(rèn)為學(xué)習(xí)起因于外部刺激，通過對環(huán)境的“操作”和對行為的“強化”，任何行為都能被創(chuàng)造、設(shè)計、塑造和改變[1]。虛擬現(xiàn)實技術(shù)將科學(xué)內(nèi)容融入創(chuàng)設(shè)的“真實”情境中，充分發(fā)揮了環(huán)境的“刺激”作用，從而引導(dǎo)觀眾產(chǎn)生正確的機體反應(yīng)。

3 博物館虛擬現(xiàn)實科普教育資源的特征與需求

博物館教育作為一種非正規(guī)教育，以陳列展覽等實物為基礎(chǔ)，反映科學(xué)事實與內(nèi)容，從聽覺、視覺等多感官角度去促使觀眾觀察、思考及探究，進(jìn)而獲得知識經(jīng)驗。這種接觸、理解和記憶知識的方式有別于學(xué)校、社會教育機構(gòu)等其他知識媒介[9]。如果學(xué)校教育的特征可概括為立足課堂、基于教材、傳播間接經(jīng)驗的授受式學(xué)習(xí)，那么與此相對，博物館教育的特征則可概括為來自展品、基于實物、傳播直接經(jīng)驗的體驗式學(xué)習(xí)、探究式學(xué)習(xí)[10]。

因此，博物館教育應(yīng)當(dāng)考慮觀眾的特點，以特有方式來呈現(xiàn)其所要傳播的知識。筆者認(rèn)為在博物館虛擬現(xiàn)實教育資源的開發(fā)與設(shè)計過程中，要合理注入知識內(nèi)容與思想內(nèi)涵，即將科學(xué)知識的傳播與教育目標(biāo)的實現(xiàn)相結(jié)合，并利用情境導(dǎo)入、懸念吸引等方式來增強趣味性與故事性。

4 博物館虛擬現(xiàn)實科普教育資源的開發(fā)與設(shè)計

下面以上海自然博物館的昆蟲VR系列視頻為例，從選題依據(jù)、內(nèi)容策劃與視頻制作三個方面分析博物館虛擬現(xiàn)實科普教育資源的開發(fā)與設(shè)計。

4.1 選題依據(jù)

昆蟲是世界上數(shù)量最多的一類動物，它與我們的生活息息相關(guān)，但卻有著和人類完全不同的生物學(xué)特點。然而，昆蟲因其體型微小，活潑善動，往往不宜對其進(jìn)行近距離的觀察。

由表1可知，目前上海自然博物館共有16個昆蟲主題的教育活動，目標(biāo)人群覆蓋學(xué)齡前、小學(xué)、初中、高中及親子家庭。昆蟲VR系列視頻旨在將館內(nèi)已有的原創(chuàng)活動與虛擬現(xiàn)實技術(shù)結(jié)合，以期豐富展覽教育形式，深化展覽教育內(nèi)容，強化展示教育效果，讓觀眾走進(jìn)奇妙有趣的昆蟲世界，激發(fā)大家進(jìn)一步觀察自然、探究自然的熱情。

4.2 內(nèi)容策劃

在分集內(nèi)容的選擇上，通過前期調(diào)研發(fā)現(xiàn)，昆蟲的發(fā)聲、偽裝、生活史、取食以及發(fā)光這五個方面是觀眾感興趣卻僅憑標(biāo)本等無法深入了解的內(nèi)容。如表2所示，昆蟲VR系列視頻共有5集，單集視頻時長3 min，以“蟲出江湖”為主題，將觀眾作為第一視角，讓他們“縮小”后進(jìn)入昆蟲世界。

如基于上海自然博物館“繽紛生命”展區(qū)的“森林音樂家”展項，研發(fā)團隊將鳴蟲作為故事的主角，策劃了分集故事《仲夏三“蟲”奏》。鳴蟲，帶給人們自然界的“天籟之音”，傳遞四季的變化消息。生活在鋼筋混凝土城市中的我們，往往會忽視這群活潑可愛的鄰居。在夏秋之際，偶然聽到蟲鳴，人們內(nèi)心或許會產(chǎn)生一種與自然聯(lián)結(jié)的欣慰，但卻往往又覺得這些小東西難以找尋與親近。視頻從鳴蟲的生活環(huán)境切入，重點展示迷卡斗蟋、優(yōu)雅蟈螽和日本紡織娘這三種蟲子獨特的發(fā)聲方式。通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)，觀眾可以穿梭在夏日夜晚的灌木叢中，近距離觀察鳴蟲的摩擦發(fā)聲，從而了解它們的生活環(huán)境與活動習(xí)性，體驗到別樣的城市野趣。

如圖1所示，在視頻畫面中出現(xiàn)的放大提示框進(jìn)一步展示了鳴蟲動作的細(xì)節(jié)，比較蟋蟀類與螽斯類鳴蟲利用左右前翅的相互摩擦發(fā)聲的細(xì)微差異。在昆蟲VR系列視頻中，均使用了提示框的形式來引導(dǎo)觀眾在情境中仔細(xì)觀察。如在講述昆蟲生活史的《蟲大十八變》中，由于短時間內(nèi)無法完整描述蜻蜓、蝴蝶等昆蟲的所有蛻皮發(fā)育階段，因此也采用了提示框的形式來向觀眾傳達(dá)這類昆蟲在成長過程中會經(jīng)歷的變化，既吸引了觀眾的注意力，同時也精簡了鏡頭語言。

在故事情節(jié)的設(shè)置上，研發(fā)團隊充分考慮了增加懸念。比如，在《覓食“蟲特工”》中，觀眾戴上VR設(shè)備后將置身于非洲大沙漠，雄性蜣螂能否將超出自身體重若干倍的大糞球順利帶回洞穴，成功獲得雌性蜣螂的歡心？帶著這樣的謎團，觀眾通過完整觀察一只雄性蜣螂的覓食過程，可以生動了解到非洲蜣螂的運動方式與求偶方式，感受小昆蟲的大力量。昆蟲的一舉一動無不牽動著觀眾的心，這些懸念帶動了故事情節(jié)的發(fā)展。

最后，視頻故事中有許多細(xì)節(jié)等待觀眾去探索。觀眾可以基于已有的知識經(jīng)驗，通過VR視頻發(fā)現(xiàn)更多新鮮有趣的內(nèi)容，從而建構(gòu)新的知識。比如，在《暗夜蟲精靈》中，觀眾戴上VR設(shè)備后將置身于山洞中，發(fā)出亮光的蕈蚊幼蟲正在設(shè)下一張極度危險的絲網(wǎng)陷阱，此時正巧飛過的一只小蟲將命運如何？

4.3 視頻制作

（1）昆蟲掃描與模型搭建

如圖2所示，為了還原最真實的昆蟲形態(tài)特征，研發(fā)團隊采取昆蟲活體掃描的方式，前期采購了一批活體昆蟲，經(jīng)專家進(jìn)行科學(xué)鑒定后利用三維逆向掃描技術(shù)進(jìn)行建模。三維掃描系統(tǒng)主要利用空間物體外形、結(jié)構(gòu)及色彩的掃描，將物體立體信息變換為可利用計算機進(jìn)行直接處理的信號，以獲得物體空間的表面坐標(biāo)，從而實現(xiàn)物體的三維掃描[11]。由于傳統(tǒng)的三維激光掃描系統(tǒng)校準(zhǔn)精度不高，掃描速度較慢，效果不是很理想[12]。因此，研發(fā)團隊引入了逆向工程技術(shù)，以昆蟲的形狀、表層數(shù)據(jù)點為研究對象，先實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高精度捕捉，獲得昆蟲表面的點云，再通過三維點云數(shù)據(jù)拼接軟件與三維曲面擬合軟件對昆蟲進(jìn)行三維數(shù)字化建模。最后，再根據(jù)昆蟲的高精度尺寸，并利用相關(guān)的三維設(shè)計軟件對模型進(jìn)行修正。

（2）自然場景制作

在VR視頻制作過程中，場景搭建是重要的環(huán)節(jié)，只有真實的場景才能給予觀眾沉浸感與體驗感?！疤摶靡妗笔敲绹鳨pic Games公司的一個高性能軟件開發(fā)套件，在虛擬場景制作中，它可以幫助開發(fā)者生成非常復(fù)雜的虛擬元素，虛擬環(huán)境中的陰影如同在真實場景中透射一般，從而生成照片級別的布景[13]。因此，在本項目中，研發(fā)團隊利用虛幻引擎來搭建場景，提高虛擬場景的真實性和還原度。如圖3所示，在水下環(huán)境中模擬了真實的陽光通過水面后反射和折射產(chǎn)生的陰影。如圖4所示，在較為廣闊的沙漠環(huán)境中，則使用定向光源與天空光源來保證場景同時具有陽光和天光，同時也模擬了自然光照在地面上生成的逼真陰影，還原了現(xiàn)實世界中遠(yuǎn)景在接近地平線高度上的模糊現(xiàn)象。

（3）畫面剪輯與鏡頭語言

VR視頻給觀眾帶來了豐富的空間維度，但其中場景的切換也對生理舒適度、沉浸感等有一定的影響。當(dāng)VR視頻中的鏡頭切換或畫面跳轉(zhuǎn)時，觀眾需要重新適應(yīng)整個環(huán)境空間，若影片主體運動速度過快，觀眾便難以捕捉到剪輯點，鏡頭的快速切換可能會造成眩暈之感[5]，甚至出現(xiàn)跟不上情節(jié)發(fā)展的情況。因此，VR視頻的剪輯與敘事手段對于觀眾的體驗感而言尤為重要。研發(fā)團隊在故事敘述中采取了光點引導(dǎo)的方式，觀眾戴上VR設(shè)備后，會在一個由光點代表的小精靈的帶領(lǐng)下去觀察、體驗昆蟲世界正在發(fā)生的故事，這種引導(dǎo)模式能夠帶給觀眾一定的指引作用，同時也并未干擾他們自我探索與發(fā)現(xiàn)的視線。

5 不足與展望

研發(fā)團隊邀請了相關(guān)領(lǐng)域的學(xué)科專家審核，并希望觀眾在參與后提供修改意見，但遺憾的是，項目整體未能設(shè)計完整的評價體系，缺乏系統(tǒng)的數(shù)據(jù)支持，因此在評價反饋上還有待完善。

此外，昆蟲VR系列視頻的設(shè)計初衷是讓觀眾化身為昆蟲大小，置身于昆蟲世界。若能引入更多的互動環(huán)節(jié)，如通過操作手柄與場景中的昆蟲產(chǎn)生一些互動，將給予觀眾更佳的體驗感。因此，日后可以在視頻中增加交互性的操作任務(wù)，讓觀眾從“只能看”變?yōu)椤澳芸?、能動”?/p>

上海自然博物館的昆蟲VR系列視頻基于館內(nèi)已有的展示教育資源，利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)將科學(xué)性與趣味性相結(jié)合，實現(xiàn)了體驗式、沉浸式的科學(xué)傳播。VR視頻豐富了博物館展示教育資源的形式和內(nèi)容，帶領(lǐng)觀眾穿越時空，體驗到自然的多彩與樂趣，期待未來虛擬現(xiàn)實技術(shù)能在博物館得到廣泛的應(yīng)用。

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作者簡介：周佳卉（1991—），女，從事科普教育工作，E-mail： zhoujh@sstm.org.cn。