虛擬教學資源創作實踐

陳玥冰， 羅立宏

（廣東工業大學數字媒體系，廣州510006）

0 引 言

早在70年代初虛擬現實已經開始應用在軍事、航天等領域，由于計算機的硬件設備和軟件開發并未成熟，與之高昂的開發成本等原因，虛擬現實在其他領域的應用受到限制［1］。2010年數字化產品應用和傳播空前繁榮，VR技術乘風啟航，其沉浸性、交互性、和構想性的特征，引發行業的投資熱潮，2015年全球投資劇增至35億美元，2016年投資達到巔峰［2］。但國內VR投資資金多集中在硬件研發上，優秀的VR作品相對貧乏，遠不能達到大眾在娛樂、學習、生活等的應用需求。為滿足多方位的應用需求，虛擬現實投資市場紛紛調整戰略，國內的樂相大朋、華為和小米等VR硬件設備廠家，開始與娛樂、教育、文化、旅游等行業對接，以實現虛擬現實行業全面的生態整合。2018年2月由教育部印發的《教師教育振興行動計劃（2018-2022）》指出，利用云計算、虛擬現實、人工智能等新技術推動教學改革［3］；2018年9月由國家發改委發布的《關于發展數字經濟穩定并擴大就業的指導意見》指出，采用互聯網、虛擬現實與增強現實、人機互動等技術推廣微課、混合式教學［4］；2018年9月由教育部印發的《關于實施卓越教師培養計劃2.0的意見》指出，利用虛擬現實、增強現實和混合現實建設交互性的課程資源［5］。哈佛大學的一位教授在采訪時提出“先發展，后整合”的觀點［6］，VR以新技術的性質與教育需求結合，其引發的教育創新思維包含了未知的風險，同時也加速教育的創新發展。

1 教育類VR的功能

傳統教學在不斷尋找方法讓教育跟上技術發展的速度，納入創新的數字化教育渠道，提高解決抽象的、難以理解知識點的效率［7］，如CAI計算機輔助教育，提供圖像、PPT課件、數字動畫等的輔助教學資源；立體呈現虛擬現實技術讓學生置于虛擬的空間感知知識，虛擬現實正在成為教育發展的下一步［8］。

1.1 提高教學質量

積極參與是優秀教學的關鍵，VR內容與課程內容結合有效地增強學習效率和深度學習，學生可以通過輕松娛樂的方式理解和記憶知識難點［9］。北京“微視酷”用一套系統支撐VR教育［10］，相當于Windows或Android的控制平臺，開發便捷的課堂VR資源；2017年華東理工大學“污水廠VR教學案例”還原污水處理廠現場［11］，解決學生對抽象知識的模糊理解（見圖1）。

1.2 在特定背景下學習

在教育中使用VR創建歷史背景或地理背景，相比文字圖片描繪的情境，理解深度的差異是極其顯著的。例如在書中了解的月球的各個階段，和把他們放置到月球表面去探索地球；再如學生在第一次世界大戰時站在戰壕中可以獲得的理解和情感體驗；漢密爾頓學院的印度教神社和寺廟“數字人文計劃”［12］，用于理解加耶及其神社的發展；斯坦福人類計算機交互實驗室發布的海洋酸化體驗［13］，通過HTC Vive觀察二氧化碳對海洋生物的影響等。

1.3 VR成為學習的助手

通過書本學習記憶醫學知識是非常艱難的，小白鼠解剖實驗成本既高又不可重復，VR為復雜的臨床操作提供訓練渠道和記憶手術步驟等給予有效的幫助，充分利用VR的沉浸教育方式，解決醫學和科學等領域的教學困難。斯坦福大學的虛擬心臟允許用戶在心臟內“傳送”［14］，以了解復雜的先天性心臟缺陷，提高留存率和熟練程度，在全球范圍內共享寶貴的資源，并節省高昂的培訓和時間成本（見圖2）。

圖2 斯坦福大學的虛擬心臟

1.4 體驗設計的自由

在VR里允許創建3D模型，你可以把創意想象通過色彩、畫筆等工具設計作品，或者你可以在一個畫框里體驗自由構圖的訓練，在身臨其境的虛擬世界里在不同的角度觀察和創作作品。

綜上所述，VR適用于人文歷史、學科教育、自然科學、工程科學、語言文化等知識的虛擬呈現，VR教育市場逐步發展，行業應了解教育、針對知識難點制定VR內容，滿足提高教育功能的需求［15］。

2 《設計構圖的VR體驗》案例的設計與實現

教學資源將VR虛擬現實技術與藝術思維密切交融，深層滲透在一起。戴上頭顯沉浸在虛擬的3D水墨藝術環境，這是除了夢境唯一到達另一個世界空間的通道［16］。參與者可以在本項目中大膽創造，把腦海中的各種構思變成看得見的虛擬物體和環境，人們可以在這里理解和體驗構圖設計，提高美感認知。

下面為內容設計者開展同類教育資源設計時提供案例素材，并通過教學活動和體驗數據證明本教學資源的可行性［17］。

2.1 基于VR技術的構圖教學方法

通過可穿戴設備進入構圖訓練的虛擬場景，根據場地空間和感應器可探測范圍設置活動區域，有“瞬間移位”和“漫步至目標位置”兩種方式位移，對手柄輸入操作指令（見圖3），實現與虛擬世界的人機交互［18］。

圖3 手柄按鍵功能分配

在構圖訓練場景中，對預先構建的創作實體進行選擇，確定目標實體后實現抓取功能，預設的創作實體即刻復制生成新的實體，不松開抓取按鈕情況下可跟隨手的移動坐標，放開抓取按鈕后實體停留在最后抓取按鈕計算的坐標上，再者，當進入構圖畫框設定的計算范圍時，物體將生成于畫框中心位置。抓取事件的設計是為了實現下一步的擺放事件，對畫框內實體觸發進行移動、旋轉和縮放（見圖3），對預設實體在畫框內進行排布，根據創作需求用于創作不同主題的作品（見圖4）。

圖4 構圖訓練

以國畫布局的基本理論為方法，提取賓主、疏密、虛實、留白作為評分規則的計算依據［19］，對構圖畫面進行評分。通過獲取所述構圖畫框界面對角兩點的坐標，將構圖畫框界面分割成n份，并發射n條射線進行射線檢測，構圖規則包括以下方法：

（1）賓主計分。通過射線檢測，獲取構圖畫框界面中對應物體的畫框占比，在所有對象占據的格子數中，獲取格子數的最大差值；若差值大則證明有一個對象的格子數遠超于其他對象的格子數，則為主。差值越大則主賓對比越強烈則分數越高。根據所述差值確定賓主計分數值，差值越大則賓主計分數值越高。

（2）疏密計分。獲取檢測返回的格子矩陣，按照順序依次進行檢索，可以為從左到右從上到下的順序，若檢索到未檢索過的對象，則記錄到一個數組中，并擴散檢索對象四周的4個對象，若再次檢索到未檢索過的對象，則繼續檢索的過程，將檢索到的相鄰的對象的數量記錄到一個數組中，獲取最大數量差值，根據所述最大數量差值確定疏密計分數值，最大數量差值越大則疏密計分數值越高。

（3）虛實計分。通過射線檢測獲取到對應的對象的坐標，比對對象的坐標來判斷對象是否距離拍攝設備超過了指定距離，若距離超過所述指定距離，則為虛，否則為實，根據虛實對象數量對比數值確定虛實計分數值，虛實對象數量對比與預設第一比例差距越小則虛實計分數值越高；預設第一比例可以為1∶1。

（4）留白計分。獲取射線檢測返回的格子矩陣，檢索獲取有對象的格子數量和沒對象的格子數量，進行對比，根據有對象的格子數量與沒對象的格子數量的比例確定留白計分數值，有對象的格子數量與沒對象的格子數量的比例與預設第二比例差距越小則留白計分數值越高。預設第二比例可以為3∶7或7∶3。

根據上面各項計分，將各項計分相加之和取平均值來得到構圖得分。當然還可以采用不同計分項對應不同的權重來計算最終的構圖得分。進一步地，在所述按照預設評分規則對所述構圖畫面進行評分，得到構圖得分之后還可以對多個構圖畫面的構圖得分高低，生成顯示信息顯示在排行榜上，所述顯示信息包括：排行榜界面、構圖得分、角色信息。通過排行榜可以清楚的記錄每次設計構圖的得分排名。通過元素擺放可以快速進行構圖設計，便于反思、調整和修改。

2.2 傳統藝術風格呈現，提升體驗沉浸感

漫游場景（見圖5），參與者可以帶著設計構圖的課題進入場景，從聽老師教授轉變為親身經歷，在場景中自由游覽采風，身臨其境體會國畫意境，在實踐感知中，獲取更多的藝術靈感和創作動力，有利于學生們藝術修養的養成和中華優秀傳統文化的傳承［20］。

圖5 漫游場景

在游覽時，對手柄操作實現交互功能，滿足學習和娛樂需求。如UI交互菜單包含作品賞析功能、拍照功能、幫助功能，以及構圖訓練、游覽關卡和首頁關卡切換功能（見圖6）。再者，可在感應器范圍內移動或者通過瞬移方法移動，在場景自由游覽（見圖7）；去到風景優美的地方，打開你的相機拍下美好瞬間（見圖8）；可與帶藍色圖標物體互動（見圖9）。

圖6 UI菜單

圖7 移動功能

圖8 相機功能

圖9 抓取功能

2.3 教學需求

利用VR情境，將學生學習的注意力從老師的PPT和一堆令人迷惘的圖片資料中解脫出來。學生進入水墨風格的VR仿真系統后，通過聽、看、觸摸、移動、交互等方式觀察和思考［21］。突破學生學習動機難激發的教學難點，讓學生在情境中不知不覺地產生學習期待，按照從使用→學習→檢驗→鞏固的學習過程，順利完成學習任務。學習情境可以循環呈現，無限次滿足學生體驗和驗證的欲望，降低對老師和環境依賴，增強獨立學習的能力，根據自己的學習進度量體裁衣。

遵循智慧型技能學習過程的心理學原理，依據項目教學設計思路，以《設計構圖的VR體驗》虛擬教學資源為情境，設計了3個等級的教學活動：一次體驗，學習國畫構圖形式的運用，掌握基本概念；二次體驗，構圖理解的反思與改進；三次體驗，強化學生國畫構圖設計能力，培養國畫思維［22］。帶著問題的學習方法，提高解決問題的能力，促進學生的深度參與及深層學習。

課程結束后對課程中30位學生問卷調查取樣（見圖10），分析和評估教學資源的有效性、學生學習動機和參與度，得出以下結論：學生對VR身臨其境的水墨風格體驗，愉悅感極強，93%的學生對國畫4種基本構圖形式能直觀理解、運用并產生對國畫的喜愛。

圖10 問卷調查表

通過體驗、實踐和創作性學習，以更具體和創造性的方式獲得知識。該“設計構圖的VR體驗”資源并不拘泥于某節課程使用，場景的開放性設計，適合所有藝術基礎課程教學使用，易于讓使用者創作出更多的應用價值。

3 結 語

VR教學資源的成本和內容是發展中最大障礙，它的普及還需要時間讓這個新技術成為一般機構承擔得起的教育投資［23］；另外市場上已有一些VR資源，但內容質量還不是很高，而且也不是專門用于教育上，仍然需要時間開發高質量和針對性的教育資源。

本文原創案例“設計構圖的VR體驗”詳細分析了教學內容的設計和開發，提出以傳統國畫布局為理論依據的基礎構圖方法，目標是培養學生構圖能力和傳承中華優秀文化，如何在現代平面設計當中應用中國畫的構圖藝術，不僅是構建本土民族文化作品的要求，也是保護民族文化的一種方式［24］。學生可在立體的水墨風格場景自由游覽，模擬寫生采風的活動，可抓取物體在畫框中自由擺放訓練構圖能力［25］。通過趣味性的情節和VR沉浸性體驗的特點，帶動學生學習的主動性，區別于傳統的單向傳播方式，激發新的思想和意義。針對不同年齡層、科目的學習需求制定教學資源，是有效的輔助學生掌握困難的知識點的，連接到互聯網傳播渠道讓VR教學資源得到普遍應用。