基于VR技術的大學生英語學習平臺開發初探

李瑩 王冬 梁勝

摘? 要： 通過虛擬現實技術構建虛擬三維教學環境，為用戶提供自然習得的英語學習環境，是有效提高英語綜合應用能力的創新途徑。但目前的VR技術還未對大學生的英語學習發揮其顯著效果，因此對如何構建更人性化的VR英語學習平臺進行了探討。文章在深入研究英語教學理論基礎上，探索與其相適應的VR技術的應用，根據當代大學生英語學習需求，分析VR教學資源的規劃設計。對VR英語學習平臺的設計框架作了簡要描述，以期為相關研究者提供一定的參考，進而促進我國大學生英語教學的發展。

關鍵詞： 虛擬現實（VR）技術; 大學生英語; 虛擬學習平臺

中圖分類號：G434? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? 文章編號：1006-8228（2020）10-32-05

Abstract： Constructing a virtual three-dimensional teaching environment through VR （Virtual Reality） technology can provide users with a naturally acquired English learning environment， which is an innovative way to effectively improve the comprehensive application of English. However， the current VR technology has not played a significant role in college students' English learning， so how to build a more humanized VR English learning platform is discussed. On the basis of in-depth study of English teaching theory， this paper explores the application of VR technology which is suitable for it， and analyzes the planning and design of VR teaching resources according to the needs of contemporary college students' English learning. The design framework for building a VR English learning platform is briefly described， it is hoped that this will provide a certain reference value for the relevant researchers who develop and design VR English learning platforms， and then promote the development of college English teaching in China.

Key words： virtual reality technology; college students' English; virtual learning platform

0 引言

VR作為新型強大的教育技術，為提高大學生英語綜合應用能力水平帶來了新的契機，有不少實證研究已驗證VR英語教學的有效性[1]。

到目前為止，已開發的VR英語學習平臺可模擬真實場景，一定程度上緩解了缺乏真實自然的英語交際環境的現狀，但是教學資源缺乏針對性和實用性，對大學生英語應用技能的提升效果不明顯;三維虛擬情景教學的交互性和沉浸感體驗不佳。

本文將英語學習理論與VR教學模式相融合，通過UE4虛幻引擎技術創新應用于VR英語學習平臺的開發設計研究，針對大學生學習需求和能力現狀深入研究教學資源的設計，探索三維虛擬角色化身和實現語音交互的特色功能，增強學習沉浸感。從整體上改進VR英語情景教學體驗的真實感，使大學生在虛擬學習環境中自然習得英語，順利提升綜合英語應用能力。

1 相關理論概述

1.1 英語教學理論

1.1.1 沉浸式教學法

沉浸式教學法是用非母語的第二語言作為直接教學語言的一種創新教學模式。該理論基礎來源于20世紀60年代的語言習得理論，即只能通過自然習得過程來獲取目的語言能力，這種自然習得的能力有助于語言學習者獲取接受性技能和產生性技能，而沉浸式教學法能夠在外語教學中提供這種無意識習得的環境條件[2]。

VR英語學習平臺為用戶提供高度沉浸感和自然交互的語言教學環境，依據沉浸式教學法設定英語作為唯一溝通語言。其中，部分英語能力較差的學習者，會適應不了完全沉浸式英語教學環境，動畫交互的重要性就一覽無遺了，VR平臺教學課件在難度較大的學習內容上，會有動畫交互解釋或少量英文釋義與視頻結合的課程形式，如學習平臺提供的野外學習活動，會有很多野外的專有名詞，則以全英文情景教學模式為主導，以少量英文釋義或有趣的動畫表現為補充，避免學生因聽不懂而產生煩躁抵抗的心理現象，保證學生不脫離英語語言環境，充分調動學習者的積極性和主動性。

1.1.2 體驗式學習理論

體驗式學習理論把學習理解為知識是通過經驗的轉化而創造出來的過程，知識的結果是把握和轉化經驗的結合[3]。

虛擬現實的沉浸性和交互性，與該理論的交互性原則、連續性原則、團體性學習模式等核心特征十分貼合。體驗式學習理論應用于VR英語學習模式的關鍵是讓學習者在純英語的學習氛圍中去體驗英語這門語言的運用，在虛擬環境中用英語去交流，用英語開展各式各樣的學習活動，在情景交互中體驗到英語的樂趣，最終將英語內化為自身知識，從而靈活運用于其他環境中。

1.2 三維動畫理論

1.2.1 三維人物模型設計

虛擬人物的設計采用三維卡通動畫風格，充分利用三維卡通風格夸張、幽默的特點塑造學生、教師等人物模型。主要體現在人物的形象特征、動作表演和聲音表現上。如中國人物形象具有膚色淺黃、黑發褐眼、面部扁平、顴骨突出等代表性特征;歐美人物形象具有黑/白皮膚、金發碧眼（毛發卷曲，發色：金、紅、白、棕、黑;眼：碧藍、碧綠或棕色）、鼻子高大、厚嘴唇、深眼窩、豐乳肥臀等。加上人物夸張的面部表情（大笑時嘴巴幾乎占據整張臉眼睛瞇成一條線;哭泣時眼淚如波濤洶涌般且淚痕巨大等），動作表演上除結合表情外，還要配合運動規律，有意夸大某些動作要點如預備動作的“欲左先右”、彈性的壓縮和伸長等。人物聲音表現強調聲調語調的夸張性，如將英語表達句子中的重音加大聲調的同時配合戲劇性的語調，營造夸張幽默可愛的氛圍，讓動畫人物更加活靈活現、形象生動。平臺對人物模型的設計進行區分，如在中國人物形象上夸張性力度較小，在歐美人物形象上則相對較大。綜上所述，平臺旨在設計夸張、可愛的虛擬人物形象，以營造幽默、輕松的教學氛圍，有利于緩解學習者壓抑、焦慮的學習心理，提升學習興趣。

1.2.2 三維動畫場景設計

虛擬教學場景充分利用三維卡通動畫的色彩對比強烈的特點，力求第一眼就能吸引觀眾的視線，且平臺的中式或西式的場景分別具有自己的明顯特點，針對不一樣的教學背景和內容搭建不同的虛擬教學場景。平臺中的虛擬場景主要是校園場景，其他虛擬場景依學習情境需要而定，如餐廳/咖啡店對話情景等，場景的設計強調營造一種簡單、輕松的氛圍。虛擬場景中教室情境的設計是12人以內的小規模，布局以老師為中心，學生圍繞老師而坐，課堂開放座位靈活，有足夠的空白開放空間;中餐廳的設計風格主要是新中式，木質材料家具，顏色多以仿花梨木和紫檀色為主，配上圈椅、窗欞、屏風等代表性家具;西餐廳設計以北歐風格為主，室內空間完全不用紋樣或圖案裝飾，家具材料多為木材，素凈淡雅。綜上所述，使用典型元素設計的虛擬場景結合卡通動畫對比強烈、絢麗多彩的畫面，調動起學習者的學習情緒，使學習者融入到虛擬教學場景中，達到情境教學的“逼真”感，增強用戶的沉浸感體驗。

1.3 虛擬現實技術

1.3.1 虛擬現實的概念與特征

虛擬現實（Virtual Reality，VR）技術，一種由交互式計算機模擬組成的可以感應參與者的位置和動作的介質，并將反饋替換或增強為一種或多種感覺，從而給人以沉浸式思維或呈現在模擬世界中的感覺[4]。其沉浸性（Immersion）、交互性（Interaction）和構想性（Imagination）的3I特征已被公認為虛擬現實最突出的三大特征。

此外，北京七維視覺科技有限公司合伙人李曉波先生認為虛擬現實還有智能化和演變性兩大特點。

1.3.2 虛擬現實的應用

通過VR技術可以營造具有吸引力并激發學習興趣的沉浸式教學環境，沉浸式VR在教育領域提供了非常高的潛力，目前主要應用在醫學、物理、天文學等學科教學;另外一個廣泛應用領域是在一些危險系數大的特殊領域的操作培訓上。隨著5G的到來，大數據、人工智能等信息技術的快速發展，VR教育應用勢必會產生顛覆性影響。趙沁平教授曾提到：從一定意義上講，“VR+”已經成為一個行業發展趨勢，VR+AI將成為終極性教育技術[5]。

2 VR英語學習平臺

VR英語學習平臺的設計涉及到英語教學資源設計、功能模塊設計與學習平臺開發三大方面。

2.1 英語教學資源設計

平臺的教學資源設計以大學生英語學習需求與能力現狀為出發點，平臺的任何課程資源的選擇都建立在學生的學習需求之上：大學生需求最大的英語技能是聽力和口語;他們渴望實用性強、有時代感的學習內容;采用體驗性強的情景教學方式。此外，大學生對教學內容和教學環境是最不滿意的，渴望真實的英語交際環境[6]。

鑒于此，聽力和口語技能的提升成為VR英語學習平臺教學資源設計的重點與核心，把情景對話作為一大重點教學活動。用戶在學習一個英語知識點時，可以享受到聲音、三維圖像、3D動畫和視頻等多模態教學資源，配合卡通風格教學場景，對于營造具有幽默滑稽的情景教學對話、提升學習沉浸感具有極大幫助。為了保證學習內容的趣味性和相關性、充分利用語境和情境交際運用，平臺提倡利用角色化身開展基于學習任務的綜合英語應用情景教學，活動內容貼近生活現實，講究實用性。如校園學習場景（利用VR虛擬人物和場景提供更加真實的展示實踐訓練，主要目的是訓練學生的演講展示技能，培養自信心）;求職工作場景（培養學習者在真實語境中使用全英文寫簡歷找工作或面試等實際應用能力）[7]。再者，課程設計模塊要講究時限，強調學習內容的碎片化處理，即每一個學習內容模塊都應當控制在15min內（特殊情境學習內容在30min內），以符合視覺駐留規律和人的認知特點，遵循人的認知規律。此外，有研究表明，通過在動畫中添加透明的靜態圖像（視覺提示），將動態和靜態可視化合并到一個媒體中，可以彌補動態可視化的短暫性可能會給學習者帶來不必要的認知負擔[8]。因此，在教學資源中會加入部分具有提示性作用的三維靜態圖像輔助教學，對學習過程中出現的部分難理解的知識點進行解釋。

2.2 功能模塊設計

本研究的功能模塊設計主要分為以下五個層面：新手指南、段位測試、英語修煉、在線互動、個人寶地，還有其二級、三級模塊如圖1所示。

“英語修煉”是主要的學習匯集地，核心功能都在“英語修煉”模塊中，其中還有‘娛樂學習吧（‘Play and learn）可供用戶選擇全英文娛樂項目。“在線互動”是用戶交流討論的所在地，用戶互加為好友以后可以單獨私下交流學習心得，或者可以在平臺的‘交流總壇上發布信息，‘交流總壇是每一個注冊賬號默認在其中的，用戶在里面發消息，其他任一位用戶都可以收到，用戶可在‘交流總壇上找到適合的學習伙伴，或者認識到可以指導你學習的英語老師或者外教等，相互交流的方式可匿名可真實身份，自愿原則，互動時候主要以用戶在平臺中設置的角色模型為代表。功能界面擬設計如圖2所示。

2.3 學習平臺開發

圖3為本研究擬用的完整開發流程。本文提及的平臺開發設計流程適用于構建的任何一個學習單元。

2.3.1 前期定位分析

依據學習內容需求進行教學課程規劃，將課程內容與呈現形式進行概念設計，制作出該學習單元的腳本設計文稿，設計文稿主要涉及到教學資源的知識定位、虛擬交互場景的內容定位、虛擬場景中的NPC（Non-Player Character非玩家角色）形象定位、交互學習的功能實現定位。

教學資源的知識定位旨在明確該學習單元的知識點、教學目標、交互形式等;虛擬交互場景的內容定位與用戶學習體驗和學習效果息息相關。涵蓋UI界面、參考圖片/視頻資料、場景大小、場景元素等內容。場景內容得到明確定位是進行虛擬場景建模的前提，保證后續工作的有序、有效;NPC形象定位目的是界定教學情境中參與的人物類型，明確到職業、性別、樣貌、擔任的角色任務等細節;交互功能定位是后期在虛擬引擎合成的方向指南，確定在什么教學情境里有何種交互形式、實現什么交互功能等，保證后期合成的工作效率。

2.3.2 三維素材準備

虛擬教學情景采用虛實結合的構建方式，需要采集原始材料，制作三維素材。如全景圖拍攝制作，全景圖素材主要用于聽力學習模塊，用戶在進行聽力練習時，針對聽力資料播放相應的全景圖素材。本研究主要制作球形全景，用戶可以水平觀看和垂直觀看，拍攝時將攝像機固定在場景中心，拍攝設備以自身為中心點環繞一周拍攝，水平環繞拍攝完成在對場景的頂部和地面進行拍攝，最后拼接為球形全景圖。全景圖進行后期處理使用的軟件是Adobe Photoshop Lightroom，全景圖拼接軟件PTGui。除了全景圖素材外，VR學習系統內的背景聲音對于虛擬環境真實感的營造具有舉足輕重的作用，如餐廳的音樂聲;商城的喧鬧聲等環境聲音設置。音頻素材可借助Adobe Audition來錄制并合成。

2.3.3 三維人物模型和場景設計

虛擬現實中的建模方法分為幾何建模、物理建模和行為建模，幾何建模是虛擬現實建模的基礎。本平臺的三維人物和場景通過3D Max建模而成，主要使用3Dmax的幾何體建模、多邊形建模和樣條線建模。有研究表明：在VR虛擬環境體驗中，人群密度對用戶體驗和行為具有負相關作用，類似于真實人群情況，隨著人群密度的增加，消極情緒和反應性行為顯著增加[9]。因此，建模過程中會結合學習內容搭建相應的必須人物和場景，在保證學習效果的基礎上，不加入多余人物角色，避免產生不良影響。

當模型制作完成后，需要進行貼圖渲染。紋理貼圖可用Photoshop、Illustrator制作與加工處理。同時，材質貼圖需要考慮VR引擎的材質沖突。如UE4引擎具有一套完整的Material系統，能夠通過藍圖（Blueprint）制作自己所需要的材質球。因此，VR虛擬場景和人物模型的材質制作遵循兩個要點：一是單一、簡單的模型直接調整材質球的顏色等屬性實現;二是較為復雜的模型則導入引擎后再利用引擎的材質貼圖制作。

2.3.4 Unreal Engine優化、合成與交互

虛幻引擎UE4具有構建VR平臺所需要的一般框架及主要功能模塊，降低了開發門檻，為VR開發者提供一個精確的照明模型，使實現一個現實的畫面成為可能，可視化編程系統“藍圖（blueprint）”可加速開發過程并消除編程語言知識的必要性。

場景與人物建模階段完成后，將建好的模型文件與相關素材導入到虛幻引擎UE4進行材質、燈光和動畫的優化與合成，隨后運用UE4的藍圖系統內部的橋接線將節點、事件、函數及變量按一定的邏輯或流程關聯到一起，以此實現學習活動過程中虛擬實踐操作的交互部分[10]。最后，編譯后的代碼和經過烘焙的內容被打包到一個可分發文件集合中[11]。本研究擬核心交互功能是通過語音，而非文本對話框。用戶通過語音輸入設備輸入操作命令信息如學習聽力/學習口語等，平臺收到語音信息進行快速分析隨即給予反饋——畫面跳轉到相應模塊界面;或者用戶在學習時語音輸入英文句子，平臺會以語音形式反饋答案。語音交互特色功能結合可視化、直觀式的虛擬教學模式，具有低認知負荷、靈活易學、實時響應等特點，學生在虛擬環境中通過生動的交互體驗，在體驗過程中自然習得英語。

3 結束語

本文就中國大學生VR英語學習平臺的自主研發展開探討，側重探索虛擬學習模式開發設計的理論依據，以望后期開發的VR英語學習平臺具備趣味性和吸引力，使用戶獲得更有沉浸感的學習體驗和更佳的學習效果。虛擬平臺教學資源的規劃設計，直指大學生需求最大而又最為薄弱的英語技能——聽力和口語;三維人物模型和場景設計以三維卡通動畫風格營造活躍、輕松的學習氛圍;平臺的語音交互特色功能可以提升用戶的英語學習沉浸感;擬使用UE4引擎技術作為交互設計開發平臺，充分利用UE4藍圖的可視化編程，打造一個沉浸式英語學習平臺;用戶通過手機和VR設備便可體驗沉浸式英語學習過程。新開發的沉浸式VR英語學習平臺，將是輔助大學生提升綜合英語應用能力的有利教學工具。

未來開發中，最大的開發障礙就是人與虛擬平臺在三維模擬環境中實現“自然交互”，毋容置疑，在開發和使用過程中還會出現許多問題。但是，5G的普及將解除制約VR發展的數據傳輸瓶頸，且結合互聯網、人工智能、大數據等技術，相信VR技術將有長足進步，VR英語學習平臺的開發將取得突破性進展。

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