基于虛擬現實技術的天文教學實踐初探

張文昭， 高子豪，2， 高 健， 劉 康， 余 恒

（1.北京師范大學天文系，北京100875；2.北京大學燕京學堂，北京100871）

0 引 言

虛擬現實（Virtual Reality，VR）技術是一種可以創建和體驗虛擬世界的計算機仿真系統，它利用計算機生成一種多源信息融合的、交互式的三維動態視景和實體行為的系統仿真，使用戶沉浸到該環境中。VR是多種技術的綜合，包括實時三維計算機圖形技術，廣角（寬視野）立體顯示技術，對使用者頭、眼和手的跟蹤技術，以及觸覺/力覺反饋、立體聲、網絡傳輸、語音輸入輸出技術等。它也是PC 或移動設備、頭戴式顯示器（Head-Mounted Display，HMD）、跟蹤傳感器等硬件設備以及提供沉浸式體驗的軟件的集合。現階段的VR設備都已經實現了虛擬視覺、人機交互、仿真和實驗等功能，被廣泛應用于游戲娛樂、設計、傳媒、工業制造、教育培訓等多領域中。

對教育行業來說，VR 技術提供了一種全新的教學手段。VR 技術能夠為學生和教師提供逼真、生動的環境，又具有較強的可參與性，從而使學生和教師都能進入虛擬環境進行角色扮演，成為與傳統教育環境完全不同的教學模式。對傳統教學缺陷的克服，重點、難點的分析和破解，學生技能的培養，學生學習積極性的調動等方面都將起到積極的作用［1］。國際上，VR技術最早出現在軍事仿真訓練中，隨后逐漸拓展到藝術、醫學、天文等知識教學或實踐中；國內，VR 技術在教學科研、仿真校園、虛擬教學與實驗等方面已有較為廣泛的應用［2-4］。未來，VR +教育有望突破現有技術壁壘，覆蓋從課堂教學到文化科普的教育全生態，實現視覺體驗到沉浸交互，對教學理念、方法、效果帶來重大變革。

雖然VR +教育技術還處于起步階段，但其越來越受到業內外人士的普遍關注，有著廣闊的發展前景。可以預見，未來VR教育覆蓋面將逐漸擴大，將從高等教育出發，縱向拓展到K-12、職業教育、老年教育等更多階段，橫向擴張到科學普及、文化展覽等泛教育領域。VR技術在理工科的教學和操作技能訓練中將大有可為［5］，特別是在天文學的實驗教學和科學普及中。

1 VR技術在天文教育中的應用

天文學是一門研究天體和宇宙的科學，是以觀測為基礎的學科。但由于現在國內的大、中、小學校園和天文館等科普場館多建在繁華市區，光污染嚴重，進行戶外觀測困難。同時，由于天文實踐觀測教學要求滿足天氣好、光害低、設備全、周期長、時機對等多個條件，這些教育機構的天文觀測實驗在實踐中面臨諸多難題。除此之外，當前天文實驗對信息化資源的利用也不充分，缺乏互動性和趣味性。

為此，本文嘗試將VR 技術應用到天文教學實踐以及天文科普教育中，提出VR +天文的概念，通過將現代VR技術和傳統課堂結合，初步探索利用現有VR天文應用（見表1），提升天文課堂活動的生動性和有效性，提供VR課外學習資源，替代教師部分職能。

表1 代表性VR天文應用

1.1 VR天文應用

按照教學側重不同，VR +天文教學可以開發出I類和II 類應用：即信息索引式類（Information Browsing）和動手操作式類（Hands-on Experience）［6］。

第I類應用注重展示，學生通過主動檢索內容或被動接受講授進行學習，具體操作局限于檢索內容、尺寸時間視角變換。該類應用主要有：虛擬天象廳、VR太空漫游等。作為教學的輔助工具，這些應用能夠將原有課件內容VR化。利用沉浸式體驗提供比實物模型或3D節目更直觀的宇宙時空感，在注重質性感受的導論或科普教學等中效果突出［7］。比如，學生戴上VR眼鏡后將切入第一人稱視角站在太空中，直接觀察太陽系行星和衛星的運動軌跡，強化對天體運動和太陽系的理解。

第II類應用注重探索，VR 為學生提供直觀但安全的環境，通過器材組裝、模型構建和仿真等操作，應用并理解新的天文知識。此類應用主要有器材組裝、太空登陸、天體建模和仿真等，既強化并豐富了課堂教學，也提供了課外實踐和探索的平臺，學生可以通過自己設定參數構建天體模型并觀察其演化過程。此外，在VR 環境下，也能模擬正常情況下不能進行的天文實驗，促進科學研究的發展［8］。

從Google Play、Vive Port、Oculus Rift、Steam 等主要的VR產品應用平臺上已經上架的35 個VR天文應用（截止2018 年5 月1 日）來看，當前發行的VR天文應用集中在PC 端和移動端，按照應用包含的內容可以分為虛擬天象廳、VR 天文漫游、天文課件平臺、天文建模4 類（見表1）。它們各自特點如下：

（1）虛擬天象廳（VR Planetarium）。是發行最多的VR天文類應用，傳統天象廳常建于博物館和科技館等科普中心，利用圓頂、投影等技術展示教學、娛樂類天象節目。但傳統天象廳的場館建設復雜，空間要求巨大。此外，傳統天象廳不僅先期投入巨大（30 萬元～200 萬元或更多）［9-10］，后期為購買能夠播放的球幕節目也需要大量經費［11］。當前，虛擬天象廳已基本具備同實體天象廳相當的視覺、聽覺效果，還具有經濟性、易拓展的特點。在低成本覆蓋原有天象廳節目外，還能夠開發更具深度、廣度的VR天文教學課件。VR天象廳的代表應用有Escape Velocity Ltd.開發的Star Chart VR。通過不斷拓展功能并完善視效，VR 天象廳/星空也有望成為VR天文應用開發的基礎平臺。

（2）VR天文漫游。分為第一人稱和第三人稱視角兩類應用。二者主要區別在于視角、尺度、時間軸的調整范圍，第一人稱應用往往還提供一些具體任務需要使用者在探索時完成，而第三人稱應用大多類似于VR天文電影。以Titans of Space VR 為例，使用者駕駛宇宙飛船游覽太陽系，同時能夠在超過40 個天體上登陸并走下飛船進行簡單地表探索。通過該應用，學生可以從宏觀上了解太陽系結構，同時也從微觀上觀察天體。在實際太空航行中，也能夠積累天體力學和人造衛星軌道理論等直觀經驗。

（3）VR天文課件平臺。這類應用主要針對具體天文課程內容而開發，基于3D 動畫/游戲建模，將二維的天文課件拓展到三維空間。此類應用當前主要有SUNRISE VR的VR課件系列和EON Reality的課件應用平臺。SUNRISE VR目前已推出30 多個天文類VR課件，每個課件是一個單獨的應用，并配備相應的文檔進行學習指導，內容涵蓋太陽系介紹、星系天文學和恒星結構與演化等內容。EON Reality 的應用平臺上目前有10 多個VR/ AR天文課件，并為開發者提供開放系統進行新內容開發。此外，基于“虛擬宇宙”系統的課件開發平臺也正在興起。開發前期通過組建專業天文研究團隊，投入大量資金和時間構建“虛擬宇宙”，之后可以根據不同教學需要在虛擬宇宙系統中開發專項課件。相比具體的功能型應用，VR 宇宙本身對終端的運算能力和圖像處理能力要求較高，推廣難度也更大，并無成熟產品誕生。但是，不斷完善的虛擬天象廳也許能夠發展成為“虛擬宇宙”系統的基礎［9］。

（4）天文建模應用。當前，作為知識講授的補充，出現了一些沙盒類（Sandbox）天文建模的VR 應用。在這些應用中，學生可以通過自行設置參數構建天體系統模型，將抽象的理論公式可視化。在一定條件下，還可以對這些天體模型仿真模擬，開展自然條件下無法進行的天文實驗。這類應用的開發對天文專業知識有極高的要求，當前各大平臺上只有Universe Sandbox一款產品比較成熟。

綜上，這些已經問世的VR +天文應用，超過90%的目標受眾是非專業用戶，教學內容集中于太陽系和基礎天文知識介紹，呈現通識化、大眾化趨勢。相比天文專業教學，VR 天文應用更加重視感性體驗和直觀感受，具有強大的展示功能，能夠突破地域、天氣等外界環境的制約，低成本地呈現直觀的天文概念。

1.2 VR天文應用的天文教學初探

為充分利用現有的VR天文應用，初步設計了“講創結合”的VR +天文教學模式，為學生提供直觀的天文天象體驗，并鍛煉其動手操作能力。該模式已初步應用在天文通識課程的實踐教學中。“講”指講解、講授，教師在課堂上向學生描繪情境、敘述事實、解釋概念、論證原理和闡明規律。“創”指創作、創新。學生在理解知識的過程中以及對知識有一定掌握后，將知識歸納、整理成有一定結構的形式，使用VR天文應用并創作多媒體作品成果進行展示。下面介紹該教學模式的5 個要素：理論基礎、實驗目標、實驗過程、實現手段和評價方式。

（1）理論基礎。VR +天文教學模式涉及教育學、心理學、天文學等學科的理論基礎。教育心理學中的建構主義理論為天文教學中探索與交互環節提供理論指導；多元智能理論為天文教學中調動學生多元智能，鼓勵學生創作創新，通過多元方式評價教學效果提供理論指導；教育技術學多媒體認知理論為天文教學中展示星空、輔助講授提供理論基礎。該教學也重視科學方法/思維的應用。一方面通過天文理論課程的講解構建基本概念、理論框架，另一方面也借助VR 星空、漫游、建模等手段提供具體證據，實現具體教學實踐［12］。

（2）實驗目標。按照認知水平，VR +天文教學模式需要達到興趣激發、知識拓展、認知提高、動手操作4 大實驗教學目標。就興趣激發而言，在日常生活中，人們獲得有天文知識的直接經驗非常少。通過VR等現代信息化工具，提供科學、直觀、交互式和沉浸式的學習環境，增強學生對天文學的興趣，激發學習天文的動機，提高對天文的關注度，為天文學科的發展奠定廣泛的群眾基礎。就知識拓展而言，課程將普及物理、化學、計算機等科學的基礎知識，并全面展示天文學的發展歷史、研究方法、基本理論和學科前沿問題。以天文學為基礎，拓寬學生對整個科學領域的認識和了解。此外，課程將從空間和時間上提高學生的認知能力，并通過大量實踐操作加強學生的動手能力。在完成小組課程項目的過程中，學生的團隊協作能力也將得到提高。

（3）實驗過程。VR +天文實驗過程分為講解、探索、創作和評價4 個階段。講解教學是學校教育的經典模式，教師通過口頭語言向學生傳授知識和技能。教師應當先對天文知識進行講解，并結合VR天象廳、VR天文漫游等多媒體方式進行直觀呈現，幫助學生建立新知識與原有經驗和實際體會的聯系，真正理解課堂內容。學生在探索、創作階段以項目小組為單位進行交互討論，在鞏固教師講授階段所講解的內容的同時拓展知識，并對教師提出的問題進行探索，從而建構新的天文知識體系。這一階段以學生為主，教師為輔，將考查學生的學習效果，并激發學生的創新意識與能力。主要過程包含選定主題、構思內容、收集素材和完成制作。針對每章節的理論課程，教師將給定若干主題，學生自主選擇后對展示進行構思，并收集材料完成VR作品的制作。實踐結束后，學生需要將探索過程和結果整理并向老師同學展示。最終評價分為兩部分，同學互評和教師評價各占50%。采用同學互評可以督促學生制作漫游的進度和效果，有助于學生漫游作品的改進，在互相評價的時候還能考驗學生對天文知識的了解，對作品的審美觀以及課堂陳述時的語言表達等多元智能。

（4）實現手段。VR +天文教學模式的實現需要在教學內容、教師、學生及教學媒體之間進行有效的互動。總體而言，教學內容要形成一個項目，此項目具有探究意義，學生能夠在一定時間內完成，能促進學生探索能力、解決問題的能力、表達能力、團隊合作能力、創新能力等多元智能的發展。教師要掌控學生項目研究的方向、進度，為學生提供必要的指導，及時解決學生在參與項目過程中遇到的問題。教學媒體主要為VR設備以及其他多媒體設備，VR天文應用、辦公軟件及交流工具為主，能夠幫助學生完成項目的探究和作品的制作即可。

教學過程中，教師除了掌控教學內容、教學媒體的使用外，也需要重視學生內心世界的豐富性及學生與知識、教法的互動［12-13］。學習者能否學到新的天文知識主要取決于他們的認知結構中有沒有能用來同化這些知識的原有基礎素材。因此，為達到VR 技術與天文課程整合的理想效果，教育者必須了解學生學習前的原有知識，從而制定教學方案。教育者若能提前了解學習者的學習方法、理解能力、興趣愛好等綜合學情，便能更有針對性地幫助學生學習［14］。

（5）評價方式。在教學前、中、后期都應進行教學評價。首先進行診斷性評價了解學生基本情況，通過訪談、觀察、測驗等方式了解學生是否對即將參與的天文探究項目感興趣，并摸底學生原有知識儲備、信息技術掌握情況等，方便組織具體教學內容［15］。教學中進行過程性評價，通過小測驗、作業、觀察等方式了解學生參與項目的進程，探究過程遇到的問題。在探究活動環節可多次組織小組討論，讓學生互評或自評，通過這些評價獲取提高教學質量的有用信息。

最終，對教學效果進行結果評價。通過同學互評和教師打分結合，對期末的VR展示作品進行打分，對知識掌握、智能提升、團隊協作多個維度進行評價，并總結教學中的得失。

2 VR +天文教學案例

天文學導論實驗課程是我校天文系開設的通識教育課程。在教學過程中，按VR +天文教學模式在課程中初步設計了3 個實踐探索內容，可供部分選課學生分組進行。

（1）星空漫游。將天體在天球上的視位置投影在平面上所繪成的圖就是星圖（見圖1），使用星圖可以幫助我們認星、找星、熟悉天體的星等和顏色。通過使用VR技術，以項目探索為載體，讓學生逐步熟練地掌握各類星圖、星表的使用方法，掌握一些基本的天文知識，并提高對天文的興趣。

圖1 “星圖”軟件的VR模式

（2）太空漫游-行星旅行記。利用VR 虛擬星空和天文漫游應用，讓學生自行設計太陽系之旅，以視頻或幻燈片的形式，介紹太陽系某個主要成員（太陽、八大行星、冥王星）的具體情況（見圖2）。該實踐能讓學生利用VR應用沉浸式地制作課外作品，不僅能讓學生身臨其境體會行星的壯觀，也能調動學生的主動性，進一步激發其對課程的興趣。

圖2 Mitaka星圖VR模式下的作品設計

（3）太陽系外行星建模。太陽系外行星的探索是天文學研究的熱點課題，它同時也符合公眾對地外生命/文明的好奇。課程安排學生在相關課程內容（太陽系外行星的發現方法、現狀等）講授完畢后，利用VR天文建模軟件Universe Sandbox 構建自己的太陽系（見圖3），并制作多媒體展示作品。

圖3 Universe Sandbox太陽系行星建模

3 結 語

VR +天文通過將現代信息技術和傳統課堂結合，可以：①突破環境、天氣因素的限制進行模擬天文觀測；②提高講授型課堂活動的生動性和有效性；③打造深入探究和創新學習的平臺；④提供課外學習資源，替代教師部分職能。VR +天文教學能改善傳統天文教學實踐模式，實現半開放課堂、自主探索、直觀體驗等目標，促進信息技術與天文教學的深度融合，構建數據驅動的天文教育和科學普及［16］。目前，我校天文教學綜合實驗室已經搭建了3 套便攜式VR 實驗平臺：每組包括1 臺便攜式計算機平臺、1 套HTC VIVE虛擬設備套件、1 套暴風魔鏡Matrix VR 一體機，以供學生使用。同時，設計實現了“虛擬現實角度下的宇宙尺度天文體驗設計”實驗課件［17］。經過兩年的教學實踐，VR 天文應用很好地融入了課程教學和實踐環節，增強了課程的真實感，迅速引起學生的自主學習興趣，受到了學生的普遍歡迎。

但VR天文教學還處于探索階段，VR教學實踐設計也需繼續完善，下一步將添置更多VR設備，設計并建設完善VR 天文教室，滿足更多選課學生的需求。同時，以課程搭建的便攜式VR 實驗平臺為起點和基礎，采用無線化技術，突破傳統天象廳對空間場地的限制，隨時（白天、夜晚，無論何種天氣）隨地（廣場、室內、夏令營場地）搭建VR 虛擬星空實驗室，探索建設完整的VR虛擬天象廳的可行性，將VR +天文具有的成本低、易拓展的特征具體化，同時為VR在天文教學和科普教育領域的應用助一臂之力。