基于VR技術(shù)的高校創(chuàng)新自主學(xué)習(xí)亭設(shè)計與研究

馬銘 梁培鈺 李潤庭 王國龍

摘? 要? 近年來，VR技術(shù)在社會生產(chǎn)生活中的應(yīng)用越來越廣泛。尤其是在學(xué)習(xí)和游戲領(lǐng)域，VR技術(shù)獨特的沉浸式體驗?zāi)軌驇Ыo使用者高度逼真的感受，因而能夠收到很好的教學(xué)和游戲效果。介紹VR技術(shù)的理論原理和在高校設(shè)立VR創(chuàng)新自主學(xué)習(xí)亭的意義，詳細(xì)探究自主學(xué)習(xí)亭的技術(shù)原理、構(gòu)造設(shè)備和外觀設(shè)計，目的在于為高校VR創(chuàng)新自主學(xué)習(xí)亭建設(shè)提供參考。最后，結(jié)合當(dāng)前高校的實際情況，分析建設(shè)VR創(chuàng)新自主學(xué)習(xí)亭存在的困難和解決辦法。

關(guān)鍵詞? 高校；VR技術(shù)；VR創(chuàng)新自主學(xué)習(xí)亭

中圖分類號：G434? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2022）07-0023-03

0? 引言

VR技術(shù)全稱為Virtual Reality，即虛擬現(xiàn)實技術(shù)，是通過連接裝置，將人的感受器官與計算機連接起來，通過計算機技術(shù)制造的模擬畫面，使人產(chǎn)生沉浸式的高逼真體驗的技術(shù)。VR技術(shù)一經(jīng)問世就受到人們的關(guān)注，因為這項技術(shù)對于抽象事物具體化有著非常重要的意義。比如被損毀的歷史遺跡等，可以通過VR技術(shù)虛擬復(fù)原，并且可以讓人沉浸式地體驗較為真實的場景?，F(xiàn)代VR技術(shù)還結(jié)合了人體多種感官模擬技術(shù)，為使用者營造集視覺、聽覺、觸覺于一體的超真實虛擬現(xiàn)實體驗。

1? VR技術(shù)在學(xué)科知識方面的應(yīng)用背景

早在1940年，美國就已經(jīng)開始VR技術(shù)的研究，而后經(jīng)過一系列的曲折發(fā)展，VR技術(shù)研究取得不同程度的進(jìn)步。到20世紀(jì)90年代，VR技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、航天、室內(nèi)設(shè)計等領(lǐng)域[1]。20世紀(jì)80年代，VR技術(shù)開始被用于教育領(lǐng)域并迅速發(fā)展。VR技術(shù)與教育相結(jié)合，可以使一些復(fù)雜抽象的知識更容易理解。例如：虛擬技術(shù)可以使學(xué)習(xí)者模擬進(jìn)入天體運動、人體結(jié)構(gòu)、建筑工程等逼真的學(xué)習(xí)場合；可以使學(xué)習(xí)者處理危險性高或者在真實情況下難以進(jìn)行的實驗；可以結(jié)合人工智能和大數(shù)據(jù)，構(gòu)造虛擬教室、虛擬教學(xué)；等等。VR技術(shù)不僅為廣大學(xué)習(xí)者以及各類學(xué)科教學(xué)帶來福音，更促進(jìn)了教學(xué)模式的發(fā)展。

2? VR技術(shù)的理論原理

VR技術(shù)是一種新型綜合性信息技術(shù)，是高性能的虛擬硬件和各類先進(jìn)的圖像傳感器設(shè)備組成的可創(chuàng)建的多維立體信息處理系統(tǒng)。虛擬硬件包括組成計算機系統(tǒng)的運算器、控制器、存儲器以及外部設(shè)備等固定裝置，多維感覺信息傳遞系統(tǒng)能夠為人提供更多的感覺信息，也更加適宜幫助人們利用各種感覺器官來感覺、接受各種信息[2]。

VR技術(shù)最重要的部分就是終極顯示，也就是計算機如何控制圖像并使其逼真化，顯示出三維虛擬物體。譬如當(dāng)人們轉(zhuǎn)動頭部和身體時，為了使在屏幕上看到的圖像也發(fā)生變化而設(shè)計出頭盔顯示器，戴上頭盔顯示器，被試者頭部方位就可以輸入計算機，計算機再根據(jù)頭部方位使屏幕顯示圖像發(fā)生相應(yīng)的改變。聽覺系統(tǒng)是由性能優(yōu)良的三維聲音系統(tǒng)組成的，它使參與者能準(zhǔn)確感受聲源的距離和方位。觸覺也是人們從客觀世界獲取信息的通道之一，通過觸覺來了解物體的質(zhì)地、溫度等。人們在虛擬環(huán)境中的觸覺由一雙特制的手套來表達(dá)，人的軀體和手的動作被輸入計算機中，再加上合成的聲音，實驗者就可以去觸摸虛擬環(huán)境中的東西。

3? VR創(chuàng)新自主學(xué)習(xí)亭的設(shè)立

VR創(chuàng)新自主學(xué)習(xí)亭是面向高校學(xué)生依托VR學(xué)習(xí)環(huán)境所設(shè)立的[3]，體驗者在VR學(xué)習(xí)環(huán)境中可以暫時忘卻現(xiàn)實環(huán)境，完全沉浸在全新的環(huán)境里，在眼睛、耳朵、雙手的配合下，利用感性認(rèn)知主動探索學(xué)習(xí)。這樣一來，原本晦澀難懂的知識也變得簡單明了、有趣生動。

VR創(chuàng)新自主學(xué)習(xí)亭中的學(xué)習(xí)資源理論上可以包含各個學(xué)科方向。

1）針對外語學(xué)習(xí)，可以設(shè)計制作虛擬人物以及特定的對話場景、錄制對話時使用的音頻等，使體驗者通過與虛擬人物進(jìn)行語言交流來提高口語能力、外語表達(dá)能力等。

2）針對歷史知識的學(xué)習(xí)，可以制作特定故事情景畫面及音效，使體驗者通過選擇不同的朝代，如身臨其境，體驗各朝各代的風(fēng)土人情，“現(xiàn)身”重大歷史事件，從而了解、學(xué)習(xí)歷史。

3）在地理學(xué)習(xí)方面，可以設(shè)計制作不同的地質(zhì)、地貌、水文等自然地理場景以及不同地區(qū)的交通運輸路線等人文地理場景及特定音效，給體驗者帶來身臨其境的特別感受。

4）對于物理知識，可以制作物理實驗場景及解說音效等，體驗者通過選擇各大經(jīng)典物理實驗并進(jìn)行操作，了解具體實驗過程，從而掌握書本中難以理解的抽象知識。

5）對于生物知識，可以制作生物模型，體驗者通過選擇各種生物的不同器官、不同組織來了解生物內(nèi)部構(gòu)造、機體運作原理等[4]。

6）對于化學(xué)知識，可以制作化學(xué)固體、試劑等，體驗者通過選擇不同試劑進(jìn)行化學(xué)實驗，從而學(xué)習(xí)并了解各種化學(xué)試劑的化學(xué)性質(zhì)等。

當(dāng)然，VR創(chuàng)新自主學(xué)習(xí)亭也適用于音樂、美術(shù)、體育、建筑、工程等科目的學(xué)習(xí)，資源可以以模塊化的形式嵌入設(shè)備之中。

VR創(chuàng)新自主學(xué)習(xí)亭內(nèi)部設(shè)施主要包括VR觸控屏（操作屏）、VR頭顯儀、耳機、VR數(shù)據(jù)手套、手柄、專業(yè)麥克風(fēng)、空調(diào)、燈具、窗簾等。學(xué)習(xí)亭的外觀設(shè)計和體驗流程分別如圖1和圖2所示。

4? VR創(chuàng)新自主學(xué)習(xí)亭設(shè)立的意義

學(xué)習(xí)亭在高校校園中設(shè)立，不僅為學(xué)生提供了學(xué)習(xí)專業(yè)知識的條件[5]，還為學(xué)生創(chuàng)造了學(xué)習(xí)專業(yè)課以外其他知識的機會，解決了高校學(xué)生知識面狹窄、發(fā)展方向單一的問題，可以為國家培養(yǎng)全面發(fā)展的高素質(zhì)人才。隨著VR技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代科學(xué)的各種先進(jìn)和前沿知識都可以被學(xué)習(xí)亭囊括進(jìn)來，譬如自然科學(xué)和人文社會科學(xué)等的諸多研究成果可以通過VR設(shè)備生動地展現(xiàn)在學(xué)生的眼前。

利用VR設(shè)備“身臨其境”地學(xué)習(xí)知識，能使枯燥乏味的知識變得生動有趣，使抽象刻板的概念更容易理解，從而大大激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，開闊學(xué)生的視野。高校的學(xué)習(xí)不僅僅是理論知識的學(xué)習(xí)，更重要的是讓學(xué)生參與實踐，學(xué)以致用，而VR創(chuàng)新自主學(xué)習(xí)亭就可以為學(xué)生提供虛擬實踐的機會。例如：學(xué)生可以通過VR技術(shù)反復(fù)觀看物理或者化學(xué)實驗的流程和現(xiàn)象，并且可以深入實驗反應(yīng)容器內(nèi)部觀看，而不會產(chǎn)生任何危害[6]。這些在現(xiàn)實生活中很少有機會或者根本無法觀看的內(nèi)容，通過VR創(chuàng)新自主學(xué)習(xí)亭可以重復(fù)觀看，能夠極大地提高學(xué)生對實踐操作的認(rèn)知程度。學(xué)生進(jìn)行實驗之前，可以在VR創(chuàng)新自主學(xué)習(xí)亭進(jìn)行模擬實驗，經(jīng)過多次練習(xí)，掌握實驗的流程和操作方法，在進(jìn)行真實實驗的時候更加得心應(yīng)手。

學(xué)習(xí)亭將VR技術(shù)與教育相結(jié)合，能讓學(xué)生通過自主學(xué)習(xí)探索，發(fā)掘自身的學(xué)習(xí)潛力，提升創(chuàng)新素養(yǎng)。

5? 高校建設(shè)VR創(chuàng)新自主學(xué)習(xí)亭的困境

高校建設(shè)VR創(chuàng)新自主學(xué)習(xí)亭的困境主要包括兩個方面：技術(shù)和管理。

5.1? 技術(shù)層面的困境

當(dāng)前國內(nèi)外對于VR技術(shù)的研究雖然如火如荼地進(jìn)行著，但是實際取得的研究成果是有限的，VR技術(shù)所能夠呈現(xiàn)出來的內(nèi)容局限性較大，無法做到構(gòu)建一個自由的虛擬世界，更多是按照程序設(shè)定展現(xiàn)既定的內(nèi)容。這些內(nèi)容對于中小學(xué)生科普也許夠用，但是對高校學(xué)生進(jìn)行專業(yè)學(xué)習(xí)與研究來說遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足。并且目前國內(nèi)外一套質(zhì)量較好、功能較齊全的VR設(shè)備普遍價格昂貴，使用保養(yǎng)的要求很高，這就使得高校無法大規(guī)模建設(shè)VR創(chuàng)新自主學(xué)習(xí)亭，而少量的自主學(xué)習(xí)亭對動輒數(shù)萬人的高校而言作用并不突出。

5.2? 管理層面的困境[7]

高校建設(shè)VR創(chuàng)新自主學(xué)習(xí)亭的目的是讓學(xué)生更加高效地學(xué)習(xí)。一方面，VR創(chuàng)新自主學(xué)習(xí)亭中的內(nèi)容管理復(fù)雜，如何保證學(xué)生不使用這些VR技術(shù)進(jìn)行不合理不健康的行為，是高校VR創(chuàng)新自主學(xué)習(xí)亭管理的一大難點；另一方面，VR設(shè)備本身屬于高精密的昂貴設(shè)備，對使用和保養(yǎng)都有較高的要求，而自主學(xué)習(xí)亭作為公用設(shè)施，如何對其進(jìn)行管理，減少設(shè)備損毀，降低故障率，也是高校建設(shè)VR創(chuàng)新自主學(xué)習(xí)亭需要考慮的問題。

6? 高校建設(shè)VR創(chuàng)新自主學(xué)習(xí)亭的方法

高校建設(shè)VR創(chuàng)新自主學(xué)習(xí)亭需要從硬件設(shè)施和管理制度兩方面入手。

6.1? 購置安裝VR創(chuàng)新自主學(xué)習(xí)亭的硬件設(shè)施

可以在高校的教學(xué)樓、圖書館等場所安裝適當(dāng)數(shù)量的自主學(xué)習(xí)亭，采購較為先進(jìn)的VR設(shè)備，并且組織專人負(fù)責(zé)設(shè)備的檢修、維護(hù)管理，定期對學(xué)校所有自主學(xué)習(xí)亭開展全面檢修，保障硬件設(shè)施的正常運轉(zhuǎn)。同時建立完善的設(shè)備管理制度，對于蓄意損壞的行為予以嚴(yán)厲處理。

6.2? 建設(shè)完善的高校VR創(chuàng)新自主學(xué)習(xí)亭管理制度

管理制度至少應(yīng)該包括內(nèi)容管理和學(xué)生使用管理兩方面的內(nèi)容。

6.2.1? 內(nèi)容管理? 對VR創(chuàng)新自主學(xué)習(xí)亭實行限制聯(lián)網(wǎng)的聯(lián)網(wǎng)方式，學(xué)生只可以使用學(xué)習(xí)亭的設(shè)備連接學(xué)校提供的固定網(wǎng)站，在這些網(wǎng)站獲取學(xué)習(xí)資料和VR演示資料，不能讓學(xué)生自由使用設(shè)備連接校外網(wǎng)絡(luò)。

6.2.2? 學(xué)生使用管理? 可以采取預(yù)約申請制度，學(xué)生要使用VR創(chuàng)新自主學(xué)習(xí)亭，須提前在校園官網(wǎng)或者校園圖書館網(wǎng)站上進(jìn)行申請，登記個人信息和使用時間。只有預(yù)約申請通過的學(xué)生，才可以掃碼或者利用校園卡進(jìn)入學(xué)習(xí)。并且對學(xué)生使用自主學(xué)習(xí)亭的時間加以限制，比如每天不能超過兩個小時，以避免出現(xiàn)學(xué)生長期占用設(shè)備，導(dǎo)致其他學(xué)生申請不到設(shè)備的情況。同時，建立完善的設(shè)備管理檔案，對每一臺設(shè)備各個時間段使用的學(xué)生信息和設(shè)備內(nèi)容信息進(jìn)行記錄。通過這種制度，使高校VR創(chuàng)新自主學(xué)習(xí)亭充分發(fā)揮作用。

7? 結(jié)束語

在數(shù)字經(jīng)濟時代，計算機技術(shù)是最重要的生產(chǎn)力之一，而VR技術(shù)作為計算機技術(shù)的先進(jìn)代表，正被廣泛地應(yīng)用。高校利用VR技術(shù)建設(shè)VR創(chuàng)新自主學(xué)習(xí)亭，可以讓學(xué)生以更加真實具象的方法學(xué)習(xí)知識，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，并且增強學(xué)生的實踐能力，一舉多得。但是限于當(dāng)前國內(nèi)的技術(shù)水平和管理制度，高校建設(shè)VR創(chuàng)新自主學(xué)習(xí)亭需要從硬件設(shè)施和管理制度兩個方面著手，打造高質(zhì)量的自主學(xué)習(xí)亭，確保技術(shù)被用在正確的道路上?！?/p>

參考文獻(xiàn)

[1] 楊梅.VR技術(shù)在我國教育領(lǐng)域應(yīng)用研究[J].創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)理論研究與實踐，2021，4（12）：61-63.

[2] 李湘德.VR技術(shù)原理[J].深圳特區(qū)科技，1998（1）：38.

[3] 王爽.VR技術(shù)在高校校園中的應(yīng)用[J].中國科技信?息，2021（16）：72-73.

[4] 王燕潔，王柏松，張爽，等.VR系統(tǒng)與生物教學(xué)的融合點初探[J].中國信息技術(shù)教育，2016（24）：42-44.

[5] 秦曉華，邱耀立.論5G時代高校思政課實踐教學(xué)與VR技術(shù)的融合[J].學(xué)校黨建與思想教育，2021（15）：64-67.

[6] 馬丁.VR技術(shù)應(yīng)用于教育教學(xué)中的思考：評《VR虛擬現(xiàn)實與AR增強現(xiàn)實的技術(shù)原理與商業(yè)應(yīng)用》[J].中國教育學(xué)刊，2019（11）：120.

[7] 李娜.江西高?！绑w育電子競技+VR”產(chǎn)業(yè)融合研究[J].科教導(dǎo)刊，2021（20）：14-16.

*項目來源：山西省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目“虛擬（VR）沉浸式學(xué)習(xí)亭”（基金編號：20210274）。

作者：馬銘、李潤庭、王國龍，山西師范大學(xué)物理與信息工程學(xué)院本科生；梁培鈺，山西師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院本科生（030000）。