VR沉浸式学习环境创设的探究

皮健 李文东

摘要：本文重点提出了VR沉浸式学习环境的设计理念与原则，并创设了VR虚拟学习环境教学应用经典案例——可视化3D公寓，以期为VR沉浸式学习环境的创设助力。

关键词：VR虚拟现实技术；沉浸式学习环境；可视化；3D；交互

中图分类号：G434 文献标识码：A 论文编号：1674-2117（2018）10-0105-03

前言

当前，在教育领域，已经有越来越多的学者看到了VR技术在课堂学习环境中的重要性，如黄荣怀教授提出的智慧学习环境具有的特征之一就是智慧学习环境应实现物理环境与虚拟环境的融合，在智慧环境中，对物理环境的感知、监控和调节功能进一步增强，增强现实等技术的应用使虚拟环境与物理环境无缝融合。[1]

VR虚拟学习环境所提供的大量建构工具体系和表现区域，能够提高学习者的主观能动性，这与皮亚杰“把实验室搬到课堂中去”的构想与实践，以及“学习是一种真实情境的体验”的建构主义观是相符合的。[2]

VR虚拟学习环境的基本特性及仿真体验

G.Burdea和Philippe Coiffet简明地表示了VR技术具有的三个最突出的特征——交互性（Interaction）、沉浸感（Immersion）和构想性（Imagination），也就是人们所称的VR的“3I”特性。[3]

1.交互性（Interaction）

交互性是指学习者对虚拟环境内物体的可操作程度和从环境中得到反馈的自然程度（包括实时性）。学习者可以用手等触觉器官去直接接触环境中的物体，如果是用手抓取，手就有握着东西的感觉，能感觉物体的重量，物体随着手的移动而移动。学习者还可以直接观察与控制对象的各种参数，如运动方向、速度等。

2.沉浸感（Immersion）

沉浸感又称为临场感，是指学习者感到作为主角存在于模拟环境中的真实程度。沉浸感被认为是VR系统的性能尺度，它需要以下诸多方面的特性：视觉感知、听觉感知、力觉感知、触觉感知、运动感知、味觉感知、嗅觉感知等。理想的VR就是应该具有人所具有的多种感知功能。

3.构想性（Imagination）

人类在许多领域面临着前所未有或前所难为而又必须解决和突破的问题，如核试验、核反应堆维护、气象及自然灾害预报、医疗手术的模拟等。在教育领域也不例外，如化学实验中镁条燃烧、氯气的生成、王水的作用等，都存在着危险性；还有物理实验中牛顿第二定律、比萨斜塔实验等。由于受到环境等因素限制，实验的展开存在难度，而VR技术为解决和处理这些问题提供了新方法和新途径。

VR沉浸式学习环境的设计理念与原则

1.真实与精确

“真实”认知活动要求的VR沉浸式学习环境的设计必须要真实与精确，这样才会对学习者知识的建构起到帮助和促进作用。学习者能通过虚拟的装备进行操作，其操作动作、信息显示、信号流程等与实装一致。

2.系列与整合

教学内容的呈现要有衔接性；反馈的知识点要有独立性；认知信息要有综合性，可跨学科、跨地域整合。在VR沉浸式学习环境中，学习者通过体验对认知经验进行建构，这种建构过程需要通过新旧经验的相互作用来实现。这就要求设计者要全面了解教学内容，要针对教学层次，明确教学要求，通过模块组合，给出学科课程系列统整框架，从而使VR沉浸式学习环境中，教学内容连贯、衔接得当并全面。

在VR沉浸式学习环境的教学内容设计过程中，整合不僅指将教学内容系列化模块组合系统框架，还要跨学科、跨领域。在整合过程中，抓住各学科课程系列的最佳整合点，并将其作为最佳整合点课程系列的联结点和发展线索之要素，来进行整体推进全面发展整合的策略。STEAM的教育理念就是立足于每一学科的特殊性，并彼此间渗透，培养学生各学科间的综合素养。

3.交互与协作

VR沉浸式学习环境中，交互方式有学习者与控制对象之间的交互、学习者与虚拟人物之间的交互、学习者与学习者之间的交互。学习者与控制对象之间的交互，主要是指学习者借助专用的三维交互设备，与虚拟环境中的对象发生交互，学习者可直接操作“控制对象”的各种参数，如运动方向、速度等，系统则向用户反馈信息。学习者与虚拟人物之间的交互，是指虚拟人物会配合学习者完成认知任务，如回答学习者问题或帮助学习者完成对控制对象的操作。学习者与学习者之间的交互，以化身的方式进行文字、语音、肢体语言等多种形式的沟通和交流，在完成任务等认知活动中，进行协作或竞争，并产生人与人之间交往的认同感。借助三维环境的化身功能，可以实现学习者态度和情感的变化与表达，从而根本性地变革传统教学模式，使学习者的学习体验过程，从“独白”走向“对话”，从“个体式学习”走向“合作式学习”。

4.实践与趣味

VR沉浸式学习环境的设计要具有实践性、可操作性；VR沉浸式学习环境并不是将二维平面的图片变成三维立体的画面，而是向学习者提供可视化、可实践、可操作的虚拟空间，从而对认知经验进行建构。实操训练课程模块可对虚拟装备进行与实装一致的操作训练和拆装训练；维修课程模块可进行模拟维修操作。实操过程中，可与任务驱动教学法相结合，模拟与作战部队相适应的作战任务，来提高学习者的学习趣味。

在VR沉浸式学习环境的设计中，引人入胜的故事情节、梦幻般探险、错综复杂的关卡、富有魅力的角色、非线性探索及高难度挑战，以及逼真的画面效果、与音效或其他感官效果的合成都带给学习者身临其境的趣味体验。

5.评价反馈与操作管理

因为不同学习者的学习风格、认知习惯、情感结构、已往经历等不一样，从而生成自己对事物的情感感受、领悟和体验也不一样。在以学习者为中心的教学理念指导下，VR沉浸式学习环境中评价方式多种多样，评价标准个性化，评价反馈时间灵活自由，从而使得评价对学习者发挥最大作用。例如，在体验活动中，通过通关等方式来进行评价；在体验活动后，通过头脑风暴、评价报告等方式进行评价。

同时，在VR沉浸式学习环境中系统还能进行训练管理，记录教学、自学和训练的时间、内容、人员等信息，并对学习者的学习行为进行深入分析，了解学习过程、交互方式、使用习惯偏好、关联规则和时态规则等，在进行信息处理和解释学习绩效后，为学习者提供首选、可信的方法等，从而为学习者提供个性化服务和信息推荐。

装潢艺术设计专业案例：可视化3D公寓

装潢艺术设计专业培养学习者具备装饰艺术设计与创作等方面的知识和能力。下面，笔者就为装饰艺术设计专业的学习者创设VR沉浸式学习环境——可视化3D公寓。

1.开发工具与VR沉浸式体验设备

开发工具选择Unity，它是由Unity Technologies公司开发的专业跨平台游戏开发及虚拟现实引擎。[4]

VR沉浸式体验设备是主机VR，且使用头盔显示器和运动控制器的主机VR系统，沉浸感和交互性最佳，学习者可以得到最佳的个体体验（如右图）。[5]

2.创建场景

在程序中，构建一个基于城市的居民区的大规模的3D场景。建筑外部和房屋内部细致到位，学习者可以在城市内进行探索，并查看公寓单元的平面布置图，通过定制界面对建筑物的细节进行查看和操作。在程序中构建一个虚拟人，并在每个公寓单元内设关卡，学习者在虚拟人的协作下，通过不断地提高楼层数，穿越一个个关卡，最后获得一枚勋章。

3.教学模块

装潢艺术设计专业课程包括素描、字体与标志设计、3D建模设计、图形设计、平面广告设计、计算机美术辅助等。在“可视化3D公寓”中，教学模块串联了各门课程的融合点，将以上专业课的课程内容进行整合，提供整套学习环节，并将整套学习环节系列化，通过系列内容由易到难地呈现。同时，将碎片化的学习变成由若干系列组成的整体，且不同的公寓又呈现不同的知识体系。

教学内容的呈现渠道分为音频、文字、3D数字化模型。学习者进入该环节进行学习体验时，程序就将该环节的教学内容通过语音讲解的方式播放出来，并在该环节的公寓单元内放置通关宝典，用文字记录该环节的教学内容。同时，该环节的公寓单元内样板间及3D数字化模型，向学习者展示教学内容，学习者还可以向虚拟人发问来得到对教学内容的讲解。

4.体验模块

本模块主要应用于学习者学后练习体验，对知识实践应用和该环节学习效果考核。学习者运用本环节知识要点来完成该环节给出的任务，任务正确完成即可通关。

5.拓展模块

本模块主要应用于学习者学习之外的体验，既包括自主制作的学习内容及娱乐，也有开放的合作单位的教学内容。学习者可以自主装饰设计公寓单元空间，制作家具及家居装饰物，并通过实践体验，随时调整和修改。程序中记录下学习者学习体验、自主拓展的大数据，对学习者的学习给予指导和建议。

结束语

VR沉浸式学习环境重点在于学习者的感受，使学习者能在虚拟环境中做到真实体验、沉浸其中、超越其上、交互自如。相信随着虚拟现实技术的发展，VR虚拟学习环境将会成为未来学习的重要工具并会被普遍应用。

参考文献：

[1]朱福军，郑萌，顾倩颐.VR技术视角下课堂学习环境革新与重构[J].中国教育技术装备，2017（2）.

[2]蔡苏，张晗.VR/AR教育应用案例及发展趋势[J].数字教育，2017（3）.

[3]郭天太.基于VR的虚拟测试技术及其应用基础研究[D].杭州：浙江大学，2005.

[4]Unity Technologies.unity5.x从入门到精通[M].北京：中国铁道出版社，2017.

[5]劉革平，谢涛.三维虚拟学习环境综述[J].中国电化教育，2015（9）.

作者简介：皮健，女，硕士，大连职工大学副教授，研究方向为教育技术学。