基于虚拟现实技术的微生物知识科普产品设计探索

陈彦颖 曾雪

摘 要 为培养学生的创新思维、实践能力，虚拟现实技术在微生物教学中的应用将抽象的科学概念以可视化方式呈现，打破传统的授课方式，使教与学更生动具象，更加符合人类的认知习惯。通过虚拟场景的构建、交互知识点的设计，使肉眼不可见的，但是生活中无处不在的微生物跃然眼前，以“微世界——探秘微生物王国”虚拟现实微生物知识科普产品设计为例，实践了微生物互动式教学中虚拟现实技术应用的可行性，为微生物教学的改革与发展提供了理论与应用借鉴意义。

关键词 虚拟现实; 科普产品; 微生物

引用本文格式 陈彦颖，曾雪.基于虚拟现实技术的微生物知识科普产品设计探索——以“微世界——探秘微生物王国”VR设计为例[J].创意设计源，2020（6）：4-10.

Abstract In order to cultivate students' innovative thinking and practical ability， the application of virtual reality technology in microbiology teaching presents abstract scientific concepts in a visual way， breaking the traditional teaching method， making teaching and learning more vivid and concrete， and more in line with human cognitive habits. Through the construction of virtual scenes and the design of interactive knowledge points， the microbes that are invisible to the naked eye but are ubiquitous in life come to the forefront. Taking the design of virtual reality microbial knowledge popular science products of "Micro World——Exploring the Kingdom of Microorganisms" as an example， practicing the feasibility of the application of virtual reality technology in microbiology interactive teaching， providing theoretical and application reference significance for the reform and development of microbiology teaching.

Key Words VR/AR;popular science products; microorganism

[基金项目]本文系2020年度教育部人文社会科学研究一般项目“艺术介入与临床医学有关问题研究”（项目编号：20YJCZH012）;2018年度湖南省技术创新引导计划项目“微世界——探秘微生物王国，微生物知识科普宣传系列”（项目编号：2018ZK4030）阶段性成果。

引言

随着新媒体技术的高速发展，虚拟现实等新媒体技术不再局限于高科技领域的应用，除了全息投影成像、3D/4D电影、视频，目前已用于教育领域的新媒体数字内容还包括FLASH动画、虚拟现实成像等[1]，已经尝试被应用的新媒体内容有虚拟现实与全息投影等新技术[2]208。

虚拟现实技术（Virtual Reality，简称VR）是一种具有特殊功能的计算机系统，它可以让人们“创建”和“感受”虚拟世界[3]。不仅仅具有人机交互、传感技术，虚拟现实技术还融合了媒体技术、仿真模拟等技术，把多方位、多感官的体验带给使用者，让视、听、触觉等带给在仿真的虚拟环境中的受众[4]。虚拟现实技术可以让体验者具有身临其境的“真实”体验，在虚拟现实世界中，可以让受众进行包括信息交流、互动体验等交互性操作[5]。不仅仅是在医学、军事、航空领域，自问世以来，这种全新的人机交互模式也在工业产品等各个领域受到关注并且被应用起来[2]208。当前，人机交互模式在许多科技博物馆、科普教育基地等场所也被广泛运用，拓展科普实践方式的创新。如何利用虚拟现实技术为传统教学方式注入新的血液，特別是针对专业化较强的学科，教学中难以用语言和文字表达的抽象化概念，尝试利用虚拟现实技术，为学生提供动态的、开放的结构化互动教学方式，是科普教育的改革与创新。

基于虚拟现实技术的互动式教学，本文对国内外的应用现状进行了简要的梳理，并以“微世界——探秘微生物王国”微生物知识虚拟现实交互设计为例，探索了应用虚拟现实技术实现微生物专业互动式的教学实践模式。

一、虚拟现实在国内外教育领域中的应用及特点

（一）虚拟现实在国内外教育中的应用现状

在教学方面，虚拟现实技术展示出巨大的潜力，不仅仅是具有构想性、交互性、直观性，虚拟现实技术还具有形象性、沉浸性等特点，具有感受心理沉浸、创设学习情境、动感交互穿越、激发学习动机，同时虚拟现实技术还能实现跨界知识融合、跨越时空界限等优势。一方面，学习者可以利用虚拟现实进行随时实地的自主学习。比如，Google公司使用一部智能手机和一副价格低廉的3D眼镜构建VR设备，眼镜是可以由用户自己组装的橡皮筋、凸透镜、纸板和魔力贴等小部件组成的，这就是Card-board产品[2]209。另一方面，为帮助人们记忆和理解，以三维形式呈现难以肉眼可视的东西，通过虚拟现实提供的“真实”场景实现。比如，外科医生利用虚拟现实技术可以实现对成千上万的医学生的真实操作教学。最后，丰富的交互方式和身临其境的感受可以由虚拟现实技术提供，不仅可以让学生的学习兴趣通过这种新颖的方式被唤起，同时有利于构建知识体系，让学习者可以具有观察、操作及与他人合作的机会[6]。

AR技术已经在国外的教学中被广泛使用。美国纽约应急管理办公室应用高级灾害管理模拟器（ADMS）进行安全教育方面的AR教育培训课程。由Environmental Tectonics公司开发的ADMS的应用中融入了人工智能技术。由应急办建成的，专注于指挥模拟的城市虚拟副本系统可以让市民通过操纵杆穿行在虚拟城市之中。在这其中，为实现应急需求，可以通过指挥者引导，实现目标点的穿越，来实现实时沟通满足应急需求[7]214。为让学生对AR/VR有更好的认知和感知，美国科格威尔工艺学院（Concordia University， Ir-vine）设立了AR/VR课程，这是全球首次开设这门课程，不仅对AR/VR的故事进行叙述，同时让学生去掌握开发人机界面及交互的设计原则和技能。为提高文化科学学习效率，格林内尔学院（Grinnell College）对混合现实（Mixed Reallity）和AR/VR技术进行探索，该学院同时开设沉浸式体验实验室（Grinnell College Immersive Experiences Lab），复现历史场景，探索AR/VR技术在教学汇总的应用[8]。为改进医学院学生训练，工作于Barts Health NHS Trust（巴兹保健和国民信托）的英国一流癌症外科医生之一——Shafi Ahmed博士在皇家伦敦医院给千上万的医学院学生直播一场对结肠癌病人进行的手术，这场手术让虚拟现实成为一个强大的教育工具[9]。为解决体育场疏散问题，密西西比大学筹建了Sport Evac项目，该项目为实现人类面对危险的行为的分析研究，对场内70 000人面对危险的第一反应进行观察[7]214。

VR技术作为一种辅助工具在设计创新中有着广泛的应用，在整个设计过程中利用VR技术来增强各种设计活动。通用汽车设计实验室的工程师将VR技术应用在汽车运动和交互作用下的可视性评估[10]，使用CAVE（基于投影的沉浸式虚拟现实显示系统）模拟夜间驾驶员的视野，以研究仪表盘遮盖炫光对驾驶员侧窗玻璃的影响。福特FiVE实验室的工艺工程师利用HMD（头戴式显示器）来了解3D车辆设计的美学品质，将具有不同内饰材料的车辆模型加载到虚拟环境中，并对其外观、感受和个性进行比较。同时VR技术凭借其独特的优势，在文化知识传播中发挥巨大作用[11]。公司利用虚拟现实技术宣传产品和品牌文化以吸引消费者。万豪集团推出了VR客房体验，使消费者可以在虚拟现实技术的帮助下体验酒店生活[12]。2016年，Hirayetal开发了VR漫游探索系统，不仅可以让游客通过虚拟现实技术参观重建后的百川围城历史村落，还可以通过3D动画展示工匠的施工过程，并通过VR控制手柄让游客参与其中[13]。

（二）虚拟现实技术在教学中的特点与优势

虚拟现实技术教学中的应用具有独特的优势和特点，AR技术的合理有效应用可以提供全新的教学体验。文字和图片结合的静态知识的传递形式是在传统教学模式中所采用的，相比于传统教学模式，AR技术可以将知识动态化，使学生更好地接受和理解老师所传授的知识，利用这样的方式，学生的学习兴趣也可以被进一步激发[7]215。基于虚拟现实技术的互动式教学是一种创新的科普教育教学模式，其具有下面的特点：

第一，可视化特点。基于仿真和交互性，虚拟现实技术能以更生动、直观、全面的方式呈现抽象的知识，用沉浸式体验增强学生的代入感[14]。虚拟现实技术将科学内容融入“真实”情境中，抽象知识点的信息可视化设计，真实并且直观地在虚拟环境中充分发挥了“刺激”作用，使体验者产生正确的认知反应。

第二，情景式学习特点。在一定的情境中，学习者才能学习、应用与实践，要想构建知识的意义，就需要结合真实的活动或特殊情境[15]，然后，学习者也是在“真实”的情景中学习与探索各类多样化的问题。体验者通过自主探究或写作来完成学习，学习过程在抽象经验与具体经验之间互相转化，从而获得经验与已有的认知形成关联性。

第三，建构主义学习理论特点。知识需要学生自己去构建而不是由老师简单地将知识传递给学生，这是建构主义学习理论的内容，学生不应该是知识单方面的接受者，而是需要双方互动式的加护，并且主动构建意义[16]。虚拟现实技术通过提供一个“真实”的环境，让体验者基于自身的认知与经验去主动获得知识，为实现抽象的感念的集体化，需要利用模拟的场景，突破胜利与时空的限制，让体验者探索与观察微观世界，将体验者的想象力与创造力被激发出来[2]209。

二、“微世界——探秘微生物王国”虚拟现实在科普教育中的应用实践

下面是以“微世界——探秘微生物王国”虚拟现实的微生物知识教育资源设计开发为例，从教育资源的特征与需求、选题依据、内容设计、设计制作四个方面分析虚拟现实技术在互动式教学中的应用实践。

（一）微生物学虚拟现实教育资源的特征与需求

微生物教育从中小学生的科普教育到大学的专业教育是一个多层次的系统，传统的教学方式以讲授式为主。未来虚拟现实技术的介入将为微生物教学中新型互动式教学模式的形成提供可能。学校教育是立足于课堂、基于教材、传播经验的授受式学习，那么与此配合，虚拟现实技术介入的教学特征则可以是基于实物、传播直接经验的体验式学习、互动式学习。因此，微生物学领域虚拟现实教育资源的设计开发应当考虑观众的特点，以已有的方式呈现其所需要传播的知识。在教育资源的开发与设计过程中，合理注入知识内容，即微生物知识的传播与教学相结合，利用情景导入、悬念吸引等方式来增强趣味性与互动性。

（二）选题依据

微生物是生命科学领域重要的分支学科，它既是生命科学理论研究的核心，又是一门应用性极强的学科。大学生物学各专业及生物学相关的专业都将微生物学设置为基础课程。在中小学中也有关于微生物的科普教育课程，其主要的教学方式包括：课本基础内容、网络、益智小游戏、各地宣传展板等传统形式。例如：小学课本教学课程“无处不在的微生物”以实验与实践性的课程形式体现，注重培养孩子的观察力与动手能力。形式为基础课堂形式，针对人群为小学生。初中课本教学课程“生物圈中的微生物”以网络形式體现，如：中国科学院微生物研究所 （http：//www.im.cas.cn/）、中国国家地理中文网、知乎（http：//www.zhihu.com/）、果壳（http：//www.guokr.com/）。另外，还有科研院校及场所与中小学校联合举行各类微生物科普活动，如中国科学院微生物所举办“探梦微生物”科普开放活动等。

本研究围绕中小学生微生物知识虚拟现实教育资源开发展开。微生物体积微小，因而很难用肉眼看到它们，但它们非常普遍，与我们的生活息息相关。微生物会给人类带来可怕的疾病，但是与此同时，人们无时不刻地也在利用微生物，比如制作美味的食物、肥沃土壤、战胜疾病等。微生物与人类关系十分密切，所以对微生物的科普也是十分有必要的。结合微生物的特性，（如微生物体积较小，一般是通过显微镜进行观察，无论在观察和科普方面都较为不易），本项目可以较好地发挥虚拟现实技术的优越性，设计整合“微世界”流动虚拟现实体验空间。使用者可以以虚拟现实技术为依托，体验在显微镜下才能观察到的特殊景象，对微生物有一个较好的认识。

（三）内容设计

本研究在对产品进行研究之初，定下了三个目标，希望能够通过本次实践研究，可以达成：1.针对中小学生开展科普项目展示设计，展示项目能够充分体现创新性和互动性;2.整个产品设计实现后产生的交互体验，能够具有高成熟度和可推广性;3.在设计实施过程中，提出的建议应当从中小学生的需求角度出发，切实际、重成果。

设计实施目标技术指标包括与产品相关的软硬件技术平台研发与建设。虚拟现实体验空间充分应用虚拟现实最新研发成果、成熟技术与软硬件平台，通过集成与研发相结合的方式，服务于高新科技领域内容的科普化工作，升级、提高展陈技术手段，拓展科普内容，提升科普能力。主要创新点包括：1.根据现有微生物的形象，可对场景中的形态及视觉效果进行再设计，使其更符合中小学生这类受众的风格，提高对用户的吸引度。2.利用虚拟现实技术，设计整合“微世界”流动虚拟现实体验空间。空间内，充分发挥虚拟现实技术沉浸、交互和构想的特性，在视觉、听觉、触觉等多通道感知方面进行设计，希望给受众带来较强的临场感，让观众仿佛置身于微生物的世界去感知周边事物的变化。在整个体验中，观众不仅可以学到新的知识，还可以通过虚拟现实技术体验在微生物的作用下产生的物质的变化。3.科普产品后续可作为中小学生实践课程的一部分，开拓中小学生实业丰富中小学生的课余生活。

设计中，不仅需要考虑设计向人们传达知识的有效性，还要考虑到人们对科普活动的反馈与互动，在获得科普知识的同时去积极思考该科普知识带来影响，最终验证研究假设成立。在设计中，运用“科普环境信息场”理论，充分考虑内因和外因的影响作用，人、环境、产品三要素缺一不可，三者关系相互连接相互依存，运用综合型思考模式进行设计，解决研究过程中发现的一系列问题[17]。首先，跨学科研究法，需要运用医学、传播学、生物学、心理学等多学科的理论和成果，从整体上对项目课题进行宏观分析。当今，学科间的联系日渐紧密，在后续实践运用方面中也需要多学科的辅助与结合才能实现产品多功能的组合。其次，文献研究法，通过大量阅读相关的文献，并对各家各派的观点进行总结与归纳，从内容的科学性上给予保证，掌握科普内容涉及问题的各个角度观点。另外，尽可能全面了解课题的发展历史和国内外研究现状，从而辅助课题的研究。微生物学的体系庞大，应用前景广阔，所以本次研究需要清晰梳理其中包含的微生物科普知识，了解透彻后再进行方案的设计。最后，技术表达，通过既定的方案设计，在繁杂的知识点中，找出重要的知识进行表现，从中抽象形成简洁有效的故事脚本，结合运用虚拟现实技术进行表现。

遵循“超现实体验、多感知互动、跨时空创想”的核心理念，互动参与场景可以在虚拟现实技术中实现，突破科普的时空局限，将身临其境般的互動体验带给公众，让公众的创造力和想象力充分激发。主要建设内容如下：“微世界——探秘微生物王国”微生物科普宣传系列（结合虚拟现实技术）微生物（个体难以用肉眼观察的一切微小生物）不仅包括显微藻类、一些小型的原生生物在内的一大类生物群体，还存在像病毒、细菌、真菌更小的生物中。不仅包含有工农业、环保，同时食品、医药等诸多领域也涵盖在内[18]。

（四）设计制作

在微生物这一科普内容的选择下，虚拟现实的科普优点十分突出。在科普的过程中，我们可以提供视、听、触等多方面的感受使参与者“沉浸”于模拟环境中。这是普通2D科普所不能比拟的。当然虚拟现实技术在科普领域尚不成熟，需要在实践的过程中慢慢摸索，但它将不断走向成熟，在科普领域乃至各行各业中将得到广泛应用，并发挥神奇的作用。

首先，科普脚本设计。科普脚本是本次设计的基础，它是设计师对于科学理论内容的理解和翻译，确保脚本的科学性与传播性是非常重要的。本次脚本的重点放在如何对散点知识进行有效流畅的串联。并且如何将单调的文字内容变得有意思，让单调的科学知识变得生动起来，是需要重点思考的问题，也是本次研究的重点和难点。本次项目脚本整理分为两部分：科普游戏的脚本和科普文本的确定与整理。

其次，游戏脚本设计。科普游戏的脚本是整个科普展示的基础，为了给本次的展示营造一个丰满的故事情节，我们运用文学的表现形式，为本次展示设计两个故事线，一条明线，一条暗线。暗线为明线提供丰富的故事背景，丰满故事情节。在暗线的故事设置为主角（体验者）运用科技手段，从未来穿越回爷爷小时候生活的房子，想去看看当时的环境和爷爷的生活状态。明线主要为体验者展现一个清晰的科普流程，指引体验者在体验过程中得到一个清晰的指示，从而形成一个流畅的科普体验。在明线的故事设置为主角（体验者）到达爷爷的房间门口，推开门想去看看屋里的场景，通过设备检测，看到屋内存在着各种各样的细菌，于是主角（体验者）去逐一查看微生物的特性，有益的微生物留下，有害的微生物消灭。所有的交互流程全部集中在明线的设置中，在明线的前期通过两段文字的展示来体现暗线的存在。

最后，软硬件操作设计。包括硬件选择与科普流程设计两个部分：

硬件选择采用虚幻引擎与HTC Vive结合的形式：

作为中国唯一授权机构 GA游戏教育基地的EPIC是全球顶级的游戏开发公司，开发了虚幻引擎4①。这是一个完整的游戏开发平台，主要面向于DirectX 11&12个人电脑和下一代游戏机，数据生成工具和基础支持不仅包含在内，游戏开发者需要的大量的核心技术也可以被提供。较高的易用性是其设计的目的，这样明确的目的也在程序编写和数据生成有所侧重，少量的协助由程序员提供给设计人员，游戏的数据资源就可以尽可能多地被开发出来，可视化环境可以在开发过程中实现，具有便利的实际操作;先进的应用程序框架的可扩展性是虚幻引擎4为程序员提供的，各种类型的游戏的建立、测试和发布都可以在这个框架中发布。虚幻引擎的主要功能：1.支持高级的 DirectX 11&12渲染功能;2.Cascade VFX 视觉特效编辑器提供了创建精细复杂物体所需的工具;3.基于物理着色方式的新材质管线流程;4.使用蓝图可视化脚本快速进行创建原型等操作，而无须触及一行代码。集成了十余种在行业领先的中间件技术，包括 NVIDIA PhysX、Autodesk Gameware、Enlighten、Umbra、Oculus VR 及其他软件库。

在 MWC2015上发布的实现VR虚拟现实头戴式产品的HTC Vive，是2015年3月由Valve和HTC联合开发，利用 Vive 功能的虚拟现实游戏可以在应用了Valve 的 Steam VR 提供的技术的 Steam 平台上实现[19]。不仅仅是包含一个头戴式显示器、两个单手持控制器，HTC Vive 为实现使用者的沉浸式体验，控制器的定位系统（Lighthouse）和追踪显示器能同时在一个空间内实现的功能也被包含在内 [20]。不需要借助摄像头的Valve 的专利的控制器定位系统 Lighthouse也被应用了进来，为找到运动物体的位置，采用激光和光敏传感器实现，用户在一定范围内移动位置是可以在HTC Vive 中允许的。相比于 PS VR 和Oculus Rift ，这是最大的优势[21]。

科普流程设计（见图1）：1.门外站立状态，左手放大镜、右手空;2.看到提示后“应该没错，时光机显示就是这里，这就是那时爷爷住的地方。”“这扇门好像是开着的，推开看看”，进入游戏场景;3.初始进入场景后提示文本“屋里没有人呢，不知道爷爷去哪里了” “这个屋里检测到有很多微生物的存在，有的还是高致病的细菌” “去看看紫色雾气的地方到底是什么微生物，顺便帮爷爷打扫一下，以免爷爷生病。”;4.6个交互点同时闪动（见图2）;5.放大镜触碰交互点，弹出科普窗口;6.选择点击科普窗口下方按钮“清洁打扫”“无需打扫”;7.选择正确，交互结束。选择错误弹出弹窗，点击确定结束。

（五）设计效果展示

场景一：过渡场景

开门后进入第二场景（见图3），进入前期，有关于故事情节的再次提示，设定体验者为一个从未来穿越到过去，并寻找爷爷故居的人物形象。初始位置设定在一扇虚掩的门前，门前有关于整个故事背景的提示，体验者可通过文字提示和周围的环境体验整个故事及情节。体验者用游戏手柄点击门，便可推开门，随后进入360°的室内环境全景视角。整个故事从体验者推开门之后正式开始。

场景二：旧屋环境全景视角

在一间木质、石材的老房子里透漏着点点的灯光，外面的天已经黑了，墙角还有爷爷收藏的酒桶。整个房间是以木头、石材为主的老房子，有两间卧室，书房和餐厅应有尽有。木质的桌子上有点了一半的蜡烛、刚刚采下的南瓜、喝了一半的酒瓶子。角落的书架上还有爷爷爱看的书。在房间里有一些冒着紫色烟雾的地方（见图4），分布在房间的各个角落。

体验者来到这里是为了找寻以前与爷爷一起的有关记忆，但是透过高科技的设备观察到了房间内的一些微生物，便开始打扫了起来。房间场景为风格化的生活场景，紫色烟雾为可以交互的科普点，有相关的光标指引。体验者需通过手柄去触摸光标，便可得出科普文本（见图5）。

整个场景存在6个交互点，触摸弹出文本有6种微生物图解（见图6），分别为结核杆菌、黑曲霉、金黄色葡萄球菌、枯草芽孢杆菌、破伤风杆菌、铜绿假单胞菌。科普文本与剧情相结合，在文本末尾需要体验者判断该微生物是有害还是有益，并通过选择确定是否进行清扫处理，该交互模式希望在简单的操作中巩固体验者所学习到的科普知识，在一定程度上学以致用。

体验者进行操作之后会出现两种情况（见图7），回答正确或者错误，系统将进一步提示，单击确定后，游戏继续。

“微世界——探秘微生物王国”是应用虚拟现实技术设计制作的微生物知识科普产品，目的旨在教与学的过程中培养学生的创新意识、学习能力和实践能力。设计通过前期调研、设计制作、产品测试三个步骤完成，验证了虚拟现实技术在微生物互动式教学中的应用可行性，也为未来微生物教育中虚拟现实技术的应用发展提供了借鉴意义。

结语

基于虚拟现实技术的微生物教育资源设计，相对于传统的授受式教学方式能够有效提升学生的兴趣，增加互动性，充分体现了科学性与趣味性的完美结合。利用虚拟现实技术开发微生物专业教育资源的设计，让学生从“只能看”变为“能看又能动”，真正意义上实现了微生物教育领域的互动式教学模式。

隨着虚拟现实技术的日趋成熟，VR技术与微生物学教育的结合方式会越来越多样。作为该产品的进一步建设设想，将对微生物科普部分进一步图形可视化，以多模态及多角度方式呈现微生物形态及其行为方式，能够给予学生沉浸式的微生物学习体验。期待未来虚拟现实技术能在微生物学教育中得到更加广泛的应用。

注释

①虚幻引擎4; 游戏入门学习.网络http：//blog.sina.com.

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陈彦颖 曾雪

中南大学