基于虚拟现实技术的天文教学实践初探

张文昭， 高子豪，2， 高 健， 刘 康， 余 恒

（1.北京师范大学天文系，北京100875；2.北京大学燕京学堂，北京100871）

0 引 言

虚拟现实（Virtual Reality，VR）技术是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统，它利用计算机生成一种多源信息融合的、交互式的三维动态视景和实体行为的系统仿真，使用户沉浸到该环境中。VR是多种技术的综合，包括实时三维计算机图形技术，广角（宽视野）立体显示技术，对使用者头、眼和手的跟踪技术，以及触觉/力觉反馈、立体声、网络传输、语音输入输出技术等。它也是PC 或移动设备、头戴式显示器（Head-Mounted Display，HMD）、跟踪传感器等硬件设备以及提供沉浸式体验的软件的集合。现阶段的VR设备都已经实现了虚拟视觉、人机交互、仿真和实验等功能，被广泛应用于游戏娱乐、设计、传媒、工业制造、教育培训等多领域中。

对教育行业来说，VR 技术提供了一种全新的教学手段。VR 技术能够为学生和教师提供逼真、生动的环境，又具有较强的可参与性，从而使学生和教师都能进入虚拟环境进行角色扮演，成为与传统教育环境完全不同的教学模式。对传统教学缺陷的克服，重点、难点的分析和破解，学生技能的培养，学生学习积极性的调动等方面都将起到积极的作用［1］。国际上，VR技术最早出现在军事仿真训练中，随后逐渐拓展到艺术、医学、天文等知识教学或实践中；国内，VR 技术在教学科研、仿真校园、虚拟教学与实验等方面已有较为广泛的应用［2-4］。未来，VR +教育有望突破现有技术壁垒，覆盖从课堂教学到文化科普的教育全生态，实现视觉体验到沉浸交互，对教学理念、方法、效果带来重大变革。

虽然VR +教育技术还处于起步阶段，但其越来越受到业内外人士的普遍关注，有着广阔的发展前景。可以预见，未来VR教育覆盖面将逐渐扩大，将从高等教育出发，纵向拓展到K-12、职业教育、老年教育等更多阶段，横向扩张到科学普及、文化展览等泛教育领域。VR技术在理工科的教学和操作技能训练中将大有可为［5］，特别是在天文学的实验教学和科学普及中。

1 VR技术在天文教育中的应用

天文学是一门研究天体和宇宙的科学，是以观测为基础的学科。但由于现在国内的大、中、小学校园和天文馆等科普场馆多建在繁华市区，光污染严重，进行户外观测困难。同时，由于天文实践观测教学要求满足天气好、光害低、设备全、周期长、时机对等多个条件，这些教育机构的天文观测实验在实践中面临诸多难题。除此之外，当前天文实验对信息化资源的利用也不充分，缺乏互动性和趣味性。

为此，本文尝试将VR 技术应用到天文教学实践以及天文科普教育中，提出VR +天文的概念，通过将现代VR技术和传统课堂结合，初步探索利用现有VR天文应用（见表1），提升天文课堂活动的生动性和有效性，提供VR课外学习资源，替代教师部分职能。

表1 代表性VR天文应用

1.1 VR天文应用

按照教学侧重不同，VR +天文教学可以开发出I类和II 类应用：即信息索引式类（Information Browsing）和动手操作式类（Hands-on Experience）［6］。

第I类应用注重展示，学生通过主动检索内容或被动接受讲授进行学习，具体操作局限于检索内容、尺寸时间视角变换。该类应用主要有：虚拟天象厅、VR太空漫游等。作为教学的辅助工具，这些应用能够将原有课件内容VR化。利用沉浸式体验提供比实物模型或3D节目更直观的宇宙时空感，在注重质性感受的导论或科普教学等中效果突出［7］。比如，学生戴上VR眼镜后将切入第一人称视角站在太空中，直接观察太阳系行星和卫星的运动轨迹，强化对天体运动和太阳系的理解。

第II类应用注重探索，VR 为学生提供直观但安全的环境，通过器材组装、模型构建和仿真等操作，应用并理解新的天文知识。此类应用主要有器材组装、太空登陆、天体建模和仿真等，既强化并丰富了课堂教学，也提供了课外实践和探索的平台，学生可以通过自己设定参数构建天体模型并观察其演化过程。此外，在VR 环境下，也能模拟正常情况下不能进行的天文实验，促进科学研究的发展［8］。

从Google Play、Vive Port、Oculus Rift、Steam 等主要的VR产品应用平台上已经上架的35 个VR天文应用（截止2018 年5 月1 日）来看，当前发行的VR天文应用集中在PC 端和移动端，按照应用包含的内容可以分为虚拟天象厅、VR 天文漫游、天文课件平台、天文建模4 类（见表1）。它们各自特点如下：

（1）虚拟天象厅（VR Planetarium）。是发行最多的VR天文类应用，传统天象厅常建于博物馆和科技馆等科普中心，利用圆顶、投影等技术展示教学、娱乐类天象节目。但传统天象厅的场馆建设复杂，空间要求巨大。此外，传统天象厅不仅先期投入巨大（30 万元～200 万元或更多）［9-10］，后期为购买能够播放的球幕节目也需要大量经费［11］。当前，虚拟天象厅已基本具备同实体天象厅相当的视觉、听觉效果，还具有经济性、易拓展的特点。在低成本覆盖原有天象厅节目外，还能够开发更具深度、广度的VR天文教学课件。VR天象厅的代表应用有Escape Velocity Ltd.开发的Star Chart VR。通过不断拓展功能并完善视效，VR 天象厅/星空也有望成为VR天文应用开发的基础平台。

（2）VR天文漫游。分为第一人称和第三人称视角两类应用。二者主要区别在于视角、尺度、时间轴的调整范围，第一人称应用往往还提供一些具体任务需要使用者在探索时完成，而第三人称应用大多类似于VR天文电影。以Titans of Space VR 为例，使用者驾驶宇宙飞船游览太阳系，同时能够在超过40 个天体上登陆并走下飞船进行简单地表探索。通过该应用，学生可以从宏观上了解太阳系结构，同时也从微观上观察天体。在实际太空航行中，也能够积累天体力学和人造卫星轨道理论等直观经验。

（3）VR天文课件平台。这类应用主要针对具体天文课程内容而开发，基于3D 动画/游戏建模，将二维的天文课件拓展到三维空间。此类应用当前主要有SUNRISE VR的VR课件系列和EON Reality的课件应用平台。SUNRISE VR目前已推出30 多个天文类VR课件，每个课件是一个单独的应用，并配备相应的文档进行学习指导，内容涵盖太阳系介绍、星系天文学和恒星结构与演化等内容。EON Reality 的应用平台上目前有10 多个VR/ AR天文课件，并为开发者提供开放系统进行新内容开发。此外，基于“虚拟宇宙”系统的课件开发平台也正在兴起。开发前期通过组建专业天文研究团队，投入大量资金和时间构建“虚拟宇宙”，之后可以根据不同教学需要在虚拟宇宙系统中开发专项课件。相比具体的功能型应用，VR 宇宙本身对终端的运算能力和图像处理能力要求较高，推广难度也更大，并无成熟产品诞生。但是，不断完善的虚拟天象厅也许能够发展成为“虚拟宇宙”系统的基础［9］。

（4）天文建模应用。当前，作为知识讲授的补充，出现了一些沙盒类（Sandbox）天文建模的VR 应用。在这些应用中，学生可以通过自行设置参数构建天体系统模型，将抽象的理论公式可视化。在一定条件下，还可以对这些天体模型仿真模拟，开展自然条件下无法进行的天文实验。这类应用的开发对天文专业知识有极高的要求，当前各大平台上只有Universe Sandbox一款产品比较成熟。

综上，这些已经问世的VR +天文应用，超过90%的目标受众是非专业用户，教学内容集中于太阳系和基础天文知识介绍，呈现通识化、大众化趋势。相比天文专业教学，VR 天文应用更加重视感性体验和直观感受，具有强大的展示功能，能够突破地域、天气等外界环境的制约，低成本地呈现直观的天文概念。

1.2 VR天文应用的天文教学初探

为充分利用现有的VR天文应用，初步设计了“讲创结合”的VR +天文教学模式，为学生提供直观的天文天象体验，并锻炼其动手操作能力。该模式已初步应用在天文通识课程的实践教学中。“讲”指讲解、讲授，教师在课堂上向学生描绘情境、叙述事实、解释概念、论证原理和阐明规律。“创”指创作、创新。学生在理解知识的过程中以及对知识有一定掌握后，将知识归纳、整理成有一定结构的形式，使用VR天文应用并创作多媒体作品成果进行展示。下面介绍该教学模式的5 个要素：理论基础、实验目标、实验过程、实现手段和评价方式。

（1）理论基础。VR +天文教学模式涉及教育学、心理学、天文学等学科的理论基础。教育心理学中的建构主义理论为天文教学中探索与交互环节提供理论指导；多元智能理论为天文教学中调动学生多元智能，鼓励学生创作创新，通过多元方式评价教学效果提供理论指导；教育技术学多媒体认知理论为天文教学中展示星空、辅助讲授提供理论基础。该教学也重视科学方法/思维的应用。一方面通过天文理论课程的讲解构建基本概念、理论框架，另一方面也借助VR 星空、漫游、建模等手段提供具体证据，实现具体教学实践［12］。

（2）实验目标。按照认知水平，VR +天文教学模式需要达到兴趣激发、知识拓展、认知提高、动手操作4 大实验教学目标。就兴趣激发而言，在日常生活中，人们获得有天文知识的直接经验非常少。通过VR等现代信息化工具，提供科学、直观、交互式和沉浸式的学习环境，增强学生对天文学的兴趣，激发学习天文的动机，提高对天文的关注度，为天文学科的发展奠定广泛的群众基础。就知识拓展而言，课程将普及物理、化学、计算机等科学的基础知识，并全面展示天文学的发展历史、研究方法、基本理论和学科前沿问题。以天文学为基础，拓宽学生对整个科学领域的认识和了解。此外，课程将从空间和时间上提高学生的认知能力，并通过大量实践操作加强学生的动手能力。在完成小组课程项目的过程中，学生的团队协作能力也将得到提高。

（3）实验过程。VR +天文实验过程分为讲解、探索、创作和评价4 个阶段。讲解教学是学校教育的经典模式，教师通过口头语言向学生传授知识和技能。教师应当先对天文知识进行讲解，并结合VR天象厅、VR天文漫游等多媒体方式进行直观呈现，帮助学生建立新知识与原有经验和实际体会的联系，真正理解课堂内容。学生在探索、创作阶段以项目小组为单位进行交互讨论，在巩固教师讲授阶段所讲解的内容的同时拓展知识，并对教师提出的问题进行探索，从而建构新的天文知识体系。这一阶段以学生为主，教师为辅，将考查学生的学习效果，并激发学生的创新意识与能力。主要过程包含选定主题、构思内容、收集素材和完成制作。针对每章节的理论课程，教师将给定若干主题，学生自主选择后对展示进行构思，并收集材料完成VR作品的制作。实践结束后，学生需要将探索过程和结果整理并向老师同学展示。最终评价分为两部分，同学互评和教师评价各占50%。采用同学互评可以督促学生制作漫游的进度和效果，有助于学生漫游作品的改进，在互相评价的时候还能考验学生对天文知识的了解，对作品的审美观以及课堂陈述时的语言表达等多元智能。

（4）实现手段。VR +天文教学模式的实现需要在教学内容、教师、学生及教学媒体之间进行有效的互动。总体而言，教学内容要形成一个项目，此项目具有探究意义，学生能够在一定时间内完成，能促进学生探索能力、解决问题的能力、表达能力、团队合作能力、创新能力等多元智能的发展。教师要掌控学生项目研究的方向、进度，为学生提供必要的指导，及时解决学生在参与项目过程中遇到的问题。教学媒体主要为VR设备以及其他多媒体设备，VR天文应用、办公软件及交流工具为主，能够帮助学生完成项目的探究和作品的制作即可。

教学过程中，教师除了掌控教学内容、教学媒体的使用外，也需要重视学生内心世界的丰富性及学生与知识、教法的互动［12-13］。学习者能否学到新的天文知识主要取决于他们的认知结构中有没有能用来同化这些知识的原有基础素材。因此，为达到VR 技术与天文课程整合的理想效果，教育者必须了解学生学习前的原有知识，从而制定教学方案。教育者若能提前了解学习者的学习方法、理解能力、兴趣爱好等综合学情，便能更有针对性地帮助学生学习［14］。

（5）评价方式。在教学前、中、后期都应进行教学评价。首先进行诊断性评价了解学生基本情况，通过访谈、观察、测验等方式了解学生是否对即将参与的天文探究项目感兴趣，并摸底学生原有知识储备、信息技术掌握情况等，方便组织具体教学内容［15］。教学中进行过程性评价，通过小测验、作业、观察等方式了解学生参与项目的进程，探究过程遇到的问题。在探究活动环节可多次组织小组讨论，让学生互评或自评，通过这些评价获取提高教学质量的有用信息。

最终，对教学效果进行结果评价。通过同学互评和教师打分结合，对期末的VR展示作品进行打分，对知识掌握、智能提升、团队协作多个维度进行评价，并总结教学中的得失。

2 VR +天文教学案例

天文学导论实验课程是我校天文系开设的通识教育课程。在教学过程中，按VR +天文教学模式在课程中初步设计了3 个实践探索内容，可供部分选课学生分组进行。

（1）星空漫游。将天体在天球上的视位置投影在平面上所绘成的图就是星图（见图1），使用星图可以帮助我们认星、找星、熟悉天体的星等和颜色。通过使用VR技术，以项目探索为载体，让学生逐步熟练地掌握各类星图、星表的使用方法，掌握一些基本的天文知识，并提高对天文的兴趣。

图1 “星图”软件的VR模式

（2）太空漫游-行星旅行记。利用VR 虚拟星空和天文漫游应用，让学生自行设计太阳系之旅，以视频或幻灯片的形式，介绍太阳系某个主要成员（太阳、八大行星、冥王星）的具体情况（见图2）。该实践能让学生利用VR应用沉浸式地制作课外作品，不仅能让学生身临其境体会行星的壮观，也能调动学生的主动性，进一步激发其对课程的兴趣。

图2 Mitaka星图VR模式下的作品设计

（3）太阳系外行星建模。太阳系外行星的探索是天文学研究的热点课题，它同时也符合公众对地外生命/文明的好奇。课程安排学生在相关课程内容（太阳系外行星的发现方法、现状等）讲授完毕后，利用VR天文建模软件Universe Sandbox 构建自己的太阳系（见图3），并制作多媒体展示作品。

图3 Universe Sandbox太阳系行星建模

3 结 语

VR +天文通过将现代信息技术和传统课堂结合，可以：①突破环境、天气因素的限制进行模拟天文观测；②提高讲授型课堂活动的生动性和有效性；③打造深入探究和创新学习的平台；④提供课外学习资源，替代教师部分职能。VR +天文教学能改善传统天文教学实践模式，实现半开放课堂、自主探索、直观体验等目标，促进信息技术与天文教学的深度融合，构建数据驱动的天文教育和科学普及［16］。目前，我校天文教学综合实验室已经搭建了3 套便携式VR 实验平台：每组包括1 台便携式计算机平台、1 套HTC VIVE虚拟设备套件、1 套暴风魔镜Matrix VR 一体机，以供学生使用。同时，设计实现了“虚拟现实角度下的宇宙尺度天文体验设计”实验课件［17］。经过两年的教学实践，VR 天文应用很好地融入了课程教学和实践环节，增强了课程的真实感，迅速引起学生的自主学习兴趣，受到了学生的普遍欢迎。

但VR天文教学还处于探索阶段，VR教学实践设计也需继续完善，下一步将添置更多VR设备，设计并建设完善VR 天文教室，满足更多选课学生的需求。同时，以课程搭建的便携式VR 实验平台为起点和基础，采用无线化技术，突破传统天象厅对空间场地的限制，随时（白天、夜晚，无论何种天气）随地（广场、室内、夏令营场地）搭建VR 虚拟星空实验室，探索建设完整的VR虚拟天象厅的可行性，将VR +天文具有的成本低、易拓展的特征具体化，同时为VR在天文教学和科普教育领域的应用助一臂之力。