基于VR技术的高校创新自主学习亭设计与研究

马铭 梁培钰 李润庭 王国龙

摘  要  近年来，VR技术在社会生产生活中的应用越来越广泛。尤其是在学习和游戏领域，VR技术独特的沉浸式体验能够带给使用者高度逼真的感受，因而能够收到很好的教学和游戏效果。介绍VR技术的理论原理和在高校设立VR创新自主学习亭的意义，详细探究自主学习亭的技术原理、构造设备和外观设计，目的在于为高校VR创新自主学习亭建设提供参考。最后，结合当前高校的实际情况，分析建设VR创新自主学习亭存在的困难和解决办法。

关键词  高校；VR技术；VR创新自主学习亭

中图分类号：G434    文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2022）07-0023-03

0  引言

VR技术全称为Virtual Reality，即虚拟现实技术，是通过连接装置，将人的感受器官与计算机连接起来，通过计算机技术制造的模拟画面，使人产生沉浸式的高逼真体验的技术。VR技术一经问世就受到人们的关注，因为这项技术对于抽象事物具体化有着非常重要的意义。比如被损毁的历史遗迹等，可以通过VR技术虚拟复原，并且可以让人沉浸式地体验较为真实的场景。现代VR技术还结合了人体多种感官模拟技术，为使用者营造集视觉、听觉、触觉于一体的超真实虚拟现实体验。

1  VR技术在学科知识方面的应用背景

早在1940年，美国就已经开始VR技术的研究，而后经过一系列的曲折发展，VR技术研究取得不同程度的进步。到20世纪90年代，VR技术已被广泛应用于医学、航天、室内设计等领域[1]。20世纪80年代，VR技术开始被用于教育领域并迅速发展。VR技术与教育相结合，可以使一些复杂抽象的知识更容易理解。例如：虚拟技术可以使学习者模拟进入天体运动、人体结构、建筑工程等逼真的学习场合；可以使学习者处理危险性高或者在真实情况下难以进行的实验；可以结合人工智能和大数据，构造虚拟教室、虚拟教学；等等。VR技术不仅为广大学习者以及各类学科教学带来福音，更促进了教学模式的发展。

2  VR技术的理论原理

VR技术是一种新型综合性信息技术，是高性能的虚拟硬件和各类先进的图像传感器设备组成的可创建的多维立体信息处理系统。虚拟硬件包括组成计算机系统的运算器、控制器、存储器以及外部设备等固定装置，多维感觉信息传递系统能够为人提供更多的感觉信息，也更加适宜帮助人们利用各种感觉器官来感觉、接受各种信息[2]。

VR技术最重要的部分就是终极显示，也就是计算机如何控制图像并使其逼真化，显示出三维虚拟物体。譬如当人们转动头部和身体时，为了使在屏幕上看到的图像也发生变化而设计出头盔显示器，戴上头盔显示器，被试者头部方位就可以输入计算机，计算机再根据头部方位使屏幕显示图像发生相应的改变。听觉系统是由性能优良的三维声音系统组成的，它使参与者能准确感受声源的距离和方位。触觉也是人们从客观世界获取信息的通道之一，通过触觉来了解物体的质地、温度等。人们在虚拟环境中的触觉由一双特制的手套来表达，人的躯体和手的动作被输入计算机中，再加上合成的声音，实验者就可以去触摸虚拟环境中的东西。

3  VR创新自主学习亭的设立

VR创新自主学习亭是面向高校学生依托VR学习环境所设立的[3]，体验者在VR学习环境中可以暂时忘却现实环境，完全沉浸在全新的环境里，在眼睛、耳朵、双手的配合下，利用感性认知主动探索学习。这样一来，原本晦涩难懂的知识也变得简单明了、有趣生动。

VR创新自主学习亭中的学习资源理论上可以包含各个学科方向。

1）针对外语学习，可以设计制作虚拟人物以及特定的对话场景、录制对话时使用的音频等，使体验者通过与虚拟人物进行语言交流来提高口语能力、外语表达能力等。

2）针对历史知识的学习，可以制作特定故事情景画面及音效，使体验者通过选择不同的朝代，如身临其境，体验各朝各代的风土人情，“现身”重大历史事件，从而了解、学习历史。

3）在地理学习方面，可以设计制作不同的地质、地貌、水文等自然地理场景以及不同地区的交通运输路线等人文地理场景及特定音效，给体验者带来身临其境的特别感受。

4）对于物理知识，可以制作物理实验场景及解说音效等，体验者通过选择各大经典物理实验并进行操作，了解具体实验过程，从而掌握书本中难以理解的抽象知识。

5）对于生物知识，可以制作生物模型，体验者通过选择各种生物的不同器官、不同组织来了解生物内部构造、机体运作原理等[4]。

6）对于化学知识，可以制作化学固体、试剂等，体验者通过选择不同试剂进行化学实验，从而学习并了解各种化学试剂的化学性质等。

当然，VR创新自主学习亭也适用于音乐、美术、体育、建筑、工程等科目的学习，资源可以以模块化的形式嵌入设备之中。

VR创新自主学习亭内部设施主要包括VR触控屏（操作屏）、VR头显仪、耳机、VR数据手套、手柄、专业麦克风、空调、灯具、窗帘等。学习亭的外观设计和体验流程分别如图1和图2所示。

4  VR创新自主学习亭设立的意义

学习亭在高校校园中设立，不仅为学生提供了学习专业知识的条件[5]，还为学生创造了学习专业课以外其他知识的机会，解决了高校学生知识面狭窄、发展方向单一的问题，可以为国家培养全面发展的高素质人才。随着VR技术的发展，现代科学的各种先进和前沿知识都可以被学习亭囊括进来，譬如自然科学和人文社会科学等的诸多研究成果可以通过VR设备生动地展现在学生的眼前。

利用VR设备“身临其境”地学习知识，能使枯燥乏味的知识变得生动有趣，使抽象刻板的概念更容易理解，从而大大激发学生的学习兴趣，开阔学生的视野。高校的学习不仅仅是理论知识的学习，更重要的是让学生参与实践，学以致用，而VR创新自主学习亭就可以为学生提供虚拟实践的机会。例如：学生可以通过VR技术反复观看物理或者化学实验的流程和现象，并且可以深入实验反应容器内部观看，而不会产生任何危害[6]。这些在现实生活中很少有机会或者根本无法观看的内容，通过VR创新自主学习亭可以重复观看，能够极大地提高学生对实践操作的认知程度。学生进行实验之前，可以在VR创新自主学习亭进行模拟实验，经过多次练习，掌握实验的流程和操作方法，在进行真实实验的时候更加得心应手。

学习亭将VR技术与教育相结合，能让学生通过自主学习探索，发掘自身的学习潜力，提升创新素养。

5  高校建设VR创新自主学习亭的困境

高校建设VR创新自主学习亭的困境主要包括两个方面：技术和管理。

5.1  技术层面的困境

当前国内外对于VR技术的研究虽然如火如荼地进行着，但是实际取得的研究成果是有限的，VR技术所能够呈现出来的内容局限性较大，无法做到构建一个自由的虚拟世界，更多是按照程序设定展现既定的内容。这些内容对于中小学生科普也许够用，但是对高校学生进行专业学习与研究来说远远不足。并且目前国内外一套质量较好、功能较齐全的VR设备普遍价格昂贵，使用保养的要求很高，这就使得高校无法大规模建设VR创新自主学习亭，而少量的自主学习亭对动辄数万人的高校而言作用并不突出。

5.2  管理层面的困境[7]

高校建设VR创新自主学习亭的目的是让学生更加高效地学习。一方面，VR创新自主学习亭中的内容管理复杂，如何保证学生不使用这些VR技术进行不合理不健康的行为，是高校VR创新自主学习亭管理的一大难点；另一方面，VR设备本身属于高精密的昂贵设备，对使用和保养都有较高的要求，而自主学习亭作为公用设施，如何对其进行管理，减少设备损毁，降低故障率，也是高校建设VR创新自主学习亭需要考虑的问题。

6  高校建设VR创新自主学习亭的方法

高校建设VR创新自主学习亭需要从硬件设施和管理制度两方面入手。

6.1  购置安装VR创新自主学习亭的硬件设施

可以在高校的教学楼、图书馆等场所安装适当数量的自主学习亭，采购较为先进的VR设备，并且组织专人负责设备的检修、维护管理，定期对学校所有自主学习亭开展全面检修，保障硬件设施的正常运转。同时建立完善的设备管理制度，对于蓄意损坏的行为予以严厉处理。

6.2  建设完善的高校VR创新自主学习亭管理制度

管理制度至少应该包括内容管理和学生使用管理两方面的内容。

6.2.1  内容管理  对VR创新自主学习亭实行限制联网的联网方式，学生只可以使用学习亭的设备连接学校提供的固定网站，在这些网站获取学习资料和VR演示资料，不能让学生自由使用设备连接校外网络。

6.2.2  学生使用管理  可以采取预约申请制度，学生要使用VR创新自主学习亭，须提前在校园官网或者校园图书馆网站上进行申请，登记个人信息和使用时间。只有预约申请通过的学生，才可以扫码或者利用校园卡进入学习。并且对学生使用自主学习亭的时间加以限制，比如每天不能超过两个小时，以避免出现学生长期占用设备，导致其他学生申请不到设备的情况。同时，建立完善的设备管理档案，对每一台设备各个时间段使用的学生信息和设备内容信息进行记录。通过这种制度，使高校VR创新自主学习亭充分发挥作用。

7  结束语

在数字经济时代，计算机技术是最重要的生产力之一，而VR技术作为计算机技术的先进代表，正被广泛地应用。高校利用VR技术建设VR创新自主学习亭，可以让学生以更加真实具象的方法学习知识，激发学生的学习兴趣，并且增强学生的实践能力，一举多得。但是限于当前国内的技术水平和管理制度，高校建设VR创新自主学习亭需要从硬件设施和管理制度两个方面着手，打造高质量的自主学习亭，确保技术被用在正确的道路上。■

参考文献

[1] 杨梅.VR技术在我国教育领域应用研究[J].创新创业理论研究与实践，2021，4（12）：61-63.

[2] 李湘德.VR技术原理[J].深圳特区科技，1998（1）：38.

[3] 王爽.VR技术在高校校园中的应用[J].中国科技信 息，2021（16）：72-73.

[4] 王燕洁，王柏松，张爽，等.VR系统与生物教学的融合点初探[J].中国信息技术教育，2016（24）：42-44.

[5] 秦晓华，邱耀立.论5G时代高校思政课实践教学与VR技术的融合[J].学校党建与思想教育，2021（15）：64-67.

[6] 马丁.VR技术应用于教育教学中的思考：评《VR虚拟现实与AR增强现实的技术原理与商业应用》[J].中国教育学刊，2019（11）：120.

[7] 李娜.江西高校“体育电子竞技+VR”产业融合研究[J].科教导刊，2021（20）：14-16.

*项目来源：山西省大学生创新创业训练计划项目“虚拟（VR）沉浸式学习亭”（基金编号：20210274）。

作者：马铭、李润庭、王国龙，山西师范大学物理与信息工程学院本科生；梁培钰，山西师范大学地理科学学院本科生（030000）。