VR技术在中学美术教育中的应用

狄心妍

(南京师范大学美术学院,江苏 南京 210046)

近年来,随着互联网与计算机技术取得突破性进展,涌现出了众多具有划时代意义的黑科技。虚拟现实(Virtual Reality,以下简称VR)技术就是其中之一,它与5K通信技术、人工智能技术并列成为21世纪最具发展前景的三大技术。由于VR技术具有交互性、构想性和沉浸性体验等技术特点,为中国教育技术信息化建设提供了新的路径和方法。2018开始,教育部从资金和政策层面积极推动现代信息技术在教学活动中深度应用,并明确将发展VR教育列入国家教育信息化2.0行动计划的年度重点任务。

1 VR教育的关键技术

2016年被称为“VR产业发展的元年”,新一代VR技术具有“亲民价格”和操控简单等特点,全方位融入到日常生活中。中国庞大的教育培训市场,也使其成为VR应用翘楚。

1.1 VR的关键技术

VR是一种融近眼显示技术、计算机图形技术、动作捕捉技术等为一体的黑科技。用户可借助头显或手持设备与虚拟环境进行互动,形成与人类的视觉和听觉等感知高度近似的全感官沉浸式虚拟空间。在Ken Pimentel的《虚拟现实:透过新式眼镜》一书中,作者将虚拟现实定义为一种侵入式体验,在这种体验当中,参与者戴着头显等交互装置,看着立体图像,在三维世界里,自由自在地探索并与之交互[1]。VR技术雏形形成于20世纪中期,1968年,美国计算机科学家Ivan Sutherland发明了第一款被称为 “达摩克利斯之剑”的头戴式VR原型设备,这项技术一面世就受到美国军方高度关注[2]。虽然这项技术已应用于军事、宇航等领域五十余年了,但其内在商业价值还未真正被挖掘出来,直到新世纪各种新技术的更迭换代,VR才走进了百姓的日常生活。

1.2 VR的技术特征

VR与传统媒体技术有着本质区别,美国学者Burdea在1994年提出:“VR技术具有构想性(Imagination)、交互性(Interaction)和沉浸性(Immersion)的三大技术特征”[3]。其中,沉浸性是指计算机图形的声音像创建了一个身临其境的情境,让用户产生与现实同样的生活体验,并全身心投入到虚拟环境以获取相关的知识。构想性即用户主动地发挥想象力,根据自己的联想、逻辑和意愿创建新的感知结果。交互性是指用户通过多种交互设备感知到不同的生理、心理反应,这些反应也会随着用户的动作、声音、姿势和位置变化而发生变化。

要实现VR技术的构想性、交互性和沉浸性三大体验特征,很大程度上依赖于各种动作跟踪技术能捕捉到用户的位置和方向,计算机系统会实时计算和渲染并显示新生成的图像,完成与用户的实时互动。VR技术的规模化发展除了归功于动作跟踪技术发展之外,还得益于高速图形处理器技术、VR便携式装备、全息成像技术、网络(5K)传输技术以及人工智能技术的迭代更新。

2 VR美术教学的应用价值

VR是一种全感官的可视化系统,它在中学美术教育中发挥的作用显而易见。由VR构建的教学平台克服了传统美术教学手段的限制,创设一个易于激发学生想象力的全新学习环境。

2.1 VR美术教学平台

中学传统的现代教育技术手段主要依靠平面维度上的电子白板或影像播放(PPT或视频)。近年来,迅猛发展的VR技术为我们创建全新的教育模式提供了契机。VR技术可以突破二维的教学平台,创建了一个四维(时间+空间)立体的沉浸式仿真环境。学生不仅可以沉浸于人类感知高度近似的虚拟空间中,甚至可以通过手机、头盔、眼镜等交互设备与之全方位游戏互动,让学生建构了新的感知认识。谷歌和黑晶科技等国内外企业纷纷开发了集智能终端、应用平台、优质教学资源为一体的VR教育系统。VR教育主要基于学校无线局域网络,教师可以通过虚拟主机(或PAD)对每个学生端VR头盔内呈现的教学内容进行控制。根据VR教材内容设定,学生也能主动与虚拟环境进行互动,从而激发了同学们的学习兴趣。教师也可以利用VR课件编辑平台进行备课,有效地提升了教学效率和授课效果。

2.2 VR美术教学的应用价值

2.2.1 沉浸式教学环境设计

VR可以促进教学内容的可视化、教学方法的多样化,VR的沉浸性特征能让师生之间、学生之间、人与环境之间产生多重交互。在情境性教学理论里,“学习动机”与“教学情境”是两个核心要素。美国HEREINGTON博士认为,在真实的教学环境中,可以有效地帮助学习者积累知识,其提供的多视角选择也有助于获取解决问题的办法[4]。例如,在美术鉴赏课程,美术老师通过VR技术将理论知识概念可视化、具象化。 VR的沉浸式虚拟环境可以还原画家所处的时代背景,让这些静态的绘画变成了一个个鲜活的“生命”,从而有利于学生全感官感知艺术大师的创作意图。总之,VR技术可以为师生营造直观的教学情境,这样有助于提升学习效能,也便于教师及时调整教学计划和进度,其教学效果显而易见。

2.2.2 构想性教学环境设计

VR的构想性技术特征与建构主义教育理论不谋而合,学习者在过往的知识基础上,通过意义的重构可获取新的知识积累。VR的构想性活动设计正好契合了中学学生心理特点。例如,“月球车”的课程教学中,同学们可根据自己的兴趣构建不同的学习情境,根据VR教材交互环节设定,学生第一步就必须在VR系统中学习天文知识和车辆工程等相关原理,并自己设计出虚拟的月球车形象,自由地“驰骋”在月球上。显然,这种主动性的学习效果要优于传统美术课堂教学模式。

2.2.3 体验式教学环境设计

体验性教学环境设计是指学习者利用VR技术进入到一个沉浸式教学环境中,对所接受到的知识和情感产生相应的心理反应。VR的各种动作跟踪技术和显像技术的升级换代,学生不再受限于屏幕大小,而能在一个360°的全景环境空间中体验。学生不再是一个观望者,而是一种化身为第一人称或第三人称视角的新体验。例如,教师可以边讲雕塑美术理论课,边引导学生使用VR设备,让他们处于虚拟世界中去体验和触摸雕塑大师作品的质感。VR多用户协同学习环境还可以促进美术学科虚拟教研室的发展,从而促进跨地区的校际交流,提升国内各层级学校的美术课教学质量[4]。

3 面临的挑战

中小学基础教育阶段的VR教育实践依旧处于发展的早期阶段,中学美术VR教育实践还面临着在硬件、内容和效能等多方面的挑战。

3.1 硬件层面的挑战

VR教育依托的是技术发展,目前VR在推进技术日常化过程中,还面临着一些技术瓶颈。1) 显示分辨率还有待提高。分辨率问题会影响学生对沉浸式体验教学的效果。2) 健康问题。长期使用头戴VR头盔和手持装备会容易让学生产生眼睛疲劳、眩晕等问题,国内青少年视力普遍偏低的社会问题已经很严峻,这个也将限制VR技术完全进入中小学美术教学课程教学中。3) 无线兼容问题。各大品牌的VR设备还存在着兼容问题,也会限制VR教育的大规模普及。4) 需要添加对现实世界的反馈功能。学生带上VR眼镜和头盔后能进入到一个虚拟世界里,却无法感知到真实世界的反应,这还有待于技术进一步优化,才能做到真实世界和虚拟世界的来回切换。5) 价格问题。中小学教育部门经费有限,决策者被迫选择成本相对低廉的手机VR软件和非集成头显来装备VR实验室。这些低端的VR技术装备体验性较差,更容易引起身体不适。

3.2 内容层面的挑战

近两年来,VR装备技术研发已经取得了突破性进展。中学VR美术教育发展瓶颈还主要是内容资源的普遍匮乏。VR教学过程中,教师很难像制作PPT一样自由编辑美术VR教学课件。显然,这个需要在企业和学校之间形成一个互惠互利的合作机制,政府主管部门还需要进一步出台政策积极推进校企合作。一方面,VR企业要挖掘潜能开发适合学校的性价比高的VR教育系统。另一方面,内容资源开发上,学校能选派专业教师协助VR技术人员,共同开发适合本校的VR美术教育内容资源。

3.3 效果层面的挑战

中学VR美术教学起步较晚,相关的评价机制还未健全。在VR情境下学习,中学生容易将注意力过多的投送在虚拟动画场景里,而虚拟场景中的声光电刺激也将造成学生在认知上的偏差。因此,我们急需主管部门制定一套国家认证标准,规范包括美术学在内的中学学科VR教育教学大纲。此外,虚拟环境下的教师还不能像传统教学方式,即通过观察学生的肢体和语言,就能判断学生是在游戏还是在学习。这就在客观上要求我们研发有效的教学监控系统,以便及时发现和干预学生的各种不良学习习惯。

4 结语

VR技术在中学美术教育中的发展潜力巨大,它为学生提供了全新的教学环境,不仅增强了同学们的学习热情,还提高了任课教师的教学效率。然而,中学美术VR教学实践仍处于起步阶段,在设备、教材等方面存在着诸多问题,这些都将是VR开发企业与教育工作者不可回避的现实问题。