虚拟现实技术赋能图书馆学专业教育的探索与实践

聂加娜

（临沂市图书馆，山东 临沂 276000）

实践教育是学生将课堂基础理论知识应用于实践操作最重要的环节之一，也是解决目前大学人才培养过程中学术型、理论型人才过剩的有益路径，更是为社会培养技术型、应用型人才的关键选择[1]。然而，最新专业技能、前沿实践系统、资深指导专家、问题解决方案和实践教学素材等实践教育资源有时很难得到保障，尤其图书馆学专业作为一门实践性、应用性很强的专业，在人才培养过程中必须引导学生积极参与专业认知实践、操作实践和创新实践活动，不断创新实践教育模式。根据国外商业研究公司的《2022年教育中的虚拟现实全球市场报告》，受新冠肺炎疫情的影响，全球教育领域的VR市场规模预计将从2021年的63.7亿美元，以36%的复合年增长率增长到2022年的86.6亿美元。预计到2026年，全球市场规模将以39.7%的年复合增长率增长到330亿美元左右[2]。在我国，《国家教育事业发展“十四五”规划》《中国教育现代化2035》《教育信息化2.0行动计划》《高等学校数字校园建设规范》等政策的颁布表明国家进入新技术与教育融合的时代，明确提出“利用现代技术加快推动人才培养模式改革”。2019年虚拟仿真实验教学创新联盟成立，2022年国家启动“东数西算”工程，推动云计算、大数据等技术之间的协同建设，加快教育信息化整体实力的提升。因此，基于Web扩大实践教育的可用资源、促进人才培养转型、探索新的图书馆学实践教育范式、弥补传统实践教育方式方法的缺陷成为互联网环境下实践教育的重要变革[3]。基于此，笔者提出了利用VR、互联网技术、信息通信技术及数据库技术构建一个图书馆学专业的虚拟现实实践教育平台（Virtual Practical Education，以下简称VPE）的设想。VPE平台旨在基于现有的信息技术，让学生在参与实践教学的基础上充分吸收和理解课堂理论知识，以此为社会培养复合型人才，也为未来图书馆学实践教学改革提供新的转型思路与改革方案[4]。

1 现代信息技术参与图书馆学专业实践教育的现实挑战

随着云计算、物联网、人工智能等现代信息技术的快速发展，越来越多的课程正在将最新的信息技术应用于实践教学中，不仅丰富了实践教学方法，而且满足了学生多样化和个性化的实践操作需求[5]。目前，关于“互联网+教育”应用于实践教学的研究有很多，有学者囿于理性预期，为现代信息技术成为实践教育的新形态而“大唱赞歌”[6]，但这种“价值优先”和“立场优先”的预先判断并没有过多去考虑信息技术可能带来的风险问题。

1.1 用于专业实践教学的软硬件基础设施明显不足

VPE平台要实现高度的沉浸感和交互性，需要比其他形式的现代在线技术具备更大的计算能力和高速宽带技术，虚拟现实可视化中涉及的大量图形数据意味着使用的计算机需要具有相当高水平的特性，如高显卡和高内存规格。笔者就基于信息技术的实践教学面临的最严峻问题调研了某大学图书馆学专业教师，得到的回复几乎都是“计算机实验室不足、计算机硬件和设备不足以及软件包不足”，可见，用于实践教学的软硬件基础成为阻碍培养信息化人才的最大因素和关键问题。特别是面对大数据时代海量数据处理的需求，数据采集、传输、计算和存储对强大的计算中心、高吞吐量网络传输设备和大型云存储中心服务器提出了更多的挑战。而且受新冠肺炎疫情影响，对学生的远程互联网接入也强调其计算机性能。

1.2 基于互联网建立的实践教学平台互联互通不够

基于互联网服务提供商和移动运营商的现代信息实践教学平台实现了万物互联，大大降低了从管理端到服务端的流量工程。但受边界网关协议、机构防火墙技术、多出口等多种因素的影响，加之各实践管理主体之间信息的直接交换违反了IP互连的通用机密性，从而导致实践教学平台的互联互通问题。边界凸显的另一个表现则是平台使用的复杂程度增加，学生要使用平台之前需掌握各种繁琐的操作技能，比如首先要配置软件运行环境、下载适配器、设置自身的音频或耳机来实现语音通信、使用聊天操作界面等，不熟悉这些技能的学生可能会很难进行接下来的实践教学操作。学习在虚拟世界中操作所需的技术技能，增加了学生额外的学习负担，甚至可能会对虚拟世界可用性的感知产生负面评价，反过来降低学生使用虚拟实践教学平台的意愿[7]。因此，未来实践教学平台的服务场景应该考虑突破互联技术与协议约束，构建具有互联选项、易操作、易上手的新生态实践教学模型。

1.3 开发基于互联网的实践教学系统复杂性日益增加

开发基于互联网的实践教学系统复杂性对制造公司来说是一个真实的挑战。实践教学主管机构向软件制造商提供的数据方案（包括可行性分析、需求分析、概要设计、产品性能等）可能比较简单，但制造商需要改变传统的开发过程，如加入传感器、人工智能、虚拟现实、数字孪生、光学跟踪等嵌入式的物理组件，考虑通信标准、技术架构和数据安全等软要求[8]。同时还要持续关注产品生命周期中运行数据的收集和分析，以便随时调整软件运行轨道。如，目前在线机器人聊天只是使用库存文本来同学生进行交流，但并不能理解学生输入的一些库存文本以外的短语，这就削弱了实践的真实性。因此，未来实践教学平台的开发需要考虑数据和物理技术的互操作、网络物理系统、人机协同、标准化通信协议、同步不同软件语言的愿景，这也极大扩展了传统软件开发的要求和复杂程度[9]。

1.4 工作流程的数字化亟需学生提前具有数字化思维

尽管数字化工作流程极大地方便了人们的工作，但由于自动化和人工智能算法可以在没有人为干扰的情况下做出决策，导致图书馆工作人员的工作职位受到强烈影响，缺乏数字化操作能力的馆员可能面临工作被机器人取代的危险[10]，由此引发馆员对数字化工作流程的抵制。为了减轻工作数字化的不利影响，亟需图书馆学专业学生提前通过互联网实践教学操作平台锻炼自己的数字化思维方式，掌握数字化工作流程，了解工作流程数字化背后的价值过程。

1.5 基于互联网的实践教学平台中数据信任问题凸显

技术的进步促进了信任环境的变化，基于互联网的实践教学平台中数据安全主要涉及的是电子信任（e-Trust）问题[11]，实践教学平台中的电子信任是指学生相信并信任学校或软件供应商提供的系统能够保证个人在线信息行为（包括互动交流信息、文献查阅记录）不会被泄露，进而自信地参与与其他实践主体之间的交流。但虚拟世界是开放、匿名和不受控制的，这意味着在线学生可能不会对自己的行为负责，包括泄露同伴个人信息或者泄露加密的实践教学内容（如涉及知识产权的内容）。未来实践教育平台的构建需考虑电子信任，一方面，可以开放学生使用满意度调查以及投诉处理模块，及时反馈学生意见；另一方面，及时向学生提供有用的实践教育信息，以增强他们对产品或服务的信任，打造良好的电子口碑[12]。

1.6 虚拟现实的表征复杂性增加了学生实践的认知负荷

VR使用彩色图像代替黑白图像[13]、以三维立体展示代替二维平面模型[14]，有了空间化的音频环境[15]，通过物理触摸和物体操纵来刺激触觉[16]，极大地增强了学生的沉浸感和互动感，但这些原本可能只是简单的信息被复杂化处理之后，学生的学习记忆会受到冲击，超出记忆容量之后会导致认知超负荷，进而影响实践教学效果。有学者对生物学学生的实践成果进行测试后发现，使用二维模型对学生的实践更有帮助，原因在于学生在三维模型下需要在较短的时间内对虚拟世界中显示的所有内容做出反应，丰富和复杂的互动实践环境大大加深了学生在实践过程中的认知负荷[17]。任务设计的复杂程度可能会对实践结果产生影响，未来实践教育平台的设计策略要让学生更多关注实践内容本身，减少繁杂、多余的虚拟存在，进而减少认知负荷。

2 图书馆学VPE平台实现框架

现代信息技术为图书馆学专业人才培养创造了绝佳机遇，但也带来了巨大挑战。面对新一轮科技革命，在现有信息技术基础上构建图书馆学VPE平台，让学生在参与实践教学的过程中充分吸收和理解课堂理论知识，是缓解当前实践教育资源不足与贯彻国家有关人才培养模式改革精神的重要途径。

2.1 中心结构

VPE平台所有功能的实现仍然要依靠指导教师的作用，教师需要执行在面对面环境中的功能，如上传实践任务、设置学习空间、提供实践指导、监督实践流程、解释学生问题和引导学生讨论等。虽然VPE平台为教育者（包括教授和接受教育的主体）创造了一个不同的实习环境，但传统教学的知识、策略和能力的培养依然重要。VPE平台中心结构在组织架构上包含了虚拟现实实践指导委员会、虚拟现实实践教育管理主体（管理人员、指导教师和系统维护师）和虚实一体的实践教学平台，具体结构见图1[18-19]。

图1 图书馆学VPE平台中心基本结构

2.2 开发流程

（1）开发目标。构建一个多用户沉浸式、互动式的VPE应用程序，允许实践学生在同一虚拟环境中进行虚拟学习、虚拟训练和虚拟考试，并能和同学进行实时通信和交互。

（2）开发工具。VR-HMD，计算机硬件和软件。使用符合VR标准的笔记本电脑来开发应用程序，软件包包括Epic Games或MyWebAR引擎，使用Microsoft Visual Studio、Autodesk AutoCAD、Autodesk Revit和Autodesk 3ds Max等软件构建完整应用程序所需的模型、场景和脚本。Epic Games引擎内部开发程序，多用户功能是在Epic Games引擎中开发的，导入虚拟模型后，Epic Games引擎可以利用纹理、控件以及CAD知识生成实践虚拟主体，包括构建仿真的虚拟环境所需的实践主体物理头像、实践环境光源等，再通过透视、环境光照混合器、触发框等操纵器对虚拟人物、环境等进行渲染，并通过应用程序中实现的网络协议实现远程连接，包括虚拟实践主体之间的互动、交互以及语音等。虚拟环境中多数实践活动都需要将C#脚本语法附加到虚拟实践主体上，以激活所有网络对象和组件的多用户功能。

2.3 平台功能

（1）共享虚拟沉浸环境。VPE平台允许所有登录的实践主体都能看到彼此的虚拟化身，包括他们的头部和手在虚拟场景中的动作等。

（2）实时虚拟导航功能。包括动作导航——VPE平台为实践主体提供了第一人称控制器，他们可以使用手柄在虚拟场景中任何位置进行移动；语音导航——允许实践主体的虚拟代理（包括化身、聊天机器人、拟人化代理）在虚拟场景中进行实时口头交流，同时为特殊学生（视觉障碍）提供语音播报，引导其进行实践操作。

（3）实时主体姓名标签。VPE平台创建了一个包含输入字段的实时对话框，以允许远程用户在登录虚拟环境之后输入其个性化名称，并和同伴进行文字交流。VPE平台还可以在每个虚拟实践主体头像上方显示名称。

（4）实践数据实时检测。VPE平台设置了一个后台学生实践数据参数收集中心对学生在实践过程中的显性数据和隐性数据进行实时检测、实时分析和实时反馈，指导教师可以根据此反馈数据来进一步改善实践任务设定，了解学生的实践动态。此外，引入“公共建构主义”方法，将之前实践主体的意见都加入后续迭代系统的更新上。

（5）实践内容自主创建。实践内容自主创建突破了以往学生仅依靠实践教学大纲布置进行实践的束缚，学生可以根据自身爱好设置实践内容，如在虚拟环境中设计一本图书的封面或者和同伴在虚拟环境中探讨某一学术热点等，可以极大地锻炼学生的逻辑思维、解决问题、沟通交流以及实践操作能力[20]。

3 图书馆学VPE平台建设机制

3.1 沉浸式虚拟现实为实践教育提供仿真环境

VPE平台所依赖的VR技术最大的特征在于能够给实践主体提供沉浸感[21]，而且随着VR技术配套硬件设备的不断更新升级，如高质量图像渲染技术、VR头戴式显示器技术、虚拟环境中自由移动的外围设备等给实践主体提供了全沉浸式的仿真体验[22-23]，完全区别于传统基于电脑桌面的虚拟环境。目前图书馆学专业学生实践教育不管是采取在图书馆、档案馆、博物馆等观察的形式还是参与实践基地顶岗实习的形式，都不能很好地提高学生的实践操作技能。而使用VR技术生成的虚拟环境来补充实操环境可用信息，可帮助学生实现课堂理论知识的实践化牵引。目前，VR技术在多个学科的实践教育中得到了广泛运用，医学生可以在虚拟环境中复制外科手术[24]，考古学专业学生可通过VR模拟考古所涉及的工作流程[25]，土木工程专业学生通过VR模拟施工现场、理解施工技术，地理信息科学专业学生可通过VR模拟水文流域景观，了解不断演变的地形地貌[26]。

3.2 交互感实现各实践主体间的无缝互动沟通

VPE平台可以实现3D场景及其相关组件（包括物理仿真引擎——如头部跟踪、位置计算、运动控制器、红外摄像机、触觉手套、AI代理等——和视触觉界面）与行为主体之间的高度交互，能模拟足够的环境细节和提供超高的互动速度，构建一种允许许多同学同时使用的在线三维虚拟环境，即多用户虚拟环境[27]，从而唤起学生类似于真实体验的交互体验，不仅可以实现人机交互，而且能够提供基于共享空间的师生交互、生生交互等，以相互讨论并反思他们的实践操作是否规范等。人机交互为学生提供了完全个性化和身临其境的体验，更增加了实践主体在虚拟环境中的存在感和行为感。各实践主体之间基于共享空间的交互近似于物理上的在一起，能实现各主体之间的双向交互，升华在协作环境中的团结感。

3.3 实时反馈实习情况以调整任务计划

VPE平台可根据学生丰富的虚拟实践数据参数（如实践计划完成度、参与表现、实践总时长、实践操作的准确性和误差、实践态度等）来进一步改善实践任务设定，了解学生的实践动态。同时实践教学组织者可根据实践数据对学生的实践表现进行评估，以更好地提高学生的实践操作技能，从而降低在现实工作中的误操作率。虚拟现实模拟操作是补充传统实践中馆员与用户相互关系的有用工具，身处封闭空间中的实践主体会沉浸在三维环境的感知错觉中。如通过虚拟成像模式和算法技术，学生可以可视化某一读者的借阅行为，据此将虚拟成像作为一种读者咨询服务计划或服务导航工具，以设定服务前的计划、服务中的指导和服务后的监测，实现个性化的服务。

3.4 自主创建实践内容培养4Q型人才

拥有IQ（智商）、EQ（情商）、AQ（逆境商）、LQ（领导力商）的“四商复合型人才”是现代高素质人才应具备的重要属性，VPE平台允许学生根据实际情况自主创建实践内容，对培养“四商复合型人才”具有重要作用。在IQ培养上，学生参与到虚拟世界之后根据他们喜欢的方式定制实践任务，包括图书信息检索平台的使用、文献信息编目、RFID标签数据加工、图书的馆际互借与远程文献传递、数字化软件的操作、Internet信息资源的评价和引用等，将课堂理论与实践操作相结合，实现学生高阶思维的锻炼，如分析、评估和创造的能力，以及学生低阶思维的锻炼，如记忆、理解和应用等[28]；在EQ和LQ培养上，VPE平台提供了在线实时互动功能，可通过交流锻炼学生的沟通能力、组织能力和领导能力等；在AQ培养上，实现随时关注对学生的团队协作能力、工作抗压能力的培养。

3.5 虚拟现实技术拓展与整合实践教学资源

现代信息技术变革了图书馆学实践教学模式，VPE平台在充分考虑用人单位需求的基础上，有效整合线上线下教学资源，连接学校、实践基地、指导教师、学生四端于一体。首先，传统的线下实践教育可以扩展到在线模式，不仅可以充分利用网络环境来提高实践教育的有效性和实施效率，还可以大大节省空间和人员成本。其次，线上实践教育和线下实践教育资源或场景的结合，可以实现实践教育资源的整合与融合，学生也可以尽早适应图书馆的物理空间在互联网时代的变化特征。最后，在实践场景的构建上可以实现学生到不同部门进行仿真工作，如党政部门、企事业单位，甚至可以扩展至一些出版社、报社、政策研究机构、电视台等，构建在行业性质、行业种类、经营特色等方面都有所突破的虚拟实践教育基地群，实现实践教学基地的多样化建设。

3.6 虚拟情境让更多特殊群体参与实践教学

VPE平台在具体措施的实施及服务上不仅考虑了普通学生的需求，更重要的是兼顾了一些特殊群体（即存在操作障碍的学生，如视觉障碍、听力障碍等）的需求，对于这部分学生的培养，一方面要让其自身能够参与到正常的实践教学中，切身感受知识的魅力，另一方面也有助于他们在以后的工作中可以去服务和他们具有相似经历的特殊读者。如，对于视觉障碍的学生而言，可能更多地需要依赖音频进行引导而不是键盘交互。VPE平台可以通过虚拟情境创建，利用互联网语音协议（Voice over the Internet protocol，VoIP）解决实践主体的视力问题，利用流视频或流语音技术来帮助分发实践教学内容，利用聊天或即时通讯工具（InstantMessaging，IM）来提高特殊学生与指导教师之间沟通的效率和有效性。VPE平台实现了特殊学生的“第二人生”（Second Life，SL），对保障他们平等学习的权益具有很重要的社会意义和应用价值。

4 结语

使用虚拟现实技术赋能图书馆学专业学生在线实践教育显然有许多优势，尽管虚拟实践教学平台在设计实践任务时可能会面临一些相关技术等问题，但倡导学生参与在线实践契合国家“用现代技术加快推动人才培养模式改革”的号召，能够帮助学生掌握他们未来可能需要的技能。VPE平台在实现真实和虚拟信息数据流的互动、完全沉浸式的体验和多感觉的融合方面还存在不足，在未来的建设中，随着新的输入和输出设备的出现，将使虚拟现实中的学生和物体之间进行更自然的互动，同时期待着虚拟世界与增强现实、增强虚拟技术和3D打印等其他技术与实践教育平台的融合。当然，要实现笔者构建的实践教育平台以及未来平台的创新发展还依赖于制度规范的护航、缜密科学的规划、资源分配的均衡和相关部门的有力支持。