虛擬現實技術在科普教育中的應用

周佳卉 徐蕾 劉楠 顧潔燕 王瑜

摘 要 虛擬現實技術由于其交互性、沉浸性、構想性、直觀性、形象性，近年來已被廣泛應用于科普教育活動中。通過梳理虛擬現實技術在國內外的應用情況及理論基礎，探討了博物館虛擬現實科普教育資源的特征與需求，并以上海自然博物館的昆蟲VR系列視頻為例，介紹博物館虛擬現實科普教育資源的開發與設計。

關鍵詞 博物館 科普教育 虛擬現實

0 引言

隨著網絡通信與多媒體技術的高速發展，使得科普教育活動的形式不斷多樣化。目前，在科普教育活動中常見的多媒體數字內容主要包括：視頻、flash動畫、3D/4D電影、虛擬現實成像以及全息投影成像等[1]。

虛擬現實技術，是一種可以創建和體驗虛擬世界的計算機系統[2]。它融合利用了計算機圖形技術、人機接口技術、多媒體技術、傳感技術、仿真技術等，可以讓受眾在仿真的虛擬環境中擁有視覺、聽覺、觸覺等多方位、多感官體驗[3]。利用虛擬現實，受眾可與虛擬世界中的各種對象進行交互性操作，如互動體驗或信息交流，從而獲得身臨其境的“真實”體驗[4]。這種全新的人機交互模式自問世以來，已經被迅速擴展并融入醫學、軍事航空、工業仿真等各個領域，同時它在科普教育中也有著極高的應用價值。隨著我國科普教育事業的不斷創新與發展，承擔著非正規教育職能的博物館也應當思考，如何利用虛擬現實技術更好地開展科普教育工作。

本文簡要梳理了虛擬現實技術在國內外的應用情況及理論基礎，并以上海自然博物館的昆蟲VR系列視頻為例，介紹了博物館虛擬現實科普教育資源的開發與設計，以期拋磚引玉，為同行提供一些參考。

1 虛擬現實在國內外科普教育中的應用

虛擬現實技術具有沉浸性、交互性、構想性、直觀性、形象性等特點，在教學中的應用潛力巨大，具有激發學習動機、創設學習情境、增強學習體驗、感受心理沉浸、跨越時空界限、動感交互穿越和跨界知識融合等多方面的優勢[5]。首先，虛擬現實為自主學習提供了有利的條件，學習者可以利用設備隨時隨地進行自主學習。比如，Google公司推出的Cardboard，雖然僅包含紙板、凸透鏡、橡皮筋、魔力貼等簡單的小部件，但用戶卻可以自己組裝，以非常低廉的價格擁有一副3D眼鏡，再加上一部智能手機就構成了VR設備。其次，虛擬現實提供的“真實”場景可將難以想象的東西以三維形式直接呈現出來，幫助學習者對知識的理解和記憶。比如，外科醫生可利用虛擬現實技術，對成千上萬的醫學生進行手術教學[6]。最后，由于虛擬現實技術創造了身臨其境的感受與豐富的交互體驗，新穎的形式可以喚起學習者的興趣，為學習者提供觀察、操作及與他人合作的機會，促進了知識的建構過程[5，7]。

在科普教育中使用虛擬現實技術，一方面可以突破時間與空間的限制，模糊受眾的年齡限制，讓現實中無法實現或展示的內容成為可能，彌補客觀條件的不足，創造一種良好的虛擬學習空間。另一方面，沉浸式體驗也讓受眾將被動學習、接收信息轉化為主動探索、粘性學習，進一步啟發受眾的想象力與創造力，激發創造性思維，成為一種科普教育傳播的新渠道[3]。

目前，虛擬現實技術在國外科普教育中的應用涉及科學實驗、科普游戲等。英國廣播公司拍攝了紀錄片《地球》，借助虛擬現實技術帶領觀眾觀察已經滅絕的生物——恐龍;瑞士巴塞爾大學通過虛擬現實技術幫助學生深入了解人體胸腔器官的結構;西班牙國立考古博物館推出了一款虛擬現實應用，向觀眾展示不同時期的西班牙，從舊石器時代的洞穴深處、羅馬帝國時期的城市廣場到阿拉伯統治時期的街頭集市。此外，影片《紫禁城：天子的宮殿》利用虛擬現實技術重現考古發掘場景，展現故宮內一些無法對外開放的景點，讓觀眾能夠了解文物及其背后的故事。在首都博物館的“王后、母親、女將——紀念殷墟婦好墓考古發掘四十周年特展”中，觀眾可以通過VR眼鏡“親臨”婦好墓穴，前往內部上下六層，一睹隨葬品的現場風貌。

綜上所述，虛擬現實技術呈現的是一個動態、開放的環境，受眾可以從任意有價值的角度觀察虛擬世界的元素，進行交互性操作，從而獲得“真實”的體驗。

2 虛擬現實在科普教育中應用的理論基礎

2.1 建構主義學習理論

建構主義學習理論認為學習不是由教師把知識簡單傳遞給學生，而是由學生自己建構知識的過程，也就是說，學習不是被動接收信息，而是主動構建意義[1]。虛擬現實技術通過獨特的沉浸式體驗，讓觀眾能夠在“真實”的環境中，基于自身已有的認知水平和經驗，去主動獲取知識與信息，分析知識的合理性。同時，虛擬現實技術擁有構想性特征，它模擬的場景將抽象的概念具象化，讓觀眾可以突破生理與時空限制，進入宏觀或微觀世界去探索與觀察，打破固有的思維模式，激發想象力與創造力。

2.2 情境體驗式學習理論

情境體驗式學習理論融合了情境學習理論與體驗式學習理論[8]。情境學習理論認為，知識的學習、運用與實踐都是在一定的情境中進行的，知識的意義應該在真實的活動或情境中建構，學習者在真實的情境中學習與探究才能最終對各類問題形成多樣化的解決策略。體驗式學習主要是通過學習者自主探究或協作的方式來學習，它認為學習過程是抽象經驗和具體經驗之間相互轉化的過程，注重學習過程中的經驗轉換和情感升華。虛擬現實技術通過創設生動真實的情境，引導觀眾將獲取的經驗與已有的認知相聯系。

2.3 自主學習理論

自主學習理論是指學習者自主選擇學習內容、目標、材料、策略與模式，強調學習者與環境之間的相互作用以及協作學習的重要性，自主學習的過程以自主探究、啟發式學習、協作式學習為主[8]。在虛擬現實技術創設的虛擬學習情境中，觀眾可以進行自主學習與合作探究，并通過交互性操作了解學習進程與反饋，因此，觀眾可以充分發揮自主性，通過探究活動和相互協作來建構知識。

2.4 沉浸理論

沉浸理論又稱為“流體驗理論”，是指當個體全身心投入一件事并獲得愉悅感達到忘我境地時，就產生了心流，這種狀態是學習者融入虛擬情境中進行學習體驗的最佳狀態。虛擬現實技術提供的沉浸式體驗，有助于觀眾提高學習效能與效果。在虛擬環境中，觀眾是學習與探究的主體，其學習興趣、效率、動機等方面都有所提高[8]。

2.5 行為主義學習理論

行為主義學習理論認為學習起因于外部刺激，通過對環境的“操作”和對行為的“強化”，任何行為都能被創造、設計、塑造和改變[1]。虛擬現實技術將科學內容融入創設的“真實”情境中，充分發揮了環境的“刺激”作用，從而引導觀眾產生正確的機體反應。

3 博物館虛擬現實科普教育資源的特征與需求

博物館教育作為一種非正規教育，以陳列展覽等實物為基礎，反映科學事實與內容，從聽覺、視覺等多感官角度去促使觀眾觀察、思考及探究，進而獲得知識經驗。這種接觸、理解和記憶知識的方式有別于學校、社會教育機構等其他知識媒介[9]。如果學校教育的特征可概括為立足課堂、基于教材、傳播間接經驗的授受式學習，那么與此相對，博物館教育的特征則可概括為來自展品、基于實物、傳播直接經驗的體驗式學習、探究式學習[10]。

因此，博物館教育應當考慮觀眾的特點，以特有方式來呈現其所要傳播的知識。筆者認為在博物館虛擬現實教育資源的開發與設計過程中，要合理注入知識內容與思想內涵，即將科學知識的傳播與教育目標的實現相結合，并利用情境導入、懸念吸引等方式來增強趣味性與故事性。

4 博物館虛擬現實科普教育資源的開發與設計

下面以上海自然博物館的昆蟲VR系列視頻為例，從選題依據、內容策劃與視頻制作三個方面分析博物館虛擬現實科普教育資源的開發與設計。

4.1 選題依據

昆蟲是世界上數量最多的一類動物，它與我們的生活息息相關，但卻有著和人類完全不同的生物學特點。然而，昆蟲因其體型微小，活潑善動，往往不宜對其進行近距離的觀察。

由表1可知，目前上海自然博物館共有16個昆蟲主題的教育活動，目標人群覆蓋學齡前、小學、初中、高中及親子家庭。昆蟲VR系列視頻旨在將館內已有的原創活動與虛擬現實技術結合，以期豐富展覽教育形式，深化展覽教育內容，強化展示教育效果，讓觀眾走進奇妙有趣的昆蟲世界，激發大家進一步觀察自然、探究自然的熱情。

4.2 內容策劃

在分集內容的選擇上，通過前期調研發現，昆蟲的發聲、偽裝、生活史、取食以及發光這五個方面是觀眾感興趣卻僅憑標本等無法深入了解的內容。如表2所示，昆蟲VR系列視頻共有5集，單集視頻時長3 min，以“蟲出江湖”為主題，將觀眾作為第一視角，讓他們“縮小”后進入昆蟲世界。

如基于上海自然博物館“繽紛生命”展區的“森林音樂家”展項，研發團隊將鳴蟲作為故事的主角，策劃了分集故事《仲夏三“蟲”奏》。鳴蟲，帶給人們自然界的“天籟之音”，傳遞四季的變化消息。生活在鋼筋混凝土城市中的我們，往往會忽視這群活潑可愛的鄰居。在夏秋之際，偶然聽到蟲鳴，人們內心或許會產生一種與自然聯結的欣慰，但卻往往又覺得這些小東西難以找尋與親近。視頻從鳴蟲的生活環境切入，重點展示迷卡斗蟋、優雅蟈螽和日本紡織娘這三種蟲子獨特的發聲方式。通過虛擬現實技術，觀眾可以穿梭在夏日夜晚的灌木叢中，近距離觀察鳴蟲的摩擦發聲，從而了解它們的生活環境與活動習性，體驗到別樣的城市野趣。

如圖1所示，在視頻畫面中出現的放大提示框進一步展示了鳴蟲動作的細節，比較蟋蟀類與螽斯類鳴蟲利用左右前翅的相互摩擦發聲的細微差異。在昆蟲VR系列視頻中，均使用了提示框的形式來引導觀眾在情境中仔細觀察。如在講述昆蟲生活史的《蟲大十八變》中，由于短時間內無法完整描述蜻蜓、蝴蝶等昆蟲的所有蛻皮發育階段，因此也采用了提示框的形式來向觀眾傳達這類昆蟲在成長過程中會經歷的變化，既吸引了觀眾的注意力，同時也精簡了鏡頭語言。

在故事情節的設置上，研發團隊充分考慮了增加懸念。比如，在《覓食“蟲特工”》中，觀眾戴上VR設備后將置身于非洲大沙漠，雄性蜣螂能否將超出自身體重若干倍的大糞球順利帶回洞穴，成功獲得雌性蜣螂的歡心？帶著這樣的謎團，觀眾通過完整觀察一只雄性蜣螂的覓食過程，可以生動了解到非洲蜣螂的運動方式與求偶方式，感受小昆蟲的大力量。昆蟲的一舉一動無不牽動著觀眾的心，這些懸念帶動了故事情節的發展。

最后，視頻故事中有許多細節等待觀眾去探索。觀眾可以基于已有的知識經驗，通過VR視頻發現更多新鮮有趣的內容，從而建構新的知識。比如，在《暗夜蟲精靈》中，觀眾戴上VR設備后將置身于山洞中，發出亮光的蕈蚊幼蟲正在設下一張極度危險的絲網陷阱，此時正巧飛過的一只小蟲將命運如何？

4.3 視頻制作

（1）昆蟲掃描與模型搭建

如圖2所示，為了還原最真實的昆蟲形態特征，研發團隊采取昆蟲活體掃描的方式，前期采購了一批活體昆蟲，經專家進行科學鑒定后利用三維逆向掃描技術進行建模。三維掃描系統主要利用空間物體外形、結構及色彩的掃描，將物體立體信息變換為可利用計算機進行直接處理的信號，以獲得物體空間的表面坐標，從而實現物體的三維掃描[11]。由于傳統的三維激光掃描系統校準精度不高，掃描速度較慢，效果不是很理想[12]。因此，研發團隊引入了逆向工程技術，以昆蟲的形狀、表層數據點為研究對象，先實現數據的高精度捕捉，獲得昆蟲表面的點云，再通過三維點云數據拼接軟件與三維曲面擬合軟件對昆蟲進行三維數字化建模。最后，再根據昆蟲的高精度尺寸，并利用相關的三維設計軟件對模型進行修正。

（2）自然場景制作

在VR視頻制作過程中，場景搭建是重要的環節，只有真實的場景才能給予觀眾沉浸感與體驗感。“虛幻引擎”是美國Epic Games公司的一個高性能軟件開發套件，在虛擬場景制作中，它可以幫助開發者生成非常復雜的虛擬元素，虛擬環境中的陰影如同在真實場景中透射一般，從而生成照片級別的布景[13]。因此，在本項目中，研發團隊利用虛幻引擎來搭建場景，提高虛擬場景的真實性和還原度。如圖3所示，在水下環境中模擬了真實的陽光通過水面后反射和折射產生的陰影。如圖4所示，在較為廣闊的沙漠環境中，則使用定向光源與天空光源來保證場景同時具有陽光和天光，同時也模擬了自然光照在地面上生成的逼真陰影，還原了現實世界中遠景在接近地平線高度上的模糊現象。

（3）畫面剪輯與鏡頭語言

VR視頻給觀眾帶來了豐富的空間維度，但其中場景的切換也對生理舒適度、沉浸感等有一定的影響。當VR視頻中的鏡頭切換或畫面跳轉時，觀眾需要重新適應整個環境空間，若影片主體運動速度過快，觀眾便難以捕捉到剪輯點，鏡頭的快速切換可能會造成眩暈之感[5]，甚至出現跟不上情節發展的情況。因此，VR視頻的剪輯與敘事手段對于觀眾的體驗感而言尤為重要。研發團隊在故事敘述中采取了光點引導的方式，觀眾戴上VR設備后，會在一個由光點代表的小精靈的帶領下去觀察、體驗昆蟲世界正在發生的故事，這種引導模式能夠帶給觀眾一定的指引作用，同時也并未干擾他們自我探索與發現的視線。

5 不足與展望

研發團隊邀請了相關領域的學科專家審核，并希望觀眾在參與后提供修改意見，但遺憾的是，項目整體未能設計完整的評價體系，缺乏系統的數據支持，因此在評價反饋上還有待完善。

此外，昆蟲VR系列視頻的設計初衷是讓觀眾化身為昆蟲大小，置身于昆蟲世界。若能引入更多的互動環節，如通過操作手柄與場景中的昆蟲產生一些互動，將給予觀眾更佳的體驗感。因此，日后可以在視頻中增加交互性的操作任務，讓觀眾從“只能看”變為“能看、能動”。

上海自然博物館的昆蟲VR系列視頻基于館內已有的展示教育資源，利用虛擬現實技術將科學性與趣味性相結合，實現了體驗式、沉浸式的科學傳播。VR視頻豐富了博物館展示教育資源的形式和內容，帶領觀眾穿越時空，體驗到自然的多彩與樂趣，期待未來虛擬現實技術能在博物館得到廣泛的應用。

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作者簡介：周佳卉（1991—），女，從事科普教育工作，E-mail： zhoujh@sstm.org.cn。