虛擬教學(xué)資源創(chuàng)作實踐

陳玥冰， 羅立宏

（廣東工業(yè)大學(xué)數(shù)字媒體系，廣州510006）

0 引 言

早在70年代初虛擬現(xiàn)實已經(jīng)開始應(yīng)用在軍事、航天等領(lǐng)域，由于計算機(jī)的硬件設(shè)備和軟件開發(fā)并未成熟，與之高昂的開發(fā)成本等原因，虛擬現(xiàn)實在其他領(lǐng)域的應(yīng)用受到限制［1］。2010年數(shù)字化產(chǎn)品應(yīng)用和傳播空前繁榮，VR技術(shù)乘風(fēng)啟航，其沉浸性、交互性、和構(gòu)想性的特征，引發(fā)行業(yè)的投資熱潮，2015年全球投資劇增至35億美元，2016年投資達(dá)到巔峰［2］。但國內(nèi)VR投資資金多集中在硬件研發(fā)上，優(yōu)秀的VR作品相對貧乏，遠(yuǎn)不能達(dá)到大眾在娛樂、學(xué)習(xí)、生活等的應(yīng)用需求。為滿足多方位的應(yīng)用需求，虛擬現(xiàn)實投資市場紛紛調(diào)整戰(zhàn)略，國內(nèi)的樂相大朋、華為和小米等VR硬件設(shè)備廠家，開始與娛樂、教育、文化、旅游等行業(yè)對接，以實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實行業(yè)全面的生態(tài)整合。2018年2月由教育部印發(fā)的《教師教育振興行動計劃（2018-2022）》指出，利用云計算、虛擬現(xiàn)實、人工智能等新技術(shù)推動教學(xué)改革［3］；2018年9月由國家發(fā)改委發(fā)布的《關(guān)于發(fā)展數(shù)字經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定并擴(kuò)大就業(yè)的指導(dǎo)意見》指出，采用互聯(lián)網(wǎng)、虛擬現(xiàn)實與增強現(xiàn)實、人機(jī)互動等技術(shù)推廣微課、混合式教學(xué)［4］；2018年9月由教育部印發(fā)的《關(guān)于實施卓越教師培養(yǎng)計劃2.0的意見》指出，利用虛擬現(xiàn)實、增強現(xiàn)實和混合現(xiàn)實建設(shè)交互性的課程資源［5］。哈佛大學(xué)的一位教授在采訪時提出“先發(fā)展，后整合”的觀點［6］，VR以新技術(shù)的性質(zhì)與教育需求結(jié)合，其引發(fā)的教育創(chuàng)新思維包含了未知的風(fēng)險，同時也加速教育的創(chuàng)新發(fā)展。

1 教育類VR的功能

傳統(tǒng)教學(xué)在不斷尋找方法讓教育跟上技術(shù)發(fā)展的速度，納入創(chuàng)新的數(shù)字化教育渠道，提高解決抽象的、難以理解知識點的效率［7］，如CAI計算機(jī)輔助教育，提供圖像、PPT課件、數(shù)字動畫等的輔助教學(xué)資源；立體呈現(xiàn)虛擬現(xiàn)實技術(shù)讓學(xué)生置于虛擬的空間感知知識，虛擬現(xiàn)實正在成為教育發(fā)展的下一步［8］。

1.1 提高教學(xué)質(zhì)量

積極參與是優(yōu)秀教學(xué)的關(guān)鍵，VR內(nèi)容與課程內(nèi)容結(jié)合有效地增強學(xué)習(xí)效率和深度學(xué)習(xí)，學(xué)生可以通過輕松娛樂的方式理解和記憶知識難點［9］。北京“微視酷”用一套系統(tǒng)支撐VR教育［10］，相當(dāng)于Windows或Android的控制平臺，開發(fā)便捷的課堂VR資源；2017年華東理工大學(xué)“污水廠VR教學(xué)案例”還原污水處理廠現(xiàn)場［11］，解決學(xué)生對抽象知識的模糊理解（見圖1）。

1.2 在特定背景下學(xué)習(xí)

在教育中使用VR創(chuàng)建歷史背景或地理背景，相比文字圖片描繪的情境，理解深度的差異是極其顯著的。例如在書中了解的月球的各個階段，和把他們放置到月球表面去探索地球；再如學(xué)生在第一次世界大戰(zhàn)時站在戰(zhàn)壕中可以獲得的理解和情感體驗；漢密爾頓學(xué)院的印度教神社和寺廟“數(shù)字人文計劃”［12］，用于理解加耶及其神社的發(fā)展；斯坦福人類計算機(jī)交互實驗室發(fā)布的海洋酸化體驗［13］，通過HTC Vive觀察二氧化碳對海洋生物的影響等。

1.3 VR成為學(xué)習(xí)的助手

通過書本學(xué)習(xí)記憶醫(yī)學(xué)知識是非常艱難的，小白鼠解剖實驗成本既高又不可重復(fù)，VR為復(fù)雜的臨床操作提供訓(xùn)練渠道和記憶手術(shù)步驟等給予有效的幫助，充分利用VR的沉浸教育方式，解決醫(yī)學(xué)和科學(xué)等領(lǐng)域的教學(xué)困難。斯坦福大學(xué)的虛擬心臟允許用戶在心臟內(nèi)“傳送”［14］，以了解復(fù)雜的先天性心臟缺陷，提高留存率和熟練程度，在全球范圍內(nèi)共享寶貴的資源，并節(jié)省高昂的培訓(xùn)和時間成本（見圖2）。

圖2 斯坦福大學(xué)的虛擬心臟

1.4 體驗設(shè)計的自由

在VR里允許創(chuàng)建3D模型，你可以把創(chuàng)意想象通過色彩、畫筆等工具設(shè)計作品，或者你可以在一個畫框里體驗自由構(gòu)圖的訓(xùn)練，在身臨其境的虛擬世界里在不同的角度觀察和創(chuàng)作作品。

綜上所述，VR適用于人文歷史、學(xué)科教育、自然科學(xué)、工程科學(xué)、語言文化等知識的虛擬呈現(xiàn)，VR教育市場逐步發(fā)展，行業(yè)應(yīng)了解教育、針對知識難點制定VR內(nèi)容，滿足提高教育功能的需求［15］。

2 《設(shè)計構(gòu)圖的VR體驗》案例的設(shè)計與實現(xiàn)

教學(xué)資源將VR虛擬現(xiàn)實技術(shù)與藝術(shù)思維密切交融，深層滲透在一起。戴上頭顯沉浸在虛擬的3D水墨藝術(shù)環(huán)境，這是除了夢境唯一到達(dá)另一個世界空間的通道［16］。參與者可以在本項目中大膽創(chuàng)造，把腦海中的各種構(gòu)思變成看得見的虛擬物體和環(huán)境，人們可以在這里理解和體驗構(gòu)圖設(shè)計，提高美感認(rèn)知。

下面為內(nèi)容設(shè)計者開展同類教育資源設(shè)計時提供案例素材，并通過教學(xué)活動和體驗數(shù)據(jù)證明本教學(xué)資源的可行性［17］。

2.1 基于VR技術(shù)的構(gòu)圖教學(xué)方法

通過可穿戴設(shè)備進(jìn)入構(gòu)圖訓(xùn)練的虛擬場景，根據(jù)場地空間和感應(yīng)器可探測范圍設(shè)置活動區(qū)域，有“瞬間移位”和“漫步至目標(biāo)位置”兩種方式位移，對手柄輸入操作指令（見圖3），實現(xiàn)與虛擬世界的人機(jī)交互［18］。

圖3 手柄按鍵功能分配

在構(gòu)圖訓(xùn)練場景中，對預(yù)先構(gòu)建的創(chuàng)作實體進(jìn)行選擇，確定目標(biāo)實體后實現(xiàn)抓取功能，預(yù)設(shè)的創(chuàng)作實體即刻復(fù)制生成新的實體，不松開抓取按鈕情況下可跟隨手的移動坐標(biāo)，放開抓取按鈕后實體停留在最后抓取按鈕計算的坐標(biāo)上，再者，當(dāng)進(jìn)入構(gòu)圖畫框設(shè)定的計算范圍時，物體將生成于畫框中心位置。抓取事件的設(shè)計是為了實現(xiàn)下一步的擺放事件，對畫框內(nèi)實體觸發(fā)進(jìn)行移動、旋轉(zhuǎn)和縮放（見圖3），對預(yù)設(shè)實體在畫框內(nèi)進(jìn)行排布，根據(jù)創(chuàng)作需求用于創(chuàng)作不同主題的作品（見圖4）。

圖4 構(gòu)圖訓(xùn)練

以國畫布局的基本理論為方法，提取賓主、疏密、虛實、留白作為評分規(guī)則的計算依據(jù)［19］，對構(gòu)圖畫面進(jìn)行評分。通過獲取所述構(gòu)圖畫框界面對角兩點的坐標(biāo)，將構(gòu)圖畫框界面分割成n份，并發(fā)射n條射線進(jìn)行射線檢測，構(gòu)圖規(guī)則包括以下方法：

（1）賓主計分。通過射線檢測，獲取構(gòu)圖畫框界面中對應(yīng)物體的畫框占比，在所有對象占據(jù)的格子數(shù)中，獲取格子數(shù)的最大差值；若差值大則證明有一個對象的格子數(shù)遠(yuǎn)超于其他對象的格子數(shù)，則為主。差值越大則主賓對比越強烈則分?jǐn)?shù)越高。根據(jù)所述差值確定賓主計分?jǐn)?shù)值，差值越大則賓主計分?jǐn)?shù)值越高。

（2）疏密計分。獲取檢測返回的格子矩陣，按照順序依次進(jìn)行檢索，可以為從左到右從上到下的順序，若檢索到未檢索過的對象，則記錄到一個數(shù)組中，并擴(kuò)散檢索對象四周的4個對象，若再次檢索到未檢索過的對象，則繼續(xù)檢索的過程，將檢索到的相鄰的對象的數(shù)量記錄到一個數(shù)組中，獲取最大數(shù)量差值，根據(jù)所述最大數(shù)量差值確定疏密計分?jǐn)?shù)值，最大數(shù)量差值越大則疏密計分?jǐn)?shù)值越高。

（3）虛實計分。通過射線檢測獲取到對應(yīng)的對象的坐標(biāo)，比對對象的坐標(biāo)來判斷對象是否距離拍攝設(shè)備超過了指定距離，若距離超過所述指定距離，則為虛，否則為實，根據(jù)虛實對象數(shù)量對比數(shù)值確定虛實計分?jǐn)?shù)值，虛實對象數(shù)量對比與預(yù)設(shè)第一比例差距越小則虛實計分?jǐn)?shù)值越高；預(yù)設(shè)第一比例可以為1∶1。

（4）留白計分。獲取射線檢測返回的格子矩陣，檢索獲取有對象的格子數(shù)量和沒對象的格子數(shù)量，進(jìn)行對比，根據(jù)有對象的格子數(shù)量與沒對象的格子數(shù)量的比例確定留白計分?jǐn)?shù)值，有對象的格子數(shù)量與沒對象的格子數(shù)量的比例與預(yù)設(shè)第二比例差距越小則留白計分?jǐn)?shù)值越高。預(yù)設(shè)第二比例可以為3∶7或7∶3。

根據(jù)上面各項計分，將各項計分相加之和取平均值來得到構(gòu)圖得分。當(dāng)然還可以采用不同計分項對應(yīng)不同的權(quán)重來計算最終的構(gòu)圖得分。進(jìn)一步地，在所述按照預(yù)設(shè)評分規(guī)則對所述構(gòu)圖畫面進(jìn)行評分，得到構(gòu)圖得分之后還可以對多個構(gòu)圖畫面的構(gòu)圖得分高低，生成顯示信息顯示在排行榜上，所述顯示信息包括：排行榜界面、構(gòu)圖得分、角色信息。通過排行榜可以清楚的記錄每次設(shè)計構(gòu)圖的得分排名。通過元素擺放可以快速進(jìn)行構(gòu)圖設(shè)計，便于反思、調(diào)整和修改。

2.2 傳統(tǒng)藝術(shù)風(fēng)格呈現(xiàn)，提升體驗沉浸感

漫游場景（見圖5），參與者可以帶著設(shè)計構(gòu)圖的課題進(jìn)入場景，從聽老師教授轉(zhuǎn)變?yōu)橛H身經(jīng)歷，在場景中自由游覽采風(fēng)，身臨其境體會國畫意境，在實踐感知中，獲取更多的藝術(shù)靈感和創(chuàng)作動力，有利于學(xué)生們藝術(shù)修養(yǎng)的養(yǎng)成和中華優(yōu)秀傳統(tǒng)文化的傳承［20］。

圖5 漫游場景

在游覽時，對手柄操作實現(xiàn)交互功能，滿足學(xué)習(xí)和娛樂需求。如UI交互菜單包含作品賞析功能、拍照功能、幫助功能，以及構(gòu)圖訓(xùn)練、游覽關(guān)卡和首頁關(guān)卡切換功能（見圖6）。再者，可在感應(yīng)器范圍內(nèi)移動或者通過瞬移方法移動，在場景自由游覽（見圖7）；去到風(fēng)景優(yōu)美的地方，打開你的相機(jī)拍下美好瞬間（見圖8）；可與帶藍(lán)色圖標(biāo)物體互動（見圖9）。

圖6 UI菜單

圖7 移動功能

圖8 相機(jī)功能

圖9 抓取功能

2.3 教學(xué)需求

利用VR情境，將學(xué)生學(xué)習(xí)的注意力從老師的PPT和一堆令人迷惘的圖片資料中解脫出來。學(xué)生進(jìn)入水墨風(fēng)格的VR仿真系統(tǒng)后，通過聽、看、觸摸、移動、交互等方式觀察和思考［21］。突破學(xué)生學(xué)習(xí)動機(jī)難激發(fā)的教學(xué)難點，讓學(xué)生在情境中不知不覺地產(chǎn)生學(xué)習(xí)期待，按照從使用→學(xué)習(xí)→檢驗→鞏固的學(xué)習(xí)過程，順利完成學(xué)習(xí)任務(wù)。學(xué)習(xí)情境可以循環(huán)呈現(xiàn)，無限次滿足學(xué)生體驗和驗證的欲望，降低對老師和環(huán)境依賴，增強獨立學(xué)習(xí)的能力，根據(jù)自己的學(xué)習(xí)進(jìn)度量體裁衣。

遵循智慧型技能學(xué)習(xí)過程的心理學(xué)原理，依據(jù)項目教學(xué)設(shè)計思路，以《設(shè)計構(gòu)圖的VR體驗》虛擬教學(xué)資源為情境，設(shè)計了3個等級的教學(xué)活動：一次體驗，學(xué)習(xí)國畫構(gòu)圖形式的運用，掌握基本概念；二次體驗，構(gòu)圖理解的反思與改進(jìn)；三次體驗，強化學(xué)生國畫構(gòu)圖設(shè)計能力，培養(yǎng)國畫思維［22］。帶著問題的學(xué)習(xí)方法，提高解決問題的能力，促進(jìn)學(xué)生的深度參與及深層學(xué)習(xí)。

課程結(jié)束后對課程中30位學(xué)生問卷調(diào)查取樣（見圖10），分析和評估教學(xué)資源的有效性、學(xué)生學(xué)習(xí)動機(jī)和參與度，得出以下結(jié)論：學(xué)生對VR身臨其境的水墨風(fēng)格體驗，愉悅感極強，93%的學(xué)生對國畫4種基本構(gòu)圖形式能直觀理解、運用并產(chǎn)生對國畫的喜愛。

圖10 問卷調(diào)查表

通過體驗、實踐和創(chuàng)作性學(xué)習(xí)，以更具體和創(chuàng)造性的方式獲得知識。該“設(shè)計構(gòu)圖的VR體驗”資源并不拘泥于某節(jié)課程使用，場景的開放性設(shè)計，適合所有藝術(shù)基礎(chǔ)課程教學(xué)使用，易于讓使用者創(chuàng)作出更多的應(yīng)用價值。

3 結(jié) 語

VR教學(xué)資源的成本和內(nèi)容是發(fā)展中最大障礙，它的普及還需要時間讓這個新技術(shù)成為一般機(jī)構(gòu)承擔(dān)得起的教育投資［23］；另外市場上已有一些VR資源，但內(nèi)容質(zhì)量還不是很高，而且也不是專門用于教育上，仍然需要時間開發(fā)高質(zhì)量和針對性的教育資源。

本文原創(chuàng)案例“設(shè)計構(gòu)圖的VR體驗”詳細(xì)分析了教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計和開發(fā)，提出以傳統(tǒng)國畫布局為理論依據(jù)的基礎(chǔ)構(gòu)圖方法，目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生構(gòu)圖能力和傳承中華優(yōu)秀文化，如何在現(xiàn)代平面設(shè)計當(dāng)中應(yīng)用中國畫的構(gòu)圖藝術(shù)，不僅是構(gòu)建本土民族文化作品的要求，也是保護(hù)民族文化的一種方式［24］。學(xué)生可在立體的水墨風(fēng)格場景自由游覽，模擬寫生采風(fēng)的活動，可抓取物體在畫框中自由擺放訓(xùn)練構(gòu)圖能力［25］。通過趣味性的情節(jié)和VR沉浸性體驗的特點，帶動學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性，區(qū)別于傳統(tǒng)的單向傳播方式，激發(fā)新的思想和意義。針對不同年齡層、科目的學(xué)習(xí)需求制定教學(xué)資源，是有效的輔助學(xué)生掌握困難的知識點的，連接到互聯(lián)網(wǎng)傳播渠道讓VR教學(xué)資源得到普遍應(yīng)用。