基于虛擬現實全景視頻的英語情境教學研究

魏軍梅

[關鍵詞]虛擬現實;全景視頻;虛擬情境教學

大學英語教學的核心是提高學生的語言運用能力，而語言的運用要在實際的語言環境中才能真正得到鍛煉與提高。長期以來，情境學習被公認為是英語教學非常有效的一種學習模式。

最直接的方法是將學生帶入真實的現場開展教學，但是受到時間、空間、成本、可行性等現實因素的制約，很難找到適合的可支持教學的現場，即使有此類現場，也只能以觀摩教學為主，難以支持學生、特別是多人的現場實踐和運用。在這種情況下，利用計算機技術構建教學實踐場景的信息化教學手段，成為情境教學的主要技術方式。然而，傳統的情境構建以視頻、音頻剪輯為主，教學形式以學生觀看影片后回答問題為主，這類情境構建的技術難度較低，在教學過程中情境內容無法定制，觀摩體驗的教學手段缺乏交互性，很難真正支持實踐任務，無法達到情境教學的目的。

虛擬現實（Virtual Reality，VR）技術通過對客觀世界的數字化建模以及人與虛擬環境的自然交互，實時地向用戶提供逼真的感知信息，使人類可以不受時空和生理條件的限制，獲得復雜環境下的各種真實體驗，因而被認為是模擬訓練的最有力手段。但是虛擬現實硬件設備的“貴族化”以及建模的復雜性，使其應用長期以來僅集中在航天航空以及軍事領域，很難用于普通課堂教學中。近年來，隨著計算和顯示設備性能的提升，運用虛擬現實技術支持普通情境教學成為可能。本文綜合考慮開發成本以及實際教學的可操作性，選擇更易于實施的虛擬全景視頻教學情境構建方案，設計適合的教學模式，以有效地支持英語虛擬情境教學。

一、英語教學中情境構建的需求分析

情境學習理論認為（李翠白，2006），學習不僅僅是一個個體性的意義建構的心理過程，更是一個社會性的、實踐性的、以差異資源為中介的參與過程。知識的意義連同學習者自身的意識與角色都是在學習者和學習情境的互動、學習者與學習者之間的互動過程中生成的，學習情境的創設致力于將學習者的身份和角色意識、完整的生活經驗以及認知性任務重新回歸到真實的、融合的狀態。

情境學習強調兩條學習原則：第一，在知識實際應用的真實情境中呈現知識，讓學習者能夠更好地理解知識運用的條件和環境，設身處地地思考和實踐;第二，通過社會性互動和協作來進行學習，即通過在真實情境中與環境、與其他個體的交互，體驗完成任務的過程，在實踐中強化學習的內容。由此可見，情境的構建是情境學習的基礎和關鍵，情境不僅僅是呈現知識的載體，更重要的是必須支持學習者的實踐和運用環節，即能夠針對學習者的行為做出相應的反饋。

任何語言的起源和發展都離不開其特定的文化背景，大學英語教學的目的就是培養學生的綜合文化素養和跨文化交際意識。由于生活環境的局限性，目前大學英語教學，不管是課堂中的正式學習，還是課堂外的非正式學習都缺乏獲得語言的真實社會文化情境。語言學研究成果（Chavez，2005;Ware&Kramsch，2005）表明，應充分將文化教學融入二語課程之中。ACTFL（Ameri-can Council on the Teaching of Foreign Languages）21世紀二語習得標準指出：文化學習在外語教學中應當是必不可少的重要組成部分，包括：1.顯式的目標文化習俗，即社會互動模式，例如話語形式、個人空間利用;2.隱式的目標文化理念，即含義、態度、價值觀和想法;3.有形的無形的文化產物，例如書、工具、食物、法律、音樂、游戲等。當前，學習一門外語意味著理解并欣賞該語言賴以生存的本土文化。

由此可見，英語教學情境不能簡單地通過圖片、言語描述等手段依托學習者自身的想象力構建，而應從文化產物、文化習俗和文化理念人手精心設計能夠沉浸于其中的虛擬場景，通過恰當的交互手段使其積極主動地參與實踐活動，激發其具有主體意識的聯想思維，這樣才能讓其真正去理解和領悟文化背景下語言運用的價值和意義。可見，需要通過虛擬現實設備在普通課堂教學中構建具有沉浸感的虛擬情景。

近年來，虛擬現實技術的發展，特別是高性價比成為可能，有助于克服傳統情境教學中無法讓學生產生共鳴、無法讓學生參與其中的缺陷。

二、虛擬教學情境應用現狀與問題分析

虛擬現實技術最大的優點是可以構建一個看上去完全真實的三維虛擬世界，用戶可以在這個三維世界中自由漫游與交互，從而為學生提供接近教學內容的真實的語境，更好地開展基于情境的學習與體驗。

比較具有代表性的是由林登實驗室開發的多用戶虛擬游戲Second Life。與一般的網絡社交游戲不同，Second Life提供了一套3D建模工具，用戶可以在自己的土地上建造虛擬建筑、風景、交通工具、家具、物品等，并且可以利用標準庫中的動畫和聲音，制作各種動作，還可以使用Linden腳本語言，設計實現更多的交互和行為。正是因為其支持用戶三維定制以及多用戶開放參與的特點，很多教育機構將其作為虛擬課堂、虛擬校園、虛擬圖書館的首選。Second Life中設有專門的語言學習社區（Language Study Groups on sL），鼓勵本族語玩家參與外語城中的各類活動，配合學習者進行語言實踐。國內外已有許多學校開展了基本Second Life的教學實踐。比較有代表性的是郭曉寧等人（2012）在2009年合作5周的語言教學實驗，實驗對象是中國東部一所省屬大學大二英語專業20名本科生和美國一所州立大學不同專業的20名本科生，學習任務包括每天一小時的座談、個人發言、小組討論、團體虛擬旅行等交流活動以及博客寫作。實驗結果表明，Second Life可以作為有趣、有效的語言學習平臺，能夠使學生對外語學習產生積極的情感，體驗到激勵、互動和成功，有效解決了國內英語教學缺乏真實的語言學習環境這一問題。

此外，還有歐盟資助的基于3DMAX構造的語言學習虛擬世界VirLan（virtual Reality Language LearningNetwork）。VirLan包括1個中心（CENTRALIA），用戶可以從中心提供的歐洲概覽圖中進入不同的國家學習站點，初期提供了希臘、德國、芬蘭和英國4個站點，支持學習者用不同的語言學習。在每個站點可以訪問6類應用任務區域，90多間虛擬房間，體驗相應語言所在國家的環境風貌和應用場景，并通過2D或3D游戲完成相應的語言學習任務，并與虛擬世界中的其他參與者交互，完成語言練習任務（Mihon&Garbi，2000）。

國內也有部分研究人員靳琰、楊明托（2017）基于Virtools和3ds Max等工具，通過構建虛擬場景和學習者的虛擬化身，創建小規模的虛擬學習空間。

此類語言學習虛擬環境的優點是，一方面可以使學習者置身于異國的街道、小鎮或其他虛擬場景中，并采用游戲化的任務機制提高其學習的興趣。另一方面，依托于母語國家的參與者，使學習者獲得與本族語者直接交流的機會，以提高其實際語言交際能力。從理論上來說，此類情境教學是可行的，且對英語教學能夠起到較好的輔助作用，但在實際應用中，卻存在以下問題。

（一）虛擬環境建模的復雜性帶來虛擬學習情境的局限性

由于虛擬世界中的所有對象，從建筑、各種設施、車輛、器具到虛擬角色都需要相應的三維模型，就技術本身而言，目前的計算能力和顯示能力已可以支持大規模復雜虛擬場景的實時繪制，構建英語教學情境是完全可行的。但是從實現來看，三維建模工作不僅費時費力并且需要較強的專業背景，所有漫游操作也需要通過三維圖形編程實現，必須由專業技術團隊開發，因此通用類的虛擬現實教學軟件通常只會提供一些通用場景，如大本鐘等代表型景點、售票處、超市、醫院、銀行等，較靈活的系統會提供可定制的模型庫，例如電話亭、居民樓、室內家具等，供教師搭建，但是由于模型數目和類型有限，定制出的虛擬場景幾乎千篇一律，無法發揮情境教學的情境優勢。

（二）虛擬交互的復雜性帶來語言學習任務的局限性

虛擬人體建模，特別是逼真的人體運動模擬，所需的計算資源和軟硬件成本巨大，三維交互不僅需要特定的硬件設備支撐，而且需要專業技術團隊定制開發，英語教師很難參與其中。

由于成本的限制，當學習者加入虛擬場景時，無論是場景中的虛擬角色，還是代表自己的虛擬化身，通常都只用若干個固定的人物形象來表征，其運動與行為則更加簡陋，從而造成了即使是教師定制了不同的應用情景，但最后的效果表現也過于相似，難以讓學生產生沉浸感，無法激發情境中語言交流的原始動力。

系統開發過程中任務設計由于缺少系統的教學目的的指導，使得學習任務以問路、買東西、借書等簡單生活任務為主，任務執行過于流程化、游戲化，交互過于簡單和固化，此類學習環境更適合用于中小學語言學習，或者以日常交流為主的語言練習，很難支持深層次的文化交際。

（三）依托于母語國家的參與者的在線交流模式使得學習效果難以掌控

與母語國家的參與者在線交流無疑能獲得較好的學習效果，但是否能找到理想的本族語者進行交流、本族語者的文化水平與素質都是教師無法掌控的，這種模式在實際教學中很難實施。一些成功案例是基于固定的交流伙伴，但這種與國外高校協作學習的模式很難成為常態的教學模式。

綜上所述，虛擬英語情境教學對英語語言學習有著積極的意義，但是好的教學效果在很大程度上取決于好的教學情境設計與實現。如何避開虛擬現實技術固有的復雜性，使英語教師能夠參與或自主完成情境的構建，對于開展情境教學有重要的意義。

三、基于VR全景視頻技術的虛擬情境構建

全景視頻，又稱作可交互視頻，它可以根據用戶的需求，在水平360度，甚至包括俯仰180度的范圍內，自由選擇觀看的視角。虛擬現實全景視頻，簡稱VR全景視頻，是雙目顯示的全景視頻與VR眼鏡結合的產物，借助VR眼鏡的三維顯示和位置跟蹤能力，可以讓用戶看到如同真實拍攝場景的立體場景，通過轉身、抬頭、低頭將視線聚焦于關注的區域，觀看不同視點、不同視角的視頻，體驗來自不同方向的聲音，并通過手勢、凝視與全景視頻進行交互，從而獲得身臨其境的沉浸感。

基于VR全景視頻的虛擬英語情境構建流程如圖1所示。首先，使用多相機組合的全景攝像機拍攝實景，然后將多路視頻拼接融合成完整的全景視頻后進行后期編輯，經過高效的視頻壓縮傳輸至互聯網視頻服務器，最后分發解碼到用戶。用戶通過虛擬現實頭盔顯示器觀看3D全景內容，通過姿態交互控制觀看的內容，通過語音、手勢參與體驗。

與費時費力的三維圖形場景制作相比，全景視頻拍攝和制作并不需要太多的專業知識，可以使用全景攝像機高效快捷地得到虛擬現實場景內容。

目前，全景攝像機已有成熟的商業產品，可以分為兩類。一類是普通消費級設備，例如使用兩個魚眼鏡頭的Gopro Fusion、Insta360等，其售價僅為幾千元人民幣，可以達到5K分辨率，能夠滿足一般視頻觀看的需求。另一類是使用多個運動攝像頭的360全景相機，如諾基亞的OZO（含8個攝像頭）以及Facebook的Surround 360（含17個攝像頭）等。這類專業360全景相機通常具有更清晰更小畸變的畫質，能夠獲得10K以上分辨率的全景視頻，并且含有同步原件，能夠保證多攝像頭記錄畫面的一致性，部分還具有實時拼接能力，但是售價較貴，通常為幾千至幾萬美金。

使用全景攝像機拍攝多視角視頻后，需要進行拼接校正，把多路視頻合成一個完整的全景視頻。拼接技術需要處理好多鏡頭畫面的接縫、光照一致性等問題，這直接決定最終視頻的質量。目前，已有很多比較成熟的全景拼接軟件，如Kolor Autopano，其能夠比較方便地自動完成視頻同步、拼接和縫合，對于畸變較大的部分允許手工校正，完成制作后可以選擇導出雙目立體視頻，由軟件自動生成左、右眼對應的有視差的全景圖，即VR全景視頻，通過虛擬現實眼鏡觀看時，就能夠獲得立體視覺，產生較強的沉浸感。

與普通全景視頻不同，用于教學目的的全景視頻，應能支持學習任務、標注信息等虛擬對象及教師講解視頻等實景對象的嵌入，以便于教師有目的地引導學生學習。無縫嵌入的關鍵是根據多視點圖像問的特征匹配獲取實景相機的位置參數，并根據實景相機與嵌入對象的相對位置校準調整嵌入視圖，保持嵌入視圖與實景空間的一致性。為了降低制作的復雜度，保證嵌入效果，教師講解視頻應采用固定位置用固定視點相機定焦拍攝。

VR全景視頻制作完成后，可通過媒體平臺服務器分發給用戶。由于全景視頻具有較高的分辨率，在壓縮編碼方面，目前全景圖像通常默認為矩形球面全景圖格式，橫軸0°～360°，縱軸-90°-90°，圖像長寬比為2：1，三維180度全景采用左右眼全景圖的左右拼接方式，長寬比為2：1.采用H.264標準，2K/4K的全景視頻需要4M以上的碼率，這對互聯網播放帶寬是一個很大的挑戰。一方面可以采用多分辨率采集，將用戶不太關注的后向畫面用低分辨率表示，但當用戶快速轉頭時，數據流無法快速切換到高分辨率。另一方面，H.265壓縮技術可以有效降低超高清視頻25%～30%的碼率，但解碼耗時較大。此外，5G信號等先進網絡技術，也有望進一步提高網絡帶寬，保障全景視頻傳輸的速度和流暢性。

用戶在觀看VR全景視頻，需要借助虛擬現實顯示設備來產生完全的沉浸感。目前，Oculus Rift、HTCVIVE、等高性價比VR眼鏡已日趨成熟，可達到100。以上的水平視角，20ms以內的延遲、2K以上的分辨率、90Hz以上的刷新速度，基本上消除了暈眩、顆粒感等問題，幾百美金的售價使得VR應用普及成為可能。特別是以三星Gear VR、暴風魔鏡為代表的VR"盒子”，借助智能手機作為顯示和處理設備，進一步解決了成本和便攜移動問題。在目前大多數學生都擁有智能手機的情況下，此類售價僅為幾十至幾百元的VR“盒子”，使得開展基于VR全景視頻的虛擬情景教學成為可能。

最后，為了讓用戶能夠主動參與到虛擬情境中去，自然的人機交互必不可少。VR眼鏡通常都帶有位置姿態感知部件，可以實時跟蹤頭部的運動參數，從而使用戶可以自然地通過頭部轉動和身體移動實現在虛擬場景中的自由漫游，選擇觀看感興趣的區域。除了位置姿態外，大多數VR眼鏡都提供了手勢跟蹤和動作捕捉來虛擬場景中的對象進行交互。暴風魔鏡5集成了LeapMotion紅外手勢識別設備，Intel RealSense利用深度攝像頭和可見光識別手勢，GearVR則提供了控制手柄，允許用戶用手指自由觸控界面。

綜上所述，由于VR全景視頻內容來自于實際拍攝的視頻，能顯示高質量場景，場景處理時間與場景復雜度無關，不需要高性能圖形工作站的支持，更適合用于低成本投入的教育領域。目前，大多數互聯網視頻公司都已開始支持全景視頻服務，這不僅豐富了虛擬情境的教學內容，而且更易于實現多用戶共享。與傳統的虛擬情境構造技術相比，VR全景視頻的缺點是只能夠構造已經存在的場景，而無法憑空生成實際不存在的場景，但對于以在實際應用情景中體驗為主的英語情境教學來說，并不會帶來太大的影響。

四、基于vR全景視頻的英語情境教學模式

與傳統的VR情境教學相比，VR全景視頻具有更好的可操作性。根據英語教學的特點，基于VR全景視頻的英語情境教學可采用以下三種應用模式。

（一）學生沉浸式自主體驗學習模式

由教師根據教學內容，選擇推送發生在母語國家某一真實情景下的VR全景視頻，并針對場景中事件和情節設置提示信息，布置學習任務和問題，以“公告板”的形式或者鏈接彈出窗口的形式嵌入顯示在全景視頻中。學生通過VR盒子和智能手機在線觀看，沉浸于場景中，如同實地觀摩學習一樣。根據學習任務，通過身體轉動等自然交互方式選擇合適的視角重點觀摩學習的內容，并通過手勢或手柄交互控制觀看學習的進度，選擇有標注的對象查看提示信息，完成學習任務。

（二）教師浸入引導式學習

教師針對VR全景視頻中的環境、人物、情節等，采用固定視點相機定焦拍攝相應的講解視頻，無縫嵌入全景視頻中，并引導學生觀看全景視頻的不同區域。學生看到的是教師置身于真實場景中，對真實事件進行講解，獲得更好的感觀體驗，從而更好地理解真實情境中的語言運用。

（三）角色替換式配音學習

通過控制VR全景視頻中的音軌，可以弱化或關閉場景中某個人物的語音，讓學生通過角色替換，以類似于配音的方式完成該角色在視頻中的對話，從而達到練習的目的。也可以關閉所有語音，借助場景視頻中的情節，讓多個學生同時參與配音，發揮學生的創造力，讓學生大膽表達自己的想法，展示多種版本的表達，提高學生的參與度。

以上三種學習模式均具有較好的可操作性，不僅可以讓學生能切身體驗到文化多元性的環境下多樣性的交流方式，豐富性和拓展性的交互學習也有助于激發學生的學習興趣，同時避免了面對面對流可能帶來的心理障礙，提高了學生學習參與的積極性，同時教師對于學習內容、學習進度和學習效果也具有更強的掌控能力。

五、結束語

虛擬現實技術與外語課程的整合創造了一種新型的外語教育環境，有助于解決長期以來困擾我國外語學習者的語境問題。與傳統的基于三維建模的虛擬學習情境相比，基于VR全景視頻的虛擬情境更易于構建，并且來自于母語國家真實場景的全景視頻對于語言教學具有更好的參考價值。本文提出的三種學習模式，能夠使學生以虛擬的方式體驗、參與到真實的場景活動中，使用所學英語知識在真實的情境活動中發展語言與思維能力，大膽實踐，并能在活動中感受成功。對教師而言，VR全景視頻制作成本以及學生體驗所需硬件成本都相對較低，并且大多數主流視頻服務網站都已提供全景視頻服務，便于教師選擇適合的教學情境，因此具有很好的可操作性。其主要存在的問題是缺乏對學生自由表達結果的自動評判機制，目前尚需依賴于教師評價，下一步可考慮引入語音識別技術和文檔自動審校技術，能夠對明顯的語法和表達錯誤自動給出提示。