基于VR技術的高校創新自主學習亭設計與研究

馬銘 梁培鈺 李潤庭 王國龍

摘? 要? 近年來，VR技術在社會生產生活中的應用越來越廣泛。尤其是在學習和游戲領域，VR技術獨特的沉浸式體驗能夠帶給使用者高度逼真的感受，因而能夠收到很好的教學和游戲效果。介紹VR技術的理論原理和在高校設立VR創新自主學習亭的意義，詳細探究自主學習亭的技術原理、構造設備和外觀設計，目的在于為高校VR創新自主學習亭建設提供參考。最后，結合當前高校的實際情況，分析建設VR創新自主學習亭存在的困難和解決辦法。

關鍵詞? 高校；VR技術；VR創新自主學習亭

中圖分類號：G434? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2022）07-0023-03

0? 引言

VR技術全稱為Virtual Reality，即虛擬現實技術，是通過連接裝置，將人的感受器官與計算機連接起來，通過計算機技術制造的模擬畫面，使人產生沉浸式的高逼真體驗的技術。VR技術一經問世就受到人們的關注，因為這項技術對于抽象事物具體化有著非常重要的意義。比如被損毀的歷史遺跡等，可以通過VR技術虛擬復原，并且可以讓人沉浸式地體驗較為真實的場景?，F代VR技術還結合了人體多種感官模擬技術，為使用者營造集視覺、聽覺、觸覺于一體的超真實虛擬現實體驗。

1? VR技術在學科知識方面的應用背景

早在1940年，美國就已經開始VR技術的研究，而后經過一系列的曲折發展，VR技術研究取得不同程度的進步。到20世紀90年代，VR技術已被廣泛應用于醫學、航天、室內設計等領域[1]。20世紀80年代，VR技術開始被用于教育領域并迅速發展。VR技術與教育相結合，可以使一些復雜抽象的知識更容易理解。例如：虛擬技術可以使學習者模擬進入天體運動、人體結構、建筑工程等逼真的學習場合；可以使學習者處理危險性高或者在真實情況下難以進行的實驗；可以結合人工智能和大數據，構造虛擬教室、虛擬教學；等等。VR技術不僅為廣大學習者以及各類學科教學帶來福音，更促進了教學模式的發展。

2? VR技術的理論原理

VR技術是一種新型綜合性信息技術，是高性能的虛擬硬件和各類先進的圖像傳感器設備組成的可創建的多維立體信息處理系統。虛擬硬件包括組成計算機系統的運算器、控制器、存儲器以及外部設備等固定裝置，多維感覺信息傳遞系統能夠為人提供更多的感覺信息，也更加適宜幫助人們利用各種感覺器官來感覺、接受各種信息[2]。

VR技術最重要的部分就是終極顯示，也就是計算機如何控制圖像并使其逼真化，顯示出三維虛擬物體。譬如當人們轉動頭部和身體時，為了使在屏幕上看到的圖像也發生變化而設計出頭盔顯示器，戴上頭盔顯示器，被試者頭部方位就可以輸入計算機，計算機再根據頭部方位使屏幕顯示圖像發生相應的改變。聽覺系統是由性能優良的三維聲音系統組成的，它使參與者能準確感受聲源的距離和方位。觸覺也是人們從客觀世界獲取信息的通道之一，通過觸覺來了解物體的質地、溫度等。人們在虛擬環境中的觸覺由一雙特制的手套來表達，人的軀體和手的動作被輸入計算機中，再加上合成的聲音，實驗者就可以去觸摸虛擬環境中的東西。

3? VR創新自主學習亭的設立

VR創新自主學習亭是面向高校學生依托VR學習環境所設立的[3]，體驗者在VR學習環境中可以暫時忘卻現實環境，完全沉浸在全新的環境里，在眼睛、耳朵、雙手的配合下，利用感性認知主動探索學習。這樣一來，原本晦澀難懂的知識也變得簡單明了、有趣生動。

VR創新自主學習亭中的學習資源理論上可以包含各個學科方向。

1）針對外語學習，可以設計制作虛擬人物以及特定的對話場景、錄制對話時使用的音頻等，使體驗者通過與虛擬人物進行語言交流來提高口語能力、外語表達能力等。

2）針對歷史知識的學習，可以制作特定故事情景畫面及音效，使體驗者通過選擇不同的朝代，如身臨其境，體驗各朝各代的風土人情，“現身”重大歷史事件，從而了解、學習歷史。

3）在地理學習方面，可以設計制作不同的地質、地貌、水文等自然地理場景以及不同地區的交通運輸路線等人文地理場景及特定音效，給體驗者帶來身臨其境的特別感受。

4）對于物理知識，可以制作物理實驗場景及解說音效等，體驗者通過選擇各大經典物理實驗并進行操作，了解具體實驗過程，從而掌握書本中難以理解的抽象知識。

5）對于生物知識，可以制作生物模型，體驗者通過選擇各種生物的不同器官、不同組織來了解生物內部構造、機體運作原理等[4]。

6）對于化學知識，可以制作化學固體、試劑等，體驗者通過選擇不同試劑進行化學實驗，從而學習并了解各種化學試劑的化學性質等。

當然，VR創新自主學習亭也適用于音樂、美術、體育、建筑、工程等科目的學習，資源可以以模塊化的形式嵌入設備之中。

VR創新自主學習亭內部設施主要包括VR觸控屏（操作屏）、VR頭顯儀、耳機、VR數據手套、手柄、專業麥克風、空調、燈具、窗簾等。學習亭的外觀設計和體驗流程分別如圖1和圖2所示。

4? VR創新自主學習亭設立的意義

學習亭在高校校園中設立，不僅為學生提供了學習專業知識的條件[5]，還為學生創造了學習專業課以外其他知識的機會，解決了高校學生知識面狹窄、發展方向單一的問題，可以為國家培養全面發展的高素質人才。隨著VR技術的發展，現代科學的各種先進和前沿知識都可以被學習亭囊括進來，譬如自然科學和人文社會科學等的諸多研究成果可以通過VR設備生動地展現在學生的眼前。

利用VR設備“身臨其境”地學習知識，能使枯燥乏味的知識變得生動有趣，使抽象刻板的概念更容易理解，從而大大激發學生的學習興趣，開闊學生的視野。高校的學習不僅僅是理論知識的學習，更重要的是讓學生參與實踐，學以致用，而VR創新自主學習亭就可以為學生提供虛擬實踐的機會。例如：學生可以通過VR技術反復觀看物理或者化學實驗的流程和現象，并且可以深入實驗反應容器內部觀看，而不會產生任何危害[6]。這些在現實生活中很少有機會或者根本無法觀看的內容，通過VR創新自主學習亭可以重復觀看，能夠極大地提高學生對實踐操作的認知程度。學生進行實驗之前，可以在VR創新自主學習亭進行模擬實驗，經過多次練習，掌握實驗的流程和操作方法，在進行真實實驗的時候更加得心應手。

學習亭將VR技術與教育相結合，能讓學生通過自主學習探索，發掘自身的學習潛力，提升創新素養。

5? 高校建設VR創新自主學習亭的困境

高校建設VR創新自主學習亭的困境主要包括兩個方面：技術和管理。

5.1? 技術層面的困境

當前國內外對于VR技術的研究雖然如火如荼地進行著，但是實際取得的研究成果是有限的，VR技術所能夠呈現出來的內容局限性較大，無法做到構建一個自由的虛擬世界，更多是按照程序設定展現既定的內容。這些內容對于中小學生科普也許夠用，但是對高校學生進行專業學習與研究來說遠遠不足。并且目前國內外一套質量較好、功能較齊全的VR設備普遍價格昂貴，使用保養的要求很高，這就使得高校無法大規模建設VR創新自主學習亭，而少量的自主學習亭對動輒數萬人的高校而言作用并不突出。

5.2? 管理層面的困境[7]

高校建設VR創新自主學習亭的目的是讓學生更加高效地學習。一方面，VR創新自主學習亭中的內容管理復雜，如何保證學生不使用這些VR技術進行不合理不健康的行為，是高校VR創新自主學習亭管理的一大難點；另一方面，VR設備本身屬于高精密的昂貴設備，對使用和保養都有較高的要求，而自主學習亭作為公用設施，如何對其進行管理，減少設備損毀，降低故障率，也是高校建設VR創新自主學習亭需要考慮的問題。

6? 高校建設VR創新自主學習亭的方法

高校建設VR創新自主學習亭需要從硬件設施和管理制度兩方面入手。

6.1? 購置安裝VR創新自主學習亭的硬件設施

可以在高校的教學樓、圖書館等場所安裝適當數量的自主學習亭，采購較為先進的VR設備，并且組織專人負責設備的檢修、維護管理，定期對學校所有自主學習亭開展全面檢修，保障硬件設施的正常運轉。同時建立完善的設備管理制度，對于蓄意損壞的行為予以嚴厲處理。

6.2? 建設完善的高校VR創新自主學習亭管理制度

管理制度至少應該包括內容管理和學生使用管理兩方面的內容。

6.2.1? 內容管理? 對VR創新自主學習亭實行限制聯網的聯網方式，學生只可以使用學習亭的設備連接學校提供的固定網站，在這些網站獲取學習資料和VR演示資料，不能讓學生自由使用設備連接校外網絡。

6.2.2? 學生使用管理? 可以采取預約申請制度，學生要使用VR創新自主學習亭，須提前在校園官網或者校園圖書館網站上進行申請，登記個人信息和使用時間。只有預約申請通過的學生，才可以掃碼或者利用校園卡進入學習。并且對學生使用自主學習亭的時間加以限制，比如每天不能超過兩個小時，以避免出現學生長期占用設備，導致其他學生申請不到設備的情況。同時，建立完善的設備管理檔案，對每一臺設備各個時間段使用的學生信息和設備內容信息進行記錄。通過這種制度，使高校VR創新自主學習亭充分發揮作用。

7? 結束語

在數字經濟時代，計算機技術是最重要的生產力之一，而VR技術作為計算機技術的先進代表，正被廣泛地應用。高校利用VR技術建設VR創新自主學習亭，可以讓學生以更加真實具象的方法學習知識，激發學生的學習興趣，并且增強學生的實踐能力，一舉多得。但是限于當前國內的技術水平和管理制度，高校建設VR創新自主學習亭需要從硬件設施和管理制度兩個方面著手，打造高質量的自主學習亭，確保技術被用在正確的道路上。■

參考文獻

[1] 楊梅.VR技術在我國教育領域應用研究[J].創新創業理論研究與實踐，2021，4（12）：61-63.

[2] 李湘德.VR技術原理[J].深圳特區科技，1998（1）：38.

[3] 王爽.VR技術在高校校園中的應用[J].中國科技信?息，2021（16）：72-73.

[4] 王燕潔，王柏松，張爽，等.VR系統與生物教學的融合點初探[J].中國信息技術教育，2016（24）：42-44.

[5] 秦曉華，邱耀立.論5G時代高校思政課實踐教學與VR技術的融合[J].學校黨建與思想教育，2021（15）：64-67.

[6] 馬丁.VR技術應用于教育教學中的思考：評《VR虛擬現實與AR增強現實的技術原理與商業應用》[J].中國教育學刊，2019（11）：120.

[7] 李娜.江西高?！绑w育電子競技+VR”產業融合研究[J].科教導刊，2021（20）：14-16.

*項目來源：山西省大學生創新創業訓練計劃項目“虛擬（VR）沉浸式學習亭”（基金編號：20210274）。

作者：馬銘、李潤庭、王國龍，山西師范大學物理與信息工程學院本科生；梁培鈺，山西師范大學地理科學學院本科生（030000）。