基于VR技術的高校創(chuàng)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(chǎn)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(chuàng)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(chuàng)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(chuàng)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(chuàng)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(xiàn)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(chǎn)生沉浸式的高逼真體驗的技術。VR技術一經(jīng)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(xiàn)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(xiàn)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(jīng)開始VR技術的研究，而后經(jīng)過一系列的曲折發(fā)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(yī)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(fā)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(shù)據(jù)，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(fā)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(chuàng)建的多維立體信息處理系統(tǒng)。虛擬硬件包括組成計算機系統(tǒng)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(tǒng)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(fā)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(jù)頭部方位使屏幕顯示圖像發(fā)生相應的改變。聽覺系統(tǒng)是由性能優(yōu)良的三維聲音系統(tǒng)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(huán)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(huán)境中的東西。

3? VR創(chuàng)新自主學習亭的設立

VR創(chuàng)新自主學習亭是面向高校學生依托VR學習環(huán)境所設立的[3]，體驗者在VR學習環(huán)境中可以暫時忘卻現(xiàn)實環(huán)境，完全沉浸在全新的環(huán)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(chuàng)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(xiàn)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(qū)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(jīng)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(chuàng)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(chuàng)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(shù)據(jù)手套、手柄、專業(yè)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(chuàng)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(yè)知識的條件[5]，還為學生創(chuàng)造了學習專業(yè)課以外其他知識的機會，解決了高校學生知識面狹窄、發(fā)展方向單一的問題，可以為國家培養(yǎng)全面發(fā)展的高素質人才。隨著VR技術的發(fā)展，現(xiàn)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(xiàn)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(fā)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(chuàng)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(xiàn)象，并且可以深入實驗反應容器內部觀看，而不會產(chǎn)生任何危害[6]。這些在現(xiàn)實生活中很少有機會或者根本無法觀看的內容，通過VR創(chuàng)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(chuàng)新自主學習亭進行模擬實驗，經(jīng)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(fā)掘自身的學習潛力，提升創(chuàng)新素養(yǎng)。

5? 高校建設VR創(chuàng)新自主學習亭的困境

高校建設VR創(chuàng)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(xiàn)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(xiàn)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(yè)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(yǎng)的要求很高，這就使得高校無法大規(guī)模建設VR創(chuàng)新自主學習亭，而少量的自主學習亭對動輒數(shù)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(chuàng)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(chuàng)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(chuàng)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(yǎng)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(chuàng)新自主學習亭需要考慮的問題。

6? 高校建設VR創(chuàng)新自主學習亭的方法

高校建設VR創(chuàng)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(chuàng)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(shù)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(chuàng)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(chuàng)新自主學習亭實行限制聯(lián)網(wǎng)的聯(lián)網(wǎng)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(wǎng)站，在這些網(wǎng)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(wǎng)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(chuàng)新自主學習亭，須提前在校園官網(wǎng)或者校園圖書館網(wǎng)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(xiàn)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(chuàng)新自主學習亭充分發(fā)揮作用。

7? 結束語

在數(shù)字經(jīng)濟時代，計算機技術是最重要的生產(chǎn)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(chuàng)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(fā)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(chuàng)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?！?/p>

參考文獻

[1] 楊梅.VR技術在我國教育領域應用研究[J].創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)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(qū)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(tǒng)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(xiàn)實與AR增強現(xiàn)實的技術原理與商業(yè)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(chǎn)業(yè)融合研究[J].科教導刊，2021（20）：14-16.

*項目來源：山西省大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)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）。