VR/AR技术在大学英语教学中的应用

蔡绿妍

摘要：本文针对当前大学英语教学缺乏有效信息可视化学习工具、难以满足学习者对学习情境的构建需求的现状，提出基于三维数值模型、三维成像和力反馈技术的虚拟现实（VR）/增强现实（AR）教学方法，这种教学方法支持三维交互，学习者可身临其境掌握英语知识，增加学习过程中的沉浸感和娱乐感，降低认知负荷，从而提高英语教学质量。同时，本文还介绍了国内外虚拟现实（VR）/增强现实（AR）技术在语言学科中应用的典型案例，并分析了虚拟现实（VR）/增强现实（AR）技术在语言学科中的优势和面临的问题。

关键词：虚拟现实（VR）;增强现实（AR）;多通道交互;语言类学科

中图分类号：G434  文献标识码：A  论文编号：1674-2117（2019）06-0093-04

引言

虚拟现实（Virtual Reality，VR）技术是利用计算机构建的一种体验虚拟现实技术，它融合了计算机人机接口技术、传感技术、多媒体等多种技术，创造的是一种交互性的三维立体行为的环境，使用户可以身临其境地感受到所设定的环境。在三维数值建模和三维展示技术的基础上，VR技术涵盖了对人体的感知、技能，环境的模拟，传感技术等方面，是现代科技的综合体现。[1]增强现实（Augmented Reality，AR）技术融合了三维建模、实时显示监控反馈、多媒体、三维跟踪等技术，为用户在现实画面基础上的多维度展示，其具有的虚实结合和自然交互特性能有效解决语言学科学习中情境性、交互性、生动性、即时反馈等要求。

随着虚拟现实、增强现实和多通道交互技术在计算机辅助语言学习领域的发展，语言学习理念和语言教学方法正在经历着变革。基于VR/AR技术的三维虚拟语言学习环境的设计与开发正在逐渐突破传统语言学习费时费力、用户粘性弱的局限，为语言学习者提供更加近似真实的语言应用场景，真正做到实时交互、活学活用。语言是人们沟通交流的重要工具，而技术支持的语言学习是语言教学与教育技术学共同关注的领域之一。[2]基于AR技术进行语言学习的应用和专利近两年备受关注。在国外，已有实证案例证明，AR在新语言的学习上发挥着不可忽视的作用。[3]

模仿是学习语言最初的形态，从观察模仿到实际应用，需要不断地强化和反复，利用动画、声音、文字等多感官刺激呈现形象生动的事物，更能吸引学习者的学习兴趣。在大学英语教育中，VR/AR技术平台作为新的学习载体，使用自然方式和学习对象交互，支持泛在环境下的情境式学习，还可以通过将抽象的学习内容可视化、形象化以及结合正式学习与非正式学习等手段，提升学习者的存在感、直觉和关注度。在语言学习过程中帮助学习者创设学习情境、提高兴趣、集中注意力。

VR/AR技术在语言教学中的发展

国内外将VR/AR技术运用到语言学科的案例形式多样，内容丰富，从认识词汇到翻译句子，甚至游戏设计均有学者进行研究尝试。当前以欧盟VILL@GE项目和俄罗斯俄语虚拟世界为代表的三维虚拟语言学习环境都是VR技术在语言学习领域中的应用典范。[4]葡萄牙Joao Barreira团队开发了一种用于学习语言的AR游戏，帮助学习者正确地拼出单词。研究结果表明，使用AR游戏的学生比运用传统方法的学生有更好的学习效果，尤其是在口头识别词汇、概念理解、書写方面。[5]法国维多利亚大学法语系Bernadette Perry团队创建了学习软件Explorez，将校园变成了一个虚拟的法语世界，学生们与人物、物品和媒体互动，提高法语技能并了解他们的校园。[6]

在国内，北京邮电大学李铁萌等人实现基于VR/AR技术的学前儿童中英文识字系统，包含训练模式、比赛模式和娱乐模式。实验结果表明，基于AR的识字系统能提升儿童的识字能力和对生字的记忆效果，且高年级学前儿童教学效果明显优于常规学习。[7]华东师范大学陈向东等人将AR技术融入游戏教育软件，设计开发了“泡泡星球”，辅助学习者自主学习英语词汇。游戏不仅提供社会性平台分享功能，还能够根据用户的使用记录诊断用户在学习中的问题，通过消息推送帮助学习者巩固薄弱环节。[8]北京师范大学“VR/AR+教育”实验室针对学龄前儿童开发了一款英语词汇学习的应用软件——快乐记单词，通过虚实结合的情境帮助学龄前儿童理解和表达语言;实验选取学龄前儿童需要掌握的高频词汇制作成卡片，结合AR技术，将中文释义、生动逼真的三维动画、准确的发音系统等功能结合，配合使用移动设备自带的摄像头即可便捷学习。[9]

综上可见，在大学英语的教学活动中，VR/AR技术的集成研究和应用相对较少;大学教育是为国家培养人才的重要途径，大学英语教学至关重要。VR/AR技术在大学英语教学中的应用，不仅可以解决学生在课堂上学习死板的问题，更好地实现情景模拟教学法，还可以使学生足不出户就能身临其境地学习。

VR/AR技术在大学英语教学中的应用

1.大学英语课堂

随着探究式学习理论的普及，“以学生为主”的教学模式在大学教育中逐渐得到推广。如今，在英语课堂上，教师可以利用VR/AR技术，将学生带入到模拟的英语学习环境中，让学生和自己喜欢的国外伟人、明星等人物在不同的场景下进行面对面的交流和探讨，让学生高沉浸感地感受到英语带来的欢乐。同时，虚拟现实技术的运用，不仅提高了学生对英语学习的兴趣，还可以激起教师授课的兴趣，教师运用虚拟现实技术将每节课程都编排得不尽相同，能使每次授课的经历都变得美妙。

2.户外英语教学

VR/AR技术在大学英语教学中的应用，可以大大提高学生的户外实践能力。例如，教师可以虚拟某些场景，如外资企业的应聘现场、企业实际工作环境、国外商场、酒店等，让学生在这些场景中进行对话练习，这些真实的练习将让学生身临其境地感受到社会对英语人才的需求，体会到英语在社会中的实际运用，大大提高学生毕业后在职场或生活中的英语实践和应用能力。

3.大学英语写作

在大学英语教学中，写作往往是学生和教师比较头疼的问题。运用VR/AR技术，在课堂上让学生身临其境地在虚实结合的环境中精确掌握英语单词和语法，可以更加有效地刺激学生的感官并让其更深刻地了解英语语法的运用。教师还可根据学生的文章制作虚拟的情景，运用虚拟现实技术将其呈现在学生面前，这样能让学生在以后的写作中能更好地发挥想象，并运用所学创作出更好的文章。

VR/AR技术开发要点

1.三维模型的创建及优化

考虑到英语教学的实际需要，要尽可能真实地绘制系统的各个部件，建立高质量的三维模型。首先，采集系统的数据，通过搜集场景所有系统相关图纸和说明书，并拍摄大量的实物照片来获得需要的数据;其次，仔细分析采集的数据，通过量化标定和整理，去粗取精。数据核实完毕后，开始建立三维模型，主要是利用3ds MAX、Solidworks等软件对线条轮廓进行渲染、挤出、切削、放样等操作得到三维模型。用纹理映射、烘焙、贴图等功能借助从实际设备上采集的照片对建立的三维模型进行渲染，使虚拟场景与实际舱室环境相同，增强英语学习者对设备、场景认识的真实感。

为了进一步提高系统模型的运行效率和逼真效果，需要对三维模型进行优化，这主要涉及到两个方面：一是对于模型来说，减少三维模型的点、线、面的数目，降低系统运算负荷;二是对于贴图来说，使用UV贴图并减小贴图的大小。

2.VR漫游操作的实现

VR/AR系统虚拟场景具有自动漫游、可控漫游两種漫游方式。3D模型导出X文件是Directx SDK图形框架中通用的三维模型文件格式，包含了三维模型所需要的大部分属性，并且还可以进行扩展，使之更加完善。它采用左手坐标系统，XNA继承自Directx，提供了对这种格式的支持，正如XNA与DirectX的渊源与关系，X文件仍然是XNA主流的三维文件格式。另外3ds MAX创建的3D模型可以导出为X文件，能够很好地将3D模型加载到XNA中。为了跟XNA基于同一平台，方便实现仿真软件与三维模型的互操作，系统仿真软件可以在XNA基本框架下，在解决方案里添加Windows窗体、用户控件、类库等，以此来开发二维仿真软件。

3.碰撞检测

为了使学习场景更加真实，模型和观察者应该具有一定程度的互动反应，在场景中需要设置碰撞检测。碰撞检测技术主要是检测观察者是否与模型相碰撞，如果碰撞模型，观察者会做出相应的动作，从而提高仿真效果。VR/AR系统中的碰撞检测分为两种，一种是借助鼠标位置定义的射线来检测是否与特定模型发生碰撞，另一种是通过检测来防止观察者与模型相碰撞，实现逼真的仿真效果。

在实际开发中，为了方便控制程序的编写，本系统的可操作模型，如阀门、按钮等的X文件单独导入XNA，并且在XNA框架下单独定义一个Operation类，用来实现具体的操作动作，如鼠标左键按下，模型按照设定的路线动作，鼠标右键按下则复位。

4.力反馈虚拟操作的实现

力反馈装置和摄像机是虚拟漫游技术的关键环节。通过设计摄像机的位置和角度，学习者可以得到视觉效果很好的三维场景，如同置身于真实环境中漫步一样。通过力反馈设备，使用者可以操作仿真系统中的各种训练项目，计算机对使用者的输入信息作出反应，并将力的作用反馈输出;使用者感受到力的反馈作用，如亲临现场操作。

力反馈操作开发的通用流程如下：首先是虚拟场景和力反馈系统初始化，之后进入主循环，等待事件响应。一旦检测到力反馈设备输入信息，即进入力反馈线程，进行碰撞检测及响应计算，输出反馈力，并将处理后的数据发送到主线程里的系统模型数据处理模块，计算仿真结果，反馈到场景线程，实时渲染更新场景，保证触觉和视觉的统一（如下图）。为了提高系统的响应速度，可采用多线程的工作方式;为了保证在某一时刻只有一个线程，在访问共享资源时，系统可以设置互斥对象，保证在同一时刻，一个变量只能被一个线程访问。

VR/AR技术带来的挑战

虽然VR/AR技术带来的虚拟世界使学生能有机会在原有知识基础上构建新的概念和知识，但将该技术应用于教学还存在许多问题。首先，科学的教学法和有意义的任务设置仍然是教学设计的重点，完全依赖科技的舍本逐末不能带来良好的教学效果;其次，学生的个性同虚拟学习环境的体验有一定的联系，原本焦虑、内向型的学生可能会因虚拟身份的使用变得更善于交流，但也可能因技术使用的障碍而影响虚拟环境中的交际体验，因此，教学设计中个人气质和个性差异在虚拟环境中的浸入程度应考虑在内;最后，虚拟现实有赖于技术的使用，因此网络的流畅、虚拟场景设计的美观、硬件的音效等都会影响到学生的实际学习体验。

结语

尽管由于受技术门槛、开发成本和系统投入等诸方面因素限制，VR/AR技术不能很快地被广泛应用于教学中，但是VR/AR技术在教育教学中的应用无疑是一种趋势。从课堂教学、写作训练、综合能力培养等各个方面来说，VR/AR技术都将为大学英语教学带来不可估量的成效，可以提高学生对英语学习的兴趣，提高学生自身的综合实践能力，同时还可以提高教师的综合素质和教学水平。

参考文献：

[1]刘露露.虚拟现实技术在应用型本科院校大学英语听说课程中的运用[J].电子测试，2016（23）：104，115.

[2]徐品香.技术支持的语言学习：三个案例分析[J].远程教育杂志，2011，29（4）：77-81.

[3]Bojórquez E M，Villegas O O V， Sánchez V G C， et al. Study on Mobile Augmented Reality Adoption for Mayo Language Learning[J].Mobile Information Systems，2016.

[4]马冲宇，陈坚林.虚拟语言学习环境VILL@GE的项目分析及其启示[J].中国电化教育，2013（2）：121-125.

[5]BARREIRA J，BESSA M， PEREIRA L C， et al. MOW： Augmented reality game to learn words in different languages - Case study： Learning English names of animals in elementary school[J].2012，52（11）：1-6.

[6]PERRY B. Gamifying French Language Learning： A Case Study Examining a Quest-based， Augmented Reality Mobile Learning-tool☆[J].Procedia - Social and Behavioral Sciences，2015，174：2308-15.

[7]李铁萌，苏力博，吕菲，等.基于增强现实的学前儿童识字教育系统及实验研究[J].软件，2015，36（4）：44-9.

[8]陈向东，万悦.增强现实教育游戏的开发与应用——以“泡泡星球”为例[J].中国电化教育，2017（3）：24-30.

[9]HE J， REN J， ZHU G， et al. Mobile-Based AR Application Helps to Promote EFL Children's Vocabulary Study; proceedings of the Advanced Learning Technologies （ICALT）， 2014 IEEE 14th International Conference on， F，2014[C].IEEE.