虚拟教学资源创作实践

陈玥冰， 罗立宏

（广东工业大学数字媒体系，广州510006）

0 引 言

早在70年代初虚拟现实已经开始应用在军事、航天等领域，由于计算机的硬件设备和软件开发并未成熟，与之高昂的开发成本等原因，虚拟现实在其他领域的应用受到限制［1］。2010年数字化产品应用和传播空前繁荣，VR技术乘风启航，其沉浸性、交互性、和构想性的特征，引发行业的投资热潮，2015年全球投资剧增至35亿美元，2016年投资达到巅峰［2］。但国内VR投资资金多集中在硬件研发上，优秀的VR作品相对贫乏，远不能达到大众在娱乐、学习、生活等的应用需求。为满足多方位的应用需求，虚拟现实投资市场纷纷调整战略，国内的乐相大朋、华为和小米等VR硬件设备厂家，开始与娱乐、教育、文化、旅游等行业对接，以实现虚拟现实行业全面的生态整合。2018年2月由教育部印发的《教师教育振兴行动计划（2018-2022）》指出，利用云计算、虚拟现实、人工智能等新技术推动教学改革［3］；2018年9月由国家发改委发布的《关于发展数字经济稳定并扩大就业的指导意见》指出，采用互联网、虚拟现实与增强现实、人机互动等技术推广微课、混合式教学［4］；2018年9月由教育部印发的《关于实施卓越教师培养计划2.0的意见》指出，利用虚拟现实、增强现实和混合现实建设交互性的课程资源［5］。哈佛大学的一位教授在采访时提出“先发展，后整合”的观点［6］，VR以新技术的性质与教育需求结合，其引发的教育创新思维包含了未知的风险，同时也加速教育的创新发展。

1 教育类VR的功能

传统教学在不断寻找方法让教育跟上技术发展的速度，纳入创新的数字化教育渠道，提高解决抽象的、难以理解知识点的效率［7］，如CAI计算机辅助教育，提供图像、PPT课件、数字动画等的辅助教学资源；立体呈现虚拟现实技术让学生置于虚拟的空间感知知识，虚拟现实正在成为教育发展的下一步［8］。

1.1 提高教学质量

积极参与是优秀教学的关键，VR内容与课程内容结合有效地增强学习效率和深度学习，学生可以通过轻松娱乐的方式理解和记忆知识难点［9］。北京“微视酷”用一套系统支撑VR教育［10］，相当于Windows或Android的控制平台，开发便捷的课堂VR资源；2017年华东理工大学“污水厂VR教学案例”还原污水处理厂现场［11］，解决学生对抽象知识的模糊理解（见图1）。

1.2 在特定背景下学习

在教育中使用VR创建历史背景或地理背景，相比文字图片描绘的情境，理解深度的差异是极其显著的。例如在书中了解的月球的各个阶段，和把他们放置到月球表面去探索地球；再如学生在第一次世界大战时站在战壕中可以获得的理解和情感体验；汉密尔顿学院的印度教神社和寺庙“数字人文计划”［12］，用于理解加耶及其神社的发展；斯坦福人类计算机交互实验室发布的海洋酸化体验［13］，通过HTC Vive观察二氧化碳对海洋生物的影响等。

1.3 VR成为学习的助手

通过书本学习记忆医学知识是非常艰难的，小白鼠解剖实验成本既高又不可重复，VR为复杂的临床操作提供训练渠道和记忆手术步骤等给予有效的帮助，充分利用VR的沉浸教育方式，解决医学和科学等领域的教学困难。斯坦福大学的虚拟心脏允许用户在心脏内“传送”［14］，以了解复杂的先天性心脏缺陷，提高留存率和熟练程度，在全球范围内共享宝贵的资源，并节省高昂的培训和时间成本（见图2）。

图2 斯坦福大学的虚拟心脏

1.4 体验设计的自由

在VR里允许创建3D模型，你可以把创意想象通过色彩、画笔等工具设计作品，或者你可以在一个画框里体验自由构图的训练，在身临其境的虚拟世界里在不同的角度观察和创作作品。

综上所述，VR适用于人文历史、学科教育、自然科学、工程科学、语言文化等知识的虚拟呈现，VR教育市场逐步发展，行业应了解教育、针对知识难点制定VR内容，满足提高教育功能的需求［15］。

2 《设计构图的VR体验》案例的设计与实现

教学资源将VR虚拟现实技术与艺术思维密切交融，深层渗透在一起。戴上头显沉浸在虚拟的3D水墨艺术环境，这是除了梦境唯一到达另一个世界空间的通道［16］。参与者可以在本项目中大胆创造，把脑海中的各种构思变成看得见的虚拟物体和环境，人们可以在这里理解和体验构图设计，提高美感认知。

下面为内容设计者开展同类教育资源设计时提供案例素材，并通过教学活动和体验数据证明本教学资源的可行性［17］。

2.1 基于VR技术的构图教学方法

通过可穿戴设备进入构图训练的虚拟场景，根据场地空间和感应器可探测范围设置活动区域，有“瞬间移位”和“漫步至目标位置”两种方式位移，对手柄输入操作指令（见图3），实现与虚拟世界的人机交互［18］。

图3 手柄按键功能分配

在构图训练场景中，对预先构建的创作实体进行选择，确定目标实体后实现抓取功能，预设的创作实体即刻复制生成新的实体，不松开抓取按钮情况下可跟随手的移动坐标，放开抓取按钮后实体停留在最后抓取按钮计算的坐标上，再者，当进入构图画框设定的计算范围时，物体将生成于画框中心位置。抓取事件的设计是为了实现下一步的摆放事件，对画框内实体触发进行移动、旋转和缩放（见图3），对预设实体在画框内进行排布，根据创作需求用于创作不同主题的作品（见图4）。

图4 构图训练

以国画布局的基本理论为方法，提取宾主、疏密、虚实、留白作为评分规则的计算依据［19］，对构图画面进行评分。通过获取所述构图画框界面对角两点的坐标，将构图画框界面分割成n份，并发射n条射线进行射线检测，构图规则包括以下方法：

（1）宾主计分。通过射线检测，获取构图画框界面中对应物体的画框占比，在所有对象占据的格子数中，获取格子数的最大差值；若差值大则证明有一个对象的格子数远超于其他对象的格子数，则为主。差值越大则主宾对比越强烈则分数越高。根据所述差值确定宾主计分数值，差值越大则宾主计分数值越高。

（2）疏密计分。获取检测返回的格子矩阵，按照顺序依次进行检索，可以为从左到右从上到下的顺序，若检索到未检索过的对象，则记录到一个数组中，并扩散检索对象四周的4个对象，若再次检索到未检索过的对象，则继续检索的过程，将检索到的相邻的对象的数量记录到一个数组中，获取最大数量差值，根据所述最大数量差值确定疏密计分数值，最大数量差值越大则疏密计分数值越高。

（3）虚实计分。通过射线检测获取到对应的对象的坐标，比对对象的坐标来判断对象是否距离拍摄设备超过了指定距离，若距离超过所述指定距离，则为虚，否则为实，根据虚实对象数量对比数值确定虚实计分数值，虚实对象数量对比与预设第一比例差距越小则虚实计分数值越高；预设第一比例可以为1∶1。

（4）留白计分。获取射线检测返回的格子矩阵，检索获取有对象的格子数量和没对象的格子数量，进行对比，根据有对象的格子数量与没对象的格子数量的比例确定留白计分数值，有对象的格子数量与没对象的格子数量的比例与预设第二比例差距越小则留白计分数值越高。预设第二比例可以为3∶7或7∶3。

根据上面各项计分，将各项计分相加之和取平均值来得到构图得分。当然还可以采用不同计分项对应不同的权重来计算最终的构图得分。进一步地，在所述按照预设评分规则对所述构图画面进行评分，得到构图得分之后还可以对多个构图画面的构图得分高低，生成显示信息显示在排行榜上，所述显示信息包括：排行榜界面、构图得分、角色信息。通过排行榜可以清楚的记录每次设计构图的得分排名。通过元素摆放可以快速进行构图设计，便于反思、调整和修改。

2.2 传统艺术风格呈现，提升体验沉浸感

漫游场景（见图5），参与者可以带着设计构图的课题进入场景，从听老师教授转变为亲身经历，在场景中自由游览采风，身临其境体会国画意境，在实践感知中，获取更多的艺术灵感和创作动力，有利于学生们艺术修养的养成和中华优秀传统文化的传承［20］。

图5 漫游场景

在游览时，对手柄操作实现交互功能，满足学习和娱乐需求。如UI交互菜单包含作品赏析功能、拍照功能、帮助功能，以及构图训练、游览关卡和首页关卡切换功能（见图6）。再者，可在感应器范围内移动或者通过瞬移方法移动，在场景自由游览（见图7）；去到风景优美的地方，打开你的相机拍下美好瞬间（见图8）；可与带蓝色图标物体互动（见图9）。

图6 UI菜单

图7 移动功能

图8 相机功能

图9 抓取功能

2.3 教学需求

利用VR情境，将学生学习的注意力从老师的PPT和一堆令人迷惘的图片资料中解脱出来。学生进入水墨风格的VR仿真系统后，通过听、看、触摸、移动、交互等方式观察和思考［21］。突破学生学习动机难激发的教学难点，让学生在情境中不知不觉地产生学习期待，按照从使用→学习→检验→巩固的学习过程，顺利完成学习任务。学习情境可以循环呈现，无限次满足学生体验和验证的欲望，降低对老师和环境依赖，增强独立学习的能力，根据自己的学习进度量体裁衣。

遵循智慧型技能学习过程的心理学原理，依据项目教学设计思路，以《设计构图的VR体验》虚拟教学资源为情境，设计了3个等级的教学活动：一次体验，学习国画构图形式的运用，掌握基本概念；二次体验，构图理解的反思与改进；三次体验，强化学生国画构图设计能力，培养国画思维［22］。带着问题的学习方法，提高解决问题的能力，促进学生的深度参与及深层学习。

课程结束后对课程中30位学生问卷调查取样（见图10），分析和评估教学资源的有效性、学生学习动机和参与度，得出以下结论：学生对VR身临其境的水墨风格体验，愉悦感极强，93%的学生对国画4种基本构图形式能直观理解、运用并产生对国画的喜爱。

图10 问卷调查表

通过体验、实践和创作性学习，以更具体和创造性的方式获得知识。该“设计构图的VR体验”资源并不拘泥于某节课程使用，场景的开放性设计，适合所有艺术基础课程教学使用，易于让使用者创作出更多的应用价值。

3 结 语

VR教学资源的成本和内容是发展中最大障碍，它的普及还需要时间让这个新技术成为一般机构承担得起的教育投资［23］；另外市场上已有一些VR资源，但内容质量还不是很高，而且也不是专门用于教育上，仍然需要时间开发高质量和针对性的教育资源。

本文原创案例“设计构图的VR体验”详细分析了教学内容的设计和开发，提出以传统国画布局为理论依据的基础构图方法，目标是培养学生构图能力和传承中华优秀文化，如何在现代平面设计当中应用中国画的构图艺术，不仅是构建本土民族文化作品的要求，也是保护民族文化的一种方式［24］。学生可在立体的水墨风格场景自由游览，模拟写生采风的活动，可抓取物体在画框中自由摆放训练构图能力［25］。通过趣味性的情节和VR沉浸性体验的特点，带动学生学习的主动性，区别于传统的单向传播方式，激发新的思想和意义。针对不同年龄层、科目的学习需求制定教学资源，是有效的辅助学生掌握困难的知识点的，连接到互联网传播渠道让VR教学资源得到普遍应用。