虚拟现实技术在科普教育中的应用

周佳卉 徐蕾 刘楠 顾洁燕 王瑜

摘 要 虚拟现实技术由于其交互性、沉浸性、构想性、直观性、形象性，近年来已被广泛应用于科普教育活动中。通过梳理虚拟现实技术在国内外的应用情况及理论基础，探讨了博物馆虚拟现实科普教育资源的特征与需求，并以上海自然博物馆的昆虫VR系列视频为例，介绍博物馆虚拟现实科普教育资源的开发与设计。

关键词 博物馆 科普教育 虚拟现实

0 引言

随着网络通信与多媒体技术的高速发展，使得科普教育活动的形式不断多样化。目前，在科普教育活动中常见的多媒体数字内容主要包括：视频、flash动画、3D/4D电影、虚拟现实成像以及全息投影成像等[1]。

虚拟现实技术，是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机系统[2]。它融合利用了计算机图形技术、人机接口技术、多媒体技术、传感技术、仿真技术等，可以让受众在仿真的虚拟环境中拥有视觉、听觉、触觉等多方位、多感官体验[3]。利用虚拟现实，受众可与虚拟世界中的各种对象进行交互性操作，如互动体验或信息交流，从而获得身临其境的“真实”体验[4]。这种全新的人机交互模式自问世以来，已经被迅速扩展并融入医学、军事航空、工业仿真等各个领域，同时它在科普教育中也有着极高的应用价值。随着我国科普教育事业的不断创新与发展，承担着非正规教育职能的博物馆也应当思考，如何利用虚拟现实技术更好地开展科普教育工作。

本文简要梳理了虚拟现实技术在国内外的应用情况及理论基础，并以上海自然博物馆的昆虫VR系列视频为例，介绍了博物馆虚拟现实科普教育资源的开发与设计，以期抛砖引玉，为同行提供一些参考。

1 虚拟现实在国内外科普教育中的应用

虚拟现实技术具有沉浸性、交互性、构想性、直观性、形象性等特点，在教学中的应用潜力巨大，具有激发学习动机、创设学习情境、增强学习体验、感受心理沉浸、跨越时空界限、动感交互穿越和跨界知识融合等多方面的优势[5]。首先，虚拟现实为自主学习提供了有利的条件，学习者可以利用设备随时随地进行自主学习。比如，Google公司推出的Cardboard，虽然仅包含纸板、凸透镜、橡皮筋、魔力贴等简单的小部件，但用户却可以自己组装，以非常低廉的价格拥有一副3D眼镜，再加上一部智能手机就构成了VR设备。其次，虚拟现实提供的“真实”场景可将难以想象的东西以三维形式直接呈现出来，帮助学习者对知识的理解和记忆。比如，外科医生可利用虚拟现实技术，对成千上万的医学生进行手术教学[6]。最后，由于虚拟现实技术创造了身临其境的感受与丰富的交互体验，新颖的形式可以唤起学习者的兴趣，为学习者提供观察、操作及与他人合作的机会，促进了知识的建构过程[5，7]。

在科普教育中使用虚拟现实技术，一方面可以突破时间与空间的限制，模糊受众的年龄限制，让现实中无法实现或展示的内容成为可能，弥补客观条件的不足，创造一种良好的虚拟学习空间。另一方面，沉浸式体验也让受众将被动学习、接收信息转化为主动探索、粘性学习，进一步启发受众的想象力与创造力，激发创造性思维，成为一种科普教育传播的新渠道[3]。

目前，虚拟现实技术在国外科普教育中的应用涉及科学实验、科普游戏等。英国广播公司拍摄了纪录片《地球》，借助虚拟现实技术带领观众观察已经灭绝的生物——恐龙;瑞士巴塞尔大学通过虚拟现实技术帮助学生深入了解人体胸腔器官的结构;西班牙国立考古博物馆推出了一款虚拟现实应用，向观众展示不同时期的西班牙，从旧石器时代的洞穴深处、罗马帝国时期的城市广场到阿拉伯统治时期的街头集市。此外，影片《紫禁城：天子的宫殿》利用虚拟现实技术重现考古发掘场景，展现故宫内一些无法对外开放的景点，让观众能够了解文物及其背后的故事。在首都博物馆的“王后、母亲、女将——纪念殷墟妇好墓考古发掘四十周年特展”中，观众可以通过VR眼镜“亲临”妇好墓穴，前往内部上下六层，一睹随葬品的现场风貌。

综上所述，虚拟现实技术呈现的是一个动态、开放的环境，受众可以从任意有价值的角度观察虚拟世界的元素，进行交互性操作，从而获得“真实”的体验。

2 虚拟现实在科普教育中应用的理论基础

2.1 建构主义学习理论

建构主义学习理论认为学习不是由教师把知识简单传递给学生，而是由学生自己建构知识的过程，也就是说，学习不是被动接收信息，而是主动构建意义[1]。虚拟现实技术通过独特的沉浸式体验，让观众能够在“真实”的环境中，基于自身已有的认知水平和经验，去主动获取知识与信息，分析知识的合理性。同时，虚拟现实技术拥有构想性特征，它模拟的场景将抽象的概念具象化，让观众可以突破生理与时空限制，进入宏观或微观世界去探索与观察，打破固有的思维模式，激发想象力与创造力。

2.2 情境体验式学习理论

情境体验式学习理论融合了情境学习理论与体验式学习理论[8]。情境学习理论认为，知识的学习、运用与实践都是在一定的情境中進行的，知识的意义应该在真实的活动或情境中建构，学习者在真实的情境中学习与探究才能最终对各类问题形成多样化的解决策略。体验式学习主要是通过学习者自主探究或协作的方式来学习，它认为学习过程是抽象经验和具体经验之间相互转化的过程，注重学习过程中的经验转换和情感升华。虚拟现实技术通过创设生动真实的情境，引导观众将获取的经验与已有的认知相联系。

2.3 自主学习理论

自主学习理论是指学习者自主选择学习内容、目标、材料、策略与模式，强调学习者与环境之间的相互作用以及协作学习的重要性，自主学习的过程以自主探究、启发式学习、协作式学习为主[8]。在虚拟现实技术创设的虚拟学习情境中，观众可以进行自主学习与合作探究，并通过交互性操作了解学习进程与反馈，因此，观众可以充分发挥自主性，通过探究活动和相互协作来建构知识。

2.4 沉浸理论

沉浸理论又称为“流体验理论”，是指当个体全身心投入一件事并获得愉悦感达到忘我境地时，就产生了心流，这种状态是学习者融入虚拟情境中进行学习体验的最佳状态。虚拟现实技术提供的沉浸式体验，有助于观众提高学习效能与效果。在虚拟环境中，观众是学习与探究的主体，其学习兴趣、效率、动机等方面都有所提高[8]。

2.5 行为主义学习理论

行为主义学习理论认为学习起因于外部刺激，通过对环境的“操作”和对行为的“强化”，任何行为都能被创造、设计、塑造和改变[1]。虚拟现实技术将科学内容融入创设的“真实”情境中，充分发挥了环境的“刺激”作用，从而引导观众产生正确的机体反应。

3 博物馆虚拟现实科普教育资源的特征与需求

博物馆教育作为一种非正规教育，以陈列展览等实物为基础，反映科学事实与内容，从听觉、视觉等多感官角度去促使观众观察、思考及探究，进而获得知识经验。这种接触、理解和记忆知识的方式有别于学校、社会教育机构等其他知识媒介[9]。如果学校教育的特征可概括为立足课堂、基于教材、传播间接经验的授受式学习，那么与此相对，博物馆教育的特征则可概括为来自展品、基于实物、传播直接经验的体验式学习、探究式学习[10]。

因此，博物館教育应当考虑观众的特点，以特有方式来呈现其所要传播的知识。笔者认为在博物馆虚拟现实教育资源的开发与设计过程中，要合理注入知识内容与思想内涵，即将科学知识的传播与教育目标的实现相结合，并利用情境导入、悬念吸引等方式来增强趣味性与故事性。

4 博物馆虚拟现实科普教育资源的开发与设计

下面以上海自然博物馆的昆虫VR系列视频为例，从选题依据、内容策划与视频制作三个方面分析博物馆虚拟现实科普教育资源的开发与设计。

4.1 选题依据

昆虫是世界上数量最多的一类动物，它与我们的生活息息相关，但却有着和人类完全不同的生物学特点。然而，昆虫因其体型微小，活泼善动，往往不宜对其进行近距离的观察。

由表1可知，目前上海自然博物馆共有16个昆虫主题的教育活动，目标人群覆盖学龄前、小学、初中、高中及亲子家庭。昆虫VR系列视频旨在将馆内已有的原创活动与虚拟现实技术结合，以期丰富展览教育形式，深化展览教育内容，强化展示教育效果，让观众走进奇妙有趣的昆虫世界，激发大家进一步观察自然、探究自然的热情。

4.2 内容策划

在分集内容的选择上，通过前期调研发现，昆虫的发声、伪装、生活史、取食以及发光这五个方面是观众感兴趣却仅凭标本等无法深入了解的内容。如表2所示，昆虫VR系列视频共有5集，单集视频时长3 min，以“虫出江湖”为主题，将观众作为第一视角，让他们“缩小”后进入昆虫世界。

如基于上海自然博物馆“缤纷生命”展区的“森林音乐家”展项，研发团队将鸣虫作为故事的主角，策划了分集故事《仲夏三“虫”奏》。鸣虫，带给人们自然界的“天籁之音”，传递四季的变化消息。生活在钢筋混凝土城市中的我们，往往会忽视这群活泼可爱的邻居。在夏秋之际，偶然听到虫鸣，人们内心或许会产生一种与自然联结的欣慰，但却往往又觉得这些小东西难以找寻与亲近。视频从鸣虫的生活环境切入，重点展示迷卡斗蟋、优雅蝈螽和日本纺织娘这三种虫子独特的发声方式。通过虚拟现实技术，观众可以穿梭在夏日夜晚的灌木丛中，近距离观察鸣虫的摩擦发声，从而了解它们的生活环境与活动习性，体验到别样的城市野趣。

如图1所示，在视频画面中出现的放大提示框进一步展示了鸣虫动作的细节，比较蟋蟀类与螽斯类鸣虫利用左右前翅的相互摩擦发声的细微差异。在昆虫VR系列视频中，均使用了提示框的形式来引导观众在情境中仔细观察。如在讲述昆虫生活史的《虫大十八变》中，由于短时间内无法完整描述蜻蜓、蝴蝶等昆虫的所有蜕皮发育阶段，因此也采用了提示框的形式来向观众传达这类昆虫在成长过程中会经历的变化，既吸引了观众的注意力，同时也精简了镜头语言。

在故事情节的设置上，研发团队充分考虑了增加悬念。比如，在《觅食“虫特工”》中，观众戴上VR设备后将置身于非洲大沙漠，雄性蜣螂能否将超出自身体重若干倍的大粪球顺利带回洞穴，成功获得雌性蜣螂的欢心？带着这样的谜团，观众通过完整观察一只雄性蜣螂的觅食过程，可以生动了解到非洲蜣螂的运动方式与求偶方式，感受小昆虫的大力量。昆虫的一举一动无不牵动着观众的心，这些悬念带动了故事情节的发展。

最后，视频故事中有许多细节等待观众去探索。观众可以基于已有的知识经验，通过VR视频发现更多新鲜有趣的内容，从而建构新的知识。比如，在《暗夜虫精灵》中，观众戴上VR设备后将置身于山洞中，发出亮光的蕈蚊幼虫正在设下一张极度危险的丝网陷阱，此时正巧飞过的一只小虫将命运如何？

4.3 视频制作

（1）昆虫扫描与模型搭建

如图2所示，为了还原最真实的昆虫形态特征，研发团队采取昆虫活体扫描的方式，前期采购了一批活体昆虫，经专家进行科学鉴定后利用三维逆向扫描技术进行建模。三维扫描系统主要利用空间物体外形、结构及色彩的扫描，将物体立体信息变换为可利用计算机进行直接处理的信号，以获得物体空间的表面坐标，从而实现物体的三维扫描[11]。由于传统的三维激光扫描系统校准精度不高，扫描速度较慢，效果不是很理想[12]。因此，研发团队引入了逆向工程技术，以昆虫的形状、表层数据点为研究对象，先实现数据的高精度捕捉，获得昆虫表面的点云，再通过三维点云数据拼接软件与三维曲面拟合软件对昆虫进行三维数字化建模。最后，再根据昆虫的高精度尺寸，并利用相关的三维设计软件对模型进行修正。

（2）自然场景制作

在VR视频制作过程中，场景搭建是重要的环节，只有真实的场景才能给予观众沉浸感与体验感。“虚幻引擎”是美国Epic Games公司的一个高性能软件开发套件，在虚拟场景制作中，它可以帮助开发者生成非常复杂的虚拟元素，虚拟环境中的阴影如同在真实场景中透射一般，从而生成照片级别的布景[13]。因此，在本项目中，研发团队利用虚幻引擎来搭建场景，提高虚拟场景的真实性和还原度。如图3所示，在水下环境中模拟了真实的阳光通过水面后反射和折射产生的阴影。如图4所示，在较为广阔的沙漠环境中，则使用定向光源与天空光源来保证场景同时具有阳光和天光，同时也模拟了自然光照在地面上生成的逼真阴影，还原了现实世界中远景在接近地平线高度上的模糊现象。

（3）畫面剪辑与镜头语言

VR视频给观众带来了丰富的空间维度，但其中场景的切换也对生理舒适度、沉浸感等有一定的影响。当VR视频中的镜头切换或画面跳转时，观众需要重新适应整个环境空间，若影片主体运动速度过快，观众便难以捕捉到剪辑点，镜头的快速切换可能会造成眩晕之感[5]，甚至出现跟不上情节发展的情况。因此，VR视频的剪辑与叙事手段对于观众的体验感而言尤为重要。研发团队在故事叙述中采取了光点引导的方式，观众戴上VR设备后，会在一个由光点代表的小精灵的带领下去观察、体验昆虫世界正在发生的故事，这种引导模式能够带给观众一定的指引作用，同时也并未干扰他们自我探索与发现的视线。

5 不足与展望

研发团队邀请了相关领域的学科专家审核，并希望观众在参与后提供修改意见，但遗憾的是，项目整体未能设计完整的评价体系，缺乏系统的数据支持，因此在评价反馈上还有待完善。

此外，昆虫VR系列视频的设计初衷是让观众化身为昆虫大小，置身于昆虫世界。若能引入更多的互动环节，如通过操作手柄与场景中的昆虫产生一些互动，将给予观众更佳的体验感。因此，日后可以在视频中增加交互性的操作任务，让观众从“只能看”变为“能看、能动”。

上海自然博物馆的昆虫VR系列视频基于馆内已有的展示教育资源，利用虚拟现实技术将科学性与趣味性相结合，实现了体验式、沉浸式的科学传播。VR视频丰富了博物馆展示教育资源的形式和内容，带领观众穿越时空，体验到自然的多彩与乐趣，期待未来虚拟现实技术能在博物馆得到广泛的应用。

参考文献

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[13]符清芳，张茹.基于虚幻4的自然场景制作[J].电脑知识与技术，2016（31）：188-189.

作者简介：周佳卉（1991—），女，从事科普教育工作，E-mail： zhoujh@sstm.org.cn。