基于VR技术的大学数字教材开发建设研究

邹云霞　杨又

［摘要］数字技术的普及和应用给教育领域尤其是教材的开发出版带来重大变革，使数字教育不断发展和改进。目前，大学数字教材在一定程度上存在单向化呈现、缺乏真实场景和具身交互、难以满足学生个性化需求等问题，而融入VR技术的数字教材能促进具身交互，从而实现学生的个性化学习。文章在界定大学VR数字教材概念和分析其建设必要性的基础上，基于当下数字教材存在的主要困境和挑战提出针对性的解决方案，以期推动大学数字教材出版的高质量发展。

［关键词］数字教材；VR技术；大学；数字建设

近年来，随着人工智能、大数据、云计算、5G等技术的普及和应用，数字技术推进教育领域发生重大变革。教材从原来纸质形式发展到数字形式，变得可无限复制且能随时随地获取。数字教材因智能化、便捷性、环保性等特点，为教师的教和学生的学带来极大便利。然而，目前数字教材还处于浅层使用和发展阶段，出版社的教材出版以静态数字教材为主，即是对传统纸质教材内容的一种电子迁移，缺乏真实场景和具身交互，同时，同质化的内容也难以满足学生的个性化需求，且缺乏有效的评估机制。为了进一步强化大学数字教材建设水平，文章重点探索开发基于VR技术的数字教材，旨在促进“互联网+出版”的融合发展，助力教育事业高质量发展。

一、大学VR数字教材的界定

数字教材（E-textbook）是数字时代教材的新形态，也称为网络教材、电子教材、电子课本、数字教科书等［1］。对大学VR数字教材的界定可从三个维度来探讨：一是从技术角度描述，即数字教材是以传统纸质教材为参照体系，以数字技术为支撑，满足国家人才培养需求的知识框架，适宜学生个性发展的学习材料系统［2］；二是从功能角度描述，即数字教材综合了搜索、超文本、书签、注释、高亮和交互等功能［3］；三是从属性角度描述，即数字教材兼具教育属性、出版属性和技术属性，其中教育属性是最根本的，不因数字教材的形态和功能而改变［4］。总而言之，数字教材就是以信息技术为基础，具有阅读和教学功能的一套完整的学习系统。

数字教材的演变历程大致可分为1.0数字教材（电子音像教材）、2.0数字教材（静态数字教材）、3.0多媒体数字教材和4.0数字教材［5］。随着可视化、区块链、AI、VR/AR等技术的蓬勃发展，4.0数字教材中的VR技术成分占比有所提高，成为当代数字教材的主流发展趋势。虚拟现实（Virtual Reality，VR）采用计算机技术生成逼真的视、听、触觉一体化的特定范围的虚拟环境，用户通过相关的设备与虚拟环境中的对象进行交互，从而产生身临其境的感受［6］。基于VR技术的数字教材具有VR技术的三大特征：一是沉浸性，虚拟现实能营造虚拟场景的临场感，学习者置身该场景仿佛处于真实世界，经历身体和精神的双重沉浸，产生沉浸式体验；二是交互性，虚拟现实构建高度仿真情境，VR数字教材的内容（包括文字、音频、视频、3D模型等）可通過VR眼镜以虚拟实物的形式展现在学习者的个人虚拟环境中，学习者可与虚拟场景中的人物进行会面交流，学习知识与技能，实现人人交互、人机交互的深度互动；三是构想性，学习者沉浸在虚拟环境中，与虚拟人物进行交互感知，了解虚拟世界的相关信息，从而深化对现实世界的认识。

二、大学VR数字教材开发建设的动因

VR数字教材是数字教材发展的主流趋势，大学VR数字教材是高校数字化教育的重要组成部分。它可提供更加丰富、生动、具体的学习体验，激发学生的学习兴趣和主动性，满足学生的个性化学习需求，从而提升学生的学习效果。其开发建设的动因主要有战略动因、技术动因和教育改革动因。

（一）战略动因：国家政策的推动和支持

进入新时代，党中央高度重视教材建设，健全教材建设工作体系，完善教材制度规范，统筹推进各级各类教材建设，引领和推进我国教材事业进入全新发展阶段。“教材建设是育人育才的重要依托。建设什么样的教材体系，核心教材传授什么内容、倡导什么价值，体现国家意志，是国家事权。”党的二十大报告提出，“推进教育数字化，建设全民终身学习的学习型社会、学习型大国”，数字教材作为数字时代教材新的形态，是教育数字化转型的重要推动力。《中国教育现代化2035》确定了教育工作的数字化发展方向，要求加强课程教材体系建设，科学规划大中小学课程，分类制定课程标准，充分利用现代信息技术……增强教材的思想性、科学性、民族性、时代性、系统性。在此背景下，将VR技术融入数字教材建设有利于创新大学数字教材模式，使数字教材与当前信息化教育事业深度融合，推进教育事业稳步发展。

（二）技术动因：“5G+VR”技术的成熟

随着5G商用化的开启，5G时代的来临促使移动通信和互联网的迭代升级，并赋能虚拟现实领域。在5G时代，互联网传输速度变得更快、时延变得更高、容量变得更大，这大幅增强了VR数字教材的沉浸性、交互性、构想性。在5G环境下，学校和教师借助计算机、手机等终端设备连接VR眼镜，可为学生提供沉浸式的学习体验。当前的VR设备已实现可穿戴化和便携化，突破了现实课堂的限制，能随时随地为学生提供沉浸式的教学环境。借助VR技术，数字教材实现内容呈现的多维化、立体化，其结合计算机图形学、视觉成像、身体感觉传感等技术，利用3D模型和传输设备，将传统纸质教材中平面、抽象、枯燥、静态、扁平化的内容转化得更为立体、形象、生动、动态、多维，将文字和图片组成的线性阅读变为全方位的沉浸式体验。学生置身虚拟空间能更好地调动视、听、触、嗅觉，与客观环境相互交融，促进自身知识建构、交互沟通。这不仅能满足教师的真实情景教学需求，还能提高学生的学习效率。

（三）改革动因：教学改革的必然要求和趋势

“互联网+”时代的到来，极大推动了教育产业结构的转型升级，教育信息化成为信息时代发展的必然趋势。大学信息化教学改革活动的有序开展，对增强教育实用性、创新教学方法具有积极影响。VR技术应用于大学数字教材改变了传统的教学场景和教学方式。一是变革教学场景。建构主义强调对具体情境的构建，学生只有在具体的情境中才能更好地感知、理解、掌握和运用知识。基于VR技术的数字教材为学生提供了生动、逼真的语言学习环境，使教学更立体化、可视化和动态化，让学生成为虚拟环境的参与者，可全身心地投入语言学习。二是变革教学方式。VR技术应用于数字教材，师生可进行具身交互，由此改变传统的讲授式教学方式，进而转变教师的课堂角色，使教师成为学习活动的引导者，同时，学生在虚拟空间与教师进行沟通时可充分发挥主体性作用，以调动学习的积极性，实现个性化学习。

三、大学VR数字教材开发建设的现状和问题

目前，国内大部分大学都已推进教材数字化改革。一是已初步建立数字教材基础设施，包括教育云平台、数字教学资源库和在线教学云平台。如西安交通大学联合档案馆、博物馆和网信中心联合打造数字文博平台，汇集多方面优质数字教学资源。二是数字教材建设取得一定进展，部分大学已开始使用多媒体教室、在线教学平台。如浙江大学构建了以云计算为支撑体系、AI技术为核心的高校智慧教学生态体系［7］。三是部分大学已开展VR数字教材建设，但这些VR数字教材主要应用于医学、生物、化学、物理等实验性课程的教学。如哈尔滨工业大学运用智能数控机床虚拟操作和汽车虚拟设计与装配等相关VR资源，通过沉浸式教学让学生了解复杂设备的各方面知识［8］。总而言之，目前大学数字教材已初步建立相应基础设施并取得一定进展，但仍面临以下问题和挑战。

（一）数字教材单向化呈现

目前，大学数字教材大多是纸质教材的电子化，是数字版本再现与教学资源库的整合，以纸质教材内容在移动端和PC端的电子化呈现为主，即将纸质教材中的试题、讲义、课内外阅读、课后作业等内容扫描成PDF格式，或是在原教材内容的基础上重新编辑脚本，添加声音、图像、视频、动画等多媒体元素，在纸质教材的扉页或正文部分加入URL、二维码等链接，连通在线扩展学习平台［9］。换言之，现阶段大学数字教材基本是对纸质教材内容的迁移，尽管在内容容量、呈现方式及教学功能层面实现了大跨步发展，但学生也只能对其单向控制，对数字教材负载的媒体信息接受较为被动，在一定程度缺乏互动性和个性化的学习体验。这就极大地降低了学生作为学习主体参与学习的积极主动性，使学生并未切身融入教学情境，从而影响学习效果。

（二）数字教材缺乏真实场景和具身交互

当前，大多数大学尽管已广泛使用多媒体数字教材，但传统的“教师讲—学生听”的面授课堂教学方式并未改变：课堂仍以教师讲解为主，师生互动较少，课堂中仅有的师生互动往往局限于学生提前观看学习通的线上视频，教师课上提问，缺少个性化的语言环境。实际上，教学中的模拟场景构建非常重要，学生在具体、情境性、可感知的活动中能更有效地观察、领会、习得和运用知识。现阶段的电子教材如网络视听资料、电子课件、网络课程、试题库等在线学习资源的呈现内容仍是静态的，并未构建动态和交互式的真实场景，师生缺乏投入具身化的学习场景进而全方位感知、体验的机会，无法充分调动学生的学习积极性和主动性，师生和生生间的互动也有所欠缺。有学者通过研究梳理国内英语写作慕课视频发现，其大多重视异步交互，缺乏师生、生生之间的同步交互［10］。

（三）数字教材难以满足学生个性化需求

传统教学模式多使用同质化的教材，将全部学生作为一个整体进行无差别教学，这种模式可以系统、全面地将知识传授给学生，但也忽视了学生的个性化发展，未做到因材施教，导致学生缺乏学习兴趣和创新意识，达不到理想的教学效果。现代教育的目的是发挥学生的主体作用，为学生提供针对性教育，促进学生综合能力的发展。然而，目前大学数字教材一般是为了配套纸质教材而设计开发的，大多将纸质教材内容通过数字技术复制转换到课件、光盘或学习通等网络学习平台上，呈现数字教材与传统纸质教材内容基本一致的局面［11］。这一“复制照搬”模式限制了数字教学资源的发挥，忽视学生在认知、基础知识积累、学习能力等方面的差异，无法发挥数字教育教学的个性化、互动性和信息多元化的优势，更难以满足现阶段经济社会发展对人才多元化培养方面的需求。

（四）数字教材学习效果缺乏有效评估机制

目前，大学数字教材的学习使用效果还缺乏有效的评估反馈机制。例如，学习通平台将课程每一课时的学习内容设置成一个关节点，根据阅读时长赋分，学生学习后可获得相应的进度，并在每一单元课程后设置小测验，学生完成测验则获得进度与相应的分数。但由于缺少技术手段监测，部分学生在学习过程中采用“刷课”“挂机”的方式逃避学习，因此这种赋分制所反映的数据可能会失真，并非学生真实学习过程、效果的体现。课程评价的真实性与准确度无法得到保证，会引起课程教师的误判，进而影响课程质量的提高。有学者通过分析中国大学MOOC平台中的课程评分标准发现，大多课程将讨论区的发、回帖数量作为衡量讨论区成绩的指标，而这种对发帖质量不加限制的标准容易引起学习者的“灌水”行為，部分学习者会复制粘贴他人的交流内容或网络资料的水帖来获取分数［12］。

四、大学VR数字教材开发建设的具体举措

大学VR数字教材可以为学生提供互动性强和身临其境的真实学习体验，将抽象的概念、现象和过程呈现为具体的图像、动画和模型，将不同学科的知识点和教学内容以多种多样的形式和方式进行展示，让学生实现自主学习和随时随地学习，从而解决传统数字教材存在的问题，其具体建设路径如下。

（一）构建VR数字教材的开发标准

构建大学VR数字教材的开发标准需要从技术和教育两个方面着手。一是技术规范标准。大学VR数字教材的开发标准可使用现有的教育资源信息技术规范。当前，国际上使用较广泛的教育资源信息技术规范有学习对象元数据（LOM）规范、IMS包装规范等。LOM 规范是对数字教学资源的基本描述，旨在促进数字教学资源的共享使用，而IMS包装规范是对数字教学资源内容的规范描述，旨在促进数字教学资源在不同平台系统间的内容交换［13］。二是教育规律标准。教育性是数字教材的第一属性，由此，大学VR数字教材的开发应遵循学科发展以及学习者的发展规律：大学VR数字教材的开发应以学科发展规律为依据，选择适宜的学习内容，以实现育人功能；同时要按照不同发展阶段的学生、同一阶段不同学生之间的发展水平，为其提供个性化服务，最大限度地促进学生综合全面的发展。

（二）打造分布式多元教学程序

教育个性化是未来教育的重要特征，也是教育现代化的重要内容。教育个性化强调对个体差异的尊重，追求全面有个性的发展。教育个性化在教学层面则表现为教材的个性化，大学VR数字教材需要实现个性与共性的统一。传统的数字教材只是对纸质内容的电子迁移，其内容具有一定程度的同质性。因此，大学需要打造分布式多元教学程序，即开发移动或PC端App，借助App连接VR头盔，将分布在互联网不同节点中（如教室、寝室、家等）的师生连接在一起，根据纸质教材的教学内容构建仿真多样化的教学场景，重塑学习场域，使佩戴VR头盔的师生在同一虚拟空间中共同体验虚拟教学。学生可根据自身的需求选择不同的场景，可与虚拟人物对话，实现实时多维度教学交互，进而实现个性化学习，如此既能有效解决面对面教学中教材单向呈现、人际交互方式单一、学习效果不明显的难题，也能有效避免使用传统数字教材进行线上教学因时空相隔而造成的学生自控力不强、师生交互不足等学习效率降低的问题。

（三）开放VR数字教材市场化生产平台

目前，大学纸质教材的编订、出版、发行基本由指定的部分出版社负责，其内容具有标准化、同质化倾向，而数字化教材的打造也往往基于标准化、同质化的程序和平台，这限制了大学VR数字教材的多元化发展。因此，业界要积极开放VR数字教材市场化生产平台，让企业研发生产更优质的VR数字教材。一是要实现“社—企”合作。由于维护成本和技术限制，大学VR数字教材的生产成本远高于传统静态的数字教材，这使其在激烈的市场竞争中不具备价格优势，不利于宣传推广。因此，各出版社要与企业合作，形成完备的出版产业链，并整合产业链的上中下游企业，形成VR数字教材生产、传播和销售的利益共同体，降低制作和使用成本。二是要构建资源共享库。建立基于VR技术的共享教学资源库可实现虚拟数字资源的共享，为学生提供课程学习资源和试题库，避免同质化内容建设造成的成本浪费。三是要培养复合型VR编辑人才。优质大学地数字教材的开发需要专业的作者团队、出版团队，基于教师对教材使用的反馈不断打磨与修订教材。因此，各出版社要着力建设VR编辑队伍，培养能将VR技术与出版相结合的复合型编辑人才。

（四）建立VR数字教材评价体系

大学VR数字教材开发建设要基于VR数字教材的特点，建立全新、适切的评价范式。一是要确立VR数字教材的评价标准。在教学目标层面，要评价VR数字教材是否明确了课程教学目标并达到教师预期的教学效果；在教学内容层面，要评价VR数字教材是否具有科学性、系统性和趣味性等特点，是否满足学生“私人定制”的学习需要；在教学设计层面，要评价VR数字教材的设计是否符合学科特点和学生的认知习惯。二是要确立评价主体。在学生层面，可采用问卷调查的方法来调查学生的体验效果，如VR数字教材是否有助于培养学生创造、批判思维、协作及沟通能力，是否满足学生个性化的自主深度学习，是否实时反馈师生、生生互动；在教师层面，让教师评价VR数字教材是否满足育人的需求，是否有助于解决教学的核心问题；在学校层面，应充分考虑大学开展教育教学改革以及人才培养对VR数字教材的需求。三是要优化改进举措。在大学VR数字教材使用过程中，教师要充分收集相关数据（如学生的学习效果、学习成绩和知识掌握程度等），总结用户体验（如界面的设计、交互方式和场景设置等），同时汇总反馈意见并进行比较分析，不断更新教学数据库，以改进优化VR教学程序。

（五）加强VR数字教材版权保护

作为电子出版物，大学VR数字教材传播渠道宽泛且传播速度快，其内容易被随意复制、转载和盗版，因此要加强版权保护。一是要加强VR数字教材的版权宣传教育。教材版权保护是维护数字企业和出版社收益的关键。保护VR数字教材的版权不仅能维护著作者的劳动成果，而且能推进出版社的修订更新，而使用盗版必然不利于VR数字教材长远的开发建设。因此，大学和教师要强化学生对VR数字教材的版权保护意识，通过对接教务处、学工等部门开展入学教育专题报告，对学生进行系统的教材版权保护宣传教育，使其树立正确的教材观，自觉践行知识产权保护，从需求、源头上拒绝盗版侵权行为。二是要完善法律法规和保障机制。数字出版发展迅速，但相关的法律条文尚未规范，数字教材侵权的案例层出不穷。因此，相关部门要完善相关的知识产权法律法规，严厉打击市场上的数字出版物侵权行为，切实保障出版发行方的权益。三是要加强数字教材管理。出版社可借助数字资产管理（DAM）、数字版权管理（DRM）和数字对象标示号（DOI）等工具［14］对VR数字教学资源进行加密，从技术上减少盗版问题，保护VR数字教材的知识产权。

（六）推进VR数字教材配套资源的开发管理

大学促进VR数字教材价值与潜力的提升需要配套资源的支持。一是要构建VR教室。VR教室可有效解决以往网络教学中缺少课堂气氛、学生学习归属感较差、难以调動学生学习自觉性和积极性的问题，改变传统教育被动灌输的模式，促进学生沉浸式学习。教师可运用3DMAX、Creator、VEGA等工具软件以及教室模型、教具数学建模等功能软件，在虚拟空间中建立一个可交互的教学系统，学生在VR教室中如同置身于真实的学习场景，在场景中选择自己的角色，可以与同学沟通，也可以与虚拟教师交流，虚拟教师会积极讲解课程内容并回答学生疑问，帮助学生更好地理解学习内容。二是要优化VR头盔。VR头显设备昂贵且笨重，导致VR技术应用成本较高、普及率较低。前5G时代由于移动通信和互联网技术传输速度慢、时延高、容量小等，导致出现卡顿、延迟、清晰度不够、交互性不强等问题，使学习者佩戴VR头盔后产生眩晕等不适感，影响学习沉浸体验的连续性、持久性和强度［15］。因此，大学VR数字教材要配置更加人性化的VR头显设备，如设备可采用轻质材料以减轻重量，提高舒适度；利用5G网络的大宽带、低延时性保障虚拟空间网络高速运行，给学生带来更清晰、流畅的沉浸式学习体验。

五、结语

大学数字教材建设需要顺应数字化潮流，加快转型升级。VR数字教材的打造契合了信息时代数字化教育的需求，将促进大学的教学改革。VR数字教材将成为未来数字化教育教学的重要组成部分，其沉浸性、交互性和构想性的特征能够搭建三维仿真的场景，突破时空限制，为学生带来沉浸式体验，调动学生的学习兴趣，深化其对抽象知识的认识，并能促进人机交互，提高教师教学效果和学生学习效率，对实现个性化教学，培育学生批判想象思维具有辅助作用。目前，大学VR数字教材开发建设仍处于探索阶段。文章探讨分析了大学VR数字教材开发建设的动因和具体举措，以期为数字化时代大学VR数字教材开发建设提供参考，为未来大学教育发展注入新的活力和动力，从而促进我国数字化教育教学的高质量发展。

［参考文献］

［1］余宏亮，王润.数字教材体系：价值意蕴、结构要素与建构路向［J］.全球教育展望，2022（11）：60-68.

［2］王天平，闫君子.数字时代的教材特征与开发新探［J］.课程.教材.教法，2020（09）：11-18.

［3］VASILEIOU M，HARTLEY R，ROWLEY J.Choosing e-books： a perspective from academic libraries［J］.Online Information Review，2012（01）：21-39.

［4］王志剛，沙沙.中小学数字教材：基础教育现代化的核心资源［J］.课程.教材.教法，2019（07）：14-20.

［5］王润.数字教材何以推动教学变革：逻辑与路径［J］.湖南师范大学教育科学学报，2021（05）：44-51，68.

［6］张建武，孔红菊.虚拟现实技术在实践实训教学中的应用［J］.电化教育研究，2010（04）：109-112.

［7］汤显峰，沈丽燕，董榕，等.基于云渲染的VR/AR智慧教室的设计与应用［J］.现代教育技术，2021（05）：82-89.

［8］王灵利，齐乐华，罗俊，等.VR技术应用于工程实训课程探究：以西北工业大学的“VR虚拟装配综合实训课程”为例［J］.现代教育技术，2022（07）：85-92.

［9］谭祎哲.基于VR/AR的高校英语教材数字化建设探索［J］.出版广角，2021（16）：83-85.

［10］黄红兵，邓鸥翔.我国大学英语写作慕课建设现状与优化策略探究［J］.外语电化教学，2022（04）：80-88，120.

［11］赵君，葛树慧.大学英语教材数字化出版建设思路［J］.出版广角，2016（14）：77-79.

［12］张靖，傅钢善，郑新. MOOC中学业不端行为的表现形式、危害及应对策略［J］.数字教育，2018（01）：33-39.

［13］李晓锋，孙燕.数字教材的属性特征及标准规范体系研究［J］.出版科学，2021（03）：42-49.

［14］CARREIRO E.Electronic Books：How Digital Devices and Supplementary New Technologies are Changing the Face of the Publishing industry［J］.Publishing research quarterly，2010（04）：219-235.

［15］安传迎.5G+VR促进大学教学从片面沉浸化到全面沉浸化［J］.重庆高教研究，2021（04）：59-68.