沉浸式虚拟现实场馆设计与实现,以高校思想政治理论课实践教学中红色VR展馆开发为例

　 [摘 要] 近年来，各地高校正在加强思想政治理论课的教学改革力度，积极开展实践教学创新研究，融合场馆学习理论和虚拟现实技术的红色虚拟场馆，作为一种新型的学习资源倍受关注。沉浸式虚拟场馆，可以突破时空及经费限制，让大批学生实现虚拟参观，获得知识和情感的提升。文章阐述了沉浸式 VR 的特点、设备类型，提出了手机 VR 和 VR 一体机、主机 VR、主机 VR+大屏以及 VR 立体投影四种 VR 教学应用模式，探讨了 VR 场馆建设的原则和策略，并以红色 VR体验馆设计为例，分析了虚拟展馆从内容选择到目标设定以及开发流程等各个环节。研究认为：VR 场馆的教学实践需要在设备与环境、VR 资源建设、VR 教学策略及教学评价等方面作出相应改革与探索。

　[关键词] 虚拟现实; 场馆; VR+教育; 思想政治理论课; 实践教学

　一、思想政治理论课实践教学现状及问题的提出

　 高校思想政治理论课是对大学生进行思想政治教育的主要渠道。思想政治理论课实践教学是对大学生进行思想政治教育的重要阵地。思想政治理论课实践教学资源，是指在思想政治理论课实践教学组织实施过程中有利于实现实践教学总目标的人力、物力、财力等显性要素资源以及信息、技术等隐性要素资源的总和[1] 。长期以来，思想政治理论课实践教学一直是高校人才培养中的薄弱环节。在去年年底的全国高校思想政治工作会议上，国家领导人也对加强高校思政工作做了重要批示 [2] 。在中央相关文件精神指导下，特别是自从 2011 年 2 月教育部提出“实践教学纳入教学计划，落实学分、教学内容、指导教师和专项经费，建立相对稳定的校外实践教学基地，实践教学覆盖大多数学生”的具体要求以来，思想政治理论课实践教学取得了一定的进展 [1] 。

　思想政治理论课实践教学，重在校外实践，贵在体验式参与，但因为受制于师少生多、地域与时间、教学环境以及经费、资源等因素，很多高校的思政实践教学根本无法落实，实践教学变成了纯粹的“课堂实践”、学生自己调研后提交调研报告的“放羊实践”，或者成为仅从授课班级中抽取个别优秀学生组队考察的“精英实践”，实践教学的功能难以完全实现 [1] 。高校思想政治理论课的教学现状已经引起了从中央到地方，从学校到师生的关注，相应的可行性的改革必将会引起全社会的瞩目与重视 [3] 。

　场馆学习(Museum Learning)理论认为，场馆是学校之外的第二教育系统，相对课堂授课，场馆学习资源丰富、环境轻松、时间灵活、学习随意，给学生提供了轻松自由、自主自导的非结构化学习方式 [4] 。随着新技术的发展，博物馆或学校中虚实融合的学习环境的复杂性日益增加，场馆学习的真实情景性、体验性，在促进学习者对知识的理解、发挥学习者主动性、培养批判性高阶思维能力等方面有积极影响 [5] 。

　虚拟场馆是通过计算机产生的一个数字化的体验环境，学生可以通过操控计算机、手机或其他虚拟现实设备置身于该环境之中，以实时互动的方式参观展览、感受历史、体验红色文化，获得身临其境的感觉。通过一定的资源设计和开发，组织特定的教学体验活动，可以让实践教学突破时间、空间及经费等因素的制约，让大批学生体验到与实体馆相同的感受。红色虚拟现实体验馆已成为高校思想政治理论课实践教学中一种新的资源形式，正在引起越来越多的学者和教师的关注。

　二、沉浸式 VR 设备及教学应用分析

　 (一)沉浸式 VR 体验的特点 虚拟现实具有 3I 特征,即构想性(Imagination)、实时交互性(Interaction)和沉浸感(Immersion)。按照虚拟现实系统的沉浸感和实时交互程度的差异，国外研究者将虚拟现实系统分为：非沉浸式 VR 系统(Non-immersive System)、半沉浸式 VR 系统(Semi-Immersive System)和沉浸式 VR 系统(Immersive System) [6] 。非沉浸式 VR 系统通常由电脑屏幕呈现虚拟环境，又叫桌面 VR(Desktop-VR)，用户通过平面显示设备观看虚拟环境，并通过键盘鼠标等外设进行交互，虽然可以看到立体图像，但整体感觉是“置身事外”;半沉浸式 VR 系统是桌面 VR 的加强版，虽然提供一些头部追踪等技术来提高用户的沉浸感，但仍使用二维显示器来显示图像;沉浸式 VR 系统通常需要头盔显示器和位置追踪等设备，让用户产生较强的浸入感和更自然的交互。

　(二)沉浸式 VR 的设备类型 体验者要获得沉浸式的 VR 体验，需要有相应的显示和追踪设备，主要是头戴式显示设备、位置追踪及运动控制设备。目前主流的沉浸式 VR 设备可以分为主机、手机 VR 以及 VR 一体机。三种 VR 设备的定义、原理、特点和代表性产品见表 1。

　表 1 三种 VR 设备对比分析

　 三种类型 VR 代表性产品及在沉浸感、互动性、功能性、便携性以及价格方面的优劣势对比如图 1 所示。

　 图 1 三种 VR 设备代表性产品及其对比

　由图 1 可见，三类设备中，沉浸感和互动性最好的是主机，VR 一体机虽在这两个维度的比较中略处下风，但其便携性和价格成为竞争的亮点。因此，笔者认为 VR 一体机和主机 VR 将是今后沉浸式 VR 教育应用的主要设备类型。

　 (三)VR 的课堂教学应用模式分析 依据 VR 设备类型的特点，本研究提出四种不同的 VR 教学应用模式，具体分析如下：

　1. 手机 VR 和 VR 一体机应用模式 手机 VR 和 VR 一体机的原理是利用双眼视差和陀螺仪实现视觉立体显示和图像旋转定位，通过目视点持续注视热区或按钮实现交互操作。通过该方式可以打开或关闭全景图中嵌入的图像、视频和语音解说等，或者激活内嵌的 360 序列图片，呈现 3D 物体。课堂体验时，学生需自备符合配置要求的智能手机并安装相应的 APP，将手机插入到头盔盒子中，带上头盔(或者直接佩戴 VR 一体机)体验。该方案是一种最廉价的解决方案，多用于观看全景图像和全景视频，比较适合基于图像合成的全景图 VR 体验馆，可以满足在普通教室或实验室内多人同时使用，基本使用模式如图 2 中的 A 所示。

　 图 2 VR 的课堂教学应用模式

　2. 主机 VR 应用模式 使用头盔显示器和运动控制器的主机 VR 系统，沉浸感和交互性最佳，学生可以得到最佳的个体体验。但是，头显和控制器等需要连接一台高性能的 PC 主机，整体造价昂贵，每一套设备只能单人体验，运行需要一定的空间，运行示意图如图 2 中的 B 所示。高校思想政治理论课，每门课程上课的学生都在千人以上，一般学校无力投入巨大的财力、设备和空间，大面积推广的难度较大。

　3. 主机 VR +大屏应用模式 采用一套 VR 主机，通过投影输出大尺寸的视频画面。投影将教师从头盔中看到的图像，映射到大屏幕上，学生跟随教师的行进路线和观察视角参观体验，倾听教师的语音讲解。教师进行视觉引领、语音讲解和组织活动，学生看到、听到的均是教师备课时预先规划好的内容，具有较强的针对性，也更加灵活。在这种引领式的教学活动中，教师充当了现场虚拟导游和讲解员的角色，学生通过教师的眼睛观察场景，凸显了教师与虚拟场景的互动以及教师与学生的互动。当然，也可以由学生充当讲解员的角色，通过一个或多个学生带领其他学生参观体验。该方案的优势是可以采用大班授课，解决多人同时参观体验的问题。缺点是学生在感官上并没有进入 VR 场景，沉浸感不强，体验性较弱。但与观看视频相比，学生看到的是教师与虚拟场景互动的实时画面，会有较强的临场感。当课堂教学活动设计合理，课前准备充分的情况下，该模式也会取得良好的教学效果。如图 2 中的 C 所示。

　4. VR 立体投影应用模式

　如图 2 中的 D 所示，该模式在上述方案基础上将显示设备升级为多通道立体投影系统，学生带上 3D眼镜便可以看到有纵深感的立体影像，视觉体验由二维平面拉进三维空间，使得临场感和沉浸感大大提升。但由于立体显示的观看距离和位置有一定要求，学生离太远和太偏离中心将看不到好的立体效果，因此同一时间、同一地点的受众人数比较有限。一般根据环幕的大小，学生人数适宜限定在一个自然班 30~50 人之间。该模式在设备投入和内容开发难度上也高于第三种方案。首先是多通道立体投影设备的投入较高;其次是软件需要实时输出适应立体显示的双画面，对开发者也提出了较高的技术要求。

　(四)VR 学习资源建设的原则与策略 1. 硬件选择前沿化 VR 硬件发展迅速，产品升级迭代频繁，硬件选择上要有前瞻性，应关注前沿技术和新推出的产品，避免购买过时的产品。从教学应用层面考虑，要提升设备芯片运算能力，利用 AMOLED 等显示设备，减少学生体验时的眩晕感;大班群体授课模式中，要使用大尺寸、高亮度的投影或液晶显示屏，以呈现更好的视觉效果;选择集成有手柄、定位装置等模块的设备，让学生有更好的互动体验。

　2. 内容呈现精细化 VR 系统包含视觉传感、体感识别、语音识别、触觉反馈等众多感知技术，从而完成全感知体验，而其中的视觉是最核心的感知内容。因此，VR 体验馆应将内容的可视化呈现作为设计和制作的核心要素，通过色彩、光线、图片、物件、音效等视听觉元素渲染出与该馆相一致的情绪和基调，让学生全身心融入虚拟环境，产生情感共鸣并获取知识。

　3. 结构布局逻辑化 展厅的内容组织要有合理的逻辑结构，学生在体验中要有清晰的游览顺序和参观路线，使得学生可以将接收到的离散的知识碎片，通过一条逻辑主线串起来，方便理解和记忆。因此，场馆的区域划分、线路规划和展品摆放都要依据展示的内容进行精心策划和设计。

　4. 场地布置专业化 主机 VR 运行时对物理空间和环境光线有特殊的要求。如 vive 设备在运行时，要求至少 3×3 米的活动空间，这个范围内不能摆放桌椅等物品;室内灯光不能太亮，否则会影响激光定位器的正常工作;需要装配吊杆和支架等辅助器材，用于安装定位器和收纳头盔连线等。当然，还需要留出放置主机及外接显示屏的空间、围观学生站立的空间等。场地环境的设计可以参考 VR 游戏体验馆的实践方案。手机 VR 和 VR 一体机等单套设备在使用时对空间并无太大限制，但需摆放桌椅供多人同时使用，座椅摆放时，可以分组环绕式摆放，便于小组活动的组织。

　三、红色 VR 体验馆设计案例

　 某高校国情国史体验馆是面向该校师生兴建的一个体验式实践教学平台，用于开展思想政治理论课实践教学的组织和实施。馆舍依据教学功能分为资料触摸查询、实物成列展览、3D 影像播放、情景模拟表演、互动交流讨论以及红色资源书吧等多个功能区，凸显了“人文与科技融合，课堂和社会贯通”的理念。在体验馆场馆和硬件建设基本完成后，融合最新技术的软件内容资源建设成为了最大的需求。受该馆的管理单位马克思主义教育学院的委托，我中心承担了国情体验馆四个虚拟展馆的制作任务。

　(一)虚拟展馆内容的选择 作为研发单位，本团队和马克思主义教育学院教师一起商讨，依据教研室承担的思政类公修课，各选择一个有代表性、典型性的实体展览馆作为参考，以此为基础来设计制作虚拟展馆。最终的课程所对应的虚拟展馆见表 2。

　表 2 课程—实体馆—虚拟馆对应表

　 (二)目标的设定 VR 展馆与传统的科普作品之间巨大的差异集中体现在去中心化的叙事结构上。不同于视频，其时间轴上任意一点的画面只能呈现整体环境中的一角，虚拟环境则是全方位充斥着整个空间，展品分布于整个虚拟空间而非某一方位[7]。体验式学习是个体在形体、情绪、知识上的参与，在场馆学习中，参观者通过参观、操作、使用场馆中的展品获取直接经验，并通过展品的文本、动画、视频等形式的解释性说明获取解释性经验[8]。依据教学需求和虚拟展馆的呈现特点，本项目中四个红色 VR 馆在设计阶段拟定了如下目标：(1)根据

　真实场馆或遗址设计虚拟展馆;(2)以学生的体验式学习为核心进行功能性设计，学生可置身于 3D 虚拟场馆中，以不同视角和线路参观学习;(3)三维场景逼真，展品内容丰富、形式多样;(4)集成文字、图片、视频、背景音乐、语音解说等多种媒体，立体化、多方位呈现信息;(5)图片及其中文字需清晰可辨，视频需依据知识点剪切成微片段嵌入到相应位置;(6)系统界面设计贴合主题、美观大气，需包含展厅切换的按钮、视音频链接热区以及讲解语音切换的 UI 元素等。

　 (三)红色 VR 体验馆案例开发流程 虚拟现实项目的开发从三维建模开始到最终产品的发布，将用到众多开发工具，经历多个制作环节 [9] 。本项目的四个 VR 展馆开发过程中，遵循了如图 3 所示的基本流程和相关技术。

　图 3 虚拟展馆开发流程和相关技术

　1. 素材的采集与整理 到实地采集数据前，需要先与实体馆取得联系，获得相关许可与支持，并预约拍摄时间;到实体馆约见管理人员，获取相关图书、视频及文字资料并将书籍中的图像和文字进行扫描，和拍摄的图片一起进行筛选和分类。开发人员和相关课程教师一起讨论并商定虚拟馆的展示内容、展厅的板块结构、展品的摆放位置及参观路线等，共同搜集、筛选和剪辑需要嵌入的视频，共同撰写和修订解说词文稿等。

　2. 场馆的空间设计与三维建模 场馆比其他学习环境更依赖建筑空间，设计空间的目的是让参观者感知到场馆是一个适合进行学习的环境，场馆建筑的空间大小、布局、光线强弱、色彩、行走动线在室内设计中至关重要，都会影响参观者对场馆的感知 [10] 。本案例依据前期确定的展厅板块结构和参观线路，设计展厅的空间布局，并在三维软件中将场馆的空间模型制作出来。空间的设计参照了实体馆的布局，并依据展馆主题和风格进行全新规划。场馆设

　计要风格统一、交互性强、美观生动，能有效地吸引学习者的注意力。学习者的易用性、有用性和愉悦性感知对行为意愿有积极的影响 [11] 。本案例中，马克思主义传播史 VR 展馆的空间布局和路线设计如图 4 所示。

　图 4 VR 体验馆空间布局和游览线路设计

　3. 图片资料的处理 虚拟展馆中的展品大部分以图片的形式呈现，图像素材的处理是制作中的重点。对书籍扫描和实体拍摄得到的图片需要在 Photoshop 中进行加工处理，一般要进行裁剪和调色，对图片中看不清的文字需要重新地录入和排版。为了满足贴图制作规范的要求，要将多张图片按照内容逻辑顺序进行组合，放置到一张 2048×2048 像素的图像上，随后通过 UV(贴图坐标)技术，将该图的不同区域贴到不同的展板模型上。

　4. 引擎中场景的制作 在 3DsMax 中制作场馆的墙体等建筑模型以及展板、展柜、小物件等单个模型，设置 UV 坐标、材质 ID 以及位置等属性，将这些模型分批次以 FBX 格式导出保存。在虚幻 4(Unreal Engine 4，简称 UE4)引擎中，建立虚拟场馆项目，导入模型、贴图、声音、视频等各类资源，进行场景的搭建。对模型进行制作并赋予相应的材质，为场景放置灯光、设置后期效果，并构建光照进行测试;对关卡设计的各个要素进行反复调整和测试，直至达到比较真实的视觉效果。

　 5. 讲解语音的嵌入 请专业配音人员录制讲解音频，按内容分割成不同片段，保存成 mp3 格式。在展馆的相应位置设置触发区域，当学习者进入该区域时，自动播放该展区对应的语音解说。还可以在 UI 界面上制作语音的切换和暂停等控制按钮，实现讲解语音和背景音乐的 UI 控制。

　 6. 视频的嵌入和控制 虚拟场馆中需要丰富的教学资源库的嵌入，同时需借鉴电脑游戏的设计方法，重视趣味性的植入，提高学习动力和学习投入程度 [12] 。视频媒体的嵌入有两种方式。一种是设立专门的视频放映厅，放置有大屏幕

　的模型，当学习者走进该区域时触发屏幕上的视频自动播放，离开时停止播放。学习者可以通过用户界面上的交互按钮进行视频的切换和播放控制。第二种方式是将视频触发器嵌入展板特定的位置，并以明显的 Video图标进行提示，当学习者点击该图标时，弹出独立的窗口播放视频。

　7. 参观模式与瞬移控制 学习者进入虚拟展馆有两种参观模式。一种是导览模式，学习者按照设计者预先设定好的路线和观察方向，跟随摄像机动画的视角观看场景。该模式适合初次体验者和对系统操控不熟悉的参观者自动浏览。另一种是自主参观模式，和通常的三维游戏一样，学习者可以通过键盘和鼠标自由控制行进的路线和方向，走进任何一个角落，细看每一件展品，和场馆中的建筑物及展品、视音频媒体进行实时交互，也可以点击 UI界面上的位置按钮或触碰场景中的交互物体瞬间跳转到另一位置。如在雷锋馆虚拟馆中，可以通过点击界面下方的按钮快速地在馆内馆外的不同地点进行切换，实现瞬移操作，如图 5 所示。

　图 5 雷锋馆虚拟展馆运行画面

　8. 沉浸式 VR 的运动控制 沉浸式 VR 系统中学习者的操控方式与桌面式 VR 不同，学习者是从头盔显示器中观察虚拟环境并通过手中的运动控制器或头部控由制的目视点进行交互控制。因此，沉浸式 VR 产品交互的设计和制作不同于桌面 VR 产品。本组案例使用了 HTC vive 套件进行开发和测试，开发中使用了 UE4 的 Steam VR 模块。当学习者戴上头盔后，激光定位器会捕捉到头部的运动及方向，头盔中显示出对应变化的图像。玩家可以在一定空间范围内走动并环顾四周。同时，学习者按下控制器手柄上的圆盘键，画面中会从手柄处投射出一条抛物线，松开按键后，学习者可以瞬间移动到该线末端的目标位置，通过这种控制方式实现了学习者的自主游览参观。

　9. 优化和打包发布

　使用虚幻引擎 4 打包之前，删除不需要的资源，对各项设置进行检查和优化，最后再将项目输出成 exe可执行文件。目前，本中心已完成四个红色 VR 展馆的制作，单机 PC 端版本已经放置到了该体验馆内的 30台电脑上，基于 HTC vive 套件的版本和基于 Android 系统的一体机版本正在研发与测试当中。该校基于红色 VR 展馆的思想政治理论课教学实践正在逐步展开。

　四、总结与展望

　 未来几年，随着硬件性能的提升、VR 开发技术的进步和开发成本的降低、教师和教育部门对 VR 认识的提高、相关的学术研究和教学实践的深入，VR 技术在教育领域也会迎来一个新的增长期。同时，教学机构要用好 VR 资源，还需配合相应的教育理论与方法。虚拟现实教学应用中，最大的挑战是虚拟世界中教师仍然按照传统方法进行教学，从而导致虚拟现实技术的巨大潜力无法发挥 [13] 。虚拟现实学习环境所突出的“以学生为中心”的教学理念同传统教学课堂所倚重的“以教师为中心”的教学方式之间如何进行衔接，还有待进一步的实践和研究 [14] 。因此，未来几年教师要以开放的心态迎接新技术给教学形式带来的变化。首先，要完成身份的转化，由知识的传递者、活动的组织者，转变为活动的参与者和体验者，或者充当讲解员和导览员的角色。其次，要创新教学策略、改变教学内容呈现方式、优化教学活动，改革教学评价方式。同时，学生需要化被动为主动，提高媒体素养，适应项目学习、探究学习和小组合作学习。VR 技术带来的教学新模式目前还只是一个雏形，想象和完善的空间仍然很多。总体上讲，虚拟现实技术尤其是沉浸式 VR 在教育中的应用还不成熟，硬件设备、软件资源、应用环境、教学方法和教学评价等领域都有待进一步研究和探索。

　【参考文献】

　[1] 赵增彦.高校思政课实践教学资源多元化整合与一体化运用[J].东北师大学报：哲学社会科学版，2013(2)：177-180.

　[2] 全国高校思想政治工作会议交流发言摘登[EB/OL].(2016-12-08)[2017-06-12] [3] 黄瑞新.高校思政课“微社会”教学模式的创新与实践研究[J].改革与开放，2016(16)：87-88.

　[4] 张美霞.新媒体技术支持下的场馆建设与场馆学习——以现代教育技术博物馆为例[J].中国电化教育，2017(2)：20-24.

　[5] 张剑平，夏文菁.数字化博物馆与学校教育相结合的机制与策略研究[J].中国电化教育，2016(1)：79-85.

　[6] MANDAL S. Brief introduction of virtual reality & its challenges[J].International journal of scientific & engineering research，2013(4)：304-309.

　[7] 周荣庭，王懂，韩飞飞.从增强现实/虚拟现实的技术特征设计科技馆的创新应用[J].科学教育与博物馆，2016(2)：413-417.

　[8] 张际平，许亚锋.新媒体、新技术体验学习的设计与实践[J].现代远程教育研究，2012(6)：18-24.

　[9] 高义栋，李曼曼，雍炎炎，贺亚杰.基于 UDK 引擎的图书馆虚拟漫游系统的设计与实现[J].现代教育技术，2013(10)：121-126.

　[10] 鲍贤清.场馆中的学习环境设计[J].远程教育杂志，2012(2)：84-88.

　[11] 顾至欣.虚拟现实环境中远程学习行为影响因素研究——以南京博物院数字虚拟馆为例[J].中国远程教育，2016(8)：13-19.

　[12] 楚学娟，杨雪.电脑游戏在教育领域内的研究现状分析及其应用途径[J].现代教育科学，2006(1)：78-81.

　[13] 海伦·法利，肖俊洪.虚拟世界在远程教育中的应用：机会与挑战[J].中国远程教育，2015(11)：34-44.

　[14] 丁楠，汪亚珉.虚拟现实在教育中的应用：优势与挑战[J].现代教育技术，2017(2)：19-25.

　 [Abstract] In recent years, colleges and universities are strengthening the reform of ideological and political education, and carry out practical teaching innovation research actively. As a new learning resource, the red virtual pavilion, which combines the learning theory of the venue and virtual reality technology, has attracted much attention. Using the immersive virtual venue can break the constraints of time, space and funding as well, so that a large number of students can visit the exhibition and enhance their knowledge and emotion. For the immersive VR, this paper discusses its characteristics, device types, and proposes four teaching modes, including mobile phone VR and integrated VR machine, the host VR, the host VR combined with large screen, VR stereo projection. Then, the paper discusses the principles and strategies of VR venue construction. Taking the design of a red VR exhibition, the paper analyzes its content selection, goal setting and development process. The research shows that the teaching practice of VR venues needs to be reformed and explored in the aspects of equipment and environment, VR resource construction, VR teaching strategy and teaching evaluation.

　[Keywords] Virtual Reality; Venue; VR+education; Ideological and Political Course; Practical Teaching