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标题

基于VR技术的大学生英语学习平台开发初探

范文

李莹王冬梁胜

摘? 要：通过虚拟现实技术构建虚拟三维教学环境，为用户提供自然习得的英语学习环境，是有效提高英语综合应用能力的创新途径。但目前的VR技术还未对大学生的英语学习发挥其显著效果，因此对如何构建更人性化的VR英语学习平台进行了探讨。文章在深入研究英语教学理论基础上，探索与其相适应的VR技术的应用，根据当代大学生英语学习需求，分析VR教学资源的规划设计。对VR英语学习平台的设计框架作了简要描述，以期为相关研究者提供一定的参考，进而促进我国大学生英语教学的发展。

关键词：虚拟现实（VR）技术; 大学生英语; 虚拟学习平台

中图分类号：G434? ? ? ? ? 文献标识码：A? ? 文章编号：1006-8228（2020）10-32-05

Abstract： Constructing a virtual three-dimensional teaching environment through VR （Virtual Reality） technology can provide users with a naturally acquired English learning environment， which is an innovative way to effectively improve the comprehensive application of English. However， the current VR technology has not played a significant role in college students' English learning， so how to build a more humanized VR English learning platform is discussed. On the basis of in-depth study of English teaching theory， this paper explores the application of VR technology which is suitable for it， and analyzes the planning and design of VR teaching resources according to the needs of contemporary college students' English learning. The design framework for building a VR English learning platform is briefly described， it is hoped that this will provide a certain reference value for the relevant researchers who develop and design VR English learning platforms， and then promote the development of college English teaching in China.

Key words： virtual reality technology; college students' English; virtual learning platform

0 引言

VR作為新型强大的教育技术，为提高大学生英语综合应用能力水平带来了新的契机，有不少实证研究已验证VR英语教学的有效性[1]。

到目前为止，已开发的VR英语学习平台可模拟真实场景，一定程度上缓解了缺乏真实自然的英语交际环境的现状，但是教学资源缺乏针对性和实用性，对大学生英语应用技能的提升效果不明显;三维虚拟情景教学的交互性和沉浸感体验不佳。

本文将英语学习理论与VR教学模式相融合，通过UE4虚幻引擎技术创新应用于VR英语学习平台的开发设计研究，针对大学生学习需求和能力现状深入研究教学资源的设计，探索三维虚拟角色化身和实现语音交互的特色功能，增强学习沉浸感。从整体上改进VR英语情景教学体验的真实感，使大学生在虚拟学习环境中自然习得英语，顺利提升综合英语应用能力。

1 相关理论概述

1.1 英语教学理论

1.1.1 沉浸式教学法

沉浸式教学法是用非母语的第二语言作为直接教学语言的一种创新教学模式。该理论基础来源于20世纪60年代的语言习得理论，即只能通过自然习得过程来获取目的语言能力，这种自然习得的能力有助于语言学习者获取接受性技能和产生性技能，而沉浸式教学法能够在外语教学中提供这种无意识习得的环境条件[2]。

VR英语学习平台为用户提供高度沉浸感和自然交互的语言教学环境，依据沉浸式教学法设定英语作为唯一沟通语言。其中，部分英语能力较差的学习者，会适应不了完全沉浸式英语教学环境，动画交互的重要性就一览无遗了，VR平台教学课件在难度较大的学习内容上，会有动画交互解释或少量英文释义与视频结合的课程形式，如学习平台提供的野外学习活动，会有很多野外的专有名词，则以全英文情景教学模式为主导，以少量英文释义或有趣的动画表现为补充，避免学生因听不懂而产生烦躁抵抗的心理现象，保证学生不脱离英语语言环境，充分调动学习者的积极性和主动性。

1.1.2 体验式学习理论

体验式学习理论把学习理解为知识是通过经验的转化而创造出来的过程，知识的结果是把握和转化经验的结合[3]。

虚拟现实的沉浸性和交互性，与该理论的交互性原则、连续性原则、团体性学习模式等核心特征十分贴合。体验式学习理论应用于VR英语学习模式的关键是让学习者在纯英语的学习氛围中去体验英语这门语言的运用，在虚拟环境中用英语去交流，用英语开展各式各样的学习活动，在情景交互中体验到英语的乐趣，最终将英语内化为自身知识，从而灵活运用于其他环境中。

1.2 三维动画理论

1.2.1 三维人物模型设计

虚拟人物的设计采用三维卡通动画风格，充分利用三维卡通风格夸张、幽默的特点塑造学生、教师等人物模型。主要体现在人物的形象特征、动作表演和声音表现上。如中国人物形象具有肤色浅黄、黑发褐眼、面部扁平、颧骨突出等代表性特征;欧美人物形象具有黑/白皮肤、金发碧眼（毛发卷曲，发色：金、红、白、棕、黑;眼：碧蓝、碧绿或棕色）、鼻子高大、厚嘴唇、深眼窝、丰乳肥臀等。加上人物夸张的面部表情（大笑时嘴巴几乎占据整张脸眼睛眯成一条线;哭泣时眼泪如波涛汹涌般且泪痕巨大等），动作表演上除结合表情外，还要配合运动规律，有意夸大某些动作要点如预备动作的“欲左先右”、弹性的压缩和伸长等。人物声音表现强调声调语调的夸张性，如将英语表达句子中的重音加大声调的同时配合戏剧性的语调，营造夸张幽默可爱的氛围，让动画人物更加活灵活现、形象生动。平台对人物模型的设计进行区分，如在中国人物形象上夸张性力度较小，在欧美人物形象上则相对较大。综上所述，平台旨在设计夸张、可爱的虚拟人物形象，以营造幽默、轻松的教学氛围，有利于缓解学习者压抑、焦虑的学习心理，提升学习兴趣。

1.2.2 三维动画场景设计

虚拟教学场景充分利用三维卡通动画的色彩对比强烈的特点，力求第一眼就能吸引观众的视线，且平台的中式或西式的场景分别具有自己的明显特点，针对不一样的教学背景和内容搭建不同的虚拟教学场景。平台中的虚拟场景主要是校园场景，其他虚拟场景依学习情境需要而定，如餐厅/咖啡店对话情景等，场景的设计强调营造一种简单、轻松的氛围。虚拟场景中教室情境的设计是12人以内的小规模，布局以老师为中心，学生围绕老师而坐，课堂开放座位灵活，有足够的空白开放空间;中餐厅的设计风格主要是新中式，木质材料家具，颜色多以仿花梨木和紫檀色为主，配上圈椅、窗棂、屏风等代表性家具;西餐厅设计以北欧风格为主，室内空间完全不用纹样或图案装饰，家具材料多为木材，素净淡雅。综上所述，使用典型元素设计的虚拟场景结合卡通动画对比强烈、绚丽多彩的画面，调动起学习者的学习情绪，使学习者融入到虚拟教学场景中，达到情境教学的“逼真”感，增强用户的沉浸感体验。

1.3 虚拟现实技术

1.3.1 虚拟现实的概念与特征

虚拟现实（Virtual Reality，VR）技术，一种由交互式计算机模拟组成的可以感应参与者的位置和动作的介质，并将反馈替换或增强为一种或多种感觉，从而给人以沉浸式思维或呈现在模拟世界中的感觉[4]。其沉浸性（Immersion）、交互性（Interaction）和构想性（Imagination）的3I特征已被公认为虚拟现实最突出的三大特征。

此外，北京七维视觉科技有限公司合伙人李晓波先生认为虚拟现实还有智能化和演变性两大特点。

1.3.2 虚拟现实的应用

通过VR技术可以营造具有吸引力并激发学习兴趣的沉浸式教学环境，沉浸式VR在教育领域提供了非常高的潜力，目前主要应用在医学、物理、天文学等学科教学;另外一个广泛应用领域是在一些危险系数大的特殊领域的操作培训上。随着5G的到来，大数据、人工智能等信息技术的快速发展，VR教育应用势必会产生颠覆性影响。赵沁平教授曾提到：从一定意义上讲，“VR+”已经成为一个行业发展趋势，VR+AI将成为终极性教育技术[5]。

2 VR英语学习平台

VR英语学习平台的设计涉及到英语教学资源设计、功能模块设计与学习平台开发三大方面。

2.1 英语教学资源设计

平台的教学资源设计以大学生英语学习需求与能力现状为出发点，平台的任何课程资源的选择都建立在学生的学习需求之上：大学生需求最大的英语技能是听力和口语;他们渴望实用性强、有时代感的学习内容;采用体验性强的情景教学方式。此外，大学生对教学内容和教学环境是最不满意的，渴望真实的英语交际环境[6]。

鉴于此，听力和口语技能的提升成为VR英语学习平台教学资源设计的重点与核心，把情景对话作为一大重点教学活动。用户在学习一个英语知识点时，可以享受到声音、三维图像、3D动画和视频等多模态教学资源，配合卡通风格教学场景，对于營造具有幽默滑稽的情景教学对话、提升学习沉浸感具有极大帮助。为了保证学习内容的趣味性和相关性、充分利用语境和情境交际运用，平台提倡利用角色化身开展基于学习任务的综合英语应用情景教学，活动内容贴近生活现实，讲究实用性。如校园学习场景（利用VR虚拟人物和场景提供更加真实的展示实践训练，主要目的是训练学生的演讲展示技能，培养自信心）;求职工作场景（培养学习者在真实语境中使用全英文写简历找工作或面试等实际应用能力）[7]。再者，课程设计模块要讲究时限，强调学习内容的碎片化处理，即每一个学习内容模块都应当控制在15min内（特殊情境学习内容在30min内），以符合视觉驻留规律和人的认知特点，遵循人的认知规律。此外，有研究表明，通过在动画中添加透明的静态图像（视觉提示），将动态和静态可视化合并到一个媒体中，可以弥补动态可视化的短暂性可能会给学习者带来不必要的认知负担[8]。因此，在教学资源中会加入部分具有提示性作用的三维静态图像辅助教学，对学习过程中出现的部分难理解的知识点进行解释。

2.2 功能模块设计

本研究的功能模块设计主要分为以下五个层面：新手指南、段位测试、英语修炼、在线互动、个人宝地，还有其二级、三级模块如图1所示。

“英语修炼”是主要的学习汇集地，核心功能都在“英语修炼”模块中，其中还有‘娱乐学习吧（‘Play and learn）可供用户选择全英文娱乐项目。“在线互动”是用户交流讨论的所在地，用户互加为好友以后可以单独私下交流学习心得，或者可以在平台的‘交流总坛上发布信息，‘交流总坛是每一个注册账号默认在其中的，用户在里面发消息，其他任一位用户都可以收到，用户可在‘交流总坛上找到适合的学习伙伴，或者认识到可以指导你学习的英语老师或者外教等，相互交流的方式可匿名可真实身份，自愿原则，互动时候主要以用户在平台中设置的角色模型为代表。功能界面拟设计如图2所示。

2.3 学习平台开发

图3为本研究拟用的完整开发流程。本文提及的平台开发设计流程适用于构建的任何一个学习单元。

2.3.1 前期定位分析

依据学习内容需求进行教学课程规划，将课程内容与呈现形式进行概念设计，制作出该学习单元的脚本设计文稿，设计文稿主要涉及到教学资源的知识定位、虚拟交互场景的内容定位、虚拟场景中的NPC（Non-Player Character非玩家角色）形象定位、交互学习的功能实现定位。

教学资源的知识定位旨在明确该学习单元的知识点、教学目标、交互形式等;虚拟交互场景的内容定位与用户学习体验和学习效果息息相关。涵盖UI界面、参考图片/视频资料、场景大小、场景元素等内容。场景内容得到明确定位是进行虚拟场景建模的前提，保证后续工作的有序、有效;NPC形象定位目的是界定教学情境中参与的人物类型，明确到职业、性别、样貌、担任的角色任务等细节;交互功能定位是后期在虚拟引擎合成的方向指南，确定在什么教学情境里有何种交互形式、实现什么交互功能等，保证后期合成的工作效率。

2.3.2 三维素材准备

虚拟教学情景采用虚实结合的构建方式，需要采集原始材料，制作三维素材。如全景图拍摄制作，全景图素材主要用于听力学习模块，用户在进行听力练习时，针对听力资料播放相应的全景图素材。本研究主要制作球形全景，用户可以水平观看和垂直观看，拍摄时将摄像机固定在场景中心，拍摄设备以自身为中心点环绕一周拍摄，水平环绕拍摄完成在对场景的顶部和地面进行拍摄，最后拼接为球形全景图。全景图进行后期处理使用的软件是Adobe Photoshop Lightroom，全景图拼接软件PTGui。除了全景图素材外，VR学习系统内的背景声音对于虚拟环境真实感的营造具有举足轻重的作用，如餐厅的音乐声;商城的喧闹声等环境声音设置。音频素材可借助Adobe Audition來录制并合成。

2.3.3 三维人物模型和场景设计

虚拟现实中的建模方法分为几何建模、物理建模和行为建模，几何建模是虚拟现实建模的基础。本平台的三维人物和场景通过3D Max建模而成，主要使用3Dmax的几何体建模、多边形建模和样条线建模。有研究表明：在VR虚拟环境体验中，人群密度对用户体验和行为具有负相关作用，类似于真实人群情况，随着人群密度的增加，消极情绪和反应性行为显著增加[9]。因此，建模过程中会结合学习内容搭建相应的必须人物和场景，在保证学习效果的基础上，不加入多余人物角色，避免产生不良影响。

当模型制作完成后，需要进行贴图渲染。纹理贴图可用Photoshop、Illustrator制作与加工处理。同时，材质贴图需要考虑VR引擎的材质冲突。如UE4引擎具有一套完整的Material系统，能够通过蓝图（Blueprint）制作自己所需要的材质球。因此，VR虚拟场景和人物模型的材质制作遵循两个要点：一是单一、简单的模型直接调整材质球的颜色等属性实现;二是较为复杂的模型则导入引擎后再利用引擎的材质贴图制作。

2.3.4 Unreal Engine优化、合成与交互

虚幻引擎UE4具有构建VR平台所需要的一般框架及主要功能模块，降低了开发门槛，为VR开发者提供一个精确的照明模型，使实现一个现实的画面成为可能，可视化编程系统“蓝图（blueprint）”可加速开发过程并消除编程语言知识的必要性。

场景与人物建模阶段完成后，将建好的模型文件与相关素材导入到虚幻引擎UE4进行材质、灯光和动画的优化与合成，随后运用UE4的蓝图系统内部的桥接线将节点、事件、函数及变量按一定的逻辑或流程关联到一起，以此实现学习活动过程中虚拟实践操作的交互部分[10]。最后，编译后的代码和经过烘焙的内容被打包到一个可分发文件集合中[11]。本研究拟核心交互功能是通过语音，而非文本对话框。用户通过语音输入设备输入操作命令信息如学习听力/学习口语等，平台收到语音信息进行快速分析随即给予反馈——画面跳转到相应模块界面;或者用户在学习时语音输入英文句子，平台会以语音形式反馈答案。语音交互特色功能结合可视化、直观式的虚拟教学模式，具有低认知负荷、灵活易学、实时响应等特点，学生在虚拟环境中通过生动的交互体验，在体验过程中自然习得英语。

3 结束语

本文就中国大学生VR英语学习平台的自主研发展开探讨，侧重探索虚拟学习模式开发设计的理论依据，以望后期开发的VR英语学习平台具备趣味性和吸引力，使用户获得更有沉浸感的学习体验和更佳的学习效果。虚拟平台教学资源的规划设计，直指大学生需求最大而又最为薄弱的英语技能——听力和口语;三维人物模型和场景设计以三维卡通动画风格营造活跃、轻松的学习氛围;平台的语音交互特色功能可以提升用户的英语学习沉浸感;拟使用UE4引擎技术作为交互设计开发平台，充分利用UE4蓝图的可视化编程，打造一个沉浸式英语学习平台;用户通过手机和VR设备便可体验沉浸式英语学习过程。新开发的沉浸式VR英语学习平台，将是辅助大学生提升综合英语应用能力的有利教学工具。

未来开发中，最大的开发障碍就是人与虚拟平台在三维模拟环境中实现“自然交互”，毋容置疑，在开发和使用过程中还会出现许多问题。但是，5G的普及将解除制约VR发展的数据传输瓶颈，且结合互联网、人工智能、大数据等技术，相信VR技术将有长足进步，VR英语学习平台的开发将取得突破性进展。

参考文献（References）：

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[2] 韦莉萍.加拿大沉浸式教学法对我国高校双语教学的启示[J].教育与职业，2015.2：162-163

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[4] Sherman W R， Craig A B. Understanding virtual reality：Interface， application，and design[M]. Morgan Kaufmann，2018.

[5] 沈阳，逯行，曾海军.虚拟现实：教育技术发展的新篇章——访中国工程院院士赵沁平教授[J].电化教育研究，2020.1：1-5

[6] 张艳艳.基于需求分析理论的学习需求调查与ESP课程设计研究[J].教育理论与实践，2019.39（15）：53-55

[7] Bonner E， Reinders H. Augmented and virtual reality in the language classroom： Practical ideas[J].Teaching English with Technology，2018.18（3）：33-53

[8] Shin D， Park S. 3D learning spaces and activities fostering users' learning， acceptance， and creativity[J]. Journal of Computing in Higher Education，2019.31（1）：210-228

[9] Dickinson P， Gerling K， Hicks K， et al. Virtual reality crowd simulation： effects of agent density on user experience and behaviour[J]. Virtual Reality，2019.23（1）：19-32

[10] 汪浩文，張捷，董允.古建筑室内空间的虚拟现实关键技术研究[J].计算机仿真，2020.37（1）：321-325

[11] Zhang X， Liu J， Chen Q， et al. A 3D virtual Weft‐knitting Engineering learning system based on Unreal Engine 4[J].Computer Applications in Engineering Education，2018.26（6）：2223-2236

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