VR虚拟科技馆系统设计与实现

    魏本宏　倪清　张宗禹　高晓晓　胡永斌

    

    

    

    摘 要：虚拟科技馆具有公共性、沉浸性和交互性等重要特征，是有效解决当前实体科技馆数量少、规模小、城乡分布不均、开放性不足等诸多问题的有效途径之一，将在科普教育中发挥重要作用。文章首先基于情境认知理论和具身认知理论，对VR虚拟科技馆进行模块设计、场景设计和交互设计;然后，进行虚拟科技馆的场景设计、动画制作和交互功能的实现;最后，邀请学习者对该系统进行了试用评价。

    关键词：科技馆;虚拟科技馆;具身认知;虚拟现实

    中图分类号：G434? ? ? ? ? 文献标志码：A? ? ? ? ? 文章编号：1673-8454（2020）10-0030-04

    一、虚拟科技馆的来由及价值

    科技馆是以开展科学教育展览和科技活动为主的教育场所，也是学习者学习知识的第二课堂[1]。科技馆有可供学习者探索、实践和亲手操作的模型、产品和设备，能够让学习者了解科学原理、科学应用、科学发展方面的最新知识。自20世纪30年代英、法等国诞生世界上第一批科技馆以来，科技馆事业在世界各国有了飞速发展。进入21世纪，我国政府高度重视科技馆事业，其发展势头强劲，已经在全国范围内建成了一批规模较大的科技馆，至2017年我国建成开放的标准科技馆数量已达867座[2]。

    然而，我国科技馆数量与人口总数的比例与发达国家还存在较大的差距。据美国ASTC的统计，2017年美国科学中心 （博物馆）共有328座，每百万人均拥有科学中心（博物馆）1.18个[3]。我国科技类博物馆的建设如火如荼，但是我国也是一个人口大国，馆的数量和人口总数仍然不相匹配。此外，相对于美国科技馆的分散式分布，中国科技馆主要集中于经济发达省份和城市，西部地区科技馆建设偏少。因此，国内科技馆大都面临数量较少、规模较小、城乡分布不均、开放性不足等问题[4]，让科技馆成为中小学生的第二课堂的需求难以满足。针对这些问题，虚拟现实（Virtual Reality，VR）技术以其沉浸性、交互性和构想性为这些问题的解决提供了切实可行的方案。

    利用VR技术构建的虚拟科技馆，可以在一定程度上缓解科技馆数量空缺和分布不均的问题，还可以革新科技馆的陈列式展览方式，让学习者能够从中获取生动形象、丰富多样的科技知识，了解科技的进步及其对社会发展的作用[5]。具体来说，虚拟科技馆具有以下价值：①打造虚拟三维资源，打破时空限制，实现资源优化、广化、形象化和共享化;②三维可视化导览，向学习者展现更逼真立体、生动形象的科技展品，传授现代科技知识，展示科技的进步及其对社会发展的作用，从而提升科技馆的展教水平;③实时更新传播最新科技成果，完成虚拟场景的搭建，拉近公众与科学的距离，提升服务的科学性和时效性等。

    据此，本研究利用VR技术创建虚拟科技馆，打造沉浸式情境，让学习者沉浸在虚拟科技馆中进行虚拟漫游，通过生动形象、立体显示的资源与高效有趣的互动进行虚拟科技馆的导览，从而让科技馆真正成为了学习者的第二课堂。此外，VR虚拟科技馆的成本较低，随时都能访问和使用，作为科技馆的重要补充显得尤为重要。

    二、虚拟科技馆系统构建的理论基础

    VR技术具有沉浸性和交互性的特点，基于VR技术的虚拟科技馆能够自然地继承其特点。虚拟科技馆从情境创设、身体交互等方面提供支持，讓学习者的身体参与实际的认知活动，为学习者提供体验式学习过程。其主要支持理论包括情境学习理论和具身认知理论。

    1.情境学习理论

    由于一个人的认知和行为总是在某个情境中发生的，所以会受到相应环境的约束，即认知和行为是具有情境性的。情境认知理论认为，认知应该发生在其所根植的一个复杂的特定社会情境中，该理论非常注重学习者与情境的交互活动在其认知过程中的意义[6]。保证知识与情境、知识与生活的一体化是“到情境中去”的真正意义与作用[7]。情境认知理论的核心在于，情境化是所有认知和行为的根本，认知和行为是交互并且不可分割的，不能离开情境去谈认知，情境性是认知和行为的特性和组成部分[8]。

    虚拟科技馆能够在打破现实空间和环境限制的情况下，创设出近乎真实的科技馆交互情境。根据情境认知理论的观点，在虚拟科技馆的设计、开发中，应把科普知识的学习交互融入到创设的环境中，让学习者真正做到在情境中认知。

    2.具身认知理论

    具身认知理论认为人的身体和认知与环境是一个和谐统一体，更加强调人的认知是来自于身体和环境的交互作用。由于身体参与了认知的整个心理过程，所以认知是被身体作用于环境的活动塑造出来的，同时，认知对环境的适应也是通过身体及其活动来实现[9][10]。

    虚拟科技馆的交互体验是借助VR的头戴显示设备和体感手柄来完成，学习者穿戴设备进入虚拟的情境中，在视觉上会有完全沉浸于真实情境的感觉，通过体感手柄可以拥有基础的震动触感，完成与场景的认知交互。身体的参与是提高学习效率的重要途径[11]，在虚拟科技馆中，学习者及其身体是学习的主体，抽象和复杂的知识概念在身体与环境互动中逐步建立起来。

    三、虚拟科技馆的设计

    1.构成模块设计

    参考实体科技馆的常设展示项目并充分利用VR技术的特点，本项目确定了科技馆大厅、动物世界、地心探索、地震体验、视觉认知等五个子模块（见图1）。研究基于 Unity 3D VR引擎进行创建，根据不同需求提供了丰富的方式进行显示，包括桌面式、头盔式等，由VR手柄提供交互信息。根据虚拟科技馆的设计理念，并结合VR技术，分别设计了各场馆中情景化和交互性相结合的功能模块，包括场景展示、交互漫游体验以及场馆教学。

    2.展厅场景设计

    在虚拟科技馆的场景中，如果只是将实体科技馆的资源转化成数字信息，然后进行堆砌，这是远远不够的，而是应当发挥VR技术的构想性特征，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。如在地心探索主题场馆中，本系统设计了地下仿真矿洞场景（见图2），学习者可以乘坐通往地下的电梯（运用相对运动原理使人产生运动的体验），进入地下矿洞，开展煤矿知识的场景式学习。又如在图3所示的动物世界馆中，本系统用VR技术还原原始生态环境，使学习者获得临境体验。因此虚拟科技馆也在一定程度上节约了实体场景打造的成本。

    3.交互漫游设计

    虚拟科技馆在交互导览方面，主要包括交互界面设计、指示牌、游览图设计、智能寻径、展品展示控制设计（旋转、放大、拉近拉远）、行走设计等。交互导览及控制设计是VR的核心技术之一，关乎VR沉浸感的效果如何。虚拟科技馆中交互式沉浸性的学习体验能够让学习者将被动学习、接收信息转化为主动探索、粘性学习，进一步启发学习者的想象力与创造力，激发创造性思维。本系统在各场馆的设计中注重引导学习者参与各种交互活动，以学习者身体位置移动、按手柄按钮、头部转动、体验手柄震动等方式为主，一定程度上实现了学习者身体的参与。如地震体验馆（见图4）分为体验模式和训练模式，在训练模式中为强化学习者对逃生知识的掌握，系统会提示学习者沿着正确的路线，移动到相对安全的三角地带。

    4.场馆教学设计

    科技馆功能的最终落脚点在于对学习者科学素养的提升，主动了解科学知识。因此，虚拟科技馆系统中的教学设计部分是关键。本系统采用问题引导的教学模式，通过对学习者设置问题障碍，引发学习者主动求知的欲望，自主学习知识内容，再作答相应问题，方可进入下一关。如在地心探索馆中，系统将知识自然地呈现在场景中，引导学习者进行探索学习（见图5）。

    四、虚拟科技馆的开发

    本研究以Unity 3D为主要的开发平台，借助3ds Max软件对虚拟科技馆场景及虚拟物体进行创建;结合C#编程语言以及steamVR、VRTK等插件进行脚本编写，实现科技馆漫游、虚拟物体拾取以及交互设置等功能。借助HTC VIVE硬件设计开发虚拟科技馆，实现了沉浸性、跨场景交互体验。依据开发流程，现把本研究主要的开发步骤和关键技术描述如下：

    1.构建场景

    三维建模对虚拟科技馆沉浸性的体验有重要影响，逼真的三维模型可以提供更真实的体验。

    （1）導入模型

    新建一个Unity工程，将3ds Max中创建的模型导入到Unity工程中，右击Assets文件夹，选择import new Asset，并选择要导入的模型，在Project窗口中即可看到模型。

    （2）创建场景

    在新建的工程中创建一个新场景，把导入的资源直接拖拽到编辑器Scene窗口中，按照科技馆的比例，对模型进行编辑，接着给模型添加刚体和碰撞体组件，使模型具有真实的物理属性。例如，在地震体验馆中，给房间中物品添加刚体，使之在模拟地震时，受重力自由下落（见图6）。

    2.设置动画

    3ds Max Unity中有两种可用的动画组件，分别是Animation和Animator， 前者控制单一动画播放，后者控制多个动画转换。

    （1）Unity中创建Animation动画

    在模型上添加Animation组件，将模型的动画赋值给Animation，并将Play Automatically打上勾，让动画自动运行。例如，动物世界馆中动物的动画设置（见图7）。

    （2）Unity中创建Animator动画

    在模型上添加Animator组件，在Project面板中创建Animator Controller，将Animator Controller赋值给到Animator组件。接着选中Animator Controller文件，点击Open即打开控制器，在Animator Controller中创建一个新状态，为其指定一个动作，添加动画，并设置按箭头控制动画的流向，添加触发的事件。完成上面的设置后，即可通过代码控制动画状态的切换。

    3.添加交互

    自然多样的交互可以提高沉浸感，虚拟科技馆中的体感交互包括场馆的漫游、对虚拟物体的触摸抓取和对UI中按钮的点击。

    （1）场馆漫游的实现

    本研究通过Unity 3D编辑器，借助SteamVR和VRTK插件实现VR场景的设置。首先，删除原场景中的Main Camera，导入SteamVR和VRTK。其次，将“SteamVR”下“Prefabs”文件夹下的 “CameraRig”拖入到场景中，配置完成VRTK。

    给Controller Right（右手柄）添加“VRTK_ControllerEvents”脚本监听手柄按键，添加“VRTK_Straight Pointer Render”脚本渲染直线和射线，添加“VRTK_Pointer”脚本让手柄发射射线。创建空物体取名Teleport，并添加传送器脚本“VRTK_BasicTeleport”用来实现场景之间的转换。例如，在视觉认知馆中的漫游如图8所示。

    （2）触摸抓取的实现

    本研究通过HTC Vive手柄与虚拟科技馆中物体碰撞检测，实现对虚拟物体的触摸、拾取等交互操作。被拾取的物体需要具有Collider和Rigidbody，添加“VRTK_InteractableObject”脚本，勾选“Is Grabbale”，手柄控制器要添加 “VRTK_InteractGrab”和“VRTK_InteractTouch”脚本，“Grab Button”下拉菜单可以设置拾取按钮。

    （3）UI点击的实现

    本研究通过HTC Vive手柄发射的射线与Unity 3D中的Canvas的碰撞检测，扣动手柄扳机触发点击事件，实现UI的交互。结合上面手柄发射射线的功能，首先在Controller Right（右手柄）上添加“VRTK_UIPointer”脚本，在Canvas（画布）上添加“VRTK_UICanvas”脚本，接着在Canvas的Button上添加“Box collider”组件，最后完成按钮的交互处理逻辑。例如，在“地心探索馆”通过手柄射线实现选择对应的选项，如图9所示。

    4.调试与导出作品

    首先，在Game窗口下点击“Play”运行，依次测试各个功能模块，检查是否达到预期效果;接着，在Console窗口查看输出的错误信息并再次修改调试;最后，在Unity 3D编辑器选择“File/BuildSetting”，点击“Add Open Scenes”添加各个场景，在Platform中选择PCStandalone平台导出。

    五、试用评价

    本研究共计向30名江苏师范大学师生进行了VR虚拟科技馆体验访谈，教师3人，学生27人，学生平均年龄为20岁。访谈主要从四个方面收集师生对VR虚拟科技馆的体验反馈，经过分析后得出访谈结果如下：①沉浸感方面，师生认为VR呈现方式给人带来一种身临其境的感觉，非常有趣，他们十分愿意在VR虚拟科技馆中进行体验。如有学生表示：“VR体验的沉浸感极强，如果不是我能感到自己穿戴着VR设备，还真以为自己在一个真实的科技馆中进行体验”。②交互性方面，师生认为VR交互方式比较切近真实交互，操作上也并不复杂，学习者体验较好。有学生说：“只需要按手柄上对应的按钮和程序中的按钮就可以实现复杂的操作，如移动自己到一个合适的位置，这种交互十分便捷”。③有用性方面，师生认为在VR虛拟科技馆进行体验与在真实科技馆中体验的感觉相差不大，并且在VR虚拟科技馆中可以更加全面、多角度地观看展品，比在真实科技馆中体验效果更好。如李老师说：“VR虚拟科技馆相比于真实科技馆和普通形式的虚拟科技馆来说，最大的优点就在于可以在各个角度观看展品，甚至可以直接拿起展品观看”。④满意度方面，师生对VR虚拟科技馆比较满意，认为与普通形式的虚拟科技馆相比，VR虚拟科技馆更具沉浸感和交互性，更加贴近在真实科技馆中的感受。有学生甚至表示：“VR虚拟科技馆十分有趣，有机会我会自己买一套VR设备，这样我和我的亲戚朋友们就可以随时进行体验”。

    参考文献：

    [1]马萍，孟祥增.基于VRP的中小学虚拟科技馆的设计和实现[J].现代教育技术，2013，23（4）：114-118.

    [2]季良纲.科技馆科学教育的若干思考[J].科学教育与博物馆，2019，5（5）：325-333.

    [3]熊思景.中美科技类博物馆类型与区域分布比较研究[J].科协论坛，2018（2）：27-30.

    [4]赵毅.科技馆虚拟展示创新[J].系统仿真学报，2009，21（S1）：271-273.

    [5]赵志敏.虚拟现实技术在科技馆的应用[J].科协论坛，2018（6）：14-15.

    [6]刘革平，谢涛.三维虚拟学习环境综述[J].中国电化教育，2015（9）：22-27.

    [7]张良，靳玉乐.核心素养的发展需要怎样的教学认识论？——基于情境认知理论的勾画[J].教育研究与实验，2019（5）：32-37.

    [8]Brown J S，Collins A，Duguid P.Situated cognition and the culture of learning[J].Educational Researcher，1989，18（1）：32-42.

    [9]殷融，叶浩生.道德概念的黑白隐喻表征及其对道德认知的影响[J].心理学报，2014，46（9）：1331-1346.

    [10]郑皓元，叶浩生，苏得权.有关具身认知的三种理论模型[J].心理学探新，2017，37（3）：195-199.

    [11]王嘉旖，叶浩生.身体活动与学业成绩：来自具身认知的启示[J].心理学探新，2018，38（6）：492-496.

    （编辑：鲁利瑞）