朱安吉 ,李偉民

(1.中原工學院中原彼得堡航空學院,河南 鄭州 450007 2.湖南人文科技學院信息學院,湖南 婁底 417000)

一、虛擬現(xiàn)實技術(shù)的簡述

虛擬現(xiàn)實技術(shù)(Virtual Reality,簡稱VR)是指利用計算機生成一種可對參與者直接施加視覺、聽覺和觸覺感受,并允許其交互地觀察和操作的虛擬世界的技術(shù)。 早在1956 年,由攝影師Morton Heilig所發(fā)明的一款集成體感設(shè)備的3D 互動終端,使虛擬現(xiàn)實首次出現(xiàn)在人們的視野。 1987 年,美國VPL公司的創(chuàng)建人Jaron Lanier 首次真正意義上提出了虛擬現(xiàn)實技術(shù),被業(yè)界稱為“虛擬現(xiàn)實之父”。 VR是一種新型的計算機技術(shù)、一門嶄新的綜合性信息技術(shù)。 隨著科技水平的不斷提升,VR 技術(shù)也隨之發(fā)展,近年來,虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用已走進人們的生活,擴展到教育教學領(lǐng)域。

二、問題與動機

21 世紀的今天,許多國家把外語交際能力納入了終身學習的范疇。 然而,由于缺少真實的英語環(huán)境,學生很少有機會在真實的環(huán)境中使用英語與人進行交流。 隨著計算機和通信技術(shù)的發(fā)展,英語學習者能夠通過數(shù)字媒體或在線課程接受學習。 盡管如此,研究人員也指出了傳統(tǒng)技術(shù)支持下的外語口語訓練仍存在不少問題,包括技術(shù)問題、與教師交談焦慮、實踐的欠缺以及學習過程中缺少的實際環(huán)境。例如,使用低質(zhì)量或角度差的網(wǎng)絡(luò)攝像頭進行在線對話會顯著影響交流質(zhì)量,從而導致語言學習效果差。 由于在培訓過程中缺乏現(xiàn)實的背景,許多外語學習者害怕進行公開演講。

而虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展為語言學習環(huán)境的缺乏提供了解決方案。 它可以通過VR 頭盔、VR 眼鏡、VR 桌面交互一體機等硬件設(shè)備,提供一個模擬真實環(huán)境的交互式場景,營造超強沉浸感的智慧課堂,學生可以與虛擬人物或物體進行交互。 虛擬現(xiàn)實可以為英語教學的情境設(shè)計、展示和教學實施提供一個全新的平臺和手段,對提高學生的學習興趣和成績有很大的幫助。 近年來,虛擬現(xiàn)實的應(yīng)用逐步擴展到具體文化課程教育中。

在國外,有研究者設(shè)計了一種基于球型視頻的虛擬現(xiàn)實環(huán)境,將學生置于真實的英語語境中,并采用PA(peer assessment)策略指導學生對同伴的口語表現(xiàn)進行評價。 David Passig 提出了一個協(xié)作VR學習環(huán)境(CVRLE),幫助幼兒園到四年級的兒童學習三維幾何[1]。 Osama Halabi 將VR 與PBL(Project-Based Learning)相結(jié)合,采用自導向(self -directed)的方法,設(shè)計并實現(xiàn)了一個工程教育三維軟件產(chǎn)品,切實提高學生溝通與解決問題的能力[2]。

在國內(nèi),隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展,人們也開始逐漸重視虛擬現(xiàn)實的研究和應(yīng)用。 學者們對于虛擬現(xiàn)實技術(shù)和其可應(yīng)用的課程教學進行了大量深入的研究。 趙沁平院士認為通過VR 賦能教育可以實現(xiàn)任何存在和構(gòu)想的教育教學環(huán)境,使學習者沉浸式體驗學習對象和教學過程,會催生出新的教育教學模式和方法[3]。 楊會探討了推進虛擬現(xiàn)實2.0 實訓資源建設(shè),有效提升智能時代職業(yè)教育實訓教學的效率和質(zhì)量的可行途徑[4]。

但目前,在虛擬現(xiàn)實技術(shù)的基礎(chǔ)上,開發(fā)專業(yè)課程教學系統(tǒng),并將其應(yīng)用在人才培養(yǎng)上的研究相對薄弱,虛擬現(xiàn)實在教育軟件方面也存在一些問題[5]。開發(fā)真實的虛擬現(xiàn)實交互場景需要高昂的資金,許多學校無法承擔這個費用。 其次,利用VR 技術(shù)和學校文化課程教學內(nèi)容深度融合的相關(guān)研究很少,也具有更高的難度。 此外,對于大多數(shù)教師來說,很難學會設(shè)計虛擬現(xiàn)實教學軟件及其內(nèi)容。 最后,很少有研究工作將人工智能技術(shù)融入到虛擬現(xiàn)實教學軟件中,以實現(xiàn)更加智慧的虛擬現(xiàn)實教學和學習系統(tǒng)。

三、平臺設(shè)計

本文采用Unity 3D 和Steam VR[6]開發(fā)了一個基于VR 的英語學習平臺,融合智能語音,以實現(xiàn)在虛擬場景下智能對話學習和評判,具有多場景、交互式和智能化等特點。 且與傳統(tǒng)觀看視頻的學習方法相比具有更加優(yōu)質(zhì)的學習體驗和學習效果。 基于虛擬現(xiàn)實的英語學習平臺,要能滿足系統(tǒng)靈活性要求和系統(tǒng)易操作性要求。 一方面,系統(tǒng)必須具備可拓展性與多平臺適應(yīng),以便于后續(xù)的功能開發(fā)和支持平臺的增加,不需要進行過多繁冗復雜的操作,就能搭建系統(tǒng)化、簡介化的教學體系；另一方面,遵循以學生為中心,信息化技術(shù)為驅(qū)動,智慧化為導向,打造自主探究式的智慧學習環(huán)境。 基于VR 的智慧英語學習平臺主要功能模塊設(shè)計如表1 所示。

表1 系統(tǒng)功能模塊

(一)模型的構(gòu)造和貼圖

采用3D Max 技術(shù)對場景進行建模,主要建模對象有教室和客廳,細節(jié)的建模對象還有各種生活用品,如掃帚、書柜、桌椅等。 使用3Ds Max 導出FBX格式文件放入Unity Assets 文件夾中。 模型的構(gòu)建全部按照圖紙設(shè)計上的形狀、比例進行構(gòu)建,使用漫反射、法線貼圖等方式進行貼圖。 再運用法線貼圖、PS 插件構(gòu)建模型的凹凸感,可以使低模擁有高模的效果,并減少了內(nèi)存的使用,達到優(yōu)化效果。

(二) UI 設(shè)計

UI 設(shè)計采用UGUI 進行設(shè)計,UGUI 是Unity 自帶的GUI 系統(tǒng)中含有的一些UI 基本控件。 UI 界面又分為靜態(tài)UI 和動態(tài)UI。 在Untiy 3D 中新建Canvas 并且為其添加Image 作為UI 的背景,添加Text基本文字,以及Button 按鈕,并創(chuàng)建腳本,在腳本中實現(xiàn)Button 的Click 方法達到點擊按鍵即可完成相關(guān)動作。 為了系統(tǒng)操作的正確性和管理正確性,因此我們系統(tǒng)中設(shè)置了出錯信息。 在實現(xiàn)每個功能模塊中面對一些操作時,將會有提示錯誤信息的出現(xiàn)。為此我們將系統(tǒng)中的錯誤提示歸納成系統(tǒng)出錯處理表,其內(nèi)容如表2 所示。

表2 系統(tǒng)出錯處理

(三) 智能交互處理

系統(tǒng)交互功能主要由C#語言開發(fā)實現(xiàn),并配合使用VR 頭顯HTC Vive 及手柄等設(shè)備,將硬件操作反饋到后端服務(wù)程序,由服務(wù)程序相應(yīng)模塊處理。在Asset Store 下載并導入SteamVR Plugin、Vive Input Utility 插件。 交互功能主要實現(xiàn)人物的移動、人物間的對話等。 激光定位器能夠在用戶戴上頭盔后,對頭部的運動及方向進行捕捉,再在頭盔中顯示與此相對應(yīng)的3D 動態(tài)圖像。

系統(tǒng)還包括智能語音識別與評判功能,通過識別學生口語練習的語音,然后和存儲在數(shù)據(jù)庫中的標準答案進行對比,最后給予學生正誤提示,從而幫助學生和VR 人機進行智慧化的口語訓練。 智能語音識別采用百度UNIT 2.0 平臺實現(xiàn),UNIT 2.0 平臺是百度最專業(yè)的語義理解平臺,為開發(fā)者預置可一鍵式接入的語義理解服務(wù),方便快捷地滿足語義理解需求。 百度語音通過REST API 的方式,為開發(fā)者提供通用的HTTP 接口,以支持用戶上傳語音的錄音,通過調(diào)用百度語音識別SDK 相應(yīng)的API 對錄音進行識別,然后進行語義理解處理。 語義理解是將語音識別輸出的文本結(jié)果作為輸入,然后進行語義解析并將解析出意圖文本作為輸出。

四、平臺應(yīng)用

基于VR 的英語智慧學習平臺系統(tǒng)具有場景可選擇性,學生進入主界面后便可自主選擇場景進行學習,也可在進入場景后根據(jù)自己興趣愛好來對場景進行參觀,如圖1 所示。 教學場景通過VR 的方式進行展現(xiàn),更具真實性和互動性,讓學生更有代入感。

圖1 場景選擇

平臺的訓練模式主要分為學習模式和練習模式。 在正式開始學習前,學生必須選擇模式,選擇后根據(jù)自己的選擇,進入相應(yīng)的對話練習,如圖2 所示。 在學習模式中,學生先觀摩場景人物對話示范后,再進行逐句跟讀、學習。 在練習模式中,學生根據(jù)剛才學習到的對話,與場景中的人物進行一對一實戰(zhàn)交談,系統(tǒng)會利用智能語音識別和評判模塊對學生的對話進行正誤判斷,如圖3 所示。

圖2 模式選擇界面

圖3 學習模式對話界面

本平臺以教室為主要陣地,展開教學和相關(guān)的學習活動,學生可在平臺上完成自主學習。 虛擬現(xiàn)實技術(shù)下的平臺學習模式改變了傳統(tǒng)學習對課程進行全盤講解的做法,學生可以在平臺上自主進行學習反饋以及獲得英語學習上的重難點講解。 同時,平臺可引導學生將學習到的英語理論知識應(yīng)用于實踐,比如針對英語口語的練習進行情境角色扮演,在該過程中,重視的是培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維,幫助學生掌握和應(yīng)用創(chuàng)新方法。 學生不必親臨課堂,也能感受到一對一的情景教學。 高逼真的場景畫面打造沉浸式的外語學習環(huán)境,讓學生獲得身臨其境的學習體驗,以達到更好的學習效果。

五、問題與改進

基于虛擬現(xiàn)實的英語智慧學習平臺能夠?qū)⑤^為抽象的教學知識更為直白地表現(xiàn)出來,而利用VR技術(shù)的三維立體場景模擬功能可以對學生的各個感官形成較為有效的刺激,使其能夠全身心投入其中,增強知識學習的效果。 虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用可以通過其外接設(shè)備,例如操作鼠標、手柄等工具來有效傳達各種信息。 因此,學生能夠通過外語教學課件的基本信息描述,在虛擬教學環(huán)境中迅速找到自己所需的知識信息,并進行有效的學習及掌握,大大提高學生對英語知識的學習興趣。 同時,虛擬現(xiàn)實應(yīng)用下的英語學習平臺應(yīng)正視目前現(xiàn)實教育教學實踐中存在的問題,并對癥下藥,采取有針對性的策略解決問題。 下面將重點從英語學習平臺的管理難度較大這個方面提出具體的問題和解決方法。

雖然當前計算機信息化技術(shù)得到了迅猛發(fā)展,信息化教學平臺功能日益強大,為虛擬現(xiàn)實技術(shù)的線上教學模式開展奠定了良好的基礎(chǔ),但一些計算機網(wǎng)絡(luò)問題仍會時常出現(xiàn),加之缺乏專業(yè)管理者,很多技術(shù)問題無法得到快速解決,例如教學平臺穩(wěn)定性較差,教學資源更新速度不夠快,以及學生在線學習的量化統(tǒng)計指標不夠完整等。 所以在實際應(yīng)用中,關(guān)于平臺的完善工作仍需加強,一方面,應(yīng)該引進更高水平的網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)人才,對虛擬現(xiàn)實技術(shù)教學平臺進行管理和維護,以解決平臺使用過程中可能存在的各種問題。 另一方面也要提升專業(yè)學科教師在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)上的應(yīng)用水平,積極組織各類虛擬現(xiàn)實技術(shù)培訓,從而提升專業(yè)人員的技術(shù)水平,以保障虛擬現(xiàn)實的英語學習平臺應(yīng)用的順利推進。

六、結(jié)語

基于虛擬現(xiàn)實的英語學習平臺將虛擬教學與現(xiàn)實教學融合在一起,使二者的優(yōu)勢疊加,針對目前英語學習面臨的線下學習成本高、線上學習互動性和效率差的弊端,將虛擬現(xiàn)實技術(shù)深度融入到英語學習當中,讓學生能夠身臨其境地處于外語交流環(huán)境中,營造超強沉浸感的智慧課堂,創(chuàng)新了英語教學模式,優(yōu)化學生的知識構(gòu)建與知識積累的環(huán)境。 不僅鍛煉和提升了學生學習的主觀能動性,也轉(zhuǎn)變了學生獲取知識途徑的單一性,滿足了學生的個性化發(fā)展需求。 同時,結(jié)合虛擬現(xiàn)實技術(shù),在教學平臺上能夠給學生全新的科技視覺感受,有力提升學生學習的興趣和效率。 且目前市場上還未出現(xiàn)專門的基于虛擬現(xiàn)實的智慧英語學習系統(tǒng),因此該平臺在創(chuàng)意上和技術(shù)上都有較強的創(chuàng)新性,在市場推廣和應(yīng)用上具有廣闊的前景。